ITFI970272A1 - Sistema ottico per l'utilizzazione dell'energia solare - Google Patents

Description

"SISTEMA OTTICO PER L'UTILIZZAZIONE DELL'ENERGIA SOLARE"

DESCRIZIONE

I sistemi di raccolta ed impiego dell'energia solare attualmente conosciuti si basano sostanzialmente su due sistemi diversi, l'impiego di pannelli fotovoltaici e collettori generatori di acqua calda.

Nei sistemi a pannelli fotovoltaici l'energia irradiata dal sole è applicata, direttamente od attraverso un sistema ottico, a celle solari che la trasformano direttamente in energia elettrica, con vantaggio principalmente di un facile trasporto a distanza dell'energia, ma con bassa efficienza e scarsa utilizzazione di tutto lo spettro solare; inoltre tali celle solari sono costose e presentano una vita limitata. Le celle solari attualmente disponibili presentano rendimenti di circa il 15% rispetto all'energia solare irradiata su di esse, ed inoltre il loro smaltimento, una volta esaurite, è critico. Inoltre nelle applicazioni spaziali, le celle solari sono esposte direttamente allo sfavorevole ambiente esterno.

I sistemi a collettori generatori di acqua calda presentano una superficie del collettore illuminata direttamente dalla radiazione solare che, scaldandosi, trasferisce per scambio il calore ad un fluido utilizzato poi per l'accumulo ed il trasporto dell'energia termica. Essi presentano un buon rendimento, dovuto alla conversione energetica diretta, ed un costo relativamente basso, ma la rete di tubi di circolazione del fluido, normalmente acqua, è di installazione costosa e complessa e comporta perdite di calore che limitano la distanza dei luoghi di utilizzazione dal collettore. Inoltre la circolazione dell'acqua nell'impianto richiede l'impiego di pompe e di energia. Questo tipo di collettori sono impiegati principalmente per la produzione di acqua calda sanitaria ed, in misura ridotta, per il riscaldamento di edifici, piscine, essiccazione (in agricoltura), e meno frequentemente per cicli termici, come ad esempio per la generazione del freddo. Recenti miglioramenti progettuali e tecnologici hanno permesso di ragiungere valori di efficienza di trasformazione di circa il 40%, che si riduce a circa il 30% a causa delle perdite termiche. Inoltre la superficie irraggiata è sottoposta alla temperatura esterna, con influenza sul rendimento del collettore.

Normalmente non tutta l'energia raccolta è utilizzata istantaneamente, in quanto sia la richiesta dell'utenza che la raccolta di energia sono generalmente variabili nel tempo in maniera non correlata. Si ricorre pertanto all'uso di serbatoi isolati termicamente, che tuttavia presentano alti costi ed in cui le perdite termiche si possono solo limitare, ma non eliminare.

La presente invenzione si pone come scopo principale quello di eliminare o ridurre sostanzialmente gli inconvenienti dei sistemi sopra descritti, in particolare utilizzando un sistema di trasporto e smistamento dell'energia verso i luoghi di impiego che presenti una alta efficienza e costi di acquisizione e di installazione relativamente ridotti. Questo ed altri scopi dell'invenzione risulteranno chiaramente dalla descrizione che segue.

L'invenzione prevede un sistema per la raccolta e l'utilizzazione dell'energia solare comprendente almeno un concentratore ottico munito di mezzi di orientamento, per mantenere costante l'orientamento del concentratore verso il sole, e mezzi di trasferimento e di distribuzione che comprendono una guida di luce o cavo flessibile a fibre ottiche per trasferire la radiazione solare dal fuoco di almeno uno di detti concentratori direttamente a detti dispositivi di impiego. In tal modo l'energia solare è portata senza trasformarla e con minime perdite direttamente al posto di impiego, posto nel quale o viene impiegata tal quale come energia luminosa e termica radiante o viene convertita in energia prevalentemente termica od elettrica. In tal modo il rendimento della raccolta non dipende dalla temperatura dell'ambiente esterno e può raggiungere, a seconda del tipo di impiego, valori dell'ordine del 70%.

Inoltre la possibilità di portare mediante detto cavo flessibile a fibre ottiche energia solare direttamente ad una molteplicità di punti di utilizzazione, quali apparecchi riscaldatori di acqua, forni, serre, generatori fotovoltaici concentrati ad altissima efficienza, impianti per la salute e per trattamenti dermatologici, impianti per uso industriale di luce ad alta intensità, illuminazione di locali con luce avente lo spettro solare di frequenze, etc., consente un impiego più uniformemente distribuito nel tempo dell'energia stessa, con minori necessità di creare serbatoi di calore, risparmiando costi di installazione e perdite energetiche. Inoltre il concentratore ottico consente di disporre di energia a temperatura relativamente elevata, permettendo impieghi altrimenti non ipotizzabili con i collettori ad acqua calda, come ad esempio per la cottura dei cibi.

In una forma preferita di attuazione dell'invenzione, il collettore comprende una pluralità di elementi modulari ciascuno comprendente un concentratore ottico, e la canalizzazione a fibre ottiche comprende almeno un dispositivo sommatore avente una molteplicità di ingressi ed una sola uscita. Ogni ingresso è atto a ricevere per mezzo di una fibra ottica energia solare dal fuoco di ciascun elemento modulare del collettore. In tal modo il dispositivo sommatore consente di sommare le energie ricevute dai vari elementi modulari del collettore per inviarle su di una sola fibra ottica attraverso detta uscita verso l'utilizzazione.

Il sistema può comprendere anche almeno un dispositivo commutatore avente un ingresso collegato all'uscita del dispositivo sommatore mediante una fibra ottica, per ricevere energia solare raccolta, ed una molteplicità di uscite atte ciascuna ad.inviare, mediante una rispettiva fibra ottica, energia luminosa ad un rispettivo dispositivo di utilizzazione. Variando la predisposizione del commutatore si può incanalare su una o più uscite l'energia solare, consentendo di ripartire gli impieghi energetici secondo necessità e disponibilità.

In una prima forma di attuazione dell'invenzione, detto concentratore può comprendere un sistema ottico rifrattore e/o un sistema a specchi. Detto sistema ottico rifrattore può comprendere una lente di Fresnel a segmenti sferici esposta direttamente alla radiazione solare e concentrante il flusso radiante ricevuto sopra un'estremità di una fibra ottica.

Sono previsti mezzi di orientamento del collettore che possono comprendere una sospensione cardanica del collettore, di ciascuna fila di elementi modulari o di ciascun elemento modulare del collettore, mezzi asserviti ad un sistema di puntamento per inseguire il moto apparente del sole ed esporre sempre ortogonalmente al sole la superficie degli elementi modulari.

Secondo un'altra forma di attuazione dell'invenzione, il sistema ottico rifrattore può comprendere una prima lente di Fresnel a segmenti cilindrici paralleli ed una seconda lente di Fresnel sviluppata secondo una dimensione parallela all'asse dei segmenti cilindrici di detta prima lente; gli assi ottici di dette due lenti sono fra loro ortogonali ed uno specchio è interposto fra dette lenti per convogliare il flusso solare dalla prima alla seconda lente, flusso che viene concentrato infine sull'estremità di una fibra ottica. Lo specchio è girevole attorno ad un asse parallelo all'asse di detti elementi cilindrici per inseguire gli spostamenti del sole ortogonali al proprio asse di rotazione, ad esempio per compensare le variazioni stagionali del percorso apparente del sole. In tal modo il concentratore presenta un limitato ingombro assiale, e richiede, per l'orientamento, la possibilità di rotazione dell'asse di ciascun elemento modulare solamente attorno ad un asse parallelo all'asse terrestre per compensare gli spostamenti orari apparenti del sole.

Un'ulteriore forma di attuazione dell'invenzione prevede l'impiego di uno specchio orientabile secondo due assi interposto fra il sistema ottico e quello di trasporto .

Ulteriori vantaggiose caratteristiche e forme di realizzazione del sistema secondo l'invenzione sono definite nelle allegate rivendicazioni.

Il trovato verrà meglio compreso seguendo la descrizione e l'unito,disegno, il quale mostra una pratica forma di attuazione non limitativa del trovato stesso. Nel disegno la

Fig.l mostra una vista schematica di un impianto per la raccolta e l'utilizzazione di energia solare secondo l'invenzione; le

Figg.2 e 3 mostrano viste prospettiche schematiche del sistema ottico di un collettore secondo due forme di attuazione dell'invenzione; le

Figg.4, 5, 6 mostrano viste prospettiche schematiche di tre diverse forme di realizzazione di collettori secondo l'invenzione; e le

Figg.7, 8, 910 mostrano viste prospettiche schematiche di apparecchi utilizzatori dell'energia raccolta mediante un sistema secondo l'invenzione.

Nel seguito di questo documento, con fibra ottica si intende una fibra singola od anche un fascio di fibre ottiche. Con riferimento alla Fig.l, il sistema comprende un collettore 1 formato da una pluralità di elementi modulari 1A, elementi che possono essere variamente accostati fra loro. Ciascun elemento modulare presenta all'irradiazione solare una superficie quadrata di 30cm di lato e può pertanto raccogliere, alle latitudini dell'Europa meridionale, fino a 90W di energia solare. Come risulterà chiaro dalla descrizione che segue circa la conformazione di detti elementi modulari, l'energia solare raccolta da ciascun elemento all'uscita dall'elemento è canalizzata per mezzo di una rispettiva fibra ottica 3A, 3B, 3C, etc. in un dispositivo sommatore 5 a cui convergono le fibre ottiche di tutti gli elementi del collettore 1. Dal dispositivo sommatore 5, che convenientemente è disposto in prossimità del collettore 1, l'energia solare raccolta dai vari elementi modulari viene incanalata attraverso una unica fibra ottica di uscita 7 ad un dispositivo commutatore 9 dal quale essa può essere inviata per mezzo di rispettive fibre ottiche HA, 11B, 11C, etc. ad uno o più dispositivi utilizzatori 13A, 13/B, 13/C, etc. I dispositivi di utilizzazione possono impiegare tal quale l'energia ricevuta, ad esempio per illuminare o per riscaldare per irraggiamento, o trasformarla in altra forma, ad esempio in energia elettrica o termica, anche per essere trasmessa ad utilizzatori remoti.

Nel sistema descritto le fibre ottiche sono del tipo avente basse perdite di assorbimento in una grande gamma di frequenze dello spettro solare, come ad esempio le fibre in silice a basso contenuto di impurezze - per una buona trasmissione nell'infrarosso - ed eventualmente arricchita di gruppi idrossilici OH per un basso assorbimento nel campo dell'ultravioletto. Le fibre saranno inoltre preferibilmente ad alta apertura numerica (NA), ossia del tipo che accetta all'ingresso raggi con alto angolo di incidenza, ad esempio 30°, meglio 40°, cosi da consentire di ridurre la lunghezza focale e l'ingombro del concentratore ottico.

Le fibre ottiche uscenti dai singoli elementi del collettore, all'altra loro estremità rispetto a detto elemento, sono collegate fisicamente ed otticamente ad un dispositivo sommatore 5 che consente di trasferire la radiazione solare trasmessa da ciascuna fibra 3A, 3B, 3C ad una unica fibra ottica 7 che esce dal dispositivo stesso.

Tale fibra unica 7 termina in un dispositivo commutatore 9 dopo aver percorso l'edificio dal dispositivo sommatore disposto preferibilmente in prossimità del collettore (e quindi in genere sul tetto dell'edificio), ad una postazione di commutazione nell'edificio stesso. Il commutatore 9 comprende mezzi atti a commutare il percorso dell'energia solare catturata dal collettore - e che giunge attraverso la fibra 7 - fra una o più fibre HA, 11B, 11C, etc. uscenti dal commutatore, ciascuna di tali fibre essendo collegata ad un diverso dispositivo di utilizzazione 13A, 13B, 13C, etc.

Detti dispositivi di utilizzazione possono essere: - un generatore di acqua calda (Fig.7), comprendente un corpo metallico 15 munito di una cavità 16 la cui superficie è trattata per essere assorbente. Una fibra 11A è inserita in un foro del corpo 15 e sbocca in detta cavità; in tal modo la cavità 16 riceve energia solare radiante scaldando il corpo metallico 15. Il corpo 15 è immerso in un recipiente 17 pieno d'acqua e trasforma l'energia radiante solare ricevuta cedendola all'acqua in forma di energia termica;

- un generatore di energia elettrica (Fig.8), in cui celle fotovoltaiche 19 sono disposte affacciate alla superficie 21 di una cavità, a detta cavità una fibra 11B convogliando energia solare radiante;

- una camera 22 (Fig.9) che, a seconda della dimensione, può fungere da serra o da forno per riscaldare oggetti o per la cottura di cibi, in cui il soffitto è formato da una lente di Fresnel 23. Nel fuoco di lente e superiormente ad essa è disposta l'estremità di una fibra 11C atta a proiettare sulla lente stessa l'energia solare ricevuta da un collettore come sopra descritto. La lente in tal caso serve da diffusore per illuminare e/o riscaldare uniformemente la camera stessa;

- apparecchi illuminatori dispersori di luce 25 (Fig. 10), ciascuno collegato meccanicamente ed otticamente all'estremità di una rispettiva fibra ottica 11D, HE proveniente da detto commutatore 9 per disperdere di fronte ad essi energia solare. Tali apparecchi potrebbero essere costituiti da moduli tubolari in policarbonato con superficie interna liscia a specchio e superficie esterna microstrutturata a prismi regolari, ad esempio i moduli cosidetti "Linea di luce" commercializzati dalla Società 3M-Italia. Con questi moduli si può facilmente realizzare un sistema di illuminazione lineare e componibile in lunghezza. Secondo una prima forma di attuazione dell'invenzione, il collettore solare 1 è formato da una molteplicità di elementi modulari 1A nei quali la superficie illuminata direttamente dal sole è quella piana 27A (Fig.2) di una lente di Fresnel 27 ad elementi torici, detta superficie essendo orientata verso il sole. La lente 27 concentra l'energia solare ricevuta sulla base maggiore di un corpo ottico 28 a tronco di piramide applicato ad una estremità di una fibra ottica 3A in modo da convogliare entro di essa la radiazione solare raccolta dalla lente 27.

Secondo un'altra forma di attuazione dell'invenzione, in ciascun elemento modulare la superficie illuminata direttamente dal sole è quella piana 29A (Fig.3) di una lente di Fresnel 29 ad elementi cilindrici, detta superficie essendo orientata verso il sole. La lente 27, con l'interposizione di uno specchio rettangolare 33, concentra l'energia solare da essa ricevuta sul lato piano 31A di una seconda lente di Fresnel 31, detta seconda lente 31 essendo sviluppata essenzialmente in direzione parallela all'asse degli elementi cilindrici della prima lente 27 per concentrare l'energia solare ricevuta sopra la base maggiore di un corpo ottico 28 a tronco di piramide applicato ad una estremità di una fibra ottica 3A, in modo da convogliare entro di essa la radiazione solare raccolta dalla lente 29. Le lenti di Fresnel 27, 31 hanno assi ottici fra loro ortogonali ed uno specchio 33 è interposto fra di loro per convogliare il flusso solare dalla prima alla seconda lente.

Nel collettore solare, detti elementi modulari possono essere fra loro accostati come mattonelle per formare un pannello 35 (Figg.4, 5) esteso in un piano od un pannello 45 (Fig.6) esteso secondo una sola fila di mattonelle.

Sono previsti mezzi di orientamento automatico del pannello comprendenti un puntatore ottico a fotocellula ed una unità di controllo, non mostrati nel disegno, l'unità di controllo essendo atta ad orientare mediante servomotori 37, 39 (Figg.4) il collettore secondo due assi X-X, Y-Y fra loro ortogonali. Ciò può essere ottenuto o mediante una sospensione cardanica 36, 38, 40 del collettore propriamente detta (Figg.4), od in cui (Fig.5) eventualmente una delle rotazioni, ad esempio quella per inseguire le variazioni stagionali del piano dell'eclittica, è ottenuta muovendo uno dei punti di cerniera di perni 42 definenti un asse X-X lungo un'asola 41 del supporto 43 del collettore, l'altro punto di cerniera essendo uno snodo sferico 43.

Oppure il collettore 45 (Fig.6) comprende un supporto a culla 50 per una fila di elementi modulari 1A accostati fra loro; il supporto 50 è atto a ruotare mediante perni 44 incernierati ad un supporto fisso 46 e definenti un asse X-X. Ciascun elemento modulare 1A del collettore è incernierato, mediante rispettivi perni 48 definenti un asse Y-Y ortogonale a detto asse X-X di rotazione del collettore, al supporto a culla 50 e può essere ruotato mediante una trasmissione meccanica ed un servomotore. Oppure, nel caso di un elemento modulare 1A conformato come nella Fig.3, lo specchietto 33 può essere incernierato rispetto al supporto delle lenti 29, 31 ed orientato mediante detta unità di controllo ed un servomotore per mantenere il flusso solare uscente dalla lente 29 concentrato sulla lente 31 compensando detta variazione stagionale del percorso apparente del sole.

E' inteso che il disegno non mostra che una esemplificazione data solo quale dimostrazione pratica del trovato, potendo esso trovato variare nelle forme e disposizioni senza peraltro uscire dall'ambito del concetto che informa il trovato stesso. L'eventuale presenza di numeri di riferimento nelle rivendicazioni accluse ha lo scopo di facilitare la lettura delle rivendicazioni con riferimento alla descrizione ed al disegno, e non limita l'ambito della protezione rappresentata dalle rivendicazioni.

Claims (2)

1. RIVENDICAZIONI 1) Un sistema per la raccolta, il trasporto e l'utilizzazione della radiazione solare comprendente un collettore dell'energia solare irradiata su di esso e mezzi di trasferimento e distribuzione dell'energia raccolta ad uno o più dispositivi di impiego anche relativamente distanti fra loro, caratterizzato dal fatto che detto collettore comprende almeno un concentratore ottico (27; 29, 31) e mezzi di orientamento (37, 39) per mantenere costante l'orientamento del concentratore ottico verso il sole, e che detti mezzi di trasferimento e distribuzione comprendono una canalizzazione a fibre ottiche (3A, 3B, 3C, 7, HA, 11B, 11C) dell'energia solare per trasferirla dal fuoco di detto almeno un concentratore direttamente a detti dispositivi di impiego.
2. 2) Sistema come da rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto collettore comprende una pluralità di elementi modulari (1A) ciascuno comprendente un concentratore ottico (27; 29, 31). 3) sistema come da rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la canalizzazione a fibre ottiche (3A, 3B, 3C, 7, HA, 11B, 11C) comprende almeno un dispositivo sommatore (5) avente una molteplicità di ingressi ed una uscita, ogni ingresso essendo atto a ricevere per mezzo di una fibra ottica (3A, 3B, 3C) energia solare dal fuoco di ciascun elemento modulare (1A) del collettore, il dispositivo sommatore consentendo di sommare le energie ricevute dai vari ingressi per inviarle verso l'utilizzazione su di una fibra ottica (7) attraverso detta uscita. 4) Sistema come da rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detta canalizzazione a fibre ottiche (3A, 3B, 3C, 7, HA, 11B, 11C) comprende almeno un dispositivo commutatore (9) avente un ingresso collegato con una fibra ottica (7) per ricevere energia luminosa ed una molteplicità di uscite atte ciascuna ad inviare, mediante una rispettiva fibra ottica (11A, 11B, 11C), energia luminosa ad un rispettivo dispositivo di utilizzazione. 5) Sistema come da una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto almeno un concentratore (27) comprende elementi ottici rifrattori. 6) Sistema come da una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto almeno un concentratore (27) comprende elementi ottici a specchio. 7) Sistema come da rivendicazione 5 o 6, caratterizzato dal fatto che almeno uno di detti elementi rifrattori è una lente di Fresnel (27A) a segmenti torici. 8) Sistema come da rivendicazioni 5 o 6, caratterizzato dal fatto di comprendere una prima lente di Fresnel (29) a segmenti cilindrici sviluppata per lo più secondo due dimensioni ed una seconda lente di Fresnel (31) sviluppata per lo più secondo una dimensione parallela all'asse dei segmenti cilindrici di detta prima lente, gli assi ottici delle lenti (29, 31) essendo fra loro ortogonali, ed uno specchio (33) interposto fra dette lenti e girevole attorno ad un asse parallelo all'asse di detti elementi cilindrici per inseguire gli spostamenti del sole ortogonali al proprio asse di rotazione. 9) Sistema come da una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i mezzi di orientamento del collettore comprendono una sospensione cardanica (36, 38, 40) del collettore (35) o di ciascun elemento (1A) del collettore. 10) Sistema come da rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di orientamento comprendono il fatto che gli elementi modulari (1A) del collettore sono accostati fra loro in file parallele a matrice (45) e che gli elementi di ciascuna fila sono portati da un unico supporto a culla (50) girevole mediante cerniere (44) attorno ad un asse (X-X) parallelo allo sviluppo della fila, ciascun elemento (1A) della fila essendo articolato a detto supporto a culla (50) mediante un rispettivo albero (48) definente un asse (Y-Y) ortogonale a detto asse (X-X) del supporto, per completare detta sospensione cardanica. 11) Sistema da una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che almeno uno di detti dispositivi di utilizzazione dell'energia solare comprende un corpo nero (15) lambito da un fluido, il corpo nero essendo disposto per ricevere energia solare per mezzo di un rispettivo ramo (HA) di detta canalizzazione di fibre ottiche e trasmetterla a detto fluido in forma di calore. 12) Sistema come da rivendicazione 11, in cui detto corpo nero (15) è cavo e lambito esternamente da detto fluido, l'interno della cavità ricevendo energia solare per mezzo di detto ramo (11A) di detta canalizzazione a fibre ottiche. 13) Sistema da una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che almeno uno di detti dispositivi di utilizzazione dell'energia solare comprende una cortina (21) di celle fotovoltatiche (19) ricevente energia solare per mezzo di un rispettivo ramo (11B) di detta canalizzazione a fibre ottiche, per trasformarla in energia elettrica. 14) Sistema da una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che almeno uno di detti dispositivi di utilizzazione dell'energia solare comprende una cavità (22) illuminata per mezzo di una lente di illuminazione (23)-che riceve energia solare per mezzo di un rispettivo ramo (11C) di detta canalizzazione a fibre ottiche, così da formare un forno od una serra. 15) Sistema da una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che almeno uno di detti dispositivi di utilizzazione dell'energia solare comprende almeno un dispersore di luce (25) che riceve energia solare per mezzo di un rispettivo ramo (11D, HE) di detta canalizzazione a fibre ottiche, per illuminare l'ambiente in cui è posto il dispositivo. 16) Un sistema per la raccolta e l'utilizzazione dell'energia solare; il tutto come sopra descritto e rappresentato per esemplificazione nell'annesso disegno