ITUD20080088A1

ITUD20080088A1 - Dispositivo di captazione e di concentrazione dell'energia solare

Info

Publication number: ITUD20080088A1
Application number: IT000088A
Authority: IT
Inventors: Antonio Bee
Original assignee: Costruzioni Solari S R L
Priority date: 2008-04-21
Filing date: 2008-04-21
Publication date: 2009-10-22
Also published as: EP2112440A2; EP2112440A3

Description

Descrizione del trovato avente per titolo:

"DISPOSITIVO DI CAPTAZIONE E DI CONCENTRAZIONE DELL'ENERGIA SOLARE"

CAMPO DI APPLICAZIONE

Il presente trovato si riferisce ad un dispositivo di captazione e di concentrazione dell'energia solare.

In particolare, il dispositivo secondo il presente trovato viene impiegato per convertire l'energia solare in energia termica.

STATO DELLA TECNICA

Sono noti dispositivi di captazione e di concentrazione dell'energia solare impiegati per la conversione dell'energia solare in energia termica comprendenti uno o più specchi sagomati in modo da definire un profilo a parabola e mezzi di movimentazione atti a movimentare lo/gli specchi per seguire il movimento del sole. Qui e nel prosieguo della trattazione tali dispositivi verranno definiti del tipo ad inseguimento. I suddetti mezzi di movimentazione sono precisi ed altamente sofisticati per seguire fedelmente il movimento del sole in modo tale che i raggi incidenti sullo/sugli specchio/i risultino sempre paralleli all'asse geometrico della parabola e possano quindi essere perfettamente focalizzati nel fuoco della parabola. In corrispondenza del suddetto fuoco è disposto un elemento ricevitore all'interno del quale fluisce un fluido termovettore che viene riscaldato dai raggi focalizzati e portato ad elevate temperature.

Un inconveniente di tali dispositivi di captazione e concentrazione dell'energia solare noti è la precisione di cui necessitano i mezzi di movimentazione che comporta elevati costi di installazione, gestione e manutenzione.

Tale precisione è necessitata dal fatto che l'assenza di parallelismo tra asse geometrico della parabola e raggi incidenti del sole determina una riflessione disordinata dei raggi per cui il dispositivo non è più in grado di focalizzare tutta l'energia solare esattamente in corrispondenza del tubo. Ciò determina una notevole dispersione di energia ed una drastica perdita di efficienza del dispositivo.

Attualmente nei dispositivi di captazione e concentrazione, sia del tipo ad inseguimento sia fissi, viene utilizzato un elemento ricevitore avente un diametro elevato, in modo tale che, anche in assenza di parallelismo tra asse geometrico della parabola e raggi solari incidenti, l'energia venga comunque indirizzata in corrispondenza di tale elemento ricevitore ed il fluido termovettore venga riscaldato.

Un inconveniente di tale soluzione è che l'utilizzo di un tubo avente un diametro maggiore rispetto a quelli normalmente usati, determina una riduzione del rapporto di concentrazione, ossia del rapporto tra l'area di ingresso su cui i raggi solari incidono e l'area su cui vengono focalizzati i raggi, e conseguentemente di efficienza del dispositivo.

Scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di captazione e di concentrazione dell'energia solare che non necessiti di mezzi di movimentazione precisi e di una focalizzazione dei raggi solari incidenti precisa e puntuale in corrispondenza dell'elemento ricevitore, mantenendo comunque in piena efficienza il dispositivo e limitando drasticamente la dispersione di energia. Per ovviare agli inconvenienti della tecnica nota e per ottenere questi ed ulteriori scopi e vantaggi, la Richiedente ha studiato, sperimentato e realizzato il presente trovato.

ESPOSIZIONE DEL TROVATO

Il presente trovato è espresso e caratterizzato nella rivendicazione indipendente.

Le rivendicazioni dipendenti espongono altre caratteristiche del presente trovato, o varianti dell'idea di soluzione principale.

In accordo con il suddetto scopo, un dispositivo di captazione e di concentrazione dell'energia solare viene impiegato per convertire energia solare in energia termica.

Il dispositivo di captazione e di concentrazione comprende almeno un elemento di riflessione atto a convogliare e concentrare l'energia solare in corrispondenza di almeno un condotto all'interno del quale scorre un fluido termovettore, per scaldare il suddetto fluido termovettore. Con il termine condotto si comprende sia un condotto unico che una pluralità di elementi a condotto associati in serie o in parallelo.

Secondo un aspetto caratteristico del presente trovato il dispositivo di captazione e di concentrazione comprende inoltre mezzi di convogliamento associati al condotto, atti a consentire il convogliamento dell'energia solare in corrispondenza del condotto anche in condizioni di non perfetta focalizzazione geometrica dei raggi solari.

Secondo una variante del presente trovato i mezzi di convogliamento comprendono un contenitore all'interno del quale è disposto detto condotto, detto contenitore essendo provvisto almeno di una superficie realizzata mediante un materiale avente proprietà ottiche tali da favorire l'ingresso dell'energia solare nel contenitore ed impedire l'irraggiamento verso l'esterno del contenitore dell'energia solare presente nel contenitore.

In una forma preferenziale di realizzazione il dispositivo di captazione e di concentrazione è almeno parzialmente, o totalmente, del tipo ad inseguimento.

Secondo una variante del presente trovato il contenitore è associato a detto elemento di riflessione.

Secondo un'altra variante del presente trovato il condotto è associato a mezzi di captazione e di conduzione dell'energia solare, atti a convogliare l'energia solare in corrispondenza del condotto. I suddetti mezzi di captazione sono posti all'interno del contenitore.

In una forma preferenziale di realizzazione i mezzi di captazione comprendono elementi a piastra in materiale termicamente conduttivo, quale un metallo o sali di metallo.

Secondo un'altra forma preferenziale di realizzazione, detto condotto è esternamente associato ad un fluido diatermico.

E' ulteriore forma preferenziale l'associare il condotto ad un metallo a basso punto di fusione.

Secondo un'altra variante del presente trovato il suddetto elemento di riflessione comprende almeno uno specchio sagomato in modo da definire un profilo sostanzialmente a parabola.

In questo modo il dispositivo di captazione e di concentrazione dell'energia solare secondo il presente trovato concentra la radiazione solare all'interno del contenitore e non solamente in corrispondenza di un preciso punto, o linea, di focalizzazione, corrispondente al fuoco del suddetto profilo a parabola. Pertanto non vi è la necessità che il dispositivo venga movimentato con estrema precisione affinchè i raggi della radiazione solare incidente siano perfettamente paralleli all'asse geometrico della parabola.

Infatti, il dispositivo secondo il presente trovato tollera anche uno sfasamento, all'interno di valori predeterminati, dei raggi incidenti della radiazione solare rispetto all'asse geometrico della parabola. Infatti, l'utilizzo dei suddetti mezzi di captazione consente di trasmettere al condotto per conduzione termica anche l'energia proveniente dalla radiazione solare che non viene perfettamente focalizzata. Pertanto il dispositivo secondo il presente trovato non necessita di mezzi di movimentazione sofisticati e precisi per seguire precisamente la traiettoria solare, e limita drasticamente la dispersione di energia, mantenendo il dispositivo in piena efficienza in ogni condizione operativa.

In una forma preferenziale di realizzazione il contenitore è associato ad elementi di materiale termicamente isolante a bassa conducibilità termica.

Secondo un'ulteriore variante del presente trovato il dispositivo secondo il presente trovato comprende mezzi di chiusura riflettenti atti a mantenere all'interno dello specchio l'energia solare.

Questi aspetti consentono di ridurre ulteriormente la dispersione di energia solare e a mantenere il dispositivo in piena efficienza in ogni condizione operativa.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Queste ed altre caratteristiche del presente trovato appariranno chiare dalla seguente descrizione di una forma preferenziale di realizzazione, fornita a titolo esemplificativo, non limitativo, con riferimento agli annessi disegni in cui:

- la fig. 1 è una vista assonometrica di un dispositivo di captazione e concentrazione secondo il presente trovato ;

la fig. 2 è una rappresentazione schematica di un modello ottico del dispositivo di fig.

1;

la fig. 3 è una vista in sezione di un particolare del dispositivo di fig. 1;

la fig. 4 è una vista in sezione di una prima variante del particolare di fig. 3; la fig. 5 è una vista in sezione di una seconda variante del particolare di fig. 3; la fig. 6 è una vista in sezione di una terza variante del particolare di fig. 3;

DESCRIZIONE DI UNA FORMA PREFERENZIALE DI

REALIZZAZIONE

Con riferimento alla fig. 1, un dispositivo 10 di captazione e concentrazione dell'energia solare secondo il presente trovato viene impiegato per convertire l'energia solare in energia termica.

II dispositivo 10 comprende uno specchio 11, ad elevata riflessività, sostenuto da una pluralità di sostegni 12 realizzati in materiale metallico leggero, ad esempio alluminio, sagomati in modo da definire un profilo sostanzialmente parabolico per accogliere e conferire allo specchio 11 il medesimo profilo.

Vantaggiosamente tra lo specchio 11 ed i sostegni 12 sono interposti uno o più fogli di materiale alveolare, non rappresentati nelle figure, atti a conferire curvatura e rigidità strutturale allo specchio 11.

Lo specchio 11 è inoltre vantaggiosamente rivestito di strati di protezione, non rappresentati nelle figure, atti a proteggere la superficie riflettente da agenti atmosferici nocivi ed atti a limitare la deposizione di polveri od altre impurità che potrebbero ridurre l'efficienza dello specchio 11.

Secondo una variante non rappresentata nelle figure, lo specchio 11 è provvisto, in corrispondenza dell'apertura del profilo parabolico, di un elemento di copertura in materiale trasparente, vantaggiosamente vetro, plexiglass® o metacrilato, atto ad impedire la deposizione di polveri od altre impurità sullo specchio 11.

Il dispositivo 10 comprende inoltre un contenitore 13, associato allo specchio 11, vantaggiosamente realizzato in materiale metallico, disposto sostanzialmente sul fondo dello specchio 11. In particolare il contenitore 13 è disposto in modo tale da contenere il fuoco del profilo parabolico dello specchio 11.

Nel caso di specie, il contenitore 13 (fig. 3) comprende un corpo scatolare a forma di parallelepipedo ed ha una lunghezza sostanzialmente pari allo sviluppo longitudinale dello specchio 11 stesso.

Lo specchio 11, ed in particolare la sua curvatura, viene dimensionato in modo da ottenere un elevato rapporto di concentrazione, dato dal rapporto tra l'apertura superiore a del profilo parabolico e la larghezza b del contenitore 13.

Il contenitore 13 è provvisto di un'apertura superiore 14 chiusa a tenuta da una vetrocamera 15, atta a consentire l'ingresso della radiazione solare nel contenitore 13 e ad impedire l'irraggiamento verso l'esterno del contenitore 13 stesso della radiazione in esso accumulata.

Un tubo 16, o una pluralità di tubi 16 associati in serie o in parallelo, all'interno del quale/ dei quali è atto a scorrere un fluido termovettore, ad esempio olio diatermico, per essere convogliato verso dispositivi accumulatori di calore, è disposto all'interno del contenitore 13, normalmente in corrispondenza del fuoco del profilo parabolico dello specchio 11. Nel caso di specie, il tubo 16 è associato, ad esempio mediante saldatura, ad una piastra captante 17 vantaggiosamente realizzata mediante un materiale termicamente conduttivo, quale preferibilmente, ma non limitativamente, rame.

Secondo una variante del presente trovato il tubo 16 è esternamente associato ad un fluido diatermico.

Vantaggiosamente la piastra captante 17 è sottoposta ad opportuni trattamenti superficiali che conferiscono ad essa un alto potere di assorbimento delle radiazioni solari e contemporaneamente una bassa emissività. Tali trattamenti superficiali comprendono ad esempio la deposizione di strati di materiale a base ceramica, rivestimenti in nitruro di cromo, in ossido di titanio, la verniciatura mediante vernici ad alto potere di assorbimento, o qualsivoglia altro genere di trattamento noto atto allo scopo.

Il contenitore 13 è rivestito internamente di strati di materiale termicamente isolante 18 avente una ridotta conducibilità termica, ad esempio aerogel, compresa tra 0.010 W/m-K e 0.020 W/m-K, vantaggiosamente 0.014 W/m-K.

Gli strati 18 di materiale isolante consentono di mantenere all'interno del contenitore 13 sia l'energia termica proveniente dalle radiazioni solari sia la radiazione infrarossa emessa dal tubo 16 e dalla piastra captante 17 scaldati dalle radiazioni solari incidenti su di essi.

Il dispositivo 10 comprende inoltre uno specchio di chiusura 19, associato alla parte posteriore dello specchio 11. Il vetro di chiusura 19 è atto a convogliare verso lo specchio 11 e/o all'interno del contenitore 13, quelle radiazioni solari che, altrimenti, verrebbero disperse in corrispondenza della parte posteriore dello specchio 11.

Secondo una variante del presente trovato il contenitore 13 (fig. 4) è realizzato mediante un tubo 20 in materiale vetroso al cui interno è realizzato il vuoto.

Secondo un'altra variante del presente trovato il contenitore 13 (fig. 5) è realizzato mediante due tubi 21, 22 di materiale vetroso concentrici tra i quali viene realizzato il vuoto.

Secondo un'ulteriore variante del presente trovato (fig. 6) la piastra captante 17 ha una forma circolare, e riveste internamente la parete del tubo 22 in materiale vetroso del contenitore 13 realizzato secondo la variante rappresentata in figura 5.

Il dispositivo comprende inoltre mezzi di movimentazione, di tipo noto e non rappresentati nelle figure, atti sia a consentire la rotazione del dispositivo 10 sul piano azimutale e/o zenitale, sia a variare l'inclinazione dello stesso rispetto al piano orizzontale, per ottimizzare la captazione delle radiazioni solari in funzione delle condizioni ambientali in cui il dispositivo 10 si trova e delle differenti latitudini a cui il dispositivo 10 stesso può essere installato.

Il funzionamento del dispositivo 10 secondo il presente trovato fin qui descritto è il seguente.

Le radiazioni solari incidenti sullo specchio 11, schematizzate in figura 2 da un fascio di rette, vengono riflesse dalle pareti dello specchio 11 e concentrate all'interno del contenitore 13. Qualora vi sia parallelismo tra l'asse geometrico del profilo parabolico dello specchio 11 ed i raggi solari, questi vengono focalizzati in corrispondenza del tubo 16, disposto sostanzialmente in corrispondenza del fuoco della parabola. Nel caso in cui vi sia uno sfasamento tra i raggi solari e l'asse geometrico della parabola, come rappresentato schematicamente nel modello ottico di figura 2, le radiazioni vengono comunque convogliate all'interno del contenitore 13. Per effetto della vetrocamera 15 l'energia solare non viene dispersa ed inoltre per effetto della conduzione termica della piastra captante 17 l'energia solare viene comunque convogliata in corrispondenza del tubo 16 per scaldare il fluido termovettore.

In questo modo i mezzi di movimentazione del dispositivo 10 non devono essere precisi e non sono vincolati ad inseguire fedelmente la traiettoria del sole affinché i raggi solari incidenti risultino sempre paralleli all'asse geometrico della parabola.

Resta inteso che lo sfasamento accettabile tra l'asse della parabola ed i raggi solari incidenti viene determinato a priori. Sulla base di tale informazione il contenitore 13 ed il suo posizionamento vengono quindi opportunamente dimensionati. In particolare la distanza hi della vetrocamera 15 rispetto al vertice della parabola è funzione del suddetto sfasamento. Maggiore è lo sfasamento accettabile, maggiore sarà il valore di hi richiesto.

È chiaro che al dispositivo 10 di captazione e di concentrazione dell'energia solare fin qui descritto possono essere apportate modifiche e/o aggiunte di parti, senza per questo uscire dall'ambito del presente trovato.

È anche chiaro che, sebbene il presente trovato sia stato descritto con riferimento ad alcuni esempi specifici, una persona esperta del ramo potrà senz'altro realizzare molte altre forme equivalenti di dispositivo 10 di captazione e di concentrazione dell'energia solare, aventi le caratteristiche espresse nelle rivendicazioni e quindi tutte rientranti nell'ambito di protezione da esse definito.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di captazione e di concentrazione dell'energia solare comprendente almeno un elemento di riflessione (11) atto a convogliare l'energia solare in corrispondenza di almeno un condotto (16) all'interno del quale scorre un fluido termovettore, per scaldare detto fluido termovettore, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre mezzi di convogliamento (13) associati a detto condotto (16), atti a consentire il convogliamento dell'energia solare in corrispondenza di detto condotto (16 ) anche in condizioni di non perfetta focalizzazione geometrica dei raggi solari.
2. Dispositivo di captazione e di concentrazione come nella rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di convogliamento comprendono un contenitore (13) all'interno del quale è disposto detto condotto (16), detto contenitore (13) essendo provvisto almeno di una superficie (15,20,21,22) realizzata mediante un materiale avente proprietà ottiche tali da favorire l'ingresso dell'energia solare nel contenitore (13) ed impedire l'irraggiamento verso l'esterno del contenitore (13) dell'energia presente nel contenitore (13).
3. Dispositivo di captazione e di concentrazione come nella rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che è almeno parzialmente del tipo ad inseguimento .
4. Dispositivo di captazione e di concentrazione come nella rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto contenitore (13) è associato a detto elemento di riflessione (11).
5. Dispositivo di captazione e di concentrazione come nella rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto condotto (16) è associato a mezzi di captazione e conduzione (17) dell'energia solare, atti a captare l'energia solare e a convogliare detta energia solare in corrispondenza di detto condotto (16), detti mezzi di captazione e conduzione (17) essendo posti all'interno del contenitore (13).
6. Dispositivo di captazione e di concentrazione come nella rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di captazione comprendono elementi a piastra (17) in materiale termicamente conduttivo .
7. Dispositivo di captazione e di concentrazione come nella rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto materiale termicamente conduttivo comprende metallo.
8. Dispositivo di captazione e di concentrazione come nella rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto materiale termicamente conduttivo comprende sali di metallo.
9. Dispositivo di captazione e di concentrazione come nella rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detti elementi a piastra sono rivestiti con materiale ceramico.
10. Dispositivo di captazione e di concentrazione come nella rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detti elementi a piastra sono rivestiti con nitruro di cromo.
11. Dispositivo di captazione e di concentrazione come nella rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detti elementi a piastra sono rivestiti con ossido di titanio.
12. Dispositivo di captazione e di concentrazione come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il condotto (16) è esternamente associato ad un fluido diatermico .
13. Dispositivo di captazione e di concentrazione come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il condotto (16) è associato ad un metallo a basso punto di fusione.
14. Dispositivo di captazione e di concentrazione come nella rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto elemento di riflessione comprende almeno uno specchio (11) sagomato in modo da definire un profilo sostanzialmente a parabola, in cui il fuoco di detto profilo a parabola è disposto all'interno di detto contenitore (13).
15. Dispositivo di captazione e di concentrazione come nella rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il contenitore (13) è associato internamente ad elementi (18) di materiale termicamente isolante a bassa conducibilità termica.
16. Dispositivo di captazione e di concentrazione come nella rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che detto materiale termicamente isolante comprende aerogel.
17. Dispositivo di captazione e di concentrazione come nella rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre mezzi di chiusura riflettenti (19) atti a mantenere all'interno dello specchio (11) e/o all'interno del contenitore (13) l'energia solare.
18. Dispositivo di captazione e di concentrazione come nella rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende mezzi di movimentazione atti a ruotare il dispositivo rispetto al piano azimutale e/o zenitale.
19. Dispositivo di captazione e di concentrazione come nella rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto contenitore (13) comprende un corpo scatolare chiuso a tenuta da una vetrocamera (15).
20. Dispositivo di captazione e di concentrazione come nella rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto contenitore (13) comprende un tubo (20) in materiale vetroso all'interno del quale è realizzato il vuoto.
21. Dispositivo di captazione e di concentrazione come nella rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto contenitore (13) comprende almeno due tubi concentrici (21,22) di materiale vetroso tra i quali è realizzato il vuoto.
22. Dispositivo di captazione e di concentrazione come nella rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che lo specchio (11) è provvisto, in corrispondenza dell'apertura del profilo a parabola, di un elemento di copertura in materiale trasparente atto ad impedire la deposizione di impurità sullo specchio (11).
23. Dispositivo di captazione e di concentrazione dell'energia solare, sostanzialmente come descritto, con riferimento agli annessi disegni.