ITBN20140004U1 - Dispositivo per separare soluti da solventi attraverso il cambio di fase a fini depurativi delle acque energeticamente autonomo integrato con pannelli fotovoltaici. - Google Patents

Description

TITOLO: Dispositivo per separare soluti da solventi attraverso il cambio di fase a fini depurativi delle acque energeticamente autonomo integrato con pannelli fotovoltaici

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE

Introduzione

E' ben noto che la superficie terrestre mette a disposizione abbondante quantità d'acqua, ma soltanto una piccolissima parte di essa risulta essere potabile, cioè adeguata ai bisogni dell'uomo, oppure destinabile all'agricoltura e all'allevamento. La distribuzione di acqua potabile sul pianeta è molto disomogenea, per cause di natura fisica e socio -economica. La depurazione dell'acqua, ossia l'eliminazione di sostanze estranee o inquinanti da una soluzione acquosa di partenza, avviene attraverso uno o più processi di natura fisica, chimica o biologica. L'acqua utilizzata per processi di depurazione proviene essenzialmente dal mare, per circa il 67%. Il restante 33% è suddiviso in acqua dei fiumi, acqua salmastra e acqua inquinata. La desalinizzazione, a cui si rivolge principalmente (ma non esclusivamente) la presente invenzione, è il settore della depurazione più utilizzato, essendo il processo di separazione dell'acqua dai sali minerali in essa disciolti. Il parametro che descrive le prestazioni di un desalinizzatore è la sua produttività, espressa come la quantità di acqua dissalata prodotta per unità di superficie in un determinato intervallo temporale. Generalmente la produttività è indicata in litri/m<2>/giorno.

Diversi sistemi di desalinizzazione sono stati proposti finora. Le soluzioni adottate si differenziano in base alle risorse messe a disposizione dalle aree interessate dalla carenza di acqua potabile. Nei Paesi più economicamente avanzati sono utilizzati impianti ad alto rendimento, ma caratterizzati da un alto consumo energetico. In questi casi la depurazione avviene attraverso processi come la compressione del vapore, l'osmosi inversa e l'elettrodialisi, che necessitano l'uso di imponenti quantità di energia elettrica, termica o meccanica. Proprio a causa degli elevati costi iniziali e di esercizio, tali soluzioni non trovano applicazione nella maggior parte delle aree interessate dal problema. Infatti, la scarsità di acqua è maggiore proprio in aree geografiche dove l'approvvigionamento di energia elettrica è più problematico, se non impossibile. In tali contesti è però possibile sfruttare le risorse messe a disposizione dalla natura stessa: un'abbondante disponibilità di energia solare, di acqua di mare e di superficie da destinare alla costruzione di impianti di depurazione. La soluzione più adatta a sfruttare contemporaneamente queste risorse risulta essere la desalinizzazione solare.

Un desalinizzatore solare è essenzialmente un sistema che realizza la separazione dell'acqua di mare dal sale e dalle altre sostanze in essa disciolte attraverso lo sfruttamento dei processi naturali di evaporazione e condensazione. Il suo funzionamento è garantito dall'uso esclusivo dell'energia presente nella radiazione solare. Il principale svantaggio di questa tecnica è rappresentato dalla bassa produttività. Per ovviare a tale limitazione sono state proposte numerose tecniche di desalinizzazione solare attiva. In queste configurazioni, al desalinizzatore solare sono aggiunte una componente termica (es. un gruppo di collettori termici o concentratori parabolici) e una elettrica (es. pannelli fotovoltaici), inserite su una superficie esterna. Il limite di queste configurazioni è l'aumento della superficie complessivamente occupata dall'intero impianto.

A differenza delle soluzioni proposte nell'ambito della desalinizzazione solare attiva, in questa invenzione il miglioramento delle prestazioni è perseguito senza aggiungere altra superficie all'impianto. Si ricorre ad una componente attiva, rappresentata da pannelli fotovoltaici, ma tale aggiunta non va a modificare la superficie occupata dall'impianto, poiché i pannelli sono integrati all'interno del desalinizzatore stesso. Nello specifico il pannello fotovoltaico, pur avendo la funzione di produrre energia elettrica, sostituisce anche il fondo assorbitore del desalinizzatore, che tipicamente è realizzato mediante una superficie scura, capace di assorbire la radiazione solare.

La presente invenzione consente di integrare dunque la produzione di energia elettrica (necessaria a far funzionare l'impianto di potabilizzazione) e la produzione di acqua potabile in un'unica struttura, ricavandone importanti benefici: una riduzione dell'area occupata, una semplificazione nella realizzazione dell'impianto complessivo, un riutilizzo delle perdite energetiche e un miglioramento dell'efficienza. Un tale sistema risulta particolarmente adatto a quelle aree che non sono raggiunte né da una rete di distribuzione elettrica né da una rete idrica adeguata.

Breve descrizione delle figure

In Figura 1 è riportata, a titolo di esempio, una possibile configurazione dell'invenzione proposta, secondo uno schema a blocchi. In Figura 2a e 2b sono riportate la vista prospettica e in sezione del bacino di evaporazione, il componente principale del sistema.

Modo preferito di realizzazione dell'invenzione

Il componente principale del sistema è rappresentato dal bacino (o vasca) di evaporazione (1), all'interno del quale viene posto un sottile strato di acqua da depurare (1a) (es. acqua salata), dello spessore di alcuni cm. La copertura esterna (1b) può essere realizzata in vetro, o essere fatta di un materiale con analoghe proprietà di trasmissione della radiazione solare. A seconda della posizione geografica in cui è installato l'impianto, l'inclinazione della copertura può cambiare. Essendo le aree d'interesse per una tale tipologia di sistema posizionate alle basse latitudini, l'angolo ottimale di inclinazione rispetto al piano orizzontale risulta molto piccolo. Il fondo della vasca, rappresentato dal pannello fotovoltaico (1c), assorbe la maggior parte della radiazione solare incidente, rilasciando quella non convertita in elettricità all'acqua sottoforma di flusso termico convettivo. Oltre al calore ricevuto per convezione, l'acqua riceve energia direttamente dalla radiazione solare (principalmente nel campo dell'infrarosso e dell'ultravioletto) in funzione della sua profondità. L'energia ricevuta consente all'acqua di aumentare la propria temperatura, favorendo il processo di evaporazione. Lo spettro di assorbimento dell'acqua è abbastanza complementare rispetto a quello del silicio utilizzato come componente attiva di una cella fotovoltaica. Ciò permette di continuare a produrre energia elettrica nonostante la presenza dello strato d'acqua. In un normale pannello fotovoltaico la maggior parte della radiazione solare è assorbita dalle celle fotovoltaiche, ma solo una piccola aliquota (tipicamente nell'ordine del 10%) è trasformata in elettricità, mentre la parte più consistente è convertita in calore. Se l'energia termica non è opportunamente dissipata, si ha un aumento della temperatura delle celle, che comporta una riduzione dell'efficienza elettrica. Nella configurazione proposta, invece, le celle solari cedono il loro calore all'acqua sovrastante, raffreddandosi, migliorando così il proprio rendimento elettrico. Per garantire una funzione di autopulizia è opportuno che il pannello fotovoltaico sia leggermente inclinato rispetto al suolo, in modo che durante la fase di drenaggio dell'acqua concentrata l'eventuale deposito formatosi tenda a scivolare via senza la necessità di un intervento di pulizia manuale. La direzione verso cui inclinare il modulo sarà preferibilmente la stessa verso cui si inclina la copertura del desalinizzatore, così da beneficiarne anche in termini di assorbimento della radiazione solare. Per limitare le perdite termiche verso il basso è opportuno inserire uno strato spesso di rivestimento di materiale con proprietà di isolamento termico (1d) sul retro del pannello fotovoltaico. In questo modo il calore può essere ceduto prevalentemente verso l'alto, cioè alla soluzione acquosa, ottenendo un recupero ottimale dell'energia termica liberata dal pannello fotovoltaico. Per facilitare il passaggio della radiazione solare attraverso la copertura esterna, è stato previsto un sistema di ventilazione (2) che consente la circolazione dell'aria umida (1e) presente all'interno del bacino di evaporazione, spostando il processo di condensazione del vapore acqueo al di fuori di esso. In tal modo si evita la formazione della condensa al di sotto della copertura del sistema. Questa operazione di deumidificazione è molto importante, poiché in un sistema privo di ventilazione il vapore condenserebbe al di sotto della copertura, causando durante le ore diurne, un aumento della riflessione della radiazione solare verso l'esterno, con un conseguente peggioramento delle prestazioni del sistema. Il vapore circola all'interno di un sistema di condutture (Vap) passanti attraverso il serbatoio (3) che alimenta il bacino di evaporazione. In questo modo il vapore, a contatto con un fluido a temperatura inferiore (l'acqua presente nel serbatoio), cede calore a quest'ultimo, condensando. La condensazione del vapore porta alla formazione di acqua liquida depurata, più pesante rispetto all'aria. A questo punto è possibile sfruttare tale differenza di peso per ottenere la separazione gravitazionale dell'acqua liquida, raccolta in un apposito collettore (4), dall'aria, che è aspirata dal circuito di ventilazione. Il funzionamento ottimale del sistema è basato sul fatto che il volume della soluzione presente all'interno del bacino di evaporazione sia mantenuto costante, così da non raggiungere il limite di saturazione della soluzione. È perciò necessario che la quantità di acqua che man mano evapora dal bacino di evaporazione sia progressivamente rimpiazzata da altra acqua da depurare con una temperatura possibilmente simile a quella della soluzione già presente, così da non portare a una riduzione della temperatura di esercizio. Per garantire che questo accada si inserisce in genere un preriscaldatore. In questa configurazione si è preferito utilizzare anche la superficie occupata dal preriscaldatore per ottenere acqua depurata: il preriscaldatore dunque è il serbatoio (3) del sistema (vedi Figura 1), ma può essere esso stesso un bacino di evaporazione. All'interno del serbatoio preriscaldatore, anche se non esclusivamente come soluzione progettuale, è inserito uno scambiatore di calore (5), dove il vapore condensa, rilasciando il suo calore latente di vaporizzazione, cioè l'energia che una sostanza nella fase vapore ha in più rispetto alla stessa sostanza in fase liquida. La forma delle tubazioni, il loro spessore, il materiale di cui sono fatte, e la velocità di circolazione dell'aria umida stessa possono influire sull'efficienza dello scambiatore di calore. È importante osservare che questo calore in un normale dissalatore solare è perso, poiché il vapore lo cede alla copertura esterna, durante la condensazione. In questa configurazione invece, il vapore condensa all'interno di uno scambiatore posto nell'acqua stessa, riscaldandola. Dopo il tramonto del Sole, non essendo più necessario ottimizzare l'assorbimento della radiazione solare, la ventilazione può essere interrotta, mentre il processo di evaporazione continua, seppur più lentamente, e il sistema torna ad essere un normale bacino di evaporazione e condensazione. Per tale motivo, un raccoglitore laterale (1f) (vedi Figura 2a) è inserito per raccogliere l'acqua depurata prodotta durante le ore in cui non c'è illuminazione.

Per fornire all'impianto di depurazione la soluzione acquosa da trattare è previsto l'impiego di una pompa elettrica (6) (alimentata dallo stesso impianto fotovoltaico) per il pescaggio dell'acqua da una sorgente (7).

Questa opzione potrebbe essere eliminata se la sorgente di alimentazione idrica da trattare si trova ad una quota superiore rispetto il sistema oggetto della presente. Per quanto riguarda le operazioni di pulizia, è sufficiente l'apertura di una valvola per far sì che il bacino di evaporazione sia attraversato da un getto d'acqua in grado di trascinare via l'acqua concentrata, sostituendola con acqua con una concentrazione minore, evitando così la formazione di sostanze solide sulla superficie frontale del pannello, che deve rimanere sempre pulita. Lo svolgimento delle operazioni di pulizia, se condotto durante la notte, permette di evitare l'interruzione del funzionamento dell'impianto. La soluzione acquosa ad alta concentrazione di soluto, dopo aver lasciato il bacino di evaporazione, può essere espulsa, oppure trattata ulteriormente per ottenere la completa separazione di uno o più soluti dal resto della soluzione. Ad esempio, è possibile procedere con una completa essicazione dell'acqua di mare per ottenere del sale.

L'uscita del sistema è rappresentata dalla somma dell'acqua depurata (8), raccolta a valle della conduttura presente sul lato del bacino di evaporazione (1f), e di quella ottenuta mediante il sistema di circolazione dell'aria umida. A valle del processo di desalinizzazione potrebbe essere necessario eseguire un controllo della composizione della soluzione ottenuta al fine di verificare la potabilità della stessa. Tale controllo potrebbe avvenire mediante un apposito dispositivo di misura (9) da inserire a valle del raccoglitore d'acqua depurata (4), che verifichi ed attesti l'efficacia del processo di separazione dell'acqua dagli altri soluti presenti all'interno della soluzione iniziale. La scelta della tipologia del dispositivo di controllo dipende dalla soluzione da trattare in ingresso. A seguito del controllo, è possibile intervenire, se necessario, con successivi trattamenti tesi a migliorare la qualità dell'acqua ottenuta.

Alla produzione di acqua depurata si aggiunge quella di energia elettrica (10), non molto diversa da quella prodotta da un impianto fotovoltaico standard ossia scoperto. L'energia prodotta può essere ceduta alla rete di distribuzione elettrica (se l'impianto è connesso alla rete) oppure accumulata in apposite batterie e rifornire un'eventuale utenza presente sul posto. E' anche possibile utilizzare un'aliquota di energia elettrica direttamente in diversi punti dell'impianto di depurazione, ad esempio per riscaldare l'acqua mediante una resistenza elettrica (11), per alimentare uno scambiatore ad aria che agevoli la condensazione del vapore, per riscaldare l'aria all'uscita dello scambiatore di calore abbassandone il tasso di umidità, oppure ancora, inserire una pompa di calore, che scaldi la soluzione da trattare e raffreddi l'aria in uscita.

Conclusioni

In conclusione è stato proposto un desalinizzatore o più in generale un sistema di produzione di acqua depurata basato sull'utilizzo di moduli fotovoltaici che risulti completamente autonomo da un punto di vista energetico. Alla base del processo di depurazione dell'acqua c'è esclusivamente l'energia presente nella radiazione solare che investe il sistema. Nella configurazione proposta il fondo del desalinizzatore (ossia del bacino di evaporazione) è costituito da un modulo fotovoltaico standard, che risulta integrato all'interno del sistema e non montato esternamente. L'integrazione del pannello fotovoltaico permette di riscaldare la soluzione da depurare sfruttando l'energia in eccesso non utilizzata dalle celle fotovoltaiche (dissipata sottoforma di calore) e al tempo stesso di raffreddare il pannello fotovoltaico, ottenendo un beneficio in termini di efficienza elettrica.

Si è verificato che questa soluzione consente di realizzare sulla medesima superficie (da qui il miglioramento in termini di produttività, espressa come litri d'acqua depurata per metro quadro al giorno, litri/m2/giorno) sia un desalinizzatore solare, sia un impianto per la produzione fotovoltaica di energia elettrica . Tale configurazione comporta l'utilizzo di uno strato d' acqua (al di sopra del pannello) poco profondo (dell'ordine di pochi cm) , con una composizione tale da garantire un' adeguata esposizione delle celle fotovoltaiche alla radiazione solare . Nello specifico si è stimato che uno spessore di acqua di mare di 2 cm consente di ottenere una produzione di energia elettrica nell' ordine del 85-90% rispetto a quella garantita da un impianto fotovoltaico della stessa superficie completamente scoperto.

Il sistema è pensato per quelle aree in cui c'è scarsa disponibilità di acqua potabile, spesso accompagnata dalla carenza di fonti di energia tradizionali . Questo tipo di situazione rende necessaria la realizzazione di una procedura per la depurazione delle acque presenti sul posto, che risulti interamente autosufficiente da un punto di vista energetico. Pertanto, l'inserimento di celle fotovoltaiche all'interno dell' impianto di depurazione, senza un aggravio dell'area occupata, oltre a migliorarne la produttività, ha come scopo anche quello di renderlo autonomo da un punto di vista energetico. L'energia elettrica prodotta inoltre, decisamente superiore rispetto a quella strettamente necessaria al funzionamento del sistema, può essere destinata all'aumento della produzione di acqua depurata, o in alternativa, garantire la fornitura di energia elettrica ad un'eventuale utenza presente sul posto.

Claims (7)

1. TITOLO: Dispositivo per separare soluti da solventi attraverso il cambio di fase a fini depurativi delle acque energeticamente autonomo integrato con pannelli fotovoltaici. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo energeticamente autonomo per la desalinizzazione e/o depurazione dell'acqua attraverso l'evaporazione e successiva condensazione per mezzo della radiazione solare diretta e l'energia elettrica prodotta da un elemento fotovoltaico posto all'interno della camera di evaporazione; il sistema è dotato di una struttura isolata termicamente, di un sistema di produzione elettrica fotovoltaica, di una copertura di materiale trasparente, di sistemi per la movimentazione dell'aria e condensazione del vapore nonché di tutta la componentistica atta al suo funzionamento autonomo.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, in cui sia presente un dispositivo di controllo della qualità dell'acqua in uscita indipendentemente dalle sue modalità di funzionamento.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, in grado di ottenere acqua depurata da soluzioni di acqua salata e/o considerate inquinate combinando in varie forme lo sfruttamento della radiazione solare; tale radiazione, attraversando un sistema di almeno una faccia trasparente, investe un pannello fotovoltaico che produce al contempo energia elettrica e riscaldamento dell'acqua salata e/o inquinata posta sopra di esso.
4. 4. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti e comprendente un sistema di condensazione dell'aria umida all'interno del bacino di alimentazione e/o del bacino preriscaldatore, garantendo un pre-riscaldamento dell'acqua salata e/o inquinata.
5. 5. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti e comprendente un sistema tipo pompa di calore in grado di pre-riscaldare l'acqua da trattare e raffreddare lo scambiatore di calore.
6. 6. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti e comprendente al suo interno un sistema di autoregolazione del volume d'acqua onde evitare il raggiungimento del punto di saturazione dei composti presenti all'interno della soluzione inquinata da trattare, in modo che non si formino depositi all'interno del dispositivo.
7. 7. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti e comprendente un sistema in grado di attuare operazioni di autopulizia attraverso un flusso d'acqua che asporti possibili depositi all'interno del dispositivo.