PL243260B1

PL243260B1 - Hybrid liquid solar panel with cooling plate

Info

Publication number: PL243260B1
Application number: PL438168A
Authority: PL
Inventors: Zbigniew Lisik; Katarzyna Znajdek; Ewa Raj
Original assignee: Politechnika Lodzka
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2023-07-24
Also published as: PL438168A1

Abstract

Hybrydowy cieczowy panel solarny z płytą chłodzącą, którego część kolektorową stanowi płyta chłodząca (1) zawierająca uformowane ścieżki przepływu cieczy chłodzącej, obejmujące komorę wlotową (3), komorę wylotową (4) oraz strefę wymiany ciepła umieszczoną pomiędzy komorą wlotową (3) a komorą wylotową (4), zamknięte od góry płytą górną (2) charakteryzujący się tym, że strefa wymiany ciepła ma postać co najmniej jednego minikanału o wysokości h równej od 0,2 do 2 mm.Hybrid liquid solar panel with a cooling plate, the collector part of which is a cooling plate (1) containing formed cooling liquid flow paths, including an inlet chamber (3), an outlet chamber (4) and a heat exchange zone located between the inlet chamber (3) and the outlet chamber (4), closed from the top with a top plate (2), characterized in that the heat exchange zone is in the form of at least one mini-channel with a height h of 0.2 to 2 mm.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest hybrydowy cieczowy panel solarny z płytą chłodzącą, którego część fotowoltaiczna konwertuje energię słoneczną w energię elektryczną, a część kolektorowa konwertuje energię słoneczną w energię cieplną.The subject of the invention is a hybrid liquid solar panel with a cooling plate, the photovoltaic part of which converts solar energy into electricity, and the collector part converts solar energy into thermal energy.

Autonomiczne panele fotowoltaiczne posiadają zwykle efektywność 10-14%, podczas gdy pozostała część energii słonecznej jest w nich tracona i zamieniana na ciepło zwiększając temperaturę elementów fotowoltaicznych. Ma to negatywny wpływ na efektywność konwersji fotowoltaicznej panelu, maleje ona ze wzrostem temperatury elementu o 0,4 -0,9% na każdy stopień powyżej temperatury znamionowej.Autonomous photovoltaic panels usually have an efficiency of 10-14%, while the remaining part of the solar energy is lost in them and converted into heat, increasing the temperature of the photovoltaic elements. This has a negative effect on the efficiency of the photovoltaic conversion of the panel, it decreases with an increase in element temperature by 0.4 - 0.9% for each degree above the nominal temperature.

Poprawę efektywności panelu fotowoltaicznego można uzyskać wykonując go jako panel hybrydowy zawierający w sobie część fotowoltaiczną oraz kolektor energii cieplnej. Taki panel dostarcza zarówno energię elektryczną jak i cieplną, chłodząc jednocześnie elementy fotowoltaiczne, co może skutkować nawet 30% wzrostem efektywności konwersji fotowoltaicznej. Jest on często nazywany panelem PV/T (photovoltaic/thermal) i w wersji z kolektorem wodnym jego całkowita efektywność przetwarzania energii słonecznej w energię użyteczną może sięgać nawet 50-60%.Improvement of the efficiency of the photovoltaic panel can be obtained by making it as a hybrid panel containing a photovoltaic part and a thermal energy collector. Such a panel provides both electricity and heat, while cooling the photovoltaic elements, which can result in up to 30% increase in the efficiency of photovoltaic conversion. It is often called a PV/T (photovoltaic/thermal) panel and in the version with a water collector, its total efficiency of converting solar energy into usable energy can reach even 50-60%.

Badania nad rozwiązaniami hybrydowymi paneli fotowoltaicznych sięgają końca XX wieku, a ich obecny stan zaawansowania zaowocował już pojawieniem się na rynku pierwszych rozwiązań komercyjnych oferowanych przez kilka firm np. panele MA-013 i MA-014 tureckiej firmy Solimpeks.Research on hybrid solutions of photovoltaic panels dates back to the end of the 20th century, and their current state of advancement has already resulted in the appearance on the market of the first commercial solutions offered by several companies, e.g. MA-013 and MA-014 panels from the Turkish company Solimpeks.

Poszukiwania optymalnych rozwiązań takich paneli są ciągle kontynuowane, co wynika z faktu, że hybrydowy panel solarny nie jest zazwyczaj konstrukcją tworzoną od zera, ale jest efektem zintegrowania dwóch dojrzałych i stale rozwijających się samodzielnych rozwiązań, panelu fotowoltaicznego i solarnego kolektora cieczowego. Z tego względu, samo złożenie w jednej obudowie obu elementów składowych, wybranych z aktualnej oferty rynkowej, nie daje optymalnej konstrukcji, uwzględniającej specyfikę ich wzajemnych oddziaływań i zapewniającej oczekiwaną efektywność całej konstrukcji przy akceptowalnych kosztach wykonania.The search for optimal solutions for such panels is still ongoing, which results from the fact that a hybrid solar panel is usually not a construction created from scratch, but is the result of integrating two mature and constantly developing independent solutions, a photovoltaic panel and a solar liquid collector. For this reason, the mere assembly of both components, selected from the current market offer, in one housing does not provide an optimal structure, taking into account the specificity of their mutual interactions and ensuring the expected efficiency of the entire structure at acceptable production costs.

Znane dotychczas konstrukcje cieczowych hybrydowych paneli słonecznych zawierają standardową konstrukcję panelu fotowoltaicznego umieszczoną w jednej obudowie z wybraną wersją solarnego panelu cieczowego. Panel solarny jest zwykle umieszczany od tylnej strony panelu fotowoltaicznego, pełniąc rolę kolektora (radiatora cieczowego) przejmującego energię cieplną i chłodzącego elementy fotowoltaiczne. Konstrukcje samego kolektora cieczowego oraz sposobu integracji konstrukcji hybrydowej zmieniają się w zależności od wykonawców panelu hybrydowego. Konstrukcje paneli hybrydowych zostały opisane'm.in. w opisach patentowych US4184543, US4361717, US7076965, EP2643856 oraz EP2963809. Kolektory w przytoczonych powyżej opisach patentowych służą do chłodzenia elementów fotowoltaicznych w celu zwiększenia ich wydajności. Posiadają one jednak szereg wad występujących w różnym stopniu w prezentowanych rozwiązaniach. Po pierwsze, ich konstrukcja jest dość skomplikowana. Po drugie, wykorzystują one najczęściej spiralne, proste lub nieregularne rurowe wymienniki cieplne, co nie zapewnia równomiernego chłodzenia na całej powierzchni części fotowoltaicznej, a ich efektywne działanie wymaga utrzymania odpowiednio dużej różnicy temperatury pomiędzy elementem fotowoltaicznym a cieczą chłodzącą oraz odpowiednio dużej różnicy ciśnień na wlocie i na wylocie kolektora.Previously known constructions of liquid hybrid solar panels include a standard construction of a photovoltaic panel placed in one housing with a selected version of a solar liquid panel. The solar panel is usually placed on the back side of the photovoltaic panel, acting as a collector (liquid heat sink) that absorbs heat energy and cools the photovoltaic elements. The construction of the liquid collector itself and the method of integration of the hybrid structure vary depending on the contractors of the hybrid panel. Constructions of hybrid panels have been described, among others, in in patent descriptions US4184543, US4361717, US7076965, EP2643856 and EP2963809. The collectors in the patent descriptions cited above are used to cool photovoltaic elements in order to increase their efficiency. However, they have a number of disadvantages occurring to varying degrees in the presented solutions. Firstly, their design is quite complicated. Secondly, they most often use spiral, straight or irregular tubular heat exchangers, which do not ensure uniform cooling over the entire surface of the photovoltaic part, and their effective operation requires maintaining a sufficiently large temperature difference between the photovoltaic element and the cooling liquid and a sufficiently large pressure difference at the inlet and at the collector outlet.

Z opisu patentowego FR2911997 znany jest hybrydowy panel solarny, w którym kolektor ciepła tworzy dolna płyta uformowana jako prostokątna misa, o wymiarach odpowiadających panelowi, umieszczona pod elementami fotowoltaicznymi, na której umieszczono dodatkowe elementy mechaniczne pełniące rolę turbulatorów mających zakłócać laminarny przepływ cieczy chłodzącej i w ten sposób polepszać wymianę ciepła pomiędzy płynem chłodzącym a elementami fotowoltaicznymi. Odmianą tego rozwiązania jest hybrydowy panel solarny znany z opisu patentowego EP2643856, w któr ym zrezygnowano z dodatkowych turbulatorów wykonując misę wymiennika ciepła jako wypraskę z wytłoczonymi wysepkami zakłócającymi laminarny przepływ cieczy oraz zapewniającymi dodatkowy kontakt pomiędzy tylną ścianką sekcji fotowoltaicznej, a ściankami wymiennika. Rozwiązanie drugie jest prostsze technologiczne. W obu rozwiązaniach grubość strumienia cieczy przepływającego przez kolektor jest stosunkowo duża, zawierają one wyodrębnioną warstwę izolacyjną od spodu elementów fotowoltaicznych, a dla efektywnego przejmowania ciepła wymagają one utrzymania odpowiednio dużej różnicy temperatur pomiędzy elementami fotowoltaicznymi, a cieczą chłodzącą, co istotnie wpływa na efektywność chłodzenia części fotowoltaicznej.From the patent description FR2911997, a hybrid solar panel is known, in which the heat collector is formed by a bottom plate formed as a rectangular bowl, with dimensions corresponding to the panel, placed under the photovoltaic elements, on which additional mechanical elements acting as turbulators are placed to disrupt the laminar flow of the cooling liquid and thus improve the heat exchange between the coolant and the photovoltaic elements. A variation of this solution is the hybrid solar panel known from the patent description EP2643856, in which the additional turbulators have been resigned by making the heat exchanger bowl as a molding with embossed islands disturbing the laminar flow of liquid and ensuring additional contact between the rear wall of the photovoltaic section and the walls of the exchanger. The second solution is technologically simpler. In both solutions, the thickness of the liquid stream flowing through the collector is relatively large, they contain a separate insulating layer from the bottom of the photovoltaic elements, and for effective heat transfer, they require maintaining a sufficiently large temperature difference between the photovoltaic elements and the cooling liquid, which significantly affects the efficiency of cooling the parts photovoltaic.

Dla efektywności całego systemu PV/T istotne znaczenie ma utrzymanie temperatury elementów fotowoltaicznych na jak najniższym poziomie, bliskim temperaturze wlotowej cieczy chłodzącej. Efekt ten można uzyskać zwiększając efektywność odbioru ciepła przez ciecz. W rozwiązaniu hybrydowym według wynalazku zostanie to osiągnięte dzięki integracji części fotowoltaicznej i kolektora ciepła prowadzącej do zmniejszenia dystansu między elementami fotowoltaicznymi i cieczą chłodzącą, oraz wprowadzeniu, w miejsce stosowanych dotychczas rozwiązań typowych dla kolektorów solarnych, rozwiązania wykorzystujące efekt przepływu minikanałowego cieczy chłodzącej, gwarantujący zwiększoną efektywność wymiany ciepła pomiędzy cieczą a ściankami kolektora.For the efficiency of the entire PV/T system, it is important to keep the temperature of the photovoltaic elements as low as possible, close to the inlet temperature of the cooling liquid. This effect can be achieved by increasing the efficiency of heat transfer by the liquid. In the hybrid solution according to the invention, this will be achieved thanks to the integration of the photovoltaic part and the heat collector, leading to a reduction in the distance between the photovoltaic elements and the cooling liquid, and the introduction, in place of the previously used solutions typical for solar collectors, solutions using the mini-channel flow of the cooling liquid, guaranteeing increased efficiency heat exchange between the liquid and the collector walls.

Hybrydowy cieczowy panel solarny z płytą chłodzącą, którego część kolektorową stanowi płyta chłodząca zawierająca uformowane ścieżki przepływu cieczy chłodzącej, obejmujące komorę wlotową, komorę wylotową oraz strefę wymiany ciepła umieszczoną pomiędzy komorą wlotową a komorą wylotową, zamknięte od góry płytą górną stanowiącą element integrujący część fotowoltaiczną z częścią kolektorową, według wynalazku charakteryzuje się tym, że strefa wymiany ciepła ma postać co najmniej jednego minikanału o wysokości h równej od 0,2 do 2 mm. Mała grubość obszaru przepływu cieczy w części kolektorowej zapewnia warunki przepływu minikanałowego charakteryzujące się zwiększonym współczynnikiem wymiany ciepła na granicy ciecz chłodząca/ścianka kanału. Strefa wymiany ciepła może mieć postać pojedynczego kanału obejmującego całą przestrzeń pomiędzy komorą wlotową, a komorą wylotową, co najmniej dwóch ułożonych równolegle minikanałów lub jednego minikanału meandrycznego. Korzystnie ścianki minikanałów stykają się z powierzchnią wewnętrzną płyty górnej. W polecanym wariancie komora wlotowa oraz komora wylotowa umieszczone są wzdłuż całej długości przeciwległych boków płyty chłodzącej.Hybrid liquid solar panel with a cooling plate, the collector part of which is a cooling plate containing formed paths for the flow of cooling liquid, including the inlet chamber, the outlet chamber and the heat exchange zone located between the inlet chamber and the outlet chamber, closed from the top with an upper plate constituting an element integrating the photovoltaic part with The collector part, according to the invention, is characterized in that the heat exchange zone is in the form of at least one mini-channel with a height h of 0.2 to 2 mm. The small thickness of the liquid flow area in the collector part ensures mini-channel flow conditions characterized by an increased heat transfer coefficient at the coolant liquid/channel wall interface. The heat exchange zone may have the form of a single channel covering the entire space between the inlet chamber and the outlet chamber, at least two mini-channels arranged in parallel or one meandering mini-channel. Preferably, the walls of the mini-channels are in contact with the inner surface of the top plate. In the recommended variant, the inlet chamber and the outlet chamber are located along the entire length of the opposite sides of the cooling plate.

Wprowadzenie do części kolektorowej, w miejsce stosowanych dotychczas rozwiązań typowych dla kolektorów solarnych, minikanałowego przepływu cieczy jak również jego integracja z bazą części fotowoltaicznej panelu hybrydowego według wynalazku prowadzą do zmniejszenia rezystancji termicznej na drodze strumienia ciepła od elementów fotowoltaicznych do cieczy chłodzącej, zwiększając efektywność przejmowania ciepła przez ciecz chłodzącą. Polepszenie warunków chłodzenia elementów fotowoltaicznych w konstrukcji według wynalazku prowadzi do istotnego obniżenia temperatury tych elementów przy jednoczesnym mniejszym wydatku cieczy chłodzącej, a co za tym idzie polepszenia parametrów eksploatacyjnych hybrydowego panelu solarnego względem rozwiązań znanych ze stanu techniki.The introduction to the collector part, in place of the solutions typical for solar collectors used so far, of a mini-channel liquid flow as well as its integration with the base of the photovoltaic part of the hybrid panel according to the invention lead to a reduction in thermal resistance on the way of the heat flow from the photovoltaic elements to the cooling liquid, increasing the efficiency of heat transfer through the coolant. The improvement of the cooling conditions of the photovoltaic elements in the construction according to the invention leads to a significant decrease in the temperature of these elements with a simultaneous lower cooling liquid consumption, and thus an improvement in the operational parameters of the hybrid solar panel in relation to the solutions known from the state of the art.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania został uwidoczniony na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia rozłożony widok ogólny panelu hybrydowego według wynalazku, Fig. 2 przekrój przez panel hybrydowy wzdłuż osi A-A, Fig. 3 - Fig. 5 przykłady możliwych rozwiązań minikanałowej płyty chłodzącej, a Fig. 6 przekrój przez dedykowaną płytę chłodzącą wzdłuż o si B-B zaznaczonych na Fig. 3 i Fig. 4.The subject of the invention in the embodiment is shown in the drawing, in which Fig. 1 shows an exploded general view of the hybrid panel according to the invention, Fig. 2 shows a cross-section through the hybrid panel along the A-A axis, Fig. 3 - Fig. 5 shows examples of possible solutions for a mini-channel cooling plate, and Fig. 6 cross-section through a dedicated cooling plate along the axis B-B marked in Fig. 3 and Fig. 4.

Hybrydowy panel solarny zawiera część fotowoltaiczną i kolektorową zintegrowane ze sobą. Podstawowymi elementami części kolektorowej są płyta chłodząca 1 oraz płyta górna 2, stanowiąca także element części fotowoltaicznej. Płyta chłodząca 1 ukształtowana jest w taki sposób, że przestrzeń pomiędzy nią a płytą górną 2 zawiera komorę wlotową 3, komorę wylotową 4 oraz przestrzeń 5 pomiędzy nimi, umożliwiającą minikanałowy przepływ cieczy chłodzącej. Na Fig. 1 przestrzeń ta zawiera wypełniający ją całkowicie pojedynczy minikanał meandryczny o wysokości h = 0,2 ^ 2 mm. Komora wlotowa 3 oraz komora wylotowa 4 umieszczone są wzdłuż całej długości dwóch przeciwległych boków płyty chłodzącej 1. W komorze wlotowej 3 oraz komorze wylotowej 4 umieszczone są także, odpowiednio, wlot 6 i wylot 7 cieczy chłodzącej.The hybrid solar panel includes the photovoltaic and collector parts integrated with each other. The basic elements of the collector part are the cooling plate 1 and the top plate 2, which is also part of the photovoltaic part. The cooling plate 1 is shaped in such a way that the space between it and the upper plate 2 contains an inlet chamber 3, an outlet chamber 4 and a space 5 between them, enabling mini-channel flow of the cooling liquid. In Fig. 1, this space contains a single meandering mini-channel with a height of h = 0.2 ^ 2 mm filling it completely. The inlet chamber 3 and the outlet chamber 4 are located along the entire length of the two opposite sides of the cooling plate 1. In the inlet chamber 3 and the outlet chamber 4 there are also an inlet 6 and an outlet 7 of the cooling liquid, respectively.

Widok hybrydowego panelu solarnego w płaszczyźnie A-A uwidocznionej na Fig. 1 jest przedstawiony na Fig. 2. Obejmuje on płytę chłodzącą 1, wspólną płytę dla części kolektorowej i fotowoltaicznej 2, kontaktową warstwę metaliczną 8 zawierającą pola lutownicze oraz struktury fotowoltaiczne 10.The view of the hybrid solar panel in plane A-A shown in Fig. 1 is shown in Fig. 2. It includes a cooling plate 1, a common plate for the collector and photovoltaic parts 2, a contact metallic layer 8 containing solder pads and photovoltaic structures 10.

Przykład rozwiązań płyty chłodzącej ze strefą wymiany ciepła w postaci pojedynczego minikanału przedstawia Fig. 3. Minikanał 5 o wysokości h = 0,2 ^ 2 mm jest połączony z komorą wlotową 3 z jednej strony oraz z komorą wylotową 4 z drugiej, a kierunek przepływu cieczy może odbywać się wzdłuż krótszego lub dłuższego boku płyty chłodzącej.An example of solutions for a cooling plate with a heat exchange zone in the form of a single mini-channel is shown in Fig. 3. Mini-channel 5 with a height of h = 0.2 ^ 2 mm is connected to the inlet chamber 3 on one side and to the outlet chamber 4 on the other, and the direction of liquid flow can take place along the short or long side of the cooling plate.

Przykład rozwiązań płyty chłodzącej ze strefą wymiany ciepła w postaci równoległych minikanałów przedstawia Fig. 4. Minikanały 5 o wysokości h = 0,2 ^ 2 mm tworzą równoległą sieć połączoną z komorą wlotową 3 z jednej strony oraz z komorą wylotową 4 z drugiej strony, a kierunek przepływu cieczy może odbywać się wzdłuż krótszego lub dłuższego boku płyty chłodzącej.An example of cooling plate solutions with a heat exchange zone in the form of parallel mini-channels is shown in Fig. 4. Mini-channels 5 with a height of h = 0.2 ^ 2 mm form a parallel network connected to the inlet chamber 3 on one side and the outlet chamber 4 on the other side, and the direction of liquid flow can be along the shorter or longer side of the cooling plate.

Przykład rozwiązania płyty chłodzącej ze strefą wymiany ciepła w postaci szeregowego połączenia mikrokanałów przedstawia Fig. 5. Minikanały 5 o wysokości h = 0,2 ^ 2 mm są połączone szeregowo tak, że jeden koniec połączenia szeregowego jest połączony z komorą wlotową 3 a drugi koniec z komorą wylotową 4.An example of a cooling plate solution with a heat exchange zone in the form of a series connection of micro-channels is shown in Fig. 5. Mini-channels 5 with a height of h = 0.2 ^ 2 mm are connected in series so that one end of the series connection is connected to the inlet chamber 3 and the other end to the inlet chamber 3 outlet chamber 4.

Widok przekroju części kolektorowej hybrydowego panelu solarnego w płaszczyźnie B-B zaznaczonej na Fig. 3 i Fig. 4 jest przedstawiony na Fig. 6. Obejmuje on płytę chłodzącą 1, wspólną płytę dla części kolektorowej i fotowoltaicznej 2 oraz uwidacznia komorę wlotową 3, komorę wylotową 4 i przestrzeń 5 zapewniającą minikanałowy przepływ cieczy chłodzącej.A cross-sectional view of the collector part of the hybrid solar panel in the plane B-B marked in Fig. 3 and Fig. 4 is shown in Fig. 6. It includes a cooling plate 1, a common plate for the collector and photovoltaic part 2 and shows the inlet chamber 3, the outlet chamber 4 and space 5 ensuring mini-channel flow of cooling liquid.

Claims

1. Hybrid liquid solar panel with a cooling plate, the collector part of which is a cooling plate containing formed cooling liquid flow paths, including the inlet chamber, the outlet chamber and the heat exchange zone located between the inlet chamber and the outlet chamber, closed from the top with an upper plate, which is an integrating element a photovoltaic part with a collector part, characterized in that the heat exchange zone (5) is in the form of at least one mini-channel with a height h of 0.2 to 2 mm.

2. The hybrid solar panel according to claim o 1, characterized in that the heat exchange zone (5) is in the form of a single channel covering the entire space between the inlet chamber (3) and the outlet chamber (4).

3. The hybrid solar panel according to claim 1, characterized in that the heat exchange zone (5) is in the form of at least two parallel mini-channels.

4. The hybrid solar panel according to claim 1, characterized in that the mini-channel heat exchange zone (5) is in the form of one meandering mini-channel.

5. The hybrid solar panel according to claim 3 or 4, characterized in that the walls of the mini-channels are in contact with the inner surface of the upper plate (2).

6. A hybrid solar panel according to any claim. from 1 to 5, characterized in that the inlet chamber (3) and the outlet chamber (4) are located along the entire length of the opposite sides of the cooling plate (1).