ITLE20090011A1 - Sistema di accumulo dell'energia termica da radiazione solare. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di Brevetto d' Invenzione avente per titolo ;

"Sistema di accumulo dell'energia termica da radiazione solare",

Forma oggetto del presente trovato un sistema di accumulo dell'energia termica da radiazione solare, idoneo a trasferire in maniera semplice ed efficace, anche in tempi differiti, calore ad un fluido che opera un ciclo termodinamico per la generazione di energia elettrica,

Negli ultimi anni, a causa del progressivo aumento del costo dei combustibili fossili, dei loro inevitabile esaurimento e del danno ambientale legato al loro consumo, molta attenzione è stata posta alla ricerca finalizzata allo sfruttamento dell'energia solare, nelle diverse e varie forme di utilizzo, quale valida fonte energetica alternativa. L'energia solare, infatti, rappresenta la forma di energia più pulita e disponibile oltre ad essere potenzialmente illimitata.

Lo sfruttamento della sola componente diretta della radiazione solare per la produzione di energia elettrica viene oggi preferibilmente effettuata nei cosiddetti impianti "a concentrazione ad alta temperatura" o "solari termodinamici", con applicazioni che li vedono spesso integrativi di quelli convenzionali a combustibili fossili. Con tale soluzione tecnologica, in cui si fornisce, attraverso il fluido termo vettore utilizzato, solo parte del calore necessario all'intero ciclo di potenza, è possibile ridurre i costi dell'energia elettrica prodotta ed eliminare le inevitabili discontinuità di produzione delia stessa legate alla variabilità delia fonte solare. Affidando la continuità del servizio al solo impianto solare, è assolutamente necessario adottare un sistema di accumulo dell'energia termica per limitare al massimo i transitori di breve durata legati ad irregolarità dell'irraggiamento solare e, più in generale, separare il momento della raccosta da quello deil'utilizzo effettuati, rispettivamente, dal sistema di concentrazione per il tramite del fluido termovettore e da uno scambiatore con il fluido di processo.

Se nessun altro sistema Interviene, la temperatura massima raggiungìbile dal fluido di processo è molto prossima a quella del sistema di accumulo (differendo da quest'ultima solo per le inevitabili perdite) e condiziona, Il rendimento raggiungibile dall'intero ciclo di potenza secondo quanto stabilito nella macchina termica ideale di Carnet.

Megli impianti solari termodinamici con accumulo termico è quindi possibile generalmente distinguere due fluidi che operano; il fluido Lermovettore che raccoglie il calore dal sistema di concentrazione e definisce, con le sue caratteristiche chimico fisiche, le peculiarità dell'accumulo; il fluido di processo che riceve il calore dal fluido termovettore in uno scambiatore ed opera il ciclo termodinamico o di potenza. Tralasciando le applicazioni a carattere prettamente sperimentale o dimostrativo, due sono i fluidi termovettori utilizzati in impianti che hanno superato un considerevole numero dì ore di funzionamento: gli oli sintetici/minerali e le miscele di sali fusi dì sodio e potassio - impianti di Kramer Junction, Harper Lake, e di Barstow denominato Solar Two in California - . Entrambi i fluidi, che operano alla temperatura di esercizio allo stato liquido, hanno evidenziato una serie dì problematiche e limiti di utilizzo: gli oli, ad esempio, possono adoperarsi sino alla temperatura di circa 400 T; hanno un costo elevato ed, in caso di perdite, sono facilmente infiammabili e pericolosi per l'ambiente; i sali fusi di sodio e potassio, rispetto agli oìi, consentono di operare a temperature superiori (550“C ma non oltre pena dissociazione) ma le miscele non possono essere raffreddate prudentemente sotto i 29D“C poiché cristallizzano a 238T e solidificano a 221“C. In quest'ultimo caso inoltre, al di là delle problematiche relative alle temperature, si impongono anche soluzioni tecnologiche e modalità di funzionamento alquanto particolari per la gestione di tali miscele: è necessario infatti predisporre una circolazione continua delie stesse (anche di notte) per prevenire eventuali solidificazioni; le tubazioni devono essere riscaldate nella fasi di avvio o fermo impianto per evitare il raffreddamento del fluido; esiste sempre il pericolo di blocco della circolazione nelle zone fredde del circuito; pompe, valvole e guarnizioni devono essere studiate ad hoc come pure i materiati, con cui \ sali vengono in contatto, per limitare i fenomeni di corrosione.

Scopo principale della seguente invenzione è quello di superare i problemi e gli svantaggi dei sistemi sopra indicati e fornire un nuovo sistema per l'accumulo dell'energia termicr a da radiazione solare, semplice, efficiente e che utilizzi solo materiali e fluidi totalmente compatibili con l'ambiente,

Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un diverso sistema d'accumulo dell'energia termica da radiazione solare, comprendente

a) un letto· di particelle solide perfettamente miscelate,

b) un dispositivo per lo scambio dì calore tra dette particelle solide ed un fluido che opera un ciclo termodinamico,

c) un concentratore dei raggi solari,

caratterizzato dal fatto che, in presidia della radiazione solare direna, detto concentratore dei raggi solari c) innalza la temperatura delle singole particelle solide perfettamente miscelate costituenti detto letto 3) e consente al sistema, anche in tempi differiti, per il tramite di detto dispositivo di scambio di calore b}, il trasferimento dell'energìa termica, accumulata nelle particelle solide perfettamente miscelate, ai fluido che opera il ciclo termodinamico-Preferibil mente secondo l'invenzione Sa perfetta miscelazione delle particelle solide è ottenuta tramite la fluidizzazione delle stesse con un gas 0 un vapore.

Preferibilmente secondo l'invenzione il fluido che opera 8 ciclo termodinamico coincide con quello che fluidlzza le particelle solide costituenti il (etto,

Preferibilmente secondo l'invenzione il concentratore dei raggi solari c) è costituito da una lente dì FresneJ.

Preferibilmente secondò FinvenzJone il riscaldamento delle partitelle solide perfettamente miscelate può avvenire per Fazione diretta dei concentratore di raggi solari c) sulle stesse e/o per l'azione indiretta di un materiale 0 dispositivo, interposto tra il letto di particelle solide a) ed il concentratore dei raggi solari cj a contatto con le particelle solide perfettamente miscelate e su cui agisce il concentratore dei raggi solari cj,

La presente invenzione verrà ora descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue preferite forme di realizzazione, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati, in cuii

la Figura 1 della Tavola 1 mostra una schematizzazione generale comprendente gli elementi del sistema di accumulo secondo l'invenzione;

la Figura 2 della Tavola 1 mostra una schematizzazione del sistema di accumulo in cui il concentratore agisce indirettamente sulle particelle solide del letto fluidizzate;

la Figura 3 della Tavola 1 mostra una schematizzazione del sistema di accumulo in cui una lente di Fresnel agisce direttamente sulle particelle solide dei letto fluidizzate; la Figura 4 della Tavola 2 mostra una schematizzazione del sistema di accumulo utilizzabile per la produzione di energia elettrica;

la Figura 5 della Tavola 3 mostra una schematizzazione dell’impianto solare costituito da una serie di sistemi di accumulo secondo l'invenzione, integrati con altri dispositivi che utilizzano forme diverse di energia integrative o sostitutive di quella solare.

Con riferimento alla Figura 1 della Tavola 1, si può osservare una schematica forma di realizzazione del sistema di accumulo secondo l'invenzione, comprendente il letto di particelle perfettamente miscelato 3 all'interno di una struttura di contenimento generica 6; il sistema di concentrazione 2 dei raggi solari 1; un dispositivo generico di scambio termico 4, all'interno del quale scorre il fluido 5 che opera il ciclo termodinamico, L'energia termica proveniente da radiazione solare viene accumulata nella particelle che costituiscono il letto 3 e non in una sostanza allo stato liquido come un sale fuso o olio. La natura delle particelle determina la massima temperatura operativa del sistemar appaiono evidenti i vantaggi di tale sistema di accumulo dato che, utilizzando un materiale molto comune come il quarzo, possono raggiungersi temperature anche superiori ai 1000· °C senza pregiudicarne lo stato e le caratteristiche nel tempo.

Non esistono, naturalmente, problemi di agglomerazione delle particelle con le alte e basse temperature di esercizio: le particelle non sono infiammabili e pericolose per l'ambiente come accade per I sali fusi e gli olf

Per assicurare condizioni di temperatura uniformi a tutta la massa interessata all'accumulo termico, è necessario che il letto di particelle sia In continuo rimescolamento specie nella zona di concentrazione, dove vengono raggiunte temperature elevatissime e dipendenti dai Sistema di concentrazione utilizzato, *ì termine utilizzato per assicurare tale condizione è quello di letto perfettamente miscelato.

Nella Figura 2 della Tavola 1, SI può osservare una forma di realizzazione del sistema di accumulo secondo l'invenzione In cui le condizioni dì perfetta miscelazione possono considerarsi raggiunte quando le particelle solide 3 vengono fluidizzate con un gas o vapore come per 1 sistemi a letto fluido di cut, nelle diverse forme di realizzazione industriale, sono ben note le caratteristiche e prestazioni. Un letto fluido di particelle solide è caratterizzato da una elevatissima inerzia termica, da una temperatura costante in tutta la massa e da coefficienti di scambio molto elevati con le superficì immerse nella fase densa, Nella schematizzazione della Figura 2, la fluidizzazione delle particelle è attuata introducendo il fluido 9 attraverso il condotto 12 nella zona di distribuzione 10. delimitata dal fondo del contenitore 6 e da una piastra forata 11: fi fluido 9, dopo a vere attraversato con adeguata velocità il letto di particelle, raggiunto il freeboard 13, abbandona 11 sistema, isolato dall'esterno tramite fa copertura 8, attraverso 3⁄4 condotto 14. L'energia termica accumulata dalle particelle fluidi zzate 3, viene trasferita al fluido 5 attraverso lo scambiatore 4. Lo schema adottato per rappresentare la fluidizzazione del sistema di partitelle solide deve intendersi esemplificativo ma non limitativo deirapplicazione: cosi anche se la distribuzione del fluido viene raffigurata adottando un distributore forato 11, molti altri tipi di distributori possono essere utilizzati per questa funzione quali, ad esempio, piastre sinterizzate o ceramiche e/o ugelli distributori nelle più diverse configurazioni. Tutti i tipi hanno comunque l'unico scopo di distribuire il flusso dei fluido utilizzato nella migliore e piu semplice forma possibile. Le stesse considerazioni possono adottarsi per il contenitore 6, realizzato preferibilmente in acciaio resìstente alle alte temperature coibentato per limitarne le dispersioni e di forma cilindrica ma diversi materiali e sezioni possono essere utilizzati senza peraltro allontanarsi dallo scopo della seguente invenzione.

Secondo quanto riportato nello schema di Figura 2, i raggi solari 1, concentrati attraverso il dispositivo 2 , non colpiscono direttamente le particelle provocando il progressivo riscaldamento di tutta la massa, ma un dispositivo 7 che, riscaldandosi, a sua volta trasmette il calore alla massa del letto perfettamente miscelato 3 attraverso il contatto diretto con le particelle che lo costituiscono. Tale riscaldamento è del tipo indiretto ed il dispositivo 7 adottabile può essere, a titolo meramente esemplificativo ma non limitativo, un semplice materiale con buone caratteristiche di conducibilità termica o un sistema più complesso quale, ad esempio, un heat pipe.

Nella Figura 2 il fluido 5 che opera il ciclo termodinamico ed il fluido 9, che opera la fluidizzazione, sono di natura diversa e naturalmente separati, È noto che nei sistemi a letto fluido la temperatura del fluido che abbandona Ea fase densa è praticamente identica a quella del letto e quindi, il fluido 9 in uscita dal condotto 14 è alla stessa temperatura del letto 3: poiché, almeno in linea teorica, si tratta di un'energia che andrebbe persa, ne é auspicabile il recupero con dispositivi di scambio, non rappresentati in Figura 2, inseriti tra il fluido 9 In uscita dal condotto 14 e lo stesso fluido in ingresso attraverso il condotto 12.

In generale, e solo a titolo di esempio, il livello di temperatura raggiungibile con un sistema così rappresentato nella Figura 2 potrebbe consentire lo svolgimento di un ciclo Stiri i ng dove i gas del ciclo termodinamico 5, solitamente idrogeno o elio ad alta pressione, vengono riscaldati attraverso le superaci di scambio 4 immerse nella fase densa dei letto perfettamente miscelato 3,

Nella Figura 3 della Tavola 1, il sistema di accumulo oggetto del'invenzione è caratterizzato dall'adozione di una lente di Fresnel 19, che agisce direttamente sulle particelle del letto fluidizzato attraverso una finestra di materiale trasparente alla radiazione solare 18, in sostituzione del sistema generico di concentrazione; la perfetta miscelazione delle particelle solide 3, secondo quanto riportato nello schema riportato, viene affidata a! fluido 9 introdotto attraverso il condotto 12, o al fluido 5 attraverso il condotto 15: in quest'ultimo caso una parte del fluido 5, normalmente utilizzato per lo svolgimento del ciclo termodinamico, viene spillato in uscita dallo scambiatore 4 ed utilizzato per la fluidizzazione. A seconda delle condizioni operative utilizzate, in uscita dal condotto 14, potrà trovarsi o il fluido 9 o il fluido 5: sebbene l'apertura della valvola 17, di norma, preveda la chiusura della valvola 16, non vengono escluse a priori le possibilità di miscelazione dei due fluidi. Appare oltremodo evidente che, adottando un regime di fluidizzazione con un fluida che coincide con quello che opera il ciclo termodinamico, siano possibili recuperi energetici significativi.

Solo ed esclusivamente a titolo d'esempio, l'adozione di una lente di FresneJ, realizzata ir» un materiale plastico quale il polimetilmetacrlato (PMMA), presenta notevolissimi vantaggi: tra questi !e ottime proprietà ottiche, il basso costo e le notevoli dimensioni di produzione oggi raggiu ngibl li-Nelle Figure 2 e 3 deila Tavola 1 appare evidente anche un ulteriore vantaggio dell'invenzione: dato che il sistema di accumulo innalza la temperatura delle particelle solo durante le ore di insolazione,, è possibile, in mancanza di quest' ultima, bloccare completamente la fluidizzazione ed evitare le perdite ad essa connesse. Tale vantaggio è sfruttabile solo durante la fase di raggiungimento della temperatura fissata per lo stoccaggio e lo svolgimento dal ciclo termodinamico, fase in cut non è operativo lo scambiatore di calore 4; il sistema accumula energia durante l'insolazione fluidizzando ie particelle e conserva il livello di temperatura raggiunto, senza fluidizzazione, durante t periodi in oli manca il carico termico. Naturalmente il blocco della fluidizzazione, o comunque delta miscelazione, può essere attuato non solo dì notte ma anche durante le interruzioni dell'insolazione per il momentaneo passaggio di nuvole ed tempo variabile* sono, di conseguenza, scongiurati tutti f possibili casi di shock termici preienti negli altri sistemi dì accumulo,

Nella Figura 4 delia Tavola 2, soia a titolo esemplificativo ma non limitativo* é rappresentata una diversa forma di realizzazione secondo l'Invenzione: il fluido che esegue il cido di lavoro è acqua, sotto forma di vapore surriscaldato, che si espande nella turbina 21 per la generazione di potenza, Il vapore surriscaldato è state generato all'Interno della superficie di scambia 4, immersa nella fase densa del letto di particelle solide perfettamente miscelate, contenute all'interno di una colonna di fluidizzazione 24. Un condensatore 22 una pompa per l'acqua 23 completano lo schema classico di un odo Rankine, Nello schema, parte del vapore surriscaldato S In uscita dallo scambiatore 4, viene prelevato ed utilizzato tramite l'apertura della valvola 26, per la fluidizzazione della colonna: il vapore in uscita dal freeboard, rientra nel circuito tra il condensatore 22 e la turbina 21.

Nelle fasi iniziali quando 8 sistema non ha raggiunto una temperatura sufficiente e gli scambi di calore sono ridotti, l'apertura della valvola 27 consente l'immissione del fluido 5 da altro impianto o applicazione,

Appare evidente dalla Figura 4 della Tavola 2 un ulteriore vantaggio Secóndo l'Invenzione derivante dal l'utilizza dei vapore come fluido di processo e fluidizzazione: t'accumulo termico, effettuato attraverso fuso delle particelle solide fiuid zate, fisicamente risiede nella stessa zona di concentrazione ed è il vapore che, anche a distanza notevole, raggiunge il luogo di utilizzo. Evidente è anche il ridotto impatto ambientale di un sistema di accumulo così realizzato, dove la colonna di fluidizzazione 24 e tutte le linee di vapore ed acqua che giungono alta stessa possono esser poste sotto il terrena, quindi essere non visibili.

Nella Figura S delia Tavola 3 è rappresentato, solo a tìtolo dimostrativo e non limitativo, uno schema in cui tanti sistemi di accumulo così come da Figura 4, numerati dal 28 ai 37, fanno parte di un unico impianto di produzione di energia insieme ai generatori di vapore 38 e 39 collegati a processi che utilizzano forma di energia sostitutive di quella solare come, ad esempio, quella contenuta nelle biomasse o nei combustibili fossili. Il fluido 5 messo in circolo dalla pompa 23 percorre tutti i sistemi di accumulo, taluni collocati in serie altri In parallelo ih maniera assolutamente generica,.

generando vapore utilizzabile nella turbina 21. Nello schema, gli impianti hanno potenze e dimensioni generalmente differenti e possono lavorare con il proprio scambiatore interno con acqua o vapore a seconda della loro disposizione.

Quello rappresentato è naturalmente un cosiddetto sistema ibrido in cui, in esercizio, parte della potenza complessiva è generata da sistemi tradizionali, parte dai sistemi di accumulo della radiazione solare: nei casi lìmite funzionerebbero in maniera esclusiva o gli impianti 38 e 39 per totale mancanza dì radiazione solare o i sistemi di accumulo dai 28 al 37 in particolari situazione di insolazione. Inoltre, anche se non riportati negli schemi, molti sistemi di accumulo potrebbero essere esclusi con opportuni by-pass della linea vapore 5, realizzando flessibilità di esercìzio e manutenzione.

Vantaggio evidente nell'applicazione della Figura 5 è che il rendimento dell' intero impianto deve essere valutato tra la temperatura di condensazione e quella di accumulo: entrambe le temperature non risentono dei limiti superiori (550°C) ed inferiori (290°C), come ad esempio per I sali fusi: ne consegue un aumento significativo del rendimento complessivo a parità di altre condizioni e rispetto allo stato della tecnica.

Secondo uno degli scopi dell'invenzione, un impianto di accumulo così composto, lavora con materiali totalmente compatibili (particelle solide ed acqua) ed utilizza tecnologie ampiamente note e collaudate.

La presente invenzione è stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo le sue forme preferite di realizzazione, ma è da intendersi che variazioni c/o modifiche potranno esser apportate dagli esperti del ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione come definito dalle rivendicazioni allegate,

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1) Sistema di accumulo dell'energia termica da radiazione solare comprendente: a) un tetto dì particee solide perfettamente miscelate, bf un dispositivo per lo scambio di calore tra dette particelle solide ed un fiuido che Opera un ciclo termodinamico. c) un concentratore dì raggi solari, caratterizzato dal fatto che, in presenza della radiazione solare diretta, detto concentratore dei raggi solari c) innalza la temperatura delle singole particelle solide perfettamente miscelate costituenti detto letto a} e consente, anche in tempi differiti, per il tramile dì detto dispositiva di scambio dì calore b), il trasferimento dell'energia termica, accumulata nelle particelle solide perfettamente miscelate , al fluido che opera II ciclo termodinamico. 2} Sistema secondo fa rivendicazione 1) caratterizzato dal fatto che la perfetta miscelazione delle partitelle solide è ottenuta tramite fa fluidizzazione delie stesse con un gas o un vapore. 3) Sistema secondo la rivendicazione 2) caratterizzato dal fatto che II fluido che opera il termodinamico coincide con quello che fluidizza le particelle solide costituenti 0 ietto. 4) Sistema secondo la rivendicazione 3) caratterizzato dal fatto che ii fluido è vapore d'acqua. S) Sistema secondo la rivendicazione IJ caratterizzato dal fatto che la perfetta miscelazione è ottenuta tramite l'uso di dispositivi meccanici o elettromeccanici o acustici. 6) Sistema secondo ciascuna deile rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che il concentratore dei raggi solari c) è costituito da una teme di Fresnel 7) Sistema secondo ciascuna delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il riscaldamento delle particelle solide perfettamente miscelate può avvenire per l'azione diretta del concentratore di raggi solari c) sulle stesse e/α per razione indiretta di un materiale o dispositivo, interposto tra il ietto di particelle solide a) ed I concentratore dei raggi solari t), a contatto con le particelle solide perfettamente miscelate e su cui agisce il concentratore dei raggi solari c), S) Sistema secondo ciascuna delle rivendicazioni precedenti realizzato utilizzando particelle solide di qualsiasi forma, natura e dimensione e fluidi di diversa natura e caratteristiche riferibili sia al ciclo termodinamico sia ai processo di fluidizzazione. 9J Impianto solare per la produzione di energia elettrica da radiazione solare caratterizzato dal fato di prevedere l'uso di uno o più sistemi di accumulo dell'energia solare secondo te rivendicazioni precedenti, eventualmente integrati con altri sistemi generatori di energia da fonti diverse, tra loro collegati attraverso l’uso comune del fluido che opera il rido termodinamico.