ITCT20090007A1 - Sistema elettromeccanico di inseguimento e concentrazione solare a accumulo del calore - Google Patents

Description

Descrizione annessa alla domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo: "Sistema elettromeccanico di inseguimento e concentrazione solare e accumulo del calore".

-Stato dell'arte

~ ~ In genere i concentratori solari che si possono trovare in commercio sono costituiti da un solo elemento ottico quale può essere uno specchio, un riflettore in genere o una lente (generalmentedi Fresnel). Molto usati sono i concentratori parabolicilineari e i dischi a paraboloide. Esistono anche delle applicazionidove vengono usati dei sistemi a specchi multipli (insiemedi specchi) che vengono singolarmenteorientati in modo da focalizzarei raggi solari sul fuoco. In genere questo orientamento degli specchi vienefatto usando due motori elettrici per ogni specchio controllati da un calcolatore per poter inseguire il movimento solare e concentrare i raggi solari sempre sul fuoco. Esistono anche sistemiin ~ cui si usa solo un motore di regolazione dell'orientamento degli specchima deve essere mosso periodicamente su tutta la struttura di specchiper regolare ogni singolo specchio. Questi tipi di sistemirisultano piuttosto complessi e costosi e rendono ancora poco utilizzabilepraticamente l'energia solare.

-Descrizione

Il sistemae' costituito da un array di specchipiani connessi tra di loro meccanicamentein modo opportuno e vengono orientati in modo da concentrare i raggi solari su una superficie piccola e delimitatadefinitafuoco del sistema. Il funzionamentodi questo sistemae' finalizzato all' inseguimentodella posizione del sole realizzato usando un sistema elettromeccanicoopportunamente studiato e di concentrare l'energia solare captata dall'array di specchi. Nel fuoco può essere posto un sistemaper convertire l'energia solare in energia elettrica tramite celle fotovoltaiche opportunamente studiate per funzionare con energia solare concentrata. In alternativa l'energia solare può essere trasformata in energia termica (pannellotermico) o in energia meccanicatramite un motore Stirlingo Bryton o una turbina in generale. Se si usa la conversione diretta di energia solare in energia elettrica, il ~ calore di scarto, non convertito in energia elettrica o meccanica,può essere accumulato usando un opportuno sistema di accumulo termico che sarà descritto in dettaglio più avanti. In alternativa si può' convertire l'energia solare in parte in energia termica e in parte in energia elettrica e si può sfruttare il sistemadi accumulodel calore appena citato.

In genere i concentratori solari sono costituiti da un solo elemento ottico quale può essere uno specchio, un riflettore in genere o una lente (generalmentedi Fresnel). Molto usati sono i concentratori parabolici linearie i dischi a paraboloide. Esistono anche delle applicazioni ~ dove vengono usati dei sistemi a specchi multipli(insiemedi specchi) che vengono singolarmente orientati in modo da focalizzarei raggi solari sul fuoco. In genere questo orientamento degli specchi vienefatto usando due motori elettrici per ogni specchio controllati da un calcolatore per poter inseguire il movimentosolare e concentrare i raggi solari sempre sul fuoco. Esistono anche sistemiin cui si usa solo un motore di regolazione dell'orientamento degli specchima deve essere mosso periodicamentesu tutta la struttura di specchiper regolare ogni singolo specchio. Questi tipi di sistemirisultano piuttosto complessi e costosi e rendono ancora poco utilizzabilepraticamente l'energia solare.

Per una descrizione più dettagliata del sistema, consideriamoil sistemadell'insiemedi specchipiani e del fuoco come mostrato in fig.l (in questo esempio e' stato considerato per semplicitàd'esposizioneun sistemadi 4x4 specchi, ma in genere il sistemapuò avere le dimensionidesiderate).

Consideriamo il sistema di coordinate XYZ : il fuoco (elemento (3) di fig.l) si trova nelle coordinate (O,O,h)mentre gli specchi si trovano sul piano X-Y (per esempiopensiamo siano disposti da XMIN a XMAX e da YMIN a YMAX) . Consideriamoadesso uno specchio generico facente parte del sistemae consideriamo un sistemadi coordinate xyz con origine nel centro dello specchio e assi paralleli agli assi XYZ (come mostrato in fig.2). Definiamoi tre vettori unitari F, S ed N che definisconorispettivamente la direzione del fuoco, del sole e della normale allo specchio in riferimentoalle coordinate xyz. Affinchéi raggi solari che colpiscono gli specchivengano riflessi sul fuoco, deve essere rispettata la seguente relazione fig.2b:

Questa relazione vettoriale deve essere costruita e verificataper ogni specchio. La direzione del vettore F che definiscela direzione del fuoco rispetto allo specchio che si sta considerando e' una grandezza fissa in quanto il fuoco non si muove rispetto allo specchio. Si consideri adesso il generico specchio piano a cui verrà fissata l'oggetto quasI sferico con un foro passante mostrato in fig.4. La parte piana della sfera viene fissata al centro della parte posteriore dello specchio e il foro passante coinciderà con la direzione della normale allo specchio. In questo foro passante verrà inserita un'asta di lunghezza opportuna che verrà usata per muovere la sfera e quindi orientare lo specchio in modo opportuno. L'altra parte terminaledell'asta sara' di sezionequadrata e di dimensionitali da passare perfettamente nel foro quadrato dello snodo mostrato in fig.5. Questo snodo permette all'asta di scorrere all'interno del foro e allo stesso tempo di impedire all'asta stessa di poter ruotare sul proprio asse evitando cosi che gli specchipossano collidere tra di loro. Supponiamo di alloggiareadesso la sfera nella cavità sferica dell'oggetto mostrato (denominato reggi sfera) in fig.6. La sfera (e quindi lo specchio ad essa fissato) sarà liberadi ruotare all'interno di questo alloggiamentomossa dall'asta passante. Supponiamo adesso di creare un supporto a tripode che ancora il reggi sfera (che alloggiala sfera e lo specchio) ad in superficiepiana (piano Pl) su cui sono stati creati dei fori di raggio R (pari al metà del lato dello specchio) e di aver fissato il tripode ai bordi di questo foro con degli attacchi che permettano la regolazione in altezza delle tre aste del tripode.

Il tripode verrà montato in modo che la distanza dal centro del foro sul piano (punto P) e il centro della sfera mobile (punto C) a cui e' connesso lo specchio sia pari ad R e la direzione da loro individuatapassi per il fuoco (punto F) del sistema(in questo modo viene definita la direzione del primo vettore che ci serve per costruire la somma vettoriale descritta dall'Eq.l). Questo procedimento deve essere ripetuto per tutti gli specchiche fanno parte del sistema.

La direzione del vettore S che definiscela direzione del sole rispetto allo specchio verrà costruita nel modo seguente: costruiamo un secondo piano (piano P2) parallelo al primo considerato a cui sono fissati i tripodi con gli specchi. Su questo piano verranno montati gli snodi passanti come mostrato in fig.5 (il cui centro chiamiamoQ) in corrispondenza dei centri dei fori già descritti sul piano Pl. I due piani verranno distanziati di una distanza pari ad R tramite cavetti flessibili(o aste snodabilidi lunghezzapari ad R) in modo che il piano P2 possa muoversiparallelamenteal piano Pl e un suo punto generico descrivera' in questo modo una semisfera.La direzione individuatadel punto P e il punto Q sarà regolata in modo da coincidere con la direzione del vettore S.

Questa regolazione verrà fatta usando un sistema elettronico che ci permette di individuare la direzione del vettore S (posizione del sole) e un sistemaelettromeccanico a controreazione farà in modo che la generica direzionePQ coincida con la direzione di S. A tale scopo verrà costruito un sistema elettronico con sensori di luce (fotodiodi o fotoresistenze sI, s2, s3 ed s4) come in fig.7 (di forma prismatica) montato sullapunta di un'asta che colleghiuna generica coppia di punti P e Q. Quando la punta del sistema prismatico appena descritto punterà esattamente la direzione del sole, i sensori di luce sI, s2, s3 ed s4 genereranno lo stesso livellodi segnale elettrico perche' i vari sensori verranno illuminatidalla luce solare in modo uniforme, altrimenti si genereranno dei segnalielettrici la cui differenza (segnale errore posizione) verrà usata per pilotare due motori elettrici che muoveranno il piano P2 in modo che la direzione PQ coincida con S.

Cosi facendo la normale allo specchio N sarà ottenuta come somma vettoriale di F+S come richiesto dalla Eq.l e questo per tutti gli specchidel sistema.

Il sistema di accumulo del calore viene realizzato nel seguente modo : il calore raccolto nel fuoco del sistema (energia solare direttamente convertita in calore o energia termica di scarto del processo di trasformazione in energia elettrica - meccanica)viene raccolto da radiatore con una serpentina e un fluido termo -conduttivo opportuno ad una temperatura intorno 60 -70 gradi centigradi. Il fluido riscaldato viene inviato in un contenitore adiabatico (opportunamente studiato per essere isolato termicamentedall'ambienteesterno ed avere così basse perdite termiche) che contiene paraffina. Il tubo con il fluido caldo viene fatto passare all'interno del contenitore di paraffina in modo da massimizzarela superficiedi scambio termico con una struttura elicoidale.Il punto di fusione della paraffinae' circa 54 gradi centigradi ed ha un calore latente di fusione di circa 36 kca1lkgquindi il sistema e' in grado di accumulareuna notevole quantità di calore per unità di peso e rimanendoalla temperatura di 54 gradi centigradi finché tutta la paraffinaall'interno del contenitore non sarà completamente fusa.

Un secondo tubo, con un fluido termo - vettore all'interno, verrà immerso all'interno del contenitore adiabatico di paraffinaper estrarre il calore accumulato dalla paraffinaed essere così utilizzabile.

I primi prototipi utilizzerannocelle fotovoltaiche opportunamente studiate per funzionare sotto luce solare concentrata (fino a 1000X- 1500X) e con rendimento di trasformazionedi circa 40%. Le celle fotovoltaiche hanno dimensionidi lcm X lcm e verranno quindi montate in modo da formare un array quadrato di dimensioniopportune in modo da avere la concentrazione voluta. Le celle verranno fissate su una piastra di rame usando pasta termo conduttiva isolante e la piastra stessa verrà continuamenteraffreddata usando una serpentina connessa solidamentealla piastra e percorsa da un fluido di raffreddamento.

Claims (8)

1. Rivendicazioni annesse alla domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo: "Sistema elettromeccanico di inseguimento e concentrazione solare e accumulo del calore". -Rivendicazioni 1) Sistema elettromeccanico di inseguimento e concentrazione solare e accumulo del calore, che comprende un sistema multiplo di specchi organizzati in un array di m righe per n colonne (con m ed n generici) e gestisti da un sistema elettromeccanico tale da concentrare la luce solare su un punto fisso chiamato fuoco in tutto l'arco della giornata.
2. 2) Sistema elettromeccanico di inseguimento e concentrazione solare e accumulo del calore, come definito nella rivendicazione 1) , che comprende il sistema di montaggio degli specchi con i dispositivi sferici mostrati in fig.4 e i reggi - sfera mostrati in fig.6 e i tripodi di fissaggio alla superficie primaria come descritto.
3. 3) Sistema elettromeccanico di inseguimento e concentrazione solare e accumulo del calore come definito nella rivendicazione 1) , che comprende il sistema di puntamento come raffigurato in fig.2, fig.2b e governato dalla relazione matematica descritta nell'equazione Eq.1.
4. 4) Sistema elettromeccanico di inseguimento e concentrazione solare e accumulo del calore come definito nella rivendicazione l) , che comprende lo snodo cardanico passante mostrato in fig.5 e connesso con un'asta opportuna alla sfera a cui e' fissato il generico specchio che ne consente il puntamento e impedisce che lo specchio stesso possa ruotare attorno all'asse definito dall 'asta prima descritta.
5. 5) Sistema elettromeccanico di inseguimento e concentrazione solare e accumulo del calore come definito nella rivendicazione 1) , che comprende il sistema elettromeccanico definito dal prisma che permette di rivelare a direzione del sole (fig.?) e connesso meccanicamente tra la superficie primaria e quella secondaria mobile a cui sono fissati anche tutti gli snodi cardanici delle aste connesse agli specchi.
6. 6) Sistema elettromeccanico di inseguimento e concentrazione solare e accumulo del calore come definito nella rivendicazione 1) , che comprende il sistema elettromeccanico mostrato sinteticamente in fig.3 che permette di muovere opportunamente tramite un controllo elettronico la superficie secondaria mobile (1) in modo che il prisma di puntamento si collimi con la direzione del sole e garantisca che l'equazione Eq.l venga garantita e quindi anche che l'energia solare raccolta da tutti gli specchi venga indirizzata sul fuoco.
7. 7) Sistema elettromeccanico di inseguimento e concentrazione solare e accumulo del calore come definito nella rivendicazione 1) , che comprende l'array di celle fotovoltaiche o motore termico o pannello termico che permettano di poter utilizzare questo sistema per generare energia elettrica, meccanica e termica.
8. 8) Sistema elettromeccanico di inseguimento e concentrazione solare e accumulo del calore come definito nella rivendicazione 1) , che comprende il sistema di accumulo del calore utilizzando paraffina contenuta in un recipiente adiabatico che utilizza direttamente l'energia termica tramite un pannello termico posto sul fuoco del sistema oppure che utilizzi il calore di scarto della produzione di energia elettrica con l'uso di celle solari o l'energia termica di scarto se si usa un motore termico per sfruttare l'energia solare fornita da questo sistema.