ITRM20130444A1 - Ricevitore solare lineare a cavita' riflettente per applicazioni ad alta temperatura - Google Patents

Description

RICEVITORE SOLARE LINEARE A CAVITA' RIFLETTENTE PER

APPLICAZIONI AD ALTA TEMPERATURA

DESCRIZIONE

La presente invenzione si colloca nel settore degli impianti solari, ed in particolare si riferisce ad un ricevitore per concentratori lineari, che consente di raggiungere temperature molto elevate per un concentratore lineare (fino a 800 °C).

Il trovato si pone nell'ambito delle tecnologie solari termiche a concentrazione, sempre più diffuse e studiate per far fronte al fabbisogno energetico crescente in modo sostenibile. Tra esse, quelle industrialmente più sviluppate sono le tecnologie a concentrazione lineare, in cui uno specchio primario (di solito a sezione parabolica) insegue il sole ruotando su un asse e concentra la radiazione lungo una linea focale. Intorno a questa linea si trova un ricevitore tubolare in cui scorre un fluido termovettore, che assorbe il calore. Il fluido può essere usato poi per scambiare calore con un generatore di vapore per la produzione elettrica (in questo caso si usano olii diatermici o, in alcuni casi, sali fusi), o può essere acqua per la generazione diretta di vapore da mandare in turbina.

La generazione elettrica non è la sola possibilità: il calore può essere usato direttamente per altri scopi. Particolare interesse hanno le reazioni termochimiche, che possono essere alimentate da energia solare. Anche qui, vi sono due possibilità: scaldare un fluido che poi cederà il calore ai reagenti, o mandare i reagenti direttamente nei ricevitori raccogliendo e separando i prodotti all'uscita.

I ricevitori usati in genere per applicazioni su larga scala e a media temperatura (300 – 500 °C) sono i tubi a vuoto, in cui il ricevitore è un tubo cilindrico incapsulato in un tubo di vetro; nell'intercapedine tra i due c'è il vuoto.

Il massimo delle temperature raggiungibili da questi tubi è, finora, di 550 °C, ma le temperature finali più frequenti sono intorno ai 400 °C. Le limitazioni sono dovute non tanto alle proprietà termiche del tubo, ma alla sua scarsa resistenza a temperature elevate. I punti critici nei tubi a vuoto sono: le giunzioni vetro-metallo alle estremità dei tubi (che devono mantenere il vuoto), la copertura selettiva del ricevitore (usata per ottenere una elevata efficienza termica), la differenza di dilatazione termica tra il vetro e il materiale che compone il ricevitore vero e proprio (di solito acciaio).

La limitazione in temperatura non consente l'uso dei ricevitori lineari per svariate applicazioni termochimiche che pure non richiedono temperature operative elevatissime (600 – 800 °C), come, ad esempio, i seguenti processi:

• reforming degli idrocarburi (metano, etanolo, bioetanolo, glicerolo, etc.)

• ciclo termochimico Zolfo-Iodio.

• ciclo termochimico Ferriti Miste di Sodio e Manganese.

• processi chimici reversibili per lo stoccaggio dell’energia solare quali i cicli della famiglia dello Zolfo.

Per estendere il campo di utilizzo dei ricevitori lineari a temperature più elevate (600-800°C), c’è la necessità di realizzare un ricevitore più resistente alle alte temperature.

Il problema della resistenza in temperatura dei ricevitori è molto discusso nel caso di concentratori puntuali, come i dish parabolici o i campi di eliostati, che lavorano con concentrazioni solari molto più elevate. Una soluzione interessante per questi sistemi è il ricevitore a cavità, in cui la radiazione entra in una cavità dall'imboccatura molto piccola e viene assorbita dalle pareti interne. La frazione di radiazione riflessa e quella riemessa per irraggiamento termico restano in gran parte all'interno della cavità, dove vengono riassorbite, poiché l'apertura è una frazione piccola della superficie. Il sistema è molto robusto, poiché non richiede protezioni, né superfici con rivestimenti particolari o giunzioni tra materiali diversi.

Quindi, in tali sistemi a cavità noti, la cavità funge direttamente essa stessa da assorbitore.

Questa tecnologia non sarebbe particolarmente efficiente se applicata ad un ricevitore lineare. Infatti, in tal caso, la concentrazione sarebbe particolarmente ridotta a causa del fatto che le pareti della cavità sono necessariamente più estese di un tubo tradizionale e quindi permetterebbero concentrazioni minori, se fossero usate direttamente come assorbitori.

Inoltre, la cavita, assorbente, si scalderebbe in modo eccessivo causando forti perdite termiche dalla parete esterna.

Scopo della presente invenzione è dunque quello di superare le problematiche sopra esposte e ciò è ottenuto attraverso un ricevitore lineare come definito dalla rivendicazione 1.

Ulteriore oggetto della presente invenzione è un concentratore solare come definito nella rivendicazione n.9.

La presente invenzione, superando i problemi della tecnica nota, comporta numerosi ed evidenti vantaggi.

Innanzitutto, il ricevitore secondo la presente invenzione utilizza una cavità lineare entro la quale è contenuto un assorbitore, su cui le pareti della cavità (in questo caso riflettenti) reindirizzano la radiazione. La cavità agisce quindi anche da specchio secondario.

La presente invenzione consente di raggiungere quindi temperature elevate, sufficienti per fornire calore a molti processi endotermici per lo stoccaggio dell’energia solare (quali i cicli termochimici per la produzione di idrogeno o i processi di reforming degli idrocarburi) che richiedono temperature operative nel range di 600 – 800 °C, attualmente al di fuori della portata dei comuni ricevitori lineari come i tubi a vuoto. L'uso di un ricevitore lineare invece che di un concentratore puntuale (dish o torre solare) per i fabbisogni termici ad alta temperatura, permette di sfruttare la tecnologia consolidata e già diffusa a livello industriale dei collettori lineari, integrandola e potenziandola (ad esempio connettendo in serie i ricevitori innovativi con quelli tradizionali per integrare i contributi termici richiesti a diversi livelli di temperatura).

Il risultato è ottenuto con un ricevitore a cavità riflettente ellittica: il concentratore primario concentra i raggi solari in uno dei fuochi dell'ellisse, e questi vengono poi riflessi nel secondo fuoco, dove si trova un tubo ricevitore. Il tubo è schermato dall'eccessiva emissione termica dalla cavità intorno, trovandosi vicino al fondo della cavità e quindi lontano dall'apertura verso l'esterno. La superficie esterna della cavità è coperta da uno strato di materiale isolante per ridurre ulteriormente le perdite termiche. Il sistema non presenta giunzioni vetro-metallo, vuoto o superfici selettive delicate, che limitano la temperatura d'esercizio nei tubi a vuoto usati generalmente come ricevitori; questo sistema è volutamente mantenuto semplice e robusto. Nonostante ciò, le temperature ottenibili sono molto alte a causa della schermatura fornita dalla cavità.

Questi ed altri vantaggi, assieme alle caratteristiche ed alle modalità di impiego della presente invenzione, risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di sue forme di realizzazione preferite, presentate a scopo esemplificativo e non limitativo.

Verrà fatto riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

la figura 1 è una vista schematica in sezione trasversale, di un ricevitore secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

la figura 2 è una vista schematica in prospettiva di un concentratore solare lineare secondo la presente invenzione, che utilizza un ricevitore secondo la figura 1;

la figura 3 è una vista schematica in sezione trasversale, di un ricevitore secondo una ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione.

La presente invenzione sarà di seguito descritta facendo riferimento alle figure suindicate.

In particolare, la figura 1 è una vista schematica in sezione trasversale, di un ricevitore lineare 1 secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.

Il ricevitore lineare 1, pensato per operare in un impianto solare basato su concentratori solari a sviluppo lineare, comprende innanzitutto un corpo cavo 2 presentante un asse di sviluppo longitudinale A sostanzialmente lineare.

All’interno del corpo cavo 2, è presente un tubo ricevitore 3 atto al passaggio di un fluido termovettore, e posto in posizione sostanzialmente parallela all’asse longitudinale A del corpo cavo 2.

In particolare, il corpo cavo 2 presenta una sezione sostanzialmente a forma di ellisse, ed il tubo ricevitore 3 è posto in corrispondenza di un primo fuoco f1 dell’ellisse, con il suo asse longitudinale sostanzialmente coincidente con la linea focale definita dal primo fuoco f1.

In corrispondenza del suo secondo fuoco f2, l’ellisse presenta un’apertura longitudinale 4.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l’ellisse è sezionata secondo una linea B passante per detto secondo fuoco f2 e parallela ad un asse minore di detta ellisse, e l’apertura longitudinale è ricavata su detta linea e delimitata da due orli 5, 6.

E’ da intendersi che altre soluzioni possono essere previste per la realizzazione di un’apertura longitudinale, in prossimità del secondo fuoco dell’ellisse.

Secondo la presente invenzione, il ricevitore lineare 2 può essere parte di un concentratore solare a sviluppo lineare.

Tale concentratore solare comprende un collettore primario presentante una linea focale ed il ricevitore lineare 2 è posizionato sostanzialmente lungo la linea focale, con l’apertura rivolta verso il collettore primario ed in modo tale che il suo secondo fuoco coincida sostanzialmente con il fuoco del collettore primario.

Vantaggiosamente la geometria del sistema è tale che il secondo fuoco f2 dell’ellisse del ricevitore venga a trovarsi nel punto focale di un collettore primario. In questo modo, i raggi che il collettore primario concentra in f2 verranno riflessi per le note proprietà ottiche dell'ellisse - verso f1 e verranno assorbiti dal tubo ricevitore in cui scorre il fluido termovettore.

In figura 1 è rappresentata in modo schematico la sezione del ricevitore 2 insieme ad un collettore primario 10, e sono evidenziati i percorsi dei raggi solari per illustrare il principio di funzionamento. In figura 2, un tratto di un concentratore solare lineare secondo la presente invenzione, è raffigurato in prospettiva.

Per quanto riguarda la forma del collettore primario, è preferibile che sia tale da presentare nel complesso una focale ben definita, preferibilmente un’unica linea focale, in modo tale che i raggi collimati sono con buona approssimazione concentrati lungo tale unica linea focale.

Esempi di forme valide in tal senso sono concentratori a sezione parabolica, oppure anche concentratori cilindrici con curvatura non eccessiva, che presentano comunque una linea focale ben definita.

La larghezza del fascio di radiazione proveniente dal collettore primario in prossimità del fuoco f2 dipende sostanzialmente da due fattori: la divergenza solare (la radiazione solare non è collimata, ma arriva con una certa dispersione angolare e quindi non sarà interamente concentrata in f2, ma in una piccola zona intorno a questo punto), e le possibili imperfezioni del collettore primario che potrebbero dare una dispersione aggiuntiva.

Questi fattori devono quindi essere presi in considerazione nella progettazione del ricevitore ed in particolare nel determinare le dimensioni dell'apertura longitudinale, che deve essere sufficiente a far passare sostanzialmente tutta la radiazione incidente all'interno della cavità.

I raggi del sole, pur non essendo perfettamente collimati, presentano una dispersione angolare piccola e quindi passeranno tutti in una piccola zona intorno al fuoco (della larghezza di qualche centimetro, per collettori di qualche metro di larghezza). Ad esempio, per un collettore parabolico lineare si può calcolare la larghezza entro cui passeranno tutti i raggi solari: se a è l'apertura angolare della radiazione solare (circa 0.046 rad), L è la semiapertura del collettore, allora la semilarghezza del fascio di radiazione a livello del fuoco è

(f-2L / 4f) sin(a) / sin(t-a),

dove t = arctan(f/L – L/4f).

Idealmente, l'apertura della cavità dovrebbe contenere interamente il fascio incidente, per non causare perdite. In realtà, poichè i bordi del fascio di radiazione hanno intensità molto minore della parte centrale, potrebbe essere conveniente usare una cavità con apertura minore, perdendo parte della radiazione ma riducendo le perdite termiche.

Un altro aspetto che può essere considerato nell'ottimizzazione e nel dimensionamento è l'ombra che il ricevitore proietta sul collettore primario, causando perdite ottiche: per questo motivo, la cavità non dovrebbe essere troppo ingombrante.

Il corpo cavo 2 ha, preferibilmente, una parete interna atta a riflettere la radiazione solare. Il corpo cavo ellittico agisce quindi come riflettore secondario, riceve i raggi provenienti dal concentratore primario e li invia sul ricevitore.

La radiazione solare viene concentrata dal collettore primario nel fuoco f2. La radiazione, concentrata intorno a f2, entra (tutta o quasi) nella cavità, e viene riflessa dalle pareti.

Poiché proviene da una piccola zona intorno a f2, verrà riflessa verso una piccola zona intorno a f1, grazie alle proprietà ottiche dell'ellisse.

In f1, parallelamente all’asse longitudinale del corpo cavo, si trova il tubo ricevitore 3 che assorbe la radiazione.

Si noti che la cavità agisce da specchio secondario, ma non aumenta la concentrazione. La sua funzione è quella di trasmettere la radiazione in una zona profonda della cavità, riducendo l'emissione termica e le perdite per convezione e per irraggiamento verso l'esterno.

Quindi, la radiazione termica emessa dal ricevitore caldo (e, in misura minore, dalle pareti interne della cavità) resta in larga parte all'interno della cavità stessa, dove viene riassorbita attraverso riflessioni multiple, dal tubo o dalle pareti della cavità. La convezione è anch'essa ridotta poiché l'apertura limitata minimizza lo scambio di aria con l'esterno.

Poiché anche le pareti della cavità tenderanno a scaldarsi, è preferibile che il corpo cavo sia esternamente ricoperto con un materiale termicamente isolante.

Al contrario, il tubo ricevitore, in cui scorre il fluido termovettore, dovrebbe preferibilmente avere una superficie esterna rivestita o realizzata in materiale assorbente nel visibile.

E’ da intendersi che il tubo e/o l'eventuale strato assorbente, dovranno essere realizzati in materiali resistenti al calore, almeno fino ad 800 °C.

Il funzionamento del ricevitore può essere descritto analizzandone il comportamento in dettaglio nelle fasi di assorbimento della radiazione incidente, di riemissione termica e di perdite per convezione.

Nel complesso, la radiazione incidente sarà in piccola parte assorbita dalle pareti della cavità ed in larga parte assorbita dal tubo. Una porzione della radiazione incidente verrà persa per riflessione, ma queste perdite sono limitate dalla cavità e solo la porzione che esce dall'apertura dopo riflessioni multiple verrà persa.

Per quanto riguarda l'emissione termica radiativa, essa sarà dovuta al tubo e alla cavità, e può essere consistente - soprattutto nel caso del tubo - a causa delle elevate temperature di lavoro.

La cavità limita la riemissione verso l'esterno, poiché la radiazione viene riflessa e riassorbita dalla cavità e solo la frazione che esce dall'apertura viene persa. Tuttavia, se la cavità è riflettente anche nell'infrarosso, questa funzione è almeno parzialmente compromessa: infatti la radiazione emessa dal tubo proviene da una zona intorno ad f1, e per emissione termica lambertiana (secondo la legge del coseno) ha buone probabilità di essere riflessa in una zona intorno a f2, uscendo dall'apertura.

Simulazioni mostrano che questa quantità è tra il 30% e il 60% dell'emissione termica del tubo, a seconda dell'apertura della cavità. Quindi, sebbene l'effetto della cavità sia presente e riduca significativamente l'emissione, è lontano dall'essere ideale.

Per ridurre sensibilmente tale inconveniente, possono essere implementati alcuni accorgimenti tecnici.

Vantaggiosamente, il tubo ricevitore 3 può essere ricoperto – oppure esternamente costituito - da uno strato in materiale assorbente nello spettro solare, preferibilmente un materiale assorbente che presenti un' emissività infrarossa inferiore a 0.5.

Ulteriormente, in alternativa o in concomitanza con altri accorgimenti, il corpo cavo può essere realizzato in maniera tale da presentare una parete interna sostanzialmente non riflettente nell'infrarosso. Ad esempio, uno strato di vetro di pochi millimetri lascerebbe passare la radiazione solare senza alterare eccessivamente i cammini ottici, ma assorbirebbe buona parte dell'infrarosso riemesso (molti vetri sono degli ottimi assorbitori nell'infrarosso). In questo modo il calore resterebbe nella cavità, assorbito dalle pareti.

Ancora, il tubo ricevitore potrebbe essere realizzato con una forma in sezione non cilindrica, per allontanare quanto più possibile l'emissione termica superficiale dal fuoco f1 ed orientarla in direzioni che sfavoriscano la riflessione all’esterno dell’apertura.

Inoltre, per ridurre le perdite convettive verso l'esterno, sarebbe vantaggioso posizionare un elemento – trasparente nel visibile – per schermare l'apertura.

Tale elemento potrebbe ad esempio essere in vetro pyrex o quarzo. Poiché non è necessaria una tenuta a vuoto e neppure una perfetta aderenza tra la finestra e la cavità, una finestra del genere non darebbe alcun problema di resistenza in temperatura. Dal punto di vista termico, la finestra può assorbire l'infrarosso riducendo le perdite dirette verso l'esterno per irraggiamento, e può ridurre notevolmente la convezione ostacolando lo scambio d'aria.

Anche la parete esterna della cavità emetterà radiazione termica, anche se la temperatura di emissione sarà molto minore a causa dello strato di isolante. Inoltre, l'esterno della cavità può essere ricoperto con un materiale riflettente nell'infrarosso (es. alluminio). Quindi, nel complesso, le perdite per irraggiamento delle pareti esterne sono trascurabili rispetto a quelle dovute all'irraggiamento dall'apertura.

Il sistema è stato messo alla prova con simulazioni ottiche e termiche, per verificare la temperatura che è realmente possibile raggiungere. La simulazione ottica, con un programma di ray-tracing, calcola la radiazione assorbita dal tubo ricevitore e dalla cavità, con ipotesi ragionevoli sulle proprietà dei materiali (riflettività della cavità 0.94, assorbanza del tubo 0.9).

Per un sistema con collettore primario parabolico di 4 m di larghezza e lunghezza focale di 3 m, cavità ellittica dai semiassi di 8 e 6 cm, diametro del tubo ricevitore di 2 cm, e apertura di 3 cm, la radiazione assorbita dal tubo è l'80% di quella incidente, mentre la cavità ne assorbe il 5%. La concentrazione media è di 50 soli, e quella locale ha un massimo poco superiore a 100 soli. Per confronto, un concentratore lineare del modello più diffuso ha una concentrazione media inferiore a 25 soli. Simulazioni termiche con un modello semplificato di irraggiamento termico, e con un modello di ricevitore privo di ogni ottimizzazione (l'emissività del ricevitore è stata fissata a 0.9, il tubo è cilindrico, la cavità è considerata riflettente per l'infrarosso, e non c'è una finestra sull'apertura) mostrano temperature di equilibrio per questo sistema di circa 800 °C, indicando che può essere usato per applicazioni a temperature superiori a quelle a cui lavorano attualmente i ricevitori lineari.

La presente invenzione è stata fin qui descritta con riferimento a sue forme di realizzazione preferite. È da intendersi che ciascuna delle soluzioni tecniche implementate nelle forme di realizzazione preferite qui descritte a titolo esemplificativo, potranno vantaggiosamente essere combinate diversamente tra loro, per dar forma ad altre forme di realizzazione, che afferiscono al medesimo nucleo inventivo e tutte comunque rientranti nell’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Ricevitore lineare (1) per concentratori solari a sviluppo lineare, comprendente: - un corpo cavo (2) presentante un asse di sviluppo longitudinale (A) lineare; - un tubo ricevitore (3) per il passaggio di un fluido termovettore, passante entro detto corpo cavo, in posizione sostanzialmente parallela a detto asse longitudinale, in cui detto corpo cavo (2) presenta una sezione sostanzialmente a forma di ellisse, detto tubo ricevitore (3) essendo posto in corrispondenza di un primo fuoco di detta ellisse, detta ellisse presentando un’apertura longitudinale, in corrispondenza di un secondo fuoco di detta ellisse.
2. 2. Ricevitore lineare (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto corpo cavo ha una parete interna atta a riflettere la radiazione solare.
3. 3. Ricevitore lineare (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto corpo cavo ha una parete interna sostanzialmente non riflettente nell'infrarosso.
4. 4. Ricevitore lineare (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto corpo cavo è esternamente ricoperto con un materiale termicamente isolante.
5. 5. Ricevitore lineare (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto tubo ricevitore (3) è ricoperto da uno strato in materiale assorbente nello spettro solare.
6. 6. Ricevitore lineare (1) secondo la rivendicazione 5, in cui detto materiale assorbente presenta un'emissività infrarossa inferiore a 0.5.
7. 7. Ricevitore lineare (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta ellisse è sezionata secondo una linea passante per detto secondo fuoco e parallela ad un asse minore di detta ellisse, detta apertura longitudinale essendo ricavata su detta linea e delimitata da due orli.
8. 8. Ricevitore lineare (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta apertura è chiusa da un elemento trasparente nel visibile.
9. 9. Ricevitore lineare (1) secondo la rivendicazione 7, in cui detto elemento trasparente è in vetro pyrex o quarzo.
10. 10. Concentratore solare a sviluppo lineare, comprendente un ricevitore lineare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9.
11. 11. Concentratore solare secondo la rivendicazione 10, comprendente un collettore primario presentante una linea focale.
12. 12. Concentratore solare secondo la rivendicazione 11, in cui detto ricevitore lineare è posizionato lungo detta linea focale, con l’apertura rivolta verso detto collettore primario ed in modo tale che il suo secondo fuoco coincida sostanzialmente con il fuoco del collettore primario.
13. 13. Concentratore solare secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui detto collettore primario è di tipo parabolico.
14. 14. Concentratore solare secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui detto collettore primario è di tipo cilindrico.