IT8224296A1

IT8224296A1 - Collettore solare

Info

Publication number: IT8224296A1
Application number: IT1982A24296A
Authority: IT
Original assignee: Sainsbury Garret Michael
Priority date: 1981-11-17
Filing date: 1982-11-17
Publication date: 1984-05-17
Also published as: US4491125A; GB8328173D0; IT8224296A0; IL67312A; GB2126371B; IT1153055B; BR8208070A; IN159850B; IL67312A0; EP0105275A4; WO1983001830A1; EP0105275A1; GB2126371A; DE3276878D1; EP0105275B1

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda i collettori solari e, in particolare, un collettore solare a focalizzazione ?

I collettori a focalizzazione possono essere ampiamente suddivisi in tre sistemi e cio?:

(a) Collettori a canale o trogoli

(b) Collettori a piatti

(c) Combinazioni a eliostati/torri di potenza. I primi due sistemi possono essere ulteriormente suddivisi come segue:

Collettori a canali o trogoli

(a) A ^pedinamento su un asse

(b) A ^pedinamento su due assi

Collettori a piatti

(a) Parabolici

(b) Sferici

II problema principale con i collettori a canale o trogoli, ? la temperatura massima relativamente bassa ottenibile, poich? ? prodotto un fuoco lineare invece che un fuoco puntiforme. Ci? vale per entrambi i tipi, bench? il secondo tipo, da questo punto di vista, sia migliore del primo. Le basse temperature provocano problemi di trasferimento di calore, e danno luogo a bassa efficienza termodinamica e, nel tentativo di superare questi problemi impiegando pedimento su due assi, sorgono altre complicazioni, e cio? quella dell'estrazione di calore ad alte temperature dal fuoco di un sistema che in oscillazione quando il sole viene pedinato. Il mezzo di trasferimento di calore caldo ed esotico tende a trafilare presso le guarnizioni in tubi subenti movimento relativo (i fluidi di trasferimento di calore "esotici" sono necessari poich? la pressione del vapore, anche alle temperature di funzionamento relativamente basse, tipicamente 570?P, ? di 1200 p,s,i. (84 Kg/cm2 circa) il che ? sufficiente a determinare eruzioni). Ci? si aggiunge al problema di pedinamento effettivo, in cui la velocit? di oscillazione sui due assi non pu? essere preimpostata, poich? essa varia per ciascun asse durante 11 giorno, essendo massima per l'asse di elevazione o altezza e minima per l?asse azimutale all'alba, e viceversa al pomeriggio, e quindi nuovamente nella prima situazione al tramonto. In aggiunta, la relazione variabile fra le due oscillazioni assiali cambia entro periodi di 24 ore successive, durante i 12 mesi. Il metodo di pedimento consueto ? quello di regolare l'altezza e l'.azimuth a intervalli frequenti durante il giorno, ci? essendo attuato automaticamente tramite ingresso da sensori. Tuttavia ci? ha come co-nseguenza un movimento a "strattoni" o irregolare, e per buona parte del tempo, una percentuale apprezzabi-le della radiazione incidente riflessa manca il bersaglio.

I collettori a "piatti" parabolici producono un fuoco puntiforme determinante elevate temperature, ma essi risentono degli altri inconvenienti dei collettori a canali a due assi, e cio? quello di un fuoco oscillante, quello di linee del fluido di trasferime-nto di calore esotico suscettibili di perdite (problema questo esacerbato dalle pi? elevate temperature) e i problemi di pedinamento (che sono esacerbati dalle dimensioni unitarie generalmente maggiori e dalla ma-ggior precisione richiesta). In aggiunta ? c?ostoso fabbricare e supportare un grande collettore a piatto parabolico, in cui ciascun pannello del co-llettore ? diverso da ogni altro, non sulla sua particolare "zona di latitudine".

I collettori sferici costituiscono per molti punti di vista un perfezionamento. Ad esempio essi possono essere fa-bbricati in grande numero o tipo, a partire da pochi tipi di pannelli, e i requisiti di pedinamento sono semplici. Un collettore sferico ha una infinit? di assi ottici, in contrapposizione ad un para boloide che ne ha uno solo, per cui, anche se esso ?, in un certo qual senso, completamente immobile, esso ? sempre perfettamente allineato con il sole. Un collettore "a piatto" immobile, naturalmente ricever? solo una frazione della possibile energia totale incidente durante il giorno, per cui, in pratica, questo tipo di collettore viene inclinato e fatto ruotare attorno ad un asse verticale attraverso il centro di curvatura, in maniera tale che esso abbia ad essere rivolto nella direzione generale del so-le in ogni momento durante il giorno Il compromesso per ottenere questi vantaggi ? la perdita del fuoco puntiforme-ossia i raggi incidenti "non parassial-?" (cio? quelli paralleli all'asse ottico ma ad una certa distanza da esso) sono riflessi su punti sull'asse progressivamente sempre pi? lontani dal fuoco parassiale, man mano che essi divengono s-empre pi? "non parassiali". In sezione i raggi riflessi formano una curva "caustica". Il risultato ? che, per raccogliere la radiazione riflessa, un tubo per fluido di trasferimento di calore deve sempre essere in ogni istante posizionato in coincidenza con l'asse ottico del momento. In altre parole, il sistema,ri-torna ad un fuoco lineare a bassa temperatura con un bersaglio oscillante. In questo caso, l'oscillazione del bersaglio, o del sole, ? indipendente dal riflettore ed ? relativamente semplice ? esso ruota cio? attorno ad un asse Nord-Sud attra-verso il centro di curvatura inclinato con un angolo di latitudine del sito con la stessa velocit? con la quale la terra ruota rispetto al sole, che ? sostanzialmente costante a 15? all'ora. Esso oscilla pure su un secondo asse attraverso il centro di curvatura ad angoli retti rispetto al primo asse per mantenere l'angolo fra il primo asse e il tubo essenzialmente uguale all'inclinazione del sole, quando essa varia con le stagioni. Ci? ? noto come "montaggio equatoriale" e fornisce il pedinamento pi? semplice possibile.

Il sistema a eliostato/torre di potenza ? correntemente quello pi? favorito in impianti per la produzione di energia solare di grandi dimensioni. Esso ? costituito da una grande t?rre centrale con un "bersaglio immobile" previsto in cima* La torre ? circondata, al livello di terra, da un gran numero di superfici riflettenti piane le quali riflettono la luce del sole sul bersaglio. Questo sistema presenta molti vantaggi intrinsechi, ma il problema di pedinamento ? aggravato dal numero di riflettori individuali impiegati, poich? ciascun riflettore deve pedinare in altezza e azimuth, e il suo orientamento, in un qualsiasi dato momento, ? diverso da quello di tutti gli altri riflettori. Almeno con collettori a canale o trogoli a due assi e collettori parabolici, tutte le unit? hanno il medesimo orientamento in corrispondenza del medesimo momento, e un!,unit? pu? agire come una unit? di pedinamento principale, seguita da tutte le altre, impiegando il servomeccanismo principale.

Ovviamente ? richie?sto un sistema includente i vantaggi dei vari sistemi esistenti, ma non avente i loro problemi.

Gli attributi desiderabili possono essere cos? riassunti:

(a) Fuoco puntiforme

(b) Bersaglio immobile (consentente generazione diretta del vapore senza l'impiego di un fluido di trasferimento di calore esotico intermedio e di un generatore di vapore)

(c) Facilit? di costruzione

(d) Pedinamento semplice.

Si ? trovato che ci? potrebbe essere ottenuto introducendo una superficie riflettente secondaria in un sistema a collettore tipo piatto sferico, fornente al piatto sferico un fuoco puntiforme in corrispondenza del centro di curvatura.

In una sua forma, l'invenzione riguarda un collettore solare comprendente una semisfera avente una superficie riflettente interna; un concentratore conico caustico disposto in corrispondenza del fuoco della semisfera e avente un secondo fuoco concentrato per la radiazione riflessa sulla sua superficie da detta semisfera, uno scambiatore di calore posizionato nel secondo fuoco, detto concentratore conico caustico essendo montato per ruotare attorno ad un asse sostanzialmente Nord-Sud passante attraverso detto secondo fuoco ed essendo azionato mediante un azionamento in maniera tale che, col movimento del sole, la radiazione solare incidente ? diretta costantemente in corrispondenza di detto secondo fuoco.

Secondo una caratteristica preferita dell'invenzione, il secondo fuoco ? disposto nel centro di curvatura della semisfera.

Secondo una caratteristica preferita dell'invenzione, la semisfera ? inclinata secondo un angolo rispetto alla orizzontale che ? sostanzialmente uguale all'angolo della latitudine della posizione del collettore solare.

Secondo una peculiarit? preferita dell'invenzione, l?asse Nord-Sud ? inclinato con un angolo rispetto all'orizzontale, che ? sostanzialmente uguale alla latitudine della posizione del collettore solare.

Secondo una caratteristica preferita dell'invenzione, detta semisfera ? girevole attorno a detto asse Nord-Sud.

Secondo un'ulteriore caratteristica preferita dell'invenzione, la semisfera ? inclinata con un angolo rispetto all'orizzontale sostanzialmente uguale all'angolo di latitudine della posizione del collettore solare, e la porzione inferiore della semisfera ? fissa mentre la porzione superiore pu? ruotare sulla porzione inferiore, un secondo azionamento essendo associato con la porzione superiore per spostare detta porzione superiore in maniera tale che detta semisfera sia diretta sostanzialmente costantemente verso il sole durante il suo movimento.

Secondo un'ulteriore caratteristica preferita dell'invenzione, detto concentratore conico caustico ? girevole attorno ad un asse Est-Ovest ed ? in grado di essere azionato tramite un terzo azionamento per mantenere il concentratore conico caustico in corrispondenza di detto primo fuoco quando il sole varia la sua inclinazione.

Secondo un'ulteriore caratteristica preferita dell'invenzione, il concentratore conico caustico ? a-ssociato con un sensore disposto adiacente al percorso della luce fra il concentratore conico caustico e il secondo fuoco, per determinare attivazione degli azionamenti per detto concentratore conico caustico su detto percorso di luce intersecante detto sensore.

Seco-ndo una caratteristica preferita della invenzione, il collettore ? sferico e l'altra semisfera di esso ? sostanzialmente trasparente.

Secondo una caratteristica preferita della caratteristica precedente, il concentratore conico caustico ? associato con un concentratore rifrangente e/o riflettente montato sull'altro lato del secondo fuoco in relazione di opposizione rispetto al concentratore conico caustico, e montato per spostar-r si in relazione opposta con il concentratore conico caustico, e avente come suo fuoco il secondo fuoco.

Secondo una caratteristica preferita dell'invenzione, il collettore ? sferico ed ? formato da una membrana flessibile gonfiata per mantenere la sua forma?

Secondo una caratteristica preferita della invenzione, il collettore ? sferico ed ? formato da due semisfere di una materia plastica rigida intercollegata tramite un'intelaiatura circolare rigida supportata da detto elemento assiale diametrale.

L'invenzione sar? compresa pi? completamente alla luce della descrizione che segue di varie forme di realizzazione specifiche. La descrizione sar? fornita con riferimento ai disegni acclusi nei quali:

La figura 1 ? una vista in alzato in sezione schematica della prima forma di realizzazione;

La figura 2 illustra una traccia di raggi di radiazione solare incidente sul collettore di figura 1; e

La figura 3 ? un alzato parzialmente in sezione illustrante la costruzione del guscio della seconda forma di realizzazione;

La figura 4 ? un alzato in sezione schematico della terza forma di realizzazione;

La figura 5 ? una traccia di raggio applicabile alla terza forma di realizzazione;

La figura 6 ? un alzato parzialmente in sezione della terza forma di realizzazione, illustrante la configurazione della caldaia;

La figura 7 ? una vista in pianta parziale della terza forma di realizzazione illustrante il su trave

montaggio/reticolare di essa; e

La figura 8 ? una disposizione schematica di mezzi di collezione o raccolta di energia, utilizzanti un gruppo di collettori secondo la terza forma di realizzazione.

La forma di realizzazione della figura 1, comprende un collettore solare comprendente un guscio sferico o involucro 11, formato da una membrana flessibile gonfiata. Il guscio o involucro-comprende una semisfera 11a avente una faccia riflettente interna, l'altra semisfera 11b essendo sostanzialmente trasparente. Il guscio o involucro ? supportato su un albero diametrale 12 avente un orientamento sostanzialmente Nord-Sud e si estende fra le giunzioni delle semisfere, ed ? inclinato con un angolo rispetto all'orizzontale sostanzialmente uguale alla latitudine della posizione del collettore. Ciascuna estremit? dell'albero 12 ? supportata girevolmente in cuscinetti adatti 13 ed ? azionata tramite un motore di azionamento per/s? che la sfera abbia a ruotare attorno all'asse centrale dell'albero. L'azionamento per detto motore ? controllato in maniera tale che la semisfera riflettente ? dir?tta costantemente verso il sole. Alla fine di ciascun giorno, la sfera ? costretta a ruotare ad una posizione in corrispondenza della quale la semisfera riflettente 11a sar? diretta verso il sole, nel momento in cui nel giorno successivo esso nascer?. L'azionamento per il motore pu? essere controllato o comandato mediante un sensore adatto per mantenere la semisfera riflettente in posizione oppure, alternativamente, pu? essere calibrato a seconda del movimento previsto del sole.

L'albero diametrale 12 supporta una intelaiatura diametrale 15 sostanzialmente perpendicolare all'albero 12 e girevole attorno al centro di curvatura della sfera attorno ad un asse Nord-Sud (asse principale) ed un asse perpendicolare ad esso (asse di oscillazione) per garantie che l'intelaiatura diametrale abbia .a rimanere in allineamento col sole quando esso si muove attraverso il cielo, e varia rispettivamente il suo angolo di inclinazione. Una estremit? dell'intelaiatura diametrale 15 adiacente alla semisfera riflettente 11a supporta un concentratore conico caustico riflettente 16 il quale ? disposto in corrispondenza del fuoco della semisfera riflettente. La curvatura del cono caustico ? tale che la radiazione solare incidente su di esso dalla semisfera riflettente viene riflessa in un fuoco sostanzialmente puntiforme in corrispondenza del centro di curvatura della semisfera. Il movimento girevole dell'intelaiatura diametrale 15 sull'albero diametrale 12 ? controllato tramite mezzi idraulici, che sono a loro volta controllati mediante un sensore adatto per mantenere la radiazione riflessa dal cono caustico 16 incidente sul centro di curvatura della semisfera?

Uno scambiatore di calore sferico 20 ? disposto in corrispondenza del punto focale, e fluido di scambio termico ? introdotto nello scambiatore di calore e estratto da esso tramite linee del fluido disposte entro l'albero 12, Il fluido riscaldato dallo scambiatore di calore passa a mezzi 17 per estrarre il calore dal fluido, che ? quindi rinviato allo scambiatore di calore tramite un condotto di ritorno 18? L'altra estremit? dell'intelaiatura diametrale lontana dal concentratore conico caustico supporta una lente 23 che dirige la radiazione solare incidente su di essa sullo scambiatore di calore 20, L'altra estremit? supporta pure un gruppo anulare di riflettori parabolici concentrici 19, che schermano il cono caustico dalla luce solare incidente e riflettono la radiazione incidente sullo scambiatore di calore 20,

La faccia inferiore del concentratore conico caustico ? formata in corrispondenza della sua periferia con una superficie riflettente convessa anulare 21 la quale riflette la radiazione riflessa dalla semisfera su un piccolo cono riflettente 22 disposto centralmente al di sotto del concentratore conico caustico 16. Il vertice del concentratore conico caustico ? tagliato via per consentire alla radiazione riflessa dal piccolo cono riflettente 22 di incidere sullo scambiatore di calore 20.

Il percorso della radiazione solare incidente sul collettore di questa forma di realizzazione, pu? essere pi? completamente compreso facendo riferimento alla figura 2.

Come ? mostrato in figura 1, quando si trova in posizione, il collettore ? associato con una struttura di supporto 27 la quale supportati'estremit? superiore dell'albero e adatta l'apparecchiatura appropriata per l'estrazione del calore dal fluido di scambio termico e per.controllare il movimento del collettore. In aggiunta, il concentratore ? associato con un deflettore 28 del vento che circonda la porzione inferiore del collettore per proteggerlo da deformazioni e danneggiamenti dovuti al vento.

La costruzione del guscio o involucro sferico pu? essere realizzata costruendo un gruppo di pannelli di forma opportuna, formati da una membrana flessibile desiderabile, e intercollegandoli tramite una qualsiasi tecnica idonea.

La seconda forma di realizzazione differisce dalla prima forma di realizzazione solo in relazione alla natura e al procedimento di costruzione del guscio o involucro sferico. Il guscio o involucro della seconda forma di realizzazione comprende un elemento di intelaiatura circolare 30 che ? fissato all'albero diametrale 31. L'elemento di intelaiatura circolare 30 supporta una coppia di semisfere formate da una materia plastica rigida. L'intelaiatura circolare 30 ? formata da un profilato a C circolare 32, ciascuna flangia 33 supportando una coppia di membrane 34 e 35 le quali si estendono attraverso l'intelaiatura circolare 30 e sono montate in modo serrato in corrispondenza della loro periferia sulla flangia rispettiva 33 dell'intelaiatura tramite elementi angolari circolari 36. Un distanziatore circolare 37 ? posizionato fra ciascuna membrana. Nel formare ciascuna semisfera, dopo che ciascuna membrana ? stata fissata all'intelaiatura circolare 30, una certa quantit? di resina acrilica e di catalizzatore viene miscelata e iniettata nello spazio fra ciascuna coppia di membrane per riempire tale spazio. Durante la fase di riempimento, all'aria spostata dalla resina entrante ? consentito di fuoriu? scire. Dopo aver completato la fase di riempimento, aria compressa viene introdotta nello spazio definito dall'intelaiatura circolare 30 e dalle membrane, per gonfiare ciascun gruppo di membrane per indurle ad assumere una forma semisferica. Pressione viene mantenuta nella struttura finch? la resina intrappolata fra ciascuna coppia di?membrane non si ? indurita. Dopo il completamento della fase di formatura, una semisfera, o entrambe, pu?/possono essere rimosse per consentire 1'installazione del meccanismo interno del collettore. Se desiderato, la superficie riflettente della semisfera riflettente pu? essere formata impiegando un materiale riflettente in qualit? della membrana interna 34pure prevedendo un rivestimento riflettente adatto sulla superficie interna dopo il processo di formatura.

Il concentratore della terza forma di realizzazione delle figure da 4 a 9 ? costituito da un riflettore semisferico 111, con la sua faccia diametrale aperta inclinata rispetto all'orizzontale con un angolo uguale alla latitudine.del posto. Il riflettore viene posizionato nel terreno in modo leggermente pi? profondo del suo bordo inferiore, e la parte del riflettore al di sopra del.livello del terreno (il guscio 11A) ? separata dalla parte nel terreno (la parte a tazza 111B) e pu? ruotare attorno ad un asse verticale attraverso il centro della semisfera?

Una caldaia sferica 120 ? disposta in corrispondenza del centro della semisfera 111, con un tubo di ingresso dell'acqua isolato conducente in essa e un tubo di uscita del vapor di acqua isolato adiacente conducente via da essa? I tubi sono inclinati al di sopra dell'orizzontale con un angolo uguale alla latitudine del sito, e sono allineati Nord-Sud, e passano fuori dalla semisfera leggermente al di sotto del livello del suolo* La linea di contatto fra i tubi ? co-incidente con l'asse diametrale Nord-Sud (l'asse principale) attraverso la faccia della semisfera 111? In corrispondenza del livello del terreno, i tubi sono fissati tramite un collare di calcestruzzo che circonda la semisfera e sono supportati al di sopra di tal;e semisfera tramite colonne e pu ntoni adatti 140.

La caldaia 120 ? circondata da una struttura diametrale 115, che pu? ruotare attorno all'asse principale e oscillare pure su un asse coincidente con l'asse diametrale Est-Ovest della semisfera (l'asse di oscillazione). Un cono di correzione caustico riflettente 116 ? posizionato in corrispondenza di un'estremit? della menzionata struttura reticolare 115 adiacentemente alla faccia riflettente della semisfera m , e ad una combinazione di paraboloide/iperboloide 119 (un collettore contrappeso) in corrispondenza dell'altra estremit?. La curvatura del cono di correzione caustico 116 ? tale che la radiazione solare riflessa dalla semisfera incider? sul cono 116 e sar? riflessa alla caldaia centrale 120. Il cono ? schermato dalla radiazione diretta dal sole mediante il riflettore paraboloide anulare 119A il quale riflette la radiazione su un riflettore iperboloidico centrale 119B il quale riflette a sua volta la radiazione attraverso il centro del paraboloide anulare 119A ad una caldaia centrale 120.

La caldaia 120 ? circondata da un mantello termico sferico 141 il quale ruota cori la struttura 115? La radiazione dal cono e dal collettore contrappeso passa attraverso fessure 142 ricoperte con silice fusa nel mantello alla caldaia 120. Lo spazio fra la caldaia 120 ed il mantello 141 viene "evacuato", e l'interno della porzione opaca del mantello 141 viene argentato.

Nel funzionamento, l'asse della struttura 115 supportante il cono 116 ed il sistema collettore contrappeso 119 ? mantenuto allineato con il centro del sole durante il giorno. Ci? ? effettuato facendo ruo? tare la struttura 115 attorno all'asse principale con una velocit? uguale alla velocit? di rotazione della terra rispetto al sole e mantenendo l'angolo fra l'asse principale e l'asse del cono contrappeso essenzialmente uguale all'inclinazione del sole, facendo periodicamente oscillare detta struttura 115 sull'asse di oscillazione. Questi movimenti sono attuati in modo automatico tramite motori e solenoidi sensibili a segnali da un sensore che rileva qualsiasi disallineamento. Durante il giorno, il guscio 111A ? spostato trasversalmente periodicamente su rulli attorno al bordo orizzontale della struttura a tazza o calotta 111B in modo tale che esso risulta essenzialmente rivolto verso il sole, in ogni istante. In questo modo la maggior parte della radiazione incidente sul collettore viene concentrata in corrispondenza della caldaia centrale 120 che rimane sempre immobile.

Acqua viene pompata nella caldaia 120 tramite una pompa,di circolazione 14.3 fissata ad un accumulatore di vapore centrale 150 (vedere la figura 8) e vapore dalla caldaia si scarica nello accumulatore 150 del vapor d'acqua. Un primo gruppo di concentratori A sono serviti dall'accumulatore di vapore 150. Vapore dall'accumulatore viene aspirato e fatto passare con pressione costante attraverso un secondo gruppo di concentratori B dove esso viene sovrariscaldato prima dell?utilizzazione in un sub-sistema a turbina/alternatore 144. Dopo espansione parziale nella turbina, una certa parte di vapore pu? essere aspirata e nuovamente riscaldata in un terzo gruppo di concentratori C. I tre gruppi di concentratori costituiscono un campo collettore che agisce come una sorgente supplementare di calore per una centrale per la produzione di energia elettrica a turbina a vapore, alimentata con combustibile fossile.

Come ? rappresentato nella figura 6, la caldaia 120 ? posizionata in corrispondenza del centro della semisfera ed ? costituita da un involucro o guscio sferico esterno 151 e da un guscio sferico interno concentrico 152 con uno spazio o intercapedine fra i due gusci. Un tubo 153 di ingresso dell'acqua rettilineo passa attraverso il guscio esterno 151 e scarica nel guscio interno 152. Vapore si scarica dal guscio interno 152 nello spazio fra i gusci interno ed esterno in corrispondenza di un punto opposto all'ingresso dell'acqua, attraverso un corto tubo interno 154, ed ? costretto, tramite nervature fra i gusci interno ed esterno, a propagarsi in un percorso spiralato sino ad un punto adiacente al tubo 153 di ingresso dell'acqua dove esso entra in un tubo 156 di uscita del vapore, condotto nel guscio esterno* . Il tubo 156 di uscita del vapore si trova in contatto con il tubo 153 di ingresso dell'acqua ed ? parallelo ad esso. Entrambi i tubi sono isolati, e l'isolante ? incamiciato tramite una camicia 157 la quale ? fissata in corrispondenza della sua estremit? inferiore in un collare di calcestruzzo 158 circondante la semisfera con una inclinazione rispetto all'orizzontale uguale alla latitudine del sito, e ha un orientamento lungo l'asse Nord-Sud. I tubi per il vapor di acqua e l'acqua completamente isolati passano attraverso il collare 158 ad un punto all'esterno del gruppo circondante la calotta o tazza 111b dove essi sono collegati nell'impianto di tubi dell'installazione, condecente all'accumulatore di vapore centrale (vedere la figura 8). L'asse della camicia 157 coincide con un diametro del piano definito dalla faccia aperta della semisfera m , e la camicia 157 ? supportata da gambe 140 e puntoni estendentisi all'indietro al bordo della struttura a tazza o calotta su entrambi i lati (ci? non essendo rappresentato).

Come si ? detto precedentemente, al fine di garantire che la radiazione solare riflessa dalle superflui sferiche della calotta e del guscio abbia a incidere sul ricettore di energia centrale, ? necessario frapporreuna superficie riflettente secondaria, o cono di correzione caustico 116. Il percorso risultante dei raggi ? illustrato in figura 5. Il cono di correzione 116 raccoglie tutta la radiazione riflessa da una zona anulare della semisfera fra lo angolo centrale di 45,3? e un angolo centrale 127 che rappresenta le dimensioni preferite del cono? Riflessione da una zona anulare apprezzabile della semisfera 111 concentrica con il cono 116 incide sulla porzione posteriore del cono 116 e, per utilizzare questa radiazione, una superficie riflettente sferica anulare 121 la ridirige su un piccolo cono assiale a lati piani 122 e da questo al ricettore centrale di energia come ? mostrato nella figura 5. La radiazione solare incidente direttamente sulla faccia del cono 116 sarebbe normalmente dissipata, ma ci? ? impedito frapponendo una disposizione 119 di ti-po telescopico davanti alla caldaia 120, comprendente un riflettore a paraboloide 119A che riflette la radiazione primaria (cio? la radiazione diretta dal sole) sul riflettore iporboloidico 119B e da questo alla caldaia 120. Una lente convessa 123a ed una lente concava 123b utilizzano la radiazione che in caso contrario sarebbe bloccata dall'iperboloide.

Come ? stato descritto precedentemente, il ???? di correzione caustico 116 e la disposizione 119

(con lenti associate) sono montati su estremit? opposte della struttura 115,che pu? essere fatta oscillare sull'asse di oscillazione corrispondentemente ad un diametro della caldaia 120 e ad angoli retti rispetto all'asse della camicia 157? La struttura

115 pu? pure ruotare attorno all'asse principale corrispondente all'ass-e della camicia 1.57. I movimenti precedenti sono ottenuti prevedendo in primo luogo un cerchietto 170 che circonda il ricettore di energia ed ? supportato da manicotti diametralmente contrapposti 171 e 172. Il manicotto inferiore 171 pu? ruotare su cuscinetti attorno alla camicia 157, e l'altro manicotto 172 pu? ruotare attorno ad un perno isolato 173 sporgente dal ricettore in corrispondenza dell'altra., estremit?* Una coppia di perni 174 diametralmente contrapposti sporgono dall'elemento a cerchietto 170 perpendicolarmente alla camicia 157, e la struttura 115 oscilla su cuscinetti

175 su questi perni. Questo ? un tipo di montaggio equatoriale, e fornisce un mezzo semplice per mantenere l'asse del sistema del cono/disposizione 119 allineato in ogni momento col sole.

Un'unit? di azionamento singola (non rappresentata) sul collare di calcestruzzo 158 in corrispondenza del bordo della calotta, realizza sia i movimenti di rotazione che quelli di oscillazione, e comprende un piccolo motore elettrico dotato di un freno di tipo dinamometrico a correnti parassite il quale aziona l'ingranaggio planetario di un treno di ingranaggi epicicloidale, praticamente senza carico, ed un motore identico, similmente previsto e attrezzato, che aziona la corona del treno* In dipendenza dalle velocit? relative dei due motori (che sono variate dal grado di.frenatura sino a pieno carico), l'albero di supporto del treno pu? essere fatto ruotare con una bassa velocit? appropriata o in avanti o allo indietro. L'albero di supporto aziona, tramite una scatola ingranaggi a vite a doppia riduzione, e un gruppo di ingranaggi conici, un albero di azionamento 180 estendentesi in cuscinetti montati sulla camicia 157? Un pignone 182 sull'estremit? dello albero di azionamento 180 aziona una ruota a dentatura interna a 180?, indicata da 181, fissata al manicotto 171, determinando cos? la rotazione della struttura 115 attorno all'asse principale. La rotazione attorno all'asse principale pu? essere continua durante il giorno, con una velocit? media di 15? all'ora, ma la rotazione attorno all'asse di oscillazione (che compensa l'inclinazione variabile del sole durante l'anno) deve verificarsi solo intermittentemente e cio? con una regolazione ogni quindici minuti che ? in grado di limitare il disallineamento dello asse del cono ad un massimo di 15 secondi di arco, il che produce uno scostamento non rilevabile dalla circolarit? dell'immagine del sole in corrispondenza del ricettore di energia. La rotazione attorno allo asse di oscillazione,/attuata tramite un meccanismo fra una ruota elicoidale a quadrante i83 ed um ingranaggio elicoidale T84 sul cuscinetto 175, e un semiingranaggio cilindrico sulla camicia 157.? H meccanismo,che ? supportato da staffe sull'elemento 170,? costituito da un pignone 150 muoventesi su una corona dentata 186 e/un gruppo di ingranaggi conici 187 riceventi 1'azionamento ad angoli retti in una scatola ingranaggi a inversione 188 attivata da solenoide, con un altro gruppo di ingranaggi conici 189, dopo la scatola a inversione, che riceve nuovamente l'azionamento per 90? rispetto all'ingranaggio planetario di un treno di ingranaggi epicicloidale 190 con un rapporto basilare di -1. La corona dentata del treno di ingranaggi epicicloidale 190 normalmente ? folle sull'albero di supporto, ma, quando ? richiesta regolazione, essa pu? essere bloccata tramite un innesto a dente azionato da solenoide? Ci? fa si che il portaingranaggio satellite abbia a ruotare, azionando la vite 184 ingranante con la ruota a vite 183, facendo cos? oscillare la struttura reticolare 115 attorno all'asse di oscillazione? Quando la struttura 115 ? stata completamente equilibrata (il peso del braccio del cono caustico ? minore del peso del supporto cassegrainianp),allora per eseguire i movimenti ? richiesta una piccolissima potenza.

Come ? stato descritto precedentemente, la caldaia 120 ? schermata per minimizzare le perdite di calore, e il mantello o schermo 141 ? costituito da un guscio metallico sferico circondante la caldaia 120 e supportante i manicotti 171 e 172. La superficie del mantello coincide con il cerchio di minima confusione nell'inviluppo di raggi riflessi dal cono di correzione caustico 116 ed ? argentata sulla sua superficie interna, a parte due fessure allungate diametralmente contrapposte 142 e 142 che immettono radiazione dal cono di correzione caustico 116 e dal collettore 119* Le fessure 142 sono coperte da finestre di silice fusa, rivestite con una pellicola dielettrica multistrato per minimizzare le perdite di riflessione? Il bordo esterno del manicotto 171 ? dotato di una guarnizione tipo a premistoppa 195 contro la camicia 157 per fornire una sigillatura a tenuta di aria.

Il funzionamento del sistema o impianto descritto ? il seguente:

All'alba di qualsiasi giorno dell'anno, l'asse della struttura reticolare 115 supportante il cono di correzione e il sistema cassegrainiano ? allineato con un punto sull'orizzonte ove ? prevista la nascita del sole (il cono si trova ad Ovest rispetto al ricettore di energia centrale). Al sorgere del sole, viene avviata la rotazione della travatura o struttura reticolare 115 con una velocit? uguale alla velocit? di rotazione della terra rispetto al sole nel momento particolare dell'anno. Nell'emisfero meridionale la rotazione ? in senso orario, guardando verso Sud. Poich? l'asse di rotazione ? inclinato al di sopra, dell'orizzontale con un angolo uguale alla latitudine del sito, la rotazione mantiene l'asse del cono allineato col centro del sole, durante il suo spostamento nel cielo, a patto che l'angolo tra l'asse del cono e l'asse di rotazione sia alterato ogni 15 minuti, o periodo di questo ordine, durante il giorno, per fa si che esso abbia ad essere mantenuto essenzialmente uguale all'inclinazione del sole in corrispondenza di un qualsiasi momento. Correzioni relativamente alla velocit? di rotazione e all'cingolo dello asse sono eseguite automaticamente durante il giorno in risposta a segnali da un sensore sul braccio di supporto del cono caustico? Il sensore ? costituito da una pluralit? di giunzioni di termocoppia disposte con configurazione anulare attorno all'inviluppo dei raggi riflessi, in corrispondenza di un certo punto fra il cono e lo schermo termico? Quando l'asse del cono ? allineato correttamente, l'inviluppo dei raggi ? circolare nella sua sezione trasversale, in corrispondenza di un punto qualsiasi, e passa attraverso l'anello di termocoppie senza attivarne nessuna. Se si verifica un disallineamento, allora l'inviluppo viene deformato, e alcune delle giunzioni di termocoppia saranno riscaldate, determinando flusso di correnti nei circuiti influenzati. Tali correnti sono alimentate ad ufi microprocessore il quale rileva da quale segmento dell'anello esse hanno avuto origine, e quale ? l'azione correttiva richiesta per ripristinare la circolarit?. Esso quindi trasmette i segnali appropriati ai circuiti controllanti la corrente ai motori, ai freni a correnti parassite e ai solenoidi. Non appena la circolarit? ? stata ripristinata, i segnali dai sensori cessano e cessa corrispondentemente l'azione correttiva, lasciando continuare la rotazione con velocit? costante, finch? non saranno richieste dall'anello dei sensori -ulteriori correzioni.

Quando un gruppo di collettori a piatto stanno lavorando assieme, solo uno deve essere dotato di sensori, del microprocessore e dei circuiti di controllo, e tale collettore si comporta come "collettore principale" e il cablaggio di controllo o comando ? strutturato in maniera tale che tutti gli altri collettori del gruppo si comportano esattamente come si comporta il collettore principale.

Mentre l'asse del cono sta pedinando il sole in un modo alquanto preciso, il guscio riflettente viene pure spostato indipendentemente attorno al suo asse, in maniera tale che, in corrispondenza d? un qualsiasi momento del giorno, esso risulta rivolto nella direzione generale del sole. Il risultato ? che,praticamente in modo continuo durante il giorno,l'asse del sistema a cono/struttura cassegrainiana, ? rivolto in corrispondenza del centro del sole, e la maggior parte del sistema del cono/struttura cassegrainiana, ? supportata dalla superficie riflettente semisferica effettiva completa, che rappresenta una zona sottendente un angolo di 127? in corrispondenza del centro della semisfera. Perci?, per la maggior parte del giorno, tutta la radiazione diretta dal sole circolare di unit? per pendicolare ai raggi del sole e centrata sul centro della semisfera viene concentrata, a meno della riflessione e altre perdite, sul ricettore di energia immobile centrale, (R = raggio della semisfera). Questa radiazione ? assorbita dal ricettore di energia e convertita in calore che viene trasferito attraverso una linea del vapor d'acqua isolata sotto forma di vapor d'acqua essenzialmente saturo a 600 p.s.i. (4,2 Kg/cm circa) ad un accumulatore di vapore centrale. Una pompa per la circolazione nella caldaia alimenta acqua dall'accumulatore attraverso un impianto principale ai ricettori di energia in un campo di conc-entratori. Vapor saturo ? aspirato dall'accumulatore e fatto passare a pressione costante attraverso altri concentratori ove esso viene sovrariscaldato a 850?F ? In queste condizioni, il vapore ? adatto per l'utilizzazione nel circuito della turbina di una centrale per la produzione di energia termica, avente una capacit? sino a 30 megawatt. Un grande complesso di collettori, con immagazzinamento di calore estensivo sarebbe richiesto per alimentare tale quantit? di energia, da solo, ma un centinaio di collettori a piatti del.diametro di 20 metri, in un gruppo da 350 metri x 35.0 metri sarebbero in grado di fornire 42.900 tonnellate di vapore all'anno a 600 p.s.i. e 850?F cos? da integrare l'uscita di vapore dalle caldaie alimentate con combustibile fossile della centrale per la produzione di energia. Nel caso le caldaie siano alimentate con olio combustibile, questa rappresenta una soluzione economica attraente. Un'altra applicazione ? nella fornitura di calore di processo di alta qualit?. Ulteriori applicazioni potrebbero essere nella conversione diretta di calore in elettricit? tramite convertitori termoionici.

Questi dispositivi non sono stati ancora oggi perfezionati, ma essi presentano buona potenzialit? di ot?-tenere rendimenti del 40% a temperature comprese tra 1000 e 1500?C, il che ? una situazione non molto inferiore a quella delle migliori centrali termiche alimentate con combustibile fossile. Essi sarebbero meglio adatti per funzionare in associazione con collettori solari a concentrazione.Sar? ora descritto il criterio per la configurazione del correttore conico caustico e saranno descritte altre caratteristiche ottiche dell'invenzione.

Cono di correzione caustico

La curva generatrice del cono di correzione caustico 116, in forma parametrica, risulta la seguente:

in cui

R = raggio della sfera

? = angolo sotteso in corrispondenza del centro della sfera da un arco della sfera,

nel piano del sistema di coordinate misurato dall'asse X ad un punto in corrispondenza del quale un raggio parallelo all'asse X (raggio incidente) interseca la sfera B = tan-1 pendenza della curva generatrice nel

punto (X, Y) corrispondente al punto ove il raggio riflesso risultante dal precedente raggio incidente interseca la curva generatrice

Teta, ?, ? espresso in radianti e i logaritmi sono in base e ?

X limiti della curva generatrice sono :

X = 0,830384, Y = 0,3851 e X = 0,585203, Y = 0,0296916, basati su una semisfera di raggio unitario?

La figura 9 illustra una semisezione longitudinale di due inviluppi di raggio, come riflessi dal cono di correzione caustico. L'origine dei raggi ? la periferia del disco del sole, quando esso ha un semidiametro massimo ai 16,3 minuti di arco. L'inviluppo ripido ? formato da raggi riflessi dalla circonferenza massima del cono, mentre l'inviluppo piano ? formato da raggi riflessi dalla circonferenza minima, Si pu? notare che il diametro dell'immagine del sole, come formata su un piano attraverso l'origine ad angoli retti rispetto all'asse del cono ? 0,086 (per una semisfera di raggio unitario) o 86 cm per una semisfera del diametro di 20 metri. Inoltre, il cerchio di minima confusione si verifica per un punto sull?asse X a 80 cm dal centro di una semisfera del diametro di 20 metri? La circonferenza del cerchio di minima confusione ? coincidente con la superficie di una sfera del diametro di 1,76 metri (per una semisfera del diametro di 20 metri) e ci? fissa il diametro dello schermo termico. Il substrato del cono ? formato da un espanso di poliuretano autosupportantesi rigido dello spessore di 10 mm, La densit? dell?espanso ? di 185 Kgper metro cubo, ci? fornendo un peso totale del substrato di 98,4 Kg. Un substrato di questo peso pu? essere stampato in una sola operazione.

La superficie riflettente argentata ? depositata sotto vuoto sulla faccia del cono, ed ? protetta tramite una pellicola acrilica trasparente polimerizzata sul posto.

Specchio sferico convesso anulare

L'equazione della curva generatrice della super? fic-ie riflettente sferica convessa anulare 121 supportante il cono di correzione caustico ?

I limiti sono:

Questa ? formata come una parte integrale del co? no di correzione caustico in una sola operazione di stampaggio o formatura.

Cono assiale

L'equazione della curva generatrice del cono assiale 122 che ridirige la radiazione riflessa dallo specchio sferico anulare 121 sul ricettore d-i energia centrale 120 ?:

I limiti sono:

Il substrato ? di vetro dello spessore di 6 mm argentato sulla superficie interna. La pellicola di argento ? protetta da un rivestimento di vernice poliuretanica alifatica.

Paraboloide

La curva generatrice del paraboloide 119A ?:

I limiti sono:

Il paraboloide ? formato del medesimo materiale e nello stesso modo del cono.

Iperboloide

La curva generatrice dell'iperboloide 119B ?:

I limiti sono:

Esso ? costruito del medesimo materiale del cono assiale 122 (cio? vetro argentato sulla sua superficie interna).

Lente convessa

La curva generatrice della superficie sferica della lente convessa 123A ?

I limiti sono:

La lente ha uno spessore di 6,96 cm in corrispondenza del suo bordo (per una semisfera del diametro di 20 metri) e il piano posteriore ? configurato a gradino verso l'interno in una serie di zone concentriche per ridurre il peso. La lente ? stampata a partire da metilmetacrilato con un indice di rifrazione di 1,49 fornente una lunghezza focale per raggi parassiali di 4,6805 metri per una semisfera del diametro di 20 metri.

Lente concava

La lente concava 123B ? fatta di vetro avente

Claims

RIVENDICAZIONI

1 Collettore solare comprendente una semisfera avente una superficie riflettente interna; un concentratore conico caustico posizionato nel fuoco della semisfera e avente un secondo fuoco concentrato per la radiazione riflessa sulla sua superficie da detta semisfera, uno scambiatore di calore disposto nel secondo fuoco, detto concentratore conico caustico essendo montato per ruotare attorno ad un asse sostanzialmente Nord-Sud passante attraverso detto secondo fuoco ed essendo azionato tramite un azionamento in maniera tale che, col movimento del sole, la radiazione solare incidente ? diretta costantemente in corrispondenza di detto secondo fuoco.
2. Collettore solale secondo la rivendicazione 1, in cui il secondo fuoco ? disposto nel centro di curvatura della semisfera.
3. Collettore solare secondo la rivendicazione 1 oppure la rivendicazione 2, in cui la semisfera ? inclinata con un angolo rispetto all'orizzontale sostanzialmente uguale all'angolo di latitudine della localit? del collettore solare.
4 Collettore solare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'asse Nord-Sud ? inclinato con un angolo rispetto all'orizzontale che ? sostanzialmente uguale alla latitudine della localit? del collettore solare.
5. Collettore solare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta semisfera ? atta a ruotare attorno a detto asse Nord-Sud.
6. Collettore solare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la semisfera ? inclinata con un angolo rispetto all'orizzontale sostanzialmente uguale all'angolo di latitudine della localit? del collettore solare e in cui la porzione inferiore della semisfera ? fissa mentre la porzione superiore pu? ruotare sulla porzione inferiore,un secondo azionamento essendo assoc-iato con la porzione superiore per spostare detta porzione superiore in modo tale che detta semisfera sia diretta sostanzialmente costantemente verso il sole durante il suo movimento.
7. Collettore solare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto concentratore conico caustico ? girevole attorno ad un asse Est?Ovest ed ? in grado di essere azionato tramite un terzo azionamento per mantenere il concentratore co-nico caustico in corrispondenza di detto primo fuoco quando il sole varia la sua inclinazione.
8. Collettore solare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il concentratore conico caustico ? associato con un sensore disposto adiacente al percorso della luce fra il concentratore conico caustico e il secondo fuoco per determinare attivazione degli azionamenti per detto concentratore conico caustico su detto percorso di luce intersecante detto sensore.
9. Collettore solare secondo una qualsiasi delle .rivendicazioni precedenti, in cui il collettore ? sferico e l'altra semisfera di esso ? sostanzialmente trasparente.
10, Collettore solare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il concentratore conico caustico ? associato con un concentratore a rifrazione e/o riflessione montato sull'altro lato del secondo fuoco in relazione di opposizione rispetto al concentratore conico caustico e montato per muoversi in relazione opposta con il concentratore conico caustico e avente come suci fuoco il secondo fuoco.
11. Collettore solare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il collettore ? sferico ed ? formato da una membrana flessibile gonfiata per mantenere la sua forma.
12. Collettore solare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il collettore ? sferico ed ? formato da due semisfere di una materia plastica rigida intercollegate tramite un'intelaiatura circolare rigida supportata da detto elemento assiale diametrale.
13. Collettore solare sostanzialmente come ? stato descritto facendo riferimento ai disegni acclusi.