ITBS20090056A1 - Impianto di collettori solari a concentrazione con sistema di orientamento azimutale - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

“IMPIANTO DI COLLETTORI SOLARI A CONCENTRAZIONE CON

SISTEMA DI ORIENTAMENTO AZIMUTALEâ€

Campo dell’Invenzione

La presente invenzione si riferisce in generale al settore dei collettori solari termici e riguarda in particolare un impianto per una conversione termodinamica dell’energia solare in energia elettrica, partendo da un insieme di collettori solari cilindro-parabolici con un sistema di orientamento azimutale.

Stato della tecnica

Per la conversione termodinamica dell’energia solare in energia elettrica occorre trasformare la radiazione solare in energia termica da conferirsi ad un adeguato fluido termovettore ad una temperatura superiore rispetto a quella dell’ambiente. L’energia termica, poi, può essere trasformata in energia elettrica mediante un ciclo termodinamico.

Pertanto, per garantire un rendimento adeguato del ciclo termodinamico occorre che l’energia termica sia ottenuta a temperatura quanto più possibile elevata.

A questo scopo si usano per lo più dei collettori solari cosiddetti a concentrazione nei quali un sistema ottico opportuno, detto concentratore, invia la radiazione solare ad un elemento, definito ricevitore, nel quale la radiazione si trasforma in calore, veicolato poi a temperatura elevata dal fluido termovettore. Il rapporto fra le superfici captanti del concentratore e del ricevitore à ̈ detto fattore di concentrazione, di solito indicato con la lettera F.

I collettori solari a concentrazione possono avere morfologie alquanto diverse, differendo i collettori sia per la modalità ottica adottata (sistemi ottici a riflessione oppure a rifrazione, sistemi con ottica continua o discontinua, sistemi con concentrazione puntuale ovvero lineare, per il fattore di concentrazione, etc.) sia per la disposizione reciproca e la forma del concentratore e del ricevitore.

La soluzione finora adottata con maggior successo, rappresentata indicativamente nella Fig. 1a, utilizza collettori cosiddetti cilindroparabolici disposti in file, in ognuno dei quali il concentratore à ̈ nella forma di una parabola cilindrica riflettente 1, che à ̈ orientabile attorno ad un asse orizzontale parallelo alle generatrici del cilindro e che concentra la radiazione solare su un tubo ricevitore in metallo 2 percorso da un fluido termovettore. Il tubo 2 -Fig. 1b- à ̈ in genere dotato di un rivestimento 3 con coefficiente di assorbimento elevato, a sua volta protetto verso l’esterno da un tubo di vetro 4 che limita le perdite sia radiative che convettive. Questo tipo di collettore può essere classificato come dotato di concentrazione lineare in quanto la deviazione della radiazione ai fini della concentrazione avviene unicamente nel piano ortogonale alle generatrici della parabola cilindrica e in quanto la deviazione della radiazione à ̈ ottenuta per riflessione ad opera di una superficie riflettente continua.

Il fluido termovettore, che trasporta il calore dal tubo ricevitore 2 verso il ciclo termodinamico per una susseguente conversione dell’energia termica in energia elettrica, à ̈ normalmente olio diatermico oppure una miscela di sali fusi (molten salt). Un insieme di collettori solari con concentratori cilindro-parabolici costituisce un sistema distribuito, in quanto la raccolta dell’energia solare sotto forma di energia termica avviene in modo distribuito in tutto il campo solare.

Opportune tubazioni devono poi portare il fluido termovettore caldo al sistema di conversione in energia elettrica.

Uno dei problemi del sistema appena descritto à ̈ la necessità di distanziare fra loro file successive di collettori per limitare gli effetti d’ombra fra una fila e l’altra.

Inoltre, a seconda della disposizione delle file di collettori (Nord-Sud piuttosto che Est-Ovest), si ha comunque una raccolta con angolo di incidenza non ottimale in talune ore del giorno e a seconda del periodo dell’anno.

E’ stata quindi proposta una soluzione, quale mostrata nelle Figg. 2a e 2b, che prevede di montare, mediante supporti 5, due o più collettori su una piattaforma rotante 6, che permette di mantenere le generatrici delle parabole di concentrazione 1 ortogonali alla direzione della radiazione solare. I concentratori sono inoltre suscettibili di rotazione ognuno attorno a un asse 7 parallelo alla sua generatrice, per cui vengono mantenuti ortogonali alla radiazione incidente. Tuttavia, anche in questo caso, le file successive devono comunque essere distanziate, per evitare le perdite per ombreggiamento e quindi la loro installazione richiede la disponibilità di ampie superfici. Per di più, tale sistema prevede meccanismi di orientamento separati 8, 9, rispettivamente per la piattaforma e per i collettori, con i relativi costi e, in aggiunta, in caso di vento forte i collettori risultano molto esposti all’azione del vento con rischi di danneggiamento.

Scopo e Sommario dell’Invenzione

Scopo della presente invenzione à ̈ di ovviare agli inconvenienti sopra lamentati con un impianto di collettori solari a concentrazione e ad orientamento variabile che consenta:

di raccogliere al meglio la radiazione solare ed assicurare il miglior rendimento dell’impianto in ogni ora del giorno e indipendentemente dalla posizione azimutale del sole,

di eliminare, o quanto meno limitare drasticamente, le zone d’ombra fra collettori contigui per aumentare la loro esposizione al sole, di minimizzare l’azione del vento sui collettori, e

di innovare nell’insieme il sistema di orientamento, riducendo complessivamente i costi di esecuzione, gestione e manutenzione dell’impianto.

Secondo l’invenzione, tale scopo à ̈ raggiunto essenzialmente con una collocazione di una molteplicità di collettori solari cilindroparabolici su una piattaforma girevole, disposti parallelamente, strettamente accostati fianco a fianco, causando una rotazione della piattaforma attorno a un asse verticale, in modo da mantenere costantemente le generatrici delle superfici cilindro-paraboliche parallele alla direzione azimutale del sole, ed associando ai detti collettori una struttura recante una o più superfici riflettenti predisposte per captare aggiuntivamente e riflettere la luce solare sui collettori.

Vantaggiosamente, i collettori cilindro-parabolici, che costituiscono la parte attiva dal punto di vista dello sfruttamento dell’energia solare, usati secondo l’invenzione, in quanto fissi alla piattaforma, appaiono di facile realizzazione e minor costo rispetto ai tradizionali, analoghi collettori mobili cilindro-parabolici e meno esposti all’azione del vento. Inoltre, il sistema richiede un solo meccanismo di orientamento, quello azimutale, non tanti meccanismi separati per ciascun collettore come nella tecnica nota, per cui à ̈ di più semplice controllo. Da notare anche che lo sfruttamento della superficie di terreno disponibile viene ad essere migliore rispetto ad un campo di eliostati o di dischi parabolici e, rispetto alla superficie occupata, le prestazioni sono migliori. L’interfaccia rispetto al suolo à ̈ limitata ad una sola fondazione, laddove, invece, nei sistemi tradizionali gli allineamenti e la compensazione dei dislivelli possono essere laboriosi e costosi da effettuarsi. La vulnerabilità rispetto ad oggetti trascinati dal vento e/o rispetto a vandalismi viene ad essere inferiore nei confronti dei sistemi ancorati a terra.

In sostanza, quello proposto dalla presente invenzione può essere considerato un sistema di semplice realizzazione e installazione.

Breve descrizione dei disegni

L’invenzione sarà peraltro illustrata più in dettaglio nella descrizione che segue fatta con riferimento agli allegati disegni schematici e non limitativi, nei quali:

le Figg. 1a, 1b e 2a, 2b sono indicative dello stato dell’arte sopra riferito;

le Figg. 3a e 3b mostrano, rispettivamente, una vista prospettica e una vista laterale di una prima forma di esecuzione di un sistema di collettori solari secondo l’invenzione;

le Figg. 4 e 5 mostrano due ulteriori forme di realizzazione di collettori solari secondo l’invenzione;

le Figg. 6a, 6b e 6c mostrano delle forme di realizzazione del sistema con mezzi di riflessione movibili in caso di vento;

le Figg. 7a e 7b mostrano un particolare del supporto per la rotazione della piattaforma;

le Figg. 8a e 8b mostrano gli schemi di altrettante forme di realizzazione dell’impianto di conversione termodinamico.

Descrizione Dettagliata dell’invenzione

L’impianto qui proposto comprende una pluralità di collettori solari 11 a concentrazione preferibilmente del tipo cilindro–parabolici.

Ogni collettore comprende dunque un concentratore nella forma di un elemento riflettente a parabola cilindrica 12 ed un ricevitore 13 in forma di tubo al cui interno scorre un liquido termovettore. L’elemento riflettente 12 ha una parete interna concava, una esterna convessa e una generatrice. Il ricevitore 13 à ̈ dotato di un rivestimento con un coefficiente di assorbimento elevato, a sua volta protetto da un tubo in un materiale trasparente, quale il vetro, come descritto in riferimento alle Figg. 1 e 2. Il ricevitore 13 à ̈ posto parallelamente all’elemento a parabola, affacciato alla parete concava di questo elemento e da esso portato mediante dei bracci di supporto.

Secondo l’invenzione, e come mostrato nelle Figg. 3a e 3b, i collettori 11 sono montati adiacenti gli uni agli altri su una piattaforma 14, con la parete esterna di ciascuna parabola vincolata a quest’ultima.

La piattaforma può ruotare attorno ad un suo asse X perpendicolare, tramite un attuatore 15 e dei dispositivi di controllo non rappresentati, in modo da avere costantemente le generatrici delle cilindro-parabole (ovvero i ricevitori 13) sostanzialmente parallele alla direzione azimutale del sole. La piattaforma ha un lato posteriore 16, perpendicolare alla direzione longitudinale dei collettori, che à ̈ collocato e mantenuto da parte opposta rispetto alla posizione mattutina e serale del sole, e un lato anteriore 17 ad esso apposto. Sul lato posteriore 16 sono previste almeno una superficie riflettente addizionale 18 vincolata ad esso, predisposta con un angolo di inclinazione 19, che può essere fisso, cioà ̈ indipendente dalla posizione zenitale del sole, oppure variabile in base alla posizione zenitale del sole. In questo secondo caso ogni superficie riflettente addizionale 18 sarà montata e suscettibile di rotazione angolare con una cerniera 19’ di vincolo tra la stessa superficie riflettente e la piattaforma.

Nelle Figg. 3a e 3b à ̈ rappresentata una prima forma di realizzazione con un’unica superficie riflettente 18. Nella Figg. 4 la superficie riflettente 18 à ̈ frazionata in un insieme di superfici distinte 18a, all’incirca complanari. Nella Fig. 5 à ̈ mostrata un’ulteriore forma di realizzazione nella quale i collettori 11 sulla stessa piattaforma possono essere disposti a gruppi ed avere lunghezze diverse e dove sono previste più superfici riflettenti addizionali 18b distinte e collocate in piani diversi, sfalsati gli uni rispetto agli altri, anche se all’incirca paralleli.

Per ridurre l’impatto del vento sulle superfici riflettenti in caso di vento estremo, sono previsti dei mezzi per la rotazione delle superfici riflettenti, come mostrato nelle Figg. 6a, 6b e 6c, dove per semplicità sono mostrate le sole piattaforme 14 senza collettori 11. In particolare la superficie riflettente in Fig. 6a, sotto la spinta del vento può ruotare attorno ad una cerniera 19’ per disporsi in posizione orizzontale e chiudersi sui collettori o risultare ribaltata indietro di 180° rispetto ad essi. Oppure, come mostrato nelle Figg. 6b e 6c, ogni superficie riflettente 18c à ̈ girevole su un asse di rotazione 20, sostanzialmente verticale, che divide la superficie in due parti 21, 22 in modo che una di queste sia soggetta ad minor spinta aerodinamica dell’altra. A tal fine, una di dette due parti 21 può presentare, ad esempio, delle aperture 23 (Fig. 6c), oppure un’area minore (Fig. 6b), per consentire la rotazione di ciascuna superficie riflettente 18c sotto la spinta del vento. Inoltre, ancorché non rappresentato, potrà essere previsto un meccanismo che consente ad ogni superficie riflettente 18c di ruotare in caso di vento estremo, e di ritornare in posizione quando il vento diminuisce.

In ogni forma di realizzazione, poi, ogni superficie riflettente addizionale 18a, b e c può essere dotata di un’ala di sommità 118 ad inclinazione variabile secondo la posizione del sole in modo da riflettere comunque in misura massima la radiazione solare sui collettori.

La piattaforma può essere vincolata a terra a una fondazione 24 tramite un supporto 25 e ruota rispetto ad esso grazie ad un cuscinetto o ralla 26, secondo la tecnica consueta per esempio per i bracci delle gru. Il cuscinetto o ralla può essere posto in prossimità della piattaforma o in prossimità della fondazione 25, o in una posizione intermedia (Figg. 7a, 7b).

Il fluido termovettore circolante e che si riscalda nei ricevitori 13 associati alle cilindro-parabole 12 à ̈ convogliato da almeno due tubi, uno di andata 27 ed uno di ritorno 28 e con l’ausilio di almeno una pompa P, in una posizione sull’asse di rotazione X della piattaforma e qui, attraverso due giunti rotanti 29 à ̈ portato ad una parte di impianto 30 fissata a terra.

La parte a terra comprende un sistema di conversione di potenza 31, un sistema di cessione di calore all’ambiente 32 e un sistema di accumulo termico 33, se richiesto, secondo lo schema di Fig 8a. In Fig. 8b à ̈ rappresentato uno schema analogo a quello di Fig. 8a, ma in cui tutte le apparecchiature si trovano a bordo della piattaforma stessa e ruotano con essa.

Il sistema di conversione di potenza 31, in relazione alle temperature e alla potenza installata, sarà preferibilmente di tipo ORC (Organic Rankine Cycle). Lo schema indicato costituisce una soluzione preferenziale, ma non esclude altre soluzioni. Nelle figure non sono poi indicati tutti gli accessori normalmente presenti in questo tipo di circuiti, per esempio valvole, spurghi drenaggi, serbatoi tampone (buffer tank) vaso di espansione, etc.

Inoltre il sistema di produzione di potenza può anche essere alimentato da un gruppo di piattaforme in luogo di una soltanto, in modo da avere maggiore potenza e quindi minore costo specifico.

Claims (15)

1. “IMPIANTO DI COLLETTORI SOLARI A CONCENTRAZIONE CON SISTEMA DI ORIENTAMENTO AZIMUTALE†R I V E N D I C A Z I O N I 1. Sistema orientabile di collettori solari a concentrazione, comprendente una pluralità di collettori cilindro-parabolici (11) aventi un elemento riflettente a parabola cilindrica (12) e un ricevitore (13) in forma di tubo per il passaggio di un fluido termovettore, caratterizzato in ciò che detti collettori cilindro-parabolici sono montati adiacenti gli uni agli altri e connessi rigidamente a una piattaforma (14), rotante attorno a un suo asse perpendicolare al suolo e comandata per seguire la posizione azimutale del sole, e in ciò che lungo un lato di detta piattaforma, perpendicolare alla direzione longitudinale dei collettori, à ̈ vincolata e si eleva almeno una superficie riflettente addizionale (18) per riflettere la radiazione solare sopra i collettori.
2. 2. Sistema di collettori solari secondo la rivendicazione 1, caratterizzato in ciò che alla piattaforma (14) à ̈ vincolata una superficie riflettente addizionale (18) comune per tutti i collettori (11).
3. 3. Sistema di collettori solari secondo la rivendicazione 1, caratterizzato in ciò che alla piattaforma (14) sono vincolate più superfici riflettenti addizionali (18a) distinte, sostanzialmente complanari l’una all’altra.
4. 4. Sistema di collettori solari secondo la rivendicazione 1, caratterizzato in ciò che alla piattaforma sono vincolate più superfici riflettenti addizionali (18b) disposte in piani diversi, sfalsati gli uni rispetto agli altri secondo la direzione longitudinale dei collettori e sostanzialmente paralleli tra loro.
5. 5. Sistema di collettori solari secondo le rivendicazioni 1-4, in cui ogni superficie riflettente addizionale (18, 18a, 18b) Ã ̈ vincolata rigidamente alla piattaforma con un angolo di inclinazione fisso (19).
6. 6. Sistema di collettori solari secondo le rivendicazioni 1-4, in cui ogni superficie riflettente (18, 18a, 18b) Ã ̈ ad inclinazione variabile per rotazione su un cerniera ad asse orizzontale in base alla posizione zenitale del sole.
7. 7. Sistema di collettori solari secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ogni superficie riflettente addizionale à ̈ superiormente dotata di almeno un’ala ad inclinazione variabile secondo la posizione del sole.
8. 8. Sistema di collettori solari secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui sono previsti dei mezzi per la rotazione delle superfici riflettenti addizionali quando soggette ad una spinta aerodinamica e per riportarle in posizione al diminuire di detta spinta.
9. 9. Sistema di collettori solari secondo la rivendicazione 8, in cui ogni superficie riflettente addizionale à ̈ suscettibile di rotazione attorno alla cerniera orizzontale fino a disporsi in una posizione orizzontale sui o lontano dai collettori.
10. 10. Sistema di collettori solari secondo la rivendicazione 8, in cui ogni superficie riflettente addizionale à ̈ movibile angolarmente attorno ad un asse verticale, detta superficie riflettente essendo configurata con due parti asimmetriche rispetto a detto asse per offrire una resistenza alla spinta aerodinamica una meno dell’altra.
11. 11. Sistema di collettori solari secondo le rivendicazioni 10, in cui l’asse di rotazione divide la superficie riflettente addizionale in due parti di cui una avente una superficie minore dell’altra.
12. 12. Sistema di collettori solari secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il fluido termovettore riscaldato nelle cilindro-parabole à ̈ convogliato a un impianto di conversione termodinamica.
13. 13. Sistema di collettori solari secondo la rivendicazione 12, in cui l’impianto di conversione termodinamica à ̈ fisso a terra ed à ̈ collegato ai ricevitori dei collettori sulla piattaforma mediante dei giunti rotanti.
14. 14. Sistema di collettori solari secondo la rivendicazione 12, in cui l’impianto di conversione termodinamica à ̈ a bordo della piattaforma stessa e ruota con essa.
15. 15. Sistema di collettori solari secondo la rivendicazione 12, in cui l’impianto di conversione termodinamica à ̈ alimentato da più sistemi di collettori conformi alle rivendicazioni precedenti.