ITRM20120123U1 - Concentratore solare ad ottica distribuita - Google Patents

Description

Concentratore solare ad ottica distribuita

Campo dell'invenzione

La presente invenzione consiste in un concentratore solare costituito da ottiche discrete capaci di inseguire il sole e concentrare i raggi solari su un'area regolare e definita con un fattore di concentrazione dell'ordine di 100 soli.

Stato dell'arte

I sistemi a concentrazione solare o CSP (Concentrating Solar Power) realizzano calore ad alta temperatura (fino a 1000 °C), utilizzabile, per esempio, per azionare cicli termodinamici e quindi per produrre potenza meccanica e di conseguenza elettrica, concentrando i raggi solari su una superfìcie di dimensioni e forma definite e dipendente dalla tipologia dei concentratore.

Le tecnologie attualmente più conosciute sono:

1) collettori parabolici lineari, con fuoco lineare solidale alla struttura;

2) solar dish, con fuoco circolare solidale alla struttura;

3) torri solari, con fuoco approssimativamente circolare fisso;

4) specchi lineari di fresnel, con fuoco lineare fisso.

In particolare, i sistemi CSP 1 e 2 si basano sulle proprietà ottico-geometriche della parabola, che direzionata con l'asse parallelo ai raggi solari (con sistema di solar tracking ad 1 e 2 assi di inseguimento rispettivamente), focalizzano la radiazione solare, generando un'immagine dipendente dalla geometria di concentrazione.

I sistemi CSP 3 e 4 si basano invece su ottiche discrete, generalmente piane, rispettivamente a 2 e 1 asse di inseguimento. L'obiettivo finale è di concentrare quanta più energia solare per sovrapposizione delle riflessioni dei singoli elementi riflettenti, senza per questo realizzare un'immagine focale.

Tutti questi sistemi sono composti da un “concentratore” che concentra i raggi solari per riflessione, un “ricevitore” che raccoglie l'energia solare ed è accoppiato ad un “convertitore”, che tramuta l'energia solare in energia meccanica e/o termica ed eventualmente in energia elettrica. I concentratori CSP 2 e 3 sono quelli che realizzano i più alti fattori di concentrazione de'la radiazione solare, potendo raggiungere in pratica valori di 1000 o anche 2000 soli. I concentratori CSP 1 e 4 operano invece con fattori di concentrazione tra 20 e 50 soli.

La caratteristica peculiare dei concentratori CSP 1 e 2 è quella di puntare al meglio verso la posizione del sole e di montare il ricevitore nel punto focale di un paraboloide. Il ricevitore deve quindi seguire rigidamente il moto del concentratore. Nel caso dei solar dish (sistema CSP 2) anche il convertitore è in genere rigidamente vincolato al concentratore e anch'esso ne segue il moto. Di conseguenza la struttura meccanica in movimento dei sistemi basati su concentratori CSP 1, ma ancor di più dei concentratori CSP 2, è un elemento critico quando le dimensioni complessive del sistema crescono e la scalabilità di questi sistemi verso grandi dimensioni è intrinsecamente limitata. Inoltre i concentratori CSP 2 non sono mai usciti dalla fase sperimentale e/o prototipale e oggi non esistono quindi impianti commerciali di questo tipo, probabilmente anche a causa delle limitazioni della meccanica.

I sistemi CSP 1, 3 o 4 sono comunemente utilizzati per generare energia elettrica su larga scala (da 100 kW, a 100 Μw,, dove il pedice “e” indica la potenza elettrica) ed utilizzano generalmente come convertitori termodinamici delle turbine. I sistemi CSP di tipo 2, i solar dish, si prestano invece per la generazione di piccole potenze elettriche (tipicamente fino a 30 kW„) e sono spesso utilizzati con un convertitore termodinamico del tipo a motore stirling.

Un ulteriore concentratore è descritto nel documento US2005229924 in cui un concentratore solare nella forma di un eliostato a schiera comprende più riflettori ed una piastra di posizionamento per orientare simultaneamente i riflettori.

La piastra di posizionamento ha lo scopo di orientare ciascun riflettore secondo una direzione che è la bisettrice dell'angolo tra la la sorgente della radiazione, lo specchio e il ricevitore della radiazione riflessa.

II sistema di orientazione della serie di specchi descritta in US2005229924 presenta lo svantaggio che ogni specchio di riflessione deve essere connesso alla piastra di posizionamento attraverso un'asta incernierata su un telaio intermedio e che gli errori dimensionali dell'asta incernierata e del punto di attacco sulla piastra comportano degli errori suH'inseguimento del sole durante il suo moto diurno, con la conseguenza di diminuire il rendimento dell'eliostato.

La presente invenzione si propone di superare gli inconvenienti presenti nello stato dell’arte e consiste in un sistema CSP di nuova concezione che genera un'area focale ben delimitata e regolare e si presta ad alimentare, nel caso di piccole superfici riflettenti (fino a 100 M<2>), convertitori di tipo stirling e/o pannelli fotovoltaici a concentrazione, ma con il vantaggio di una migliore scalabilità verso l'alto rispetto ai solar dish (CSP 2). Nel caso di superfìci riflettenti più ampie, il trovato inoltre può essere accoppiato a sistemi a turbina.

Descrizione dell'invenzione

L’invenzione realizza un sistema a concentrazione solare basato su ottiche discrete in cui la radiazione solare è focalizzata su un'area limitata e ben definita.

Il sistema consiste in un letto di specchi orientabili disposti preferenzialmente su uno stesso piano, orientato verso Sud e con una inclinazione fissa rispetto al piano orizzontale, preferibilmente ma non limitativamente pari alla latitudine del luogo in cui è ubicato il concentratore.

In Fig. 1 è riportato uno schema implementativo dell'invenzione. Il sistema ottico è costituito da un letto di specchi composto da K stringhe disposte parallelamente l'una all'altra ed in grado di ruotare rispetto al proprio asse longitudinale, in modo da seguire il moto azimutale del sole; su ogni stringa sono incernierati H specchi, che ruotano attorno ad assi perpendicolari ad ogni stringa e paralleli tra loro, in modo da seguire il moto zenitale del soie.

Pertanto il piano del letto di specchi è fisso: sono i singoli specchi che si muovono con 2 gradi di libertà:

● rotazione azimutale 0{h, k)

● rotazione zenitale 5{h, k)

dove h e k individuano la posizione del generico elemento riflettente allintemo della matrice complessiva composta da H-K specchi, come riportato net riquadro di Fig.l.

Per realizzare un inseguimento perfetto de! disco solare, ogni specchio dovrebbe essere mosso in maniera indipendente dagli altri. Al fine di semplificare i sistemi meccanici di controllo e facilitare quindi la scalabilità del sistema, la presente invenzione introduce però i seguenti vincoli:

• gli specchi sono disposti lungo la stessa stringa sono orientati con lo stesso angolo azimutale;

• le stringhe ruotano con la stessa velocità angolare azimutale;

• gli specchi disposti lungo la stessa stringa ruotano con la stessa velocità angolare zenitale.

Gli attuatori necessari a muovere tutti gli specchietti sono quindi K+l. In particolare sono necessari:

• 1 attuatore per la movimentazione contemporanea delle K stringhe;

• 1 attuatore per ogni stringa, per la movimentazione zenitale degli H specchietti appartenenti alla stessa stringa.

I vincoli meccanici introdotti determinano un allargamento dell'area di focalizzazione rispetto al caso ideale con gli specchi indipendenti l’uno dall'altro. Nel seguito il documento analizza gli errori introdotti dalla presenza dei vincoli per valutarne quantitativamente gli effetti.

Modello del sistema ottico

Si assuma come sistema di riferimento fisso una tema di assi cartesiani (x, y, z) con x coincidente con il Sud geografico, y con l'Est geografico e z con lo zenit (Fig. 2). Il piano del letto di specchi è inclinato di un angolo β rispetto al piano orizzontale ed è orientato verso Sud.

Per determinare le proprietà ottiche del concentratore è sufficiente avere il modello per l'orientazione del singolo elemento riflettente generico nella posizione (h,k). E' sufficiente conoscere i seguenti parametri (Fig. 3):

1) vettore posizione del centro del generico specchietto = {mx, my, mz)

2) vettore posizione del ricevitore<7>= (rx, ry, rx)

3) versore della posizione della fonte solare<$>= (sx, sy, st)

Il versore posizione solare (<s>~ ) è definibile attraverso i suoi coseni direttori:

essendo a e γ rispettivamente l'altezza solare e l'azimut solare, dipendenti dal luogo in cui è installato il concentratore e dall'istante di tempo considerato.

Il vettore riflessione solare, P , che descrive la traiettoria del raggio solare una volta riflesso dallo specchio, è ottenuto attraverso la differenza vettoriale tra il vettore posizione del generico specchietto, , e quello del ricevitore,<7>, ed è pari a:

~p = m —r

Il versore normale allo specchietto, » , è calcolato quando la radiazione solare colpisce lo stesso riflettendo i raggi esattamente sul ricevitore (Fig.4):

Conviene esprimere le componenti del versore « nel sistema di riferimento associato alle stringhe (che chiameremo χ',γ',z'), ruotato di un angolo pari a β rispetto ad y. ottenendo

per mezzo della seguente matrice di trasformazione;

da cui segue che l'angolo di rotazione azimutale dello specchio della generica stringa,

dato da:

essendo la proiezione del vettore n' sul piano z'y’ (Fig.5).

L'inclinazione zenitale dello stesso specchio, è invece

Osserviamo che questa soluzione è valida se gli assi di rotazione degli specchi passano per il centro degli specchi stessi. La movimentazione meccanica deve quindi tenere conto di questa condizione.

Risultati

L'analisi ottica del concentratore a letto di specchi è volta a determinare;

e l'errore di puntamento spaziale azimutale

© l'errore di puntamento spaziale zenitale

® la velocità angolare azimutale delle stringhe

© la velocità angolare zenitale degli specchi lungo la stessa stringa

A scopo esemplificativo e non limitativo, le analisi sono state condotte su un concentratore composto da;

* 10 stringhe, con 9 specchi per ogni stringa

© specchi piani e quadrati delle dimensioni di 30 cm x 30 cm

© ricevitore posto nei fuoco a 3 m lungo la normale che passa per il centro del letto di specchi

• β=40 °

L'errore angolare azimutale (o zenitale è dato dalla differenza tra la posizione angolare azimutale (0 zenitale del caso ideale con gli specchi indipendenti e la posizione 9d(h, k) (oppure 5d{h, k) ) che gli specchi possono realmente assumere sul letto di specchi a causa dei vincoli meccanici elencati nel paragrafo 3 e che caratterizzano l'invenzione:

Dagli errori angolari azimutale e zenitale, conoscendo la mappa delle distanze focali f (h. k<)>di ogni singolo specchio, cioè le distanze tra il centro di ogni specchio ed il centro della superficie focale del concentratore, si può calcolare lo spostamento dell'immagine focale sul ricevitore dovuto al singolo specchio (h.k):

Di seguito, sempre con carattere non limitativo, sono riportati i principali risultati ottenuti per 3 diversi giorni dell'anno (21 giugno, 21 marzo, 21 dicembre) in prossimità dei solstizi e degli equinozi e per la latitudine corrispondente alla posizione della città di Cosenza in Calabria.

I risultati ottenuti sono sintetizzati nella seguente tabella:

In conclusione, il modello ottico dei concentratore solare proposto, confermato dalle osservazioni sperimentali su un prototipo, dimostra che

• la velocità di rotazione azimutale può essere assunta uguale per tutte le stringhe ed assume un valore di circa 7.3 °/h; l'errore di puntamento spaziale nel fuoco dovuto a questo vincolo meccanico varia tra circa -50 mm e 50 mm

• la velocità di rotazione zenitale degli specchi lungo la stessa stringa può essere assunta uguale per tutti gli specchi, ma varia da stringa a stringa. Tale velocità varia quasi linearmente con il tempo nell'arco del giorno. Il moto zenitale degli specchi è caratterizzato inoltre dall'inversione del verso del moto una volta al giorno. La velocità di rotazione

zenitale degli specchi varia tipicamente tra -1 °/h e 1 7h. L'errore di puntamento spaziale

varia tra circa -15 mm e 21 mm.

Nel caso ideale in cui tutti gli specchi fossero mossi uno indipendentemente dagli altri, per

realizzare il migliore puntamento possibile, l'immagine focale avrebbe una dimensione di 35 cm x

35 cm. I vincoli meccanici imposti sulle rotazioni azimutali e zenitali degli specchi determinano un

allargamento dell'immagine focale che risulta essere il 130% rispetto al caso ideale con gli specchi

tutti indipendenti tra loro. La dimensione finale deH'immagine focale è quindi di circa 40 cm x 40

cm.

Tali risultati sono facilmente estendibili a qualsiasi latitudine utile per l'utilizzo del concentratore

solare ad ottica distribuita descritto.

A fronte del relativamente contenuto allargamento deH'immagine focale, il trovato determina una

notevole semplificazione della meccanica che realizza l'orientazione degli specchi e permette una

buona scalabilità del sistema verso le grandi dimensioni.

Descrizione sintetica delle figure

Fig. 1 Schema implementativo dell’invenzione. Il sistema ottico è costituito da K stringhe in grado di ruotare rispetto al proprio asse longitudinale ed inseguire il sole nel moto azimutale e H specchi, che ruotano rispetto al proprio asse trasversale per inseguire zenitalmente il movimento del sole.

Fig. 2 Sistema di riferimento fisso costituito da una tema di assi cartesiani (x,y,z) con x coincidente con il Sud geografico, y con l’Est geografico e z con lo zenit.

Fig. 3 Diagramma vettoriale del sistema composto dal generico specchio (h,k), il sole ed il ricevitore.

Fig. 4 Individuazione della normale al generico specchio (h,k) sia rispetto al sistema di riferimento fisso (x,y,z), che rispetto a quello associato alla stringa (x',y',z')

Fig. 5 Particolare ingrandito della normale al generico specchio (h,k) nel sistema di riferimento associato alla stringa. Individuazione dell'angolo di rotazione azimutale θ{h, k) e zenitale S{h, k) del generico specchio (h,k)

Fig. 6 Particolare implementativo della generica stringa.

1 - accoppiamento ruota dentata - vite senza fine

2 - asse di rotazione zenitale

3 - alberino di rotazione zenitale

4 - motoriduttore per rotazione zenitale

5 - giunto a soffietto

6 - boccole

Fig. 7 Particolare implemeniativo del sistema di rotazione azimutale

7 - accoppiamento conico

8 - albero

9 - cuscinetto radiale

10 - corona

11 - pignone

12 - alberino di rotazione azimutale

13 - motoriduttore per rotazione azimutale

14- cuscinetti orientabili

Una implementazione del concentratore solare

E' stata realizzata una implementazione del concentratore, solare, oggetto dell'invenzione, come riportata in Fig. 1.

La movimentazione zenitale degli specchietti è ottenuta attraverso un sistema di trasmissione ruota dentata- vite senza fine (1). nella misura di uno per ogni specchietto (Fig. 6).

Le ruote dentate sono collegate agli assi di rotazione zenitale (2) dei singoli specchietti; anche le viti senza fine, sono collegate tra loro da un alberino (3). L'alberino è collegato rigidamente ad un moto-riduttore (4). attraverso un giunto a soffietto (5) che corregge eventuali errori di disallineamento. Al fine di garantire l'accoppiamento tra vite senza fine e ruota dentata, oltre che per supportare l'alberino, sono utilizzate delle boccole (6) in nylon, disposte immediatamente prima e dopo la vite senza fine. Le stesse permettono quindi la regolazione ed il centraggio in 2 direzioni (quella parallela all’asse di rotazione dello specchio, e rispetto all’altezza dal piano di appoggio)

La rotazione azimutale è ottenuta attraverso una serie di accoppiamenti conici (7), uno per ogni stringa (Fig. 7).

Ogni stringa termina con un albero (8), che viene supportata da un cuscinetto radiale (9).

L<1>estremità superiore dell'albero termina con corona (10) che si ingrana al pignone (11). Tutti i pignoni trovano alloggiamento su un alberino (12), che è collegato ad un moto-riduttore (13) . L'alberino è sostenuto attraverso dei cuscinetti orientabili (14).

Claims (2)

1. Rivendicazioni 1. Concentratore solare ad ottica distribuita costituito da specchi orientabili disposti su uno stesso piano, che concentra le riflessioni di tutti gli specchi su un'area limitata e ben definita, con gli specchi disposti lungo stringhe caratterizzato dal fatto che gli specchi di ogni stringa ruotano insieme attorno al loro asse e seguono il moto azimutale del sole e che gli specchi ruotano, vincolati tra loro, attorno ad assi perpendicolari alle stringhe e paralleli tra loro, in modo da seguire il moto zenitale del sole, in cui: - ogni generica stringa ha l'asse di rotazione azimutale che si incrocia con quello zenitale dei singoli specchi costituenti la stringa stessa; - tutti gli specchi disposti lungo la stessa stringa sono orientati con lo stesso angolo azimutale; - le stringhe ruotano con la stessa velocità angolare azimutale e gli specchi disposti lungo la stessa stringa ruotano con la stessa velocità angolare zenitale; - il moto delle stringhe è realizzato con un solo attuatore e le rotazioni zenitali degli specchi lungo ogni stringa sono realizzate con un attuatore per ogni stringa; - il moto zenitale degli specchietti lungo una stessa stringa è ottenuto attraverso un sistema di trasmissione ruota dentata-vite senza fine; - il sistema di trasmissione ruota dentata-vite senza fine è presente su ogni specchietto.
2. 2. Concentratore solare ad ottica distribuita secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il moto di azimutale delle stringhe è ottenuto attraverso un accoppiamento conico.