ITMI20072097A1 - Dispositivo concentratore di luce solare - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo concentratore di luce solare, atto in particolare a raccogliere l'energia che giunge dal sole sulla terra per indirizzarla su una generica apparecchiatura ricevitrice.

Per la produzione, utilizzando l'energia solare, di acqua calda ad uso sanitario e/o a scopo di riscaldamento degli edifici è noto l'impiego di collettori termici a liquido vettore, realizzati usualmente sotto forma di pannelli piani in grado di catturare direttamente l'energia proveniente dal sole. Tuttavia, la temperatura massima che il liquido vettore può raggiungere in un simile tipo di collettori non va di norma oltre i 100°C, rendendo di fatto il collettore utilizzabile esclusivamente in un ambito domestico.

Per incrementare l'efficienza termodinamica dei collettori solari termici è pertanto noto l'impiego dei cosiddetti dispositivi concentratori, dotati di opportune superfici realizzate con del materiale riflettente che consentono di indirizzare una maggior quantità di raggi solari sull'apparecchiatura ricevitrice, rappresentata in questo caso dal collettore solare. L'utilizzo di uno o più dispositivi concentratori si rivela necessario per ottenere una più alta temperatura del liquido vettore, ad esempio quando si vuole convertire il calore in lavoro oppure in corrente elettrica tramite un motore termico.

L'impiego dei dispositivi concentratori è altresì noto in altre applicazioni nelle quali l'energia solare viene in qualche modo convertita da calore ad altre forme, come ad esempio nella refrigerazione solare oppure nell 'utilizzo dei più comuni pannelli fotovoltaici, in cui i dispositivi concentratori stessi consentono la riduzione della quantità di materiale fotovoltaico (usualmente piuttosto costoso) da impiegare nel pannello a parità di luce raccolta.

Normalmente vengono impiegate due distinte tipologie di dispositivi concentratori, a seconda del fatto che la focalizzazione dei raggi solari avvenga in maniera puntuale o sostanzialmente lineare. Risulta pertanto evidente che, indipendentemente dalla tipologia costruttiva, la modalità di funzionamento ottimale viene ottenuta soltanto quando la luce solare incide sugli elementi riflettenti del dispositivo concentratore con un'orientazione ben definita. In altre parole, il problema principale dei dispositivi concentratori attuali è la necessità di inseguire il movimento del sole per garantire il massimo rendimento.

I dispositivi concentratori più efficaci sono quindi quelli di tipo mobile rispetto all'apparecchiatura su cui devono essere indirizzati i raggi solari. Tuttavia, i dispositivi concentratori che focalizzano i raggi solari in un unico punto necessitano di essere orientati secondo due assi tra loro indipendenti per poter funzionare in maniera ottimale, richiedendo pertanto la presenza di complicati sistemi di movimentazione. I dispositivi concentratori che focalizzano i raggi solari in maniera lineare richiedono invece la movimentazione lungo una sola direzione, riducendo significativamente la complessità dei meccanismi. Tuttavia, anche la movimentazione di quest'ultimo tipo di dispositivi può risultare difficoltosa, in quanto si tratta di norma di dispositivi piuttosto pesanti ed ingombranti.

Scopo della presente invenzione è pertanto quello di realizzare un dispositivo concentratore di luce solare in grado di superare gli inconvenienti della tecnica nota, non necessitando cioè di particolari meccanismi di movimentazione per poter tracciare efficacemente il sole.

Un altro scopo dell'invenzione è poi quello di realizzare un dispositivo concentratore di luce solare in grado di raggiungere elevati valori di concentrazione, pari o addirittura superiori a quelli ottenibili con i dispositivi di tipo noto.

Questi scopi secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando un dispositivo concentratore di luce solare come esposto nella rivendicazione 1.

Ulteriori caratteristiche dell'invenzione sono evidenziate dalle rivendicazioni successive.

Le caratteristiche ed i vantaggi di un dispositivo concentratore di luce solare secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:

la figura 1 è una vista schematica in prospettiva di un esempio di realizzazione preferito di un dispositivo concentratore di luce solare secondo la presente invenzione;

la figura 2 è una vista schematica in prospettiva che mostra il funzionamento di un dispositivo concentratore di luce solare secondo la presente invenzione;

le figure 3 e 4 mostrano, in sezione trasversale, un esempio di come si ottengono il posizionamento e l'inclinazione degli elementi riflettenti di un dispositivo concentratore di luce solare secondo la presente invenzione;

le figure 5 e 6 mostrano, in sezione trasversale, due differenti esempi di realizzazione di posizionamento degli elementi riflettenti di un dispositivo concentratore di luce solare secondo la presente invenzione; e

le figure 7 e 8 mostrano, in sezione trasversale, due differenti esempi di realizzazione di una struttura di supporto per gli elementi riflettenti di un dispositivo concentratore di luce solare secondo la presente invenzione.

Con riferimento in particolare alla figura 1, viene mostrato schematicamente un esempio di realizzazione preferito di un dispositivo concentratore di luce solare secondo la presente invenzione, indicato complessivamente con il numero di riferimento 10.

Il dispositivo 10 comprende innanzitutto un elemento riflettore 12, montato su una generica struttura di base 14, ed un gruppo di supporto 16 per uno o più elementi 18 (figura 2) atti a ricevere i raggi solari deviati da tale elemento riflettore 12. Gli elementi ricevitori 18 possono essere di qualsiasi tipo noto allo stato della tecnica, come ad esempio collettori termici a liquido vettore, pannelli provvisti di celle fotovoltaiche, sistemi di refrigerazione solare, ecc., e non verranno quindi dettagliati nel seguito.

Secondo l'invenzione, l'elemento riflettore 12 e la relativa struttura di base 14 sono fissi rispetto al suolo o rispetto ad un edificio sul quale il dispositivo 10 è installato, mentre il gruppo di supporto 16 per l'elemento o gli elementi ricevitori 18 è mobile rispetto all'elemento riflettore 12 stesso. Possono quindi essere previsti dei mezzi (non mostrati), motorizzati o meno, di movimentazione di tale gruppo di supporto 16.

In base all'esempio di realizzazione illustrato, l'elemento riflettore 12 è del tipo a focalizzazione lineare, il che significa che la luce solare viene concentrata sostanzialmente lungo una linea retta. La struttura dell'elemento riflettore 12 richiama quella delle ottiche di Fresnel, in cui un elemento ottico è composto da una moltitudine di elementi più piccoli, piani. L'elemento riflettore 12, la cui sezione ortogonale all'asse z di figura 2 è costante, è quindi composto da una pluralità di specchi piani e rettangolari 20 di forma allungata che si estendono attorno a tale asse z. L'asse attorno al quale si muove di moto rotatorio il gruppo di supporto 16 per l'elemento o gli elementi ricevitori 18 (figura 1) è quindi un asse parallelo o coincidente con tale asse z.

Il posizionamento e l'inclinazione preferiti degli specchi 20 sono illustrati con riferimento alle figure 3 e 4. L'asse centrale di ciascuno specchio 20 giace in prossimità di una semicirconferenza di raggio R (figura 3) che si sviluppa sul piano individuato dagli assi x e y di figura 2, ortogonali tra loro e rispetto all'asse z, mentre l'elemento ricevitore 18 si muove lungo la semicirconferenza opposta. La posizione PxrPydi ciascuno specchio 20 sulla semicirconferenza di raggio il e la sua inclinazione tì rispetto ad un piano orizzontale, individuato dagli assi x e z a sviluppo orizzontale, è quindi ottenibile attraverso le seguenti funzioni:

dove con σ è indicato l'angolo, rispetto ad un asse verticale parallelo all'asse y, in corrispondenza del quale ciascuno specchio 20 deve essere posizionato.

Pertanto, qualsiasi combinazione di specchi 20 il cui centro si trova sulla circonferenza di raggio il e la cui inclinazione rispetto ad un piano orizzontale individuato dagli assi x e z è pari all'angolo tì è considerata ottimale per il funzionamento del dispositivo 10 secondo 1'invenzione .

In figura 5 viene mostrata una prima configurazione preferita dell'elemento riflettore 12, in cui gli specchi 20 sono posizionati ad uguale distanza lungo l'asse x. Tale configurazione di posizionamento viene ottenuta dividendo l'asse x in un dato numero di intervalli uguali di lunghezza L predefinita. Ciascun intervallo rappresenta un singolo specchio 20, il cui centro giace sulla circonferenza di raggio K e la cui inclinazione ύ è determinata dalla funzione precedentemente illustrata .

In figura 6 viene invece mostrata una seconda configurazione preferita dell'elemento riflettore 12, in grado di garantire un'efficienza ancora maggiore. In tale configurazione la posizione dei singoli specchi 20 verrà determinata in base ad un compromesso tra due differenti requisiti: gli specchi 20 dovranno essere sufficientemente vicini, così da raccogliere più luce possibile, mentre dovranno essere al contempo sufficientemente lontani, in maniera tale da non mettersi reciprocamente in ombra.

11 compromesso viene raggiunto quando il segmento ideale S che congiunge le estremità più vicine di una coppia di specchi 20 contigui forma un angolo a di 90° (n/2) con lo specchio 20 della coppia che si trova più vicino al centro dell'elemento riflettore 12. Se l'angolo a è inferiore a 90° si avrà una certa porzione di uno degli specchi 20 della coppia oscurata dall'altro specchio. In altre parole, almeno parte degli specchi 20 appartenenti all'elemento riflettore 12 non sarebbe in grado di inviare in maniera ottimale la luce all'elemento ricevitore 18.

La struttura di base 14 dell'elemento riflettore 12 può essere configurata in maniera tale da sostenere gli specchi 20 soltanto in corrispondenza delle loro estremità. In una tale configurazione (figura 7) in cui la struttura di base 14 si può definire "aperta", la luce è in grado di passare trasversalmente negli spazi tra gli specchi 20.

Diversamente, la struttura di base 14 può essere configurata come un corpo unico che circonda esteriormente, vale a dire attorno alla semicirconferenza di raggio R, tutti gli specchi 20 dell'elemento riflettore 12, come mostrato in figura 8. In tal caso, parte della luce che potrebbe raggiungere gli specchi 20 per essere riflessa verrebbe schermata proprio dalla struttura di base 12 "chiusa", che però risulta costruttivamente più semplice .

Tuttavia, la precisa disposizione degli specchi 20, così come la loro lunghezza, non influisce in maniera significativa sulle prestazioni del dispositivo 10 secondo l'invenzione, purché vengano rispettate le condizioni imposte dalle funzioni precedentemente citate. La larghezza massima degli specchi 20 influisce però sulla concentrazione ottenuta. In particolare, il rapporto tra la massima larghezza di ciascuno specchio 20 e il diametro della semicirconferenza di raggio R su cui gli specchi 20 stessi giacciono rappresenta il limite superiore al fattore di concentrazione solare. Un fattore di concentrazione attorno al valore numerico 20 si ottiene con la configurazione mostrata in figura 6, che presenta la disposizione ottimale e preferita degli specchi 20, con perdite minime. Fattori di concentrazione più elevati, fino al valore numerico 100, si possono ottenere con un numero maggiore di specchi 20, più piccoli e disposti più vicini l'uno all 'altro.

Il fattore di concentrazione è relativo a una incidenza dei raggi del sole di 90°, e si riduce quando la luce del sole cade secondo un angolo diverso. Nonostante ciò, la quantità di luce raccolta dall'elemento ricevitore 18 è pari a più dell'80% rispetto alla luce totale entrante nell'elemento riflettore 12, mediata su un anno di esposizione. Tenuto conto che questo fattore va moltiplicato per il fattore di concentrazione, che può raggiungere un valore numerico pari a 100, si vede che il fattore non è determinante.

Le suddette prestazioni richiedono che l'elemento riflettore 12 sia esposto in maniera ottimale, cioè tale che il suo asse y (figura 2) sia diretto verso la posizione del sole a mezzogiorno degli equinozi, cioè a sud, e sia inclinato rispetto ad un generico asse verticale secondo un angolo pari alla latitudine del luogo in cui il dispositivo concentratore 10 è installato. Ciò significa che l'asse y dell'elemento riflettore 12 dovrebbe essere verticale all'equatore, orizzontale ai poli ed a 47 gradi dall'orizzonte ad una latitudine di 43 gradi.

In base ad un esempio pratico di realizzazione del dispositivo concentratore 10 secondo l'invenzione, gli specchi 20 sono realizzati in materiale plastico, con uno spessore di 2 mm e lunghezza e larghezza pari rispettivamente a 1 m e 15 mm. Gli specchi 20 vengono assemblati per realizzare un elemento riflettore 12 come quello mostrato in figura 6. La struttura di base 14 consiste in una pluralità di centine realizzate in PVC espanso, assemblate tramite profilati in alluminio incollati con resina epossidica. Le centine sono poi fissate con della schiuma al poliuretano. Infine gli specchi 20 sono incollati in posizione sulla struttura di base 14 con della resina epossidica.

Il dispositivo 10 viene quindi fissato rigidamente al suolo, o su un edificio, in modo tale che l'asse y di figura 2, che nelle successive figure da 3 a 8 risulta essere verticale, punti verso la direzione del sole a mezzogiorno degli equinozi, vale a dire verso sud, e sia inclinato rispetto all'orizzonte di un angolo pari al valore della latitudine .

Sul dispositivo 10 viene quindi assemblato il gruppo di supporto mobile 16, provvisto ad esempio di una oppia di bracci di sostegno 22 (figura 1) per l'elemento ricevitore 18, incernierati sulla struttura di base 14 in corrispondenza delle proprie estremità inferiori. I bracci di sostegno sono incernierati sulla struttura di base 14 tramite cuscinetti a sfere, in modo tale da poter ruotare senza eccessivo attrito attorno ad un asse di rotazione passante per il centro della semicirconferenza di raggio R su cui giacciono gli specchi 20.

L'elemento ricevitore 18 può essere ad esempio un pannello provvisto di celle fotovoltaiche sostenuto da un tubo cavo in profilato di alluminio. Le celle fotovoltaiche sono provviste delle necessarie connessioni elettriche e sono termicamente accoppiate al tubo di sostegno tramite grasso termicamente conduttivo. Nel tubo circola acqua per il raffreddamento, in quanto la maggior parte dell'energia solare viene dispersa sotto forma di calore, che va rimosso per non degradare le prestazioni. Il circuito di raffreddamento è completato da un piccolo radiatore e da una piccola pompa che fa circolare alcuni litri di acqua al minuto. In alternativa, il calore generato potrà essere scambiato con l'acqua circolante nell'impianto idrico dell'edificio dove il dispositivo 10 viene installato, potendo così essere recuperato.

Si è così visto che il dispositivo concentratore di luce solare secondo la presente invenzione realizza gli scopi in precedenza evidenziati. In particolare, si apprezza la possibilità di mantenere fisso l'elemento riflettore, specie quando esso è costituito da una pluralità di elementi riflettenti che, se da un lato aumentano l'efficienza del sistema, dall'altro lato sono complicati da movimentare. La possibilità invece di movimentare l'elemento o gli elementi ricevitori rende poi il sistema nel suo complesso particolarmente efficiente nei confronti delle realizzazioni di tipo noto.

Il dispositivo concentratore di luce solare della presente invenzione così concepito è suscettibile in ogni caso di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel medesimo concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti. In pratica le forme e le dimensioni potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze tecniche.

L'ambito di tutela dell'invenzione pertanto definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (10) concentratore di luce solare, comprendente almeno un elemento riflettore (12), montato su una struttura di base (14), ed un gruppo di supporto (16) per uno o più elementi (18) atti a ricevere i raggi solari deviati da detto almeno un elemento riflettore (12), caratterizzato dal fatto che detto almeno un elemento riflettore (12) e detta struttura di base (14) sono fissi rispetto al suolo o rispetto ad un edificio sul quale detto dispositivo (10) è installato, mentre detto gruppo di supporto (16) per detti uno o più elementi ricevitori (18) è mobile rispetto a detto elemento riflettore (12).
2. 2. Dispositivo (10) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto elemento riflettore (12) è del tipo a focalizzazione lineare, in cui detta luce solare viene concentrata sostanzialmente lungo una linea retta parallela ad un primo asse (z).
3. 3. Dispositivo (10) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto gruppo di supporto (16) è mobile di moto rotatorio attorno ad un asse parallelo o coincidente con detto primo asse (z).
4. 4. Dispositivo (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detto elemento riflettore (12) è composto da una pluralità di specchi piani (20) di forma allungata che si estendono attorno a detto primo asse (z).
5. 5. Dispositivo (10) secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che l'asse centrale di ciascuno specchio (20) giace in prossimità di una prima semicirconferenza avente un raggio (R) predefinito ed un centro che si trova su detto primo asse (z), detta prima semicirconferenza sviluppandosi su un piano individuato da un secondo asse (x) e da un terzo asse (y) ortogonali tra loro e rispetto a detto primo asse (z), e che detto elemento ricevitore (18) si muove lungo la semicirconferenza opposta a detta prima semicirconferenza.
6. 6. Dispositivo (10) secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che la posizione (Px, Py) di ciascuno specchio (20) in prossimità di detta prima semicirconferenza di raggio (R) predefinito è ottenibile attraverso le seguenti funzioni:

   dove con σ è indicato l'angolo, rispetto ad un asse parallelo a detto terzo asse (y) , in corrispondenza del quale ciascuno specchio (20) deve essere posizionato.
7. 7. Dispositivo (10) secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che l'inclinazione ( ύ ) di ciascuno specchio (20) rispetto ad un piano individuato da detti secondo asse (x) e terzo asse (y) è ottenibile attraverso la seguente funzione:

   dove con σ è indicato l'angolo, rispetto ad un asse parallelo a detto terzo asse (y) , in corrispondenza del quale ciascuno specchio (20) deve essere posizionato.
8. 8. Dispositivo (10) secondo le rivendicazioni 6 e 7, caratterizzato dal fatto che il segmento ideale (S) che congiunge le estremità più vicine di una coppia di specchi (20) contigui forma un angolo (a) di 90° con lo specchio (20) di detta coppia che si trova più vicino al centro di detto elemento riflettore (12).
9. 9. Dispositivo (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 8, caratterizzato dal fatto che detto terzo asse (y) è orientato a sud, verso la posizione del sole a mezzogiorno degli equinozi, ed è inclinato rispetto ad un asse verticale secondo un angolo pari alla latitudine del luogo in cui detto dispositivo (10) è installato.
10. 10. Dispositivo (10) secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detto primo asse (z) è un asse oriz zontale .
11. 11. Dispositivo (10) secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detto secondo asse (x) è un asse orizzontale.
12. 12. Dispositivo (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 11, caratterizzato dal fatto che detto gruppo di supporto mobile (16) è provvisto di uno o più bracci di sostegno (22) per detti uno o più elementi ricevitori (18), detti uno o più bracci di sostegno (22) essendo incernierati su detta struttura di base (14), in corrispondenza delle proprie estremità inferiori, attorno ad un asse di rotazione passante per il centro di detta prima semicirconferenza di raggio (R) predefinito.