ITAP20130004A1 - Sistema per la produzione di energia elettrica da solare termodinamico ad alta efficienza - Google Patents

Description

CAMPO DELLA TECNICA A CUI L'INVENZIONE FA RIFERIMENTO Il sistema impianto rientra nel settore per la produzione di energia elettrica da fonti alternative.

TECNICA PREESISTENTE

Esistono tecniche basate sull'uso dei turbocompressori, delle turbine a vapore, e dei motori ad aria (Stirling), ma hanno rendimenti decisamente più piccoli.

VANTAGGI RISPETTO ALLA TECNICA PREESISTENTE

I turbocompressori hanno rendimenti decisamente bassi intorno al 25 % .Le centrali a vapore ( rendimento intorno al 45 % )devono prima evaporare l'acqua e poi renderla di nuovo liquida per reinserirla nei generatori di vapore ad ogni fine ciclo. Questo rende ad un certo punto impossibile aumentare il rendimento a meno che non si adottino temperature elevate che però vanno a discapito dei costi di ammortamento per l'uso di turbine e liquefatori costosissimi. I motori Stirling hanno rendimenti non soddisfacenti perchè basano il sistema meccanico sui motori alternativi. L'unico confronto può essere fatto con le centrali a vapore. Queste però devono essere alimentate a carbone con tutti i risvolti negativi che questo comporta. Non possono essere costruite in zone abitate ed hanno investimenti altissimi e tempi di rientro lunghi. Infine poi il carbonre deve essere comunque acquistato. L' idea è quella invece di costruire un impianto (alimentato ad energia Solare) con materiali a basso costo ( acciaio inossidabile adesso a buon mercato, ed acciaio normale, sabbia silicea, isolanti in lana di vetro, fogli in alluminio per la costruzione del superisolante, 2 valvole elettrocomandate per il controllo nella direzione del fluido ecc. ecc) grazie ad una bassa pressione nel sistema (tra 1 e massimo 2 atm) e ad una temperatura non esagerata massimo 630 ° C. Si ricorda che nei turbo compressori le temperature girano intorno ai 1500 k ed hanno turbine in rivestimento ceramico. Anche nelle turbine a vapore si hanno temperature intorno ai 500 ° C ma pressioni elevatissime fino a 150 atm ed oltre. Il progetto presentato invece oltre ad avere bassi costi nel materiale ha anche alti rendimenti. Inoltre la rivendicazione che fa riferimento alla riserva termica ha come idea quella di usare sabbia silicea. Questo materiale ha alto peso specifico, buona capacità termica, e soprattutto un delta T altissimo intorno ai 500 k. Questo porta ad una riserva termica che vale 1.484.000 kjoul per metro cubo di volume di sabbia e quindi una produzione, usando rimpianto poc'anzi descritto, di circa 160 kw ora elettrici per ogni metro cubo di sabbia silicea.

ATTUAZIONE DELL'INVENZIONE

Un microimpianto già affidabile e dal quale possono essere ricavate tutte le informazioni utili alla costruzione di impianti più grandi può essere quello descritto in questa domanda di brevetto ( 5 eliostati per produrre 50 kw ora x 24 ore al giorno ossia 1200 kw ora elettrici soprattutto nel periodo primavera-estate-primo autunno).

DESCRIZIONE VERA E PROPRIA

L'impianto è formato da 5 Eliostati ( riferim. Disegno n° 1). Nel disegno n° 2 invece, vengono riportati il circuito principale indicato con CP, il blocco riserva termica indicato con RT, il superisolante indicato con SUP, e in fondo

le linee ingresso-uscita fluido, montate all'interno del blocco riserva termica RT ( PI, P2 , P3 ...indicano eliostato 1 , 2, 3 ecc) . Il circuito principale è composto da una turbina indicata con T, da una soffiante indicata con S, da un micro-impianto fotovoltaico indicato con Fot , e dal blocco riserva termica indicato con RT (non sono stati indicati il generatore sincrono 380 volts trifase e ne il riduttore di giri per semplificare il circuito) . Il fluido vettore è composto esclusivamente da aria, mentre la temperatura di lavoro dell'aria varia tra 300 kelvin e 900 kelvin. Solo durante l'avviamento dell'impianto la soffiante S (alimentata dal microimpianto fotovoltaico) aspira aria dall'esterno (oppure quando le perdite di gas lungo la linea lo richiedono) e controlla che il fluido non scenda ne di velocità ne di pressione. Infatti l'uscita della turbina, è collegata in linea , sia all'ingresso della soffiante sia all'uscita della soffiante stessa. Tutto il circuito lavora in bassa pressione intendendo per bassa pressione una pressione minima di 1 atm e massima di 2 atm. Nel merito il circuito lavora a pressione costante di 1,1 atm. Se in uscita dalla turbina e fino all'ingresso della soffiante il fluido ha velocità e pressione giuste ai parametri voluti dal sistema di controllo, allora la soffiante accompagnerà solamente il fluido verso l'ingresso del blocco riserva termica , se invece la velocità dovesse rallentare ( una dinamo tachimetrica montata sull'asse del generatore elettrico manderebbe un segnale al sistema, ed immediatamente il motore (in c.c) della soffiante interverrebbe con un aumento del numero di giri, spingendo più aria dall'uscita della turbina verso l'imbocco del circuito RT ripristinando pressione e velocità del fluido) allora essa interverrebbe per ripristinare i valori voluti in progetto. Una volta raggiunta la temperatura di targa ( 900 k, ma già a 500 k può lavorare senza problemi ma con rendimenti più bassi), la soffiante invierà l'aria con pressione di 1,1 atm e temperatura di 725,8 k verso il blocco RT. Li troverà una temperatura interna già a régime ed entrerà nel blocco degli eliostati (indicati con EL) aumentando di temperatura da 725,9 k fino a circa 900 k (si descriverà in seguito i passaggi matematici).

In uscita dal blocco degli eliostati e fino all'ingresso della turbina espandendo a pressione costante , il fluido dovrà per forza aumentare di velocità (incremento di energia cinetica) (primo principio) ed entrerà in turbina con una velocità più alta rispetto a quella che aveva prima di entrare negli eliostati. In turbina cederà energia meccanica, e questa energia sarà pari al valore a quella che ha assorbito negli eliostati. In uscita dalla turbina l'aria ha temperatura più piccola e quindi anche velocità più piccola rispetto a quello che aveva prima di entrare in turbina. Il fluido a questo punto non viene espulso perchè ha ancora velocità ed energia tali per poter essere accompagnato dalla soffiante stessa verso l'ingresso del blocco RT. Se non vengono considerati gli attriti lungo le pareti delle tubazioni e le eventuali perdite dissipative sulle superfici esterne il rendimento è di poco inferiore a 1 ( al guadagno totale deve essere tolto solo la potenza assorbita dalla soffiante) ( se le pareti esterne sono perfettamente isolate,gli attriti del fluido negli eliostati e in turbina vengono completamente recuperati dal fluido stesso in quanto ad una diminuizione della velocità dell'aria per attrito corrisponde un aumento di temperatura delle pareti completamente riassorbita dal fluido stesso in moto). La soffiante interverrà solo se , necessario ogni volta che gli attriti lungo le tubazioni rallenteranno la velocità del fluido ( nel caso specifico la potenza erogata dalla soffiante non dovrebbe essere superiore ai 400 watt elettrici). Ora se la potenza della soffiante è piccola rispetto alla potenza totale guadagnata, il rendimento deve necessariamente essere molto elevato. Questo si ottiene usando come vettore aria in bassa pressione, temperatura medio alta, ed espansione a pressione costante. Si dimostrerà che in pratica si potrà ottenere un rendimento finale elettrico del 60 %. Il progetto fa riferimento ad un impianto con 5 parabole (eliostati) su cui entrano un totale di 250 kw termici dal Sole. Il circuito vuole avere un rendimento minimo finale pari al 60 % della potenza entrante (5 x 50 kw termici per ogni parabola), ossia 250 x 0,6 = 150 kw / ora elettrici. Si considerano tutte le perdite sia quelle degli eliostati ( che valgono 0,808) sia quelle elettriche e meccaniche ( 0,848 ). In più è stato considerato una esposizione continua al Sole per 8 ore (periodo primavera-estate-primo autunno) e quindi è stata considerata una maggiorazione di tutti i dispositivi. Produzione : 250 kw x 8 ore = 2000 kw al giorno. Da qui : 0,6 x 2000 = 1200 kw elettrici al giorno. Dovranno essere prodotti una media di 50 kw ora elettrici per 24 ore (usando la riserva termica durante la notte o se necessario anche la riserva in batterie). Per avviare il circuito è necessario un impianto fotovoltaico da 6,4 kw montato sul telaio (zona anteriore) degli eliostati. Questo alimenta la soffiante che ha potenza minima di 3,2 kw e massima di 6,4 kw. L'aria ( è il fluido usato come vettore energetico) quindi entra nel blocco riserva termica e se la sabbia silicea contenuta nel blocco è ad una temperatura minore parte del calore contenuto dall'aria verrà ceduto alla sabbia ( le condutture di ingresso e ritorno nel blocco riserva termica hanno alettoni tali che per la superficie esposta scambino nel giro di un secondo tutta l'energia necessaria per sviluppare la potenza voluta in turbina) . Superato il periodo transitorio quindi, il fluido aria si dividerà nelle condutture ( linee ingresso-uscita riserva termica) con quantità pari ad 1/ 5, giuste per i 5 eliostati. Questo è possibile grazie alla sagomatura del condotto di ingresso (vedere dis. 2). Con questo, l'aria negli eliostati avrà dappertutto la stessa velocità.Una volta assorbita energia termica il fluido si porterà ad una temperatura di 900 kelvin. Il sistema vuole inoltre che in ogni punto del circuito la pressione sia sempre la stessa. Questo si ottiene controllando i giri della soffiante (ossia l'aria che arriva alla soffiante e quella che va via deve avere sempre la stessa velocità e pressione ( circa 1,1 atm , mentre la velocità dipende dalla quantità d'aria spinta al secondo e dalla sezione dei tubi). In ingresso alla turbina quindi, il fluido avrà assorbito energia termica negli eliostati ed espandendosi a pressione costante, per poter pareggiare l'energia assorbita, dovrà inevitabilmente aumentare di velocità ( trasformazione dell'energia termica in energia cinetica). La velocità quindi in uscita dagli eliostati è più grande rispetto a quella in uscita dalla soffiante.Entrato in turbina ed avendo ceduto parte dell'energia cinetica, il fluido avrà in uscita dalla turbina velocità più piccola ed anche temperatura più piccola rispetto a quella che aveva prima di entrare in turbina. Si può dimostrare infatti che con una espansione a pressione costante tutta l'energia termica assorbita negli eliostati viene ceduta tutta in turbina. Il sistema con la soffiante muove aria pari a 430 grammi al secondo ( 358 dm cubi a 293 k); - L soffiante = (1,1 atm) elev 0,286 = 1,027 x 293 k = 301 k ;(301 k -293 k) x 430 grammi di aria x 0,716 = 2,46 kjoul : 0,92 : 0,85 = 3,2 kw elettrici .La turbina produce un lavoro pari a : Pressione x delta V ; il volume vale :( 430 gr x 8,314 x (900 - 293 ) / 28,97 (massa molecolare) x 1,1 x 10 elev 5 Pascal = 0,861 metri cubi , quindi L = 0,681 x 1,1 atm x 10 elev 5 Pascal = 74,9 kjoul.

Delta T vale = (900 k - 293 k ) = 607 k e delta T lavoro vale = 607 k x 0,287 = 174,2 k ( Isobara). Ora se delta T lavoro viene estratto perchè è il lavoro meccanico della turbina si avrà una temperatura in uscita del fluido pari a = 900 k - 174,2 k = 725,8 k. Dal Sole invece vengono assorbiti : Qsole = ( 900 k - 725,8 k ) x 430 grammi = 74 ,9 kjoul, uguali alla quantità prodotta dalla turbina ( primo principio).Il rendimento del ciclo vale: (74,9 kjoul- 400joul ( assorb. Soffiante) / 74,9 = 0,994 Con le perdite eliostatiche si avrà : 74,9 : 0,808 = 93,5 kj dal Sole, mentre con le perdite meccaniche elettriche si otterrà una potenza di : 74,9 x 0,96 ( rend turbina) x 0,848 rendimento elettrico) = 60, 9 kj, a questo valore dovrà essere sottratto l'assorbimento della soffiante che a regime dovrebbe assorbire non più di 400 watt elettrici.A questo punto il rendimento finale dovrebbe essere di : ( 60,9 - 0,4 ) : 93,5 = 0,647 = 64,7 % DESCRIZIONE DEI VARI DISPOSITIVI CONTENUTI NELL'IMPIANTO Blocco riserva termica:

Nel disegno n° 2 il blocco riserva termica è individuato con la sigla RT. E' un contenitore di forma rettangolare al cui interno è contenuta sabbia silicea. La sua capacità termica vale 1,325 kjoul per kg mentre il suo peso specifico è di 2240 kg al metro cubo.Considerando una T max uguale a 900 kelvin e un a T minima di 400 kelvin, allora è possibile mettere in riserva : (900 - 400) x 2240 x 1,325 = 1.484.000 kjoul. La sabbia avvolge la conduttura di ingresso e

evitare dispersioni la sabbia è contenuta in un

circa 5 mm e subito poi all'esterno da un isolante in lana di vetro dello spessore di almeno 100 mm ( indicato con IS) su tutti e quattro i lati. All'esterno, quando già la temperatura di contatto è stata drasticamente abbassata si inserisce lo strato di superisolante.

Superisolante :

Indicato con SUP. Il superisolante è costituito da uno strato di alluminio riflettente con coefF. di riflessione pari a 0,91 e da uno strato di carta ad alta temperatura. I due materiali si alternano uno sull'altro ( lo strato di carta è più largo per evitare contatti sul bordo esterno tali da cortocircuitare il calore verso la parte esterna), e vengono incollati con collante ceramico resistente all'alta temperatura ( resistenza fino a 1500 ° C) e pressione superiore alle 100 atm affinchè tutta l'aria contenuta fra i vari strati venga completamente evaquata. Sono necessari almeno 25 strati di alluminio e 25 di carta per ottenere un isolamento proporzionato ad un superisolante. Infatti se un foglio di alluminio assorbe solo il 9 % di tutta l'energia radiativa ( rif = 0,91), allora 25 strati daranno : 0,2 mm x 25 = 5 mm, e su un metro ne avremo : 200 x 25 = 5000 strati. A questo punto facendo la proporzione su un metro di spessore si avrà un isolamento pari a . 0,09 / 5000 = 1,8 x 10 elev -5 W / mt x ° C . Su uno spessore di 5 mm ( 5 x 10 elev -3) si otterrà una resistenza pari a R = 5 x 10 elev -3 / 1,8 x 10 elev -5 = 277,7 °C / W. Collegando poi il superisolante all'isolante in lana di vetro si otterrà un resistenza massima di 281 ° C / W. A questo punto è possibile calcolare la dissipazione totale sull'intera superficie del blocco riserva termica : Q = ( 630<0>C -20 ° C ) / 281 = 2,17 W per ogni metro quadrato di superfìcie esposta e quindi una potenza dissipata totale di 2,17 W x 270 metri quadri = 586 watt, valore del tutto trascurabile rispetto alla potenza prodotta. Lo stesso sistema viene adottato su tutte le superfici esposte a dissipazione ( tubazioni flessibili ed assorbitori o concentratori).

Blocco linee ingresso uscita riserva termica :

Questo blocco è individuabile sul disegno 2 in basso, ed ha la peculiarità che la tubazione in ingresso è sagomata per inserire negli eliostati sempre la stessa quantità d'aria (ed inoltre hanno alettature interne ed esterne). Diversamente si otterrebbero variazioni di velocità all'interno degli assorbitori con conseguenti errori di calcolo e quindi del rendimento nelle formule di Reynolds e Nusselt, portando l'assorbitore a lavorare o in bassa temperatura oppure ( che è peggio) ad un innalzamento della temperatura e quindi alla fusione della piastra di rame all'interno del dispositivo ( il problema del controllo di temperatura si può risolvere abbastanza facilmente con sensori di temperatura e software adeguato).

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1° : L'impianto solare termodinamico è caratterizzato dal fatto che usa aria come fluido energetico in bassa pressione, e per bassa pressione si intende pressione minima di 1 atmosfera e massima di 2 atmosfere su tutta la linea circuitale.il movimento deH'aria ed il controllo della pressione viene effettuato sulla soffiante indicata con S , e rintracciata sul disegno n° 2 al riferimento CR 2° : L'impianto solare termodinamico è caratterizzato dal fatto che usa aria come fluido vettore con temperatura minima uguale alla temperatura ambiente e temperatura massima uguale a 900 Kelvin. La temperatura massima è prodotta sul concentratore 4 individuabile sul disegno n°l (parabola termodinamica) e la temperatura ambiente è individuabile sul disegno 2 all'ingresso della soffiante indicata con S. 3° : L'impianto solare termodinamico è caratterizzato dal fatto che tutto il circuito è attraversato da aria a pressione costante ( nel caso specifico a circa 1 ,1 atm) che transita nel circuito trasformando in energia meccanica ( sulla turbina indicata con T al disegno n°2) tutta l'energia assorbita negli eliostati con un rendimento di ciclo ( senza considerare gli attriti e le perdite termiche) pari a 0,994 come dimostrato nella descrizione vera e propria 4° : L'impianto solare termodinamico è caratterizzato dal fatto che usa un superisolante così come descritto nel dis. N° 2 ed indicato con SUP. La dicitura superisolante deriva dal fatto che nella descrizione dei vari dispositivi contenuti nell'impianto, viene dimostrato matematicamente il coeff. di isolamento che vale : 1,8 x 10 elev -5 W/ metro x<0>C 5° : L'impianto solare termodinamico è caratterizzato dal fatto che all'interno del blocco riserva termica sono inserite delle condutture sagomate (nel merito ingresso con sezione 5 volte più grande dell'ultima uscita) per distribuire la quantità d'aria in modo perfetto su tutti gli eliostati. Le condotte sono individuaabili al disegno n° 2 e vengono individuate con la dicitura : linee ingresso-uscita riserva termica 6° : L'impianto solare termodinamico è caratterizzato dal fatto che nel blocco riserva termica, la quantità di energia termica immagazzinata, è appunto immagazzinata nella sabbia di Silice.