IT201900019996A1 - Ricevitore solare per il riscaldamento di fluidi in maniera diretta - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione avente per TITOLO: "Ricevitore solare per il riscaldamento di fluidi in maniera diretta"

Ambito tecnico

Gli impianti solari a concentrazione usano la luce solare, concentrata da appositi sistemi - nei casi più usuali specchi di forma opportuna -per ottenere il riscaldamento di fluidi fino ad alte temperature, tali da permetterne lo sfruttamento per vari scopi. Lo scopo più tipico è la produzione di energia, la quale può essere ottenuta mediante varie modalità, tra le quali vi sono, ad esempio, le seguenti:

• l’alta temperatura raggiunta dal fluido permette di portarlo in pressione e poi vaporizzarlo in modo che azioni un generatore elettrico

● il fluido viene usato come termovettore per scaldare un altro fluido che va in pressione e vaporizza in modo che questo secondo fluido aziona un generatore elettrico

Il fluido scaldato mediante la luce solare è contenuto o scorre in un contenitore di forma opportuna, diversa a seconda degli utilizzi e in particolare a seconda del sistema di concentrazione della luce solare.

Stato dell’arte e problema tecnico da risolvere

Nei sistemi esistenti la luce solare scalda il fluido sempre in maniera indiretta: il contenitore viene scaldato concentrando sulla sua superficie esterna la luce solare, che viene assorbita e convertita in energia termica della parte più esterna dello spessore del contenitore; per conduzione, attraverso lo spessore delle pareti del contenitore, tale energia termica viene trasferita al fluido contenuto all’interno del contenitore. Questo fatto ha le seguenti conseguenze svantaggiose:

• l’oggetto fisico che assorbe l’energia solare (la parete o le pareti del contenitore) è anche lo stesso attraverso cui l’energia - divenuta, da solare, termica - si disperde, almeno in parte, nell’ambiente, mediante irraggiamento, conduzione o convezione: è necessario quindi creare soluzioni in cui la struttura del contenitore possa assorbire facilmente l’energia solare ma disperdere poco l’energia termica. In una delle soluzioni più recenti (http://www.archimedesolarenergy . it, dove sono sfruttati brevetti dell’ENEA), il concentratore è parabolico lineare e il contenitore - a forma di tubo - è composto di due tubi concentrici, quello interno - in cui scorre il fluido - di acciaio e quello esterno di vetro, con in mezzo tra loro il vuoto. Il tubo di acciaio è rivestito di sostanze ad alto coefficiente di assorbimento per la luce solare e a bassa emittanza per irraggiamento. Il vuoto tra i due tubi elimina la dispersione del calore per conduzione. Tale soluzione è costosa, a causa del costo dei materiali, dotati di caratteristiche piuttosto particolari e a causa delle difficoltà ingegneristiche da superare, come il mantenimento del vuoto e il differente coefficiente di espansione termica tra acciaio e vetro

• poiché l’energia termica passa al fluido per conduzione attraverso le pareti del contenitore, tali pareti non possono essere eccessivamente spesse. Di conseguenza, non possono sostenere pressioni interne elevate. Questo fatto:

— o costringe a limitare la temperatura del fluido, limitando il rendimento del sistema termodinamico

- o, come ad esempio nella soluzione sopra citata, costringe ad usare sostanze - nel caso citato sali fusi - che possano raggiungere alte temperature senza raggiungere pressioni eccessive; ma tali fluidi non sono poi utilizzabili direttamente per azionare i generatori elettrici, e devono quindi passare l’energia termica ad un fluido successivo, che, in pressione, aziona i generatori elettrici; inevitabilmente questo passaggio crea perdite di energia e abbassa il rendimento teoricamente raggiungibile in base alla temperatura del primo fluido

In un’altra soluzione (descritta nella domanda di brevetto ITRM20130444 e apparsa, come da relativo rapporto di ricerca, in JPS5981441A) si cerca di superare tali problemi, sempre solo per il caso di concentratori lineari parabolici e ricevitori solari lineari, inserendo il contenitore - sempre a forma di tubo - in un altro tubo le cui pareti interne sono riflettenti verso la luce solare; il tubo non è totalmente chiuso ma presenta un settore aperto verso l’esterno; tale settore può essere lasciato libero o chiuso a sua volta con materiali trasparenti alla luce solare; la luce solare viene concentrata da specchi in modo da passare attraverso la parte aperta o trasparente e poi riflessa dalla superficie interna del tubo esterno sulla superficie esterna del tubo interno, che la assorbe e la converte in energia termica che poi passa al fluido che in esso scorre; la forma del tubo esterno e le posizioni relative dei due tubi devono essere scelte in modo appropriato per avere la concentrazione dei raggi solari sul tubo interno.

Esposizione della soluzione del problema tecnico

La presente innovazione consiste nel realizzare un contenitore di struttura opportuna ed abbinarlo ad un fluido opportuno in modo che sia direttamente il fluido contenuto in esso ad assorbire la luce solare e a convertirla subito in propria energia termica, senza che sia necessario alcun passaggio conduttivo attraverso le pareti del contenitore, e allo stesso tempo in modo da ridurre il più possibile le perdite di energia termica dal fluido verso l’ambiente esterno.

Il contenitore (4) presenta una piccola parte delle sue pareti trasparente (5) alla luce solare (2): la luce solare viene concentrata solo su tale parte della superficie del contenitore. In tal modo, essa entra direttamente nell’interno del contenitore, dove è presente il fluido (9). Il fluido è scelto in modo da essere assorbente nei confronti della luce solare o è reso tale combinandolo con opportune sostanze, di conseguenza assorbe e converte direttamente nel suo volume l’energia solare in energia termica. La superficie interna del contenitore è scelta in modo da essere riflettente nei confronti della luce solare in modo che, anche qualora una parte della luce solare non fosse subito assorbita dal fluido, verrebbe assorbita dopo riflessione.

Tale invenzione sembra essere la stessa di quelle (ITRM20130444 e JPS5981441A) citate sopra , ma, a differenza di esse, è presente un solo contenitore e, soprattutto, l’assorbimento dell’energia avviene direttamente nel fluido. Inoltre, nessuna scelta restrittiva è necessaria sulla forma del contenitore, che può essere scelta in base alle caratteristiche dell’impianto complessivo all’interno del quale tale ricevitore solare è inserito.

Con tale struttura e tale meccanismo di assorbimento e conversione, è possibile dare uno spessore elevato quanto si vuole alle pareti del contenitore e ricoprirlo con un qualunque spessore di materiale isolante (tranne per la piccola parte trasparente), oppure sceglierlo già composto di materiale isolante: anche la parte trasparente delle pareti del contenitore può essere di elevato spessore, poiché anche i materiali trasparenti di uso più comune sono tali, rispetto alla luce visibile, per sufficienti profondità. Inoltre, la parte trasparente rappresenta solo una parte piccola della superficie del contenitore e quindi le perdite di energia attraverso di essa, sotto forma di luce solare non assorbita ma riflessa verso la parte trasparente o sotto forma di energia termica persa per conduzione o convezione attraverso tale parte trasparente, sono limitate.

In tal modo, per tutti i motivi mostrati, il fluido interno può essere portato anche ad alte pressioni e l’isolamento termico del sistema può essere estremamente buono.

Inoltre, per avere tutte le caratteristiche indicate, sono sufficienti materiali di uso comune e molto economici, e la struttura è molto facile da costruire.

La struttura, appena descritta, del contenitore permette anche l’utilizzo di altre soluzioni per l’assorbimento dell’energia da parte del fluido, che, per quanto meno efficienti di quella dove il fluido è assorbente verso la luce solare, godono comunque del vantaggio che la luce solare è fatta entrare direttamente nello spazio volumetrico occupato dal fluido e quindi non è mai richiesto un passaggio conduttivo di energia termica attraverso le pareti del contenitore; qui di seguito ne sono elencate alcune, che non esauriscono l’insieme di tutte quelle possibili:

• il fluido è trasparente e la superficie interna del contenitore è fortemente assorbente verso la luce solare: tale superficie si scalda e trasferisce l’energia al fluido, che è a diretto contatto della parte scaldata del contenitore, e quindi non è necessario che avvenga alcuna conduzione di calore attraverso le pareti del contenitore

• il fluido è parzialmente trasparente e la superficie interna del contenitore è riflettente; se il contenitore ha forma appropriata, la luce è soggetta a multiple riflessioni prima di poter uscire dal contenitore attraverso la superficie di entrata; il suo percorso può essere così lungo da essere comunque assorbita o dalla superficie interna del contenitore o direttamente dal fluido; in ogni caso, poiché la parte di superficie trasparente è molto minore del resto della superficie del contenitore, la percentuale di energia solare riemessa attraverso la finestra trasparente è piccola rispetto all’energia trattenuta all’interno del sistema

• sono possibili combinazioni delle opzioni mostrate o ulteriori meccanismi di accumulo o di conversione dell’energia solare entrata direttamente nell’interno del contenitore

Descrizione dei disegni

I disegni rappresentano, in modo schematico e non in scala, soltanto la struttura generale dell’invenzione, le sue componenti principali e le relazioni tra loro, poiché la specifica realizzazione pratica include scelte e ottimizzazioni basate sull’effettivo sviluppo dell’invenzione nelle situazioni particolari di utilizzo, scelte e ottimizzazioni che non esulano dall’ambito di possibilità delimitato dalla descrizione sopra illustrata. Inoltre l’invenzione è mostrata all'interno di un esempio di impianto dove essa possa essere applicata.

I raggi (2) emessi dal Sole (1) vengono concentrati da uno specchio (3) di forma apposita sulla finestra trasparente di entrata (5) del contenitore (4) del fluido (9). Il fluido assorbe l’energia dei raggi solari e viene scaldato fino alla pressione opportuna. Raggiunta tale pressione, il fluido aziona il generatore elettrico (7), per poi essere raffreddato e di nuovo mandato nel contenitore mediante l’apparato di raffreddamento e mandata (6); i tubi di collegamento (8) tra contenitore, generatore elettrico e apparato di raffreddamento permettono il passaggio del fluido tra le varie componenti.

Funzionamento

Il funzionamento generale è già stato illustrato nei paragrafi precedenti.

Applicazione industriale

La realizzabilità industriale è certa, poiché l’innovazione è basata su tecnologie esistenti e ben stabilite.

Vantaggi

Come già indicato, i vantaggi consistono nella maggior semplicità ed economicità dell’invenzione rispetto agli apparati con lo stesso scopo attualmente esistenti.

La presente invenzione è stata illustrata e descritta in alcune preferite forme di pratica realizzazione, ma si intende che varianti esecutive potranno ad essa in pratica apportarsi senza peraltro uscire daH’ambito di protezione del presente brevetto per invenzione industriale.

Claims (1)

1. Rivendicazioni 1. Ricevitore solare per il riscaldamento di fluidi, consistente di un contenitore (4) all’interno del quale il fluido (9) si trova o scorre, caratterizzato dal fatto che una parte (5) delle pareti del contenitore è trasparente nei confronti della luce solare e il fluido utilizzato è assorbente nei confronti della luce solare, in modo che, quando la luce solare (2) viene concentrata (3) sulla parte trasparente delle pareti del contenitore, essa entra nel volume interno del contenitore e viene direttamente assorbita dal fluido e convertita in energia termica del fluido 2. Ricevitore solare per il riscaldamento di fluidi secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che, a parte la parte trasparente delle pareti del contenitore, il resto della superficie interna delle sue pareti è riflettente nei confronti della luce solare, in modo che la parte di luce solare non immediatamente assorbita dal fluido viene riflessa dalla superficie interna del contenitore e quindi assorbita dal fluido 3. Ricevitore solare per il riscaldamento di fluidi secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il contenitore ed il suo interno sono termicamente isolati rispetto all’ambiente esterno 4. Ricevitore solare per il riscaldamento di fluidi, consistente di un contenitore all’interno del quale il fluido è presente o scorre, che utilizza la stessa struttura del contenitore indicata nella rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le pareti interne del contenitore, tranne per la parte trasparente, sono riflettenti nei confronti della luce solare e hanno forma appropriata a far in modo che la luce debba compiere molte riflessioni ed un lungo percorso prima di poter uscire da esso passando di nuovo per la parte trasparente delle pareti del contenitore 5. Ricevitore solare per il riscaldamento di fluidi, consistente di un contenitore all'interno del quale il fluido è presente o scorre, che utilizza la stessa struttura del contenitore indicata nella rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le pareti interne del contenitore, tranne per la parte trasparente, sono assorbenti rispetto alla luce solare, in modo da passare l’energia termica al fluido per conduzione