ITMI20080300A1 - Sistema di inseguimento di sorgenti d'onda. - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale

L'invenzione riguarda un sistema di inseguimento (tracking) di sorgenti d’onda, in particolare di sorgenti di onde luminose generate da raggi solari. Come è ben noto, i sistemi fotovoltaici sfruttano l’energia solare per produrre energia elettrica o altre forme di energia.

Una recente evoluzione della ricerca sui sistemi fotovoltaici si è orientata verso i cosiddetti sistemi fotovoltaici “a concentrazione” che sfruttano un dispositivo concentratore per l’intercettazione dei raggi solari ed la successiva concentrazione su di una cella fotovoltaica di dimensioni inversamente proporzionali al fattore di concentrazione del dispositivo. I sistemi fotovoltaici a concentrazione garantiscono un rendimento superiore rispetto ai sistemi fotovoltaici piani tradizionali.

D’altra parte, però, i dispositivi concentratori noti hanno dimensioni notevoli e richiedono un continuo spostamento lungo la traiettoria di massimo sfruttamento delle radiazione solare ( cosiddetto “tracking” solare) per ottenere il migliore rendimento dal sistema; tale spostamento deve avvenire anche in caso di agenti atmosferici avversi.

Per tutti questi motivi, i mezzi meccanici di spostamento sono molto robusti, di peso e dimensioni notevoli e, unitamente al peso ed alle dimensioni notevoli dei dispositivi concentratori, possono rendere non possibile l’istallazione di sistemi fotovoltaici su tetti di edifici e su superfici non orizzontali richiedendo una preferibile dislocazione in zone pianeggianti e disabitate.

Scopo della presente invenzione è fornire un sistema di inseguimento di sorgenti d’onda con migliorati mezzi di inseguimento per superare gli inconvenienti delle tecnica nota.

Lo scopo sopra indicato e raggiunto da un sistema di inseguimento di sorgenti d’onda secondo quanto rivendicato nella rivendicazione 1.

Il sistema secondo l’invenzione consegue i seguenti vantaggi rispetto alla tecnica nota:

- nella sua complessità è di minore ingombro e maggior compattezza;

- si adatta ad installazioni in diversi ambienti (anche in zone abitate non pianeggianti e su edifici);

- è poco vulnerabile ad avverse condizioni atmosferiche

- i mezzi di movimentazione sono di semplice realizzazione;

- mezzi di movimentazione hanno costi contenuti.

Le caratteristiche e gli ulteriori vantaggi dell’invenzione risulteranno dalla descrizione, fatta qui di seguito, di un suo esempio di realizzazione dato a titolo indicativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati.

- La figura 1 rappresenta schematicamente ed in vista laterale una porzione di un sistema di inseguimento di sorgenti d’onda secondo l’invenzione.

- La figura 2 rappresenta una forma di realizzazione preferita dei mezzi di movimentazione secondo l’invenzione.

Con riferimento alle figure, un sistema di inseguimento secondo l’invenzione comprende un pannello 1 che funge da supporto per elementi 2 di ricezione o emissione di onde; nella forma di realizzazione preferita, gli elementi 2 sono elementi di ricezione, in particolare elementi fotovoltaici e, nella figura 1 sono mostrati, a titolo d’esempio due soli elementi fotovoltaici 2, riceventi onde generate da radiazioni solari e rappresentati schematicamente in forma di vaschetta (il pannello 1 è omesso, per semplicità di rappresentazione, in figura 2).

In una reale configurazione, il numero di elementi fotovoltaici 2 può variare in dipendenza dell’area ricoperta e della fornitura di energia richiesta.

Sistemi per la fornitura di energia per ambiti domestici che necessitano installazioni su edifici potranno avere dimensioni più ridotte rispetto a sistemi di fornitura per ambiti aziendali, dislocabili in aree libere più ampie o non densamente abitate, che potranno avere dimensioni complessive superiori arrivando anche ad aree di qualche centinaio di metri quadrati. Gli elementi 2 sono posizionati all’estremità superiore di uno stelo di supporto 3 a cui sono vincolati tramite opportuni mezzi di bloccaggio, ad esempio una ghiera filettata 7 disposta sul fondo dell’elemento fotovoltaico 2, che ingrana con l’estremità dello stelo di supporto 3 passante nel fondo dell’elemento stesso.

Lo stelo di supporto 3, dal lato non rivolto verso l’elemento fotovoltaico 2, è altresì passante per l’asse di uno snodo a sfera 4 alloggiato in un opportuno foro praticato nel pannello1.

Nella forma di realizzazione preferita, mezzi d’orientamento 40 comprendono snodi a sfera 4, che sono girevolmente associati al pannello 1 tramite cuscinetti non mostrati nelle figure, e steli di supporto 3. Ogni sfera, in numero corrispondente al numero di elementi fotovoltaici 2, è alloggiata in uno dei fori suddetti ed è libera di ruotare su se stessa mentre è, al contrario, bloccata in traslazione lungo il piano del pannello 1 dal corrispondente foro in cui è alloggiata e, lungo ogni qualunque altro piano, da due ghiere 5 adiacenti al pannello fisso 1, l’una inferiormente e l’altra superiormente, e reciprocamente vincolate tramite opportuni perni o viti passanti.

Lo stelo di supporto 3 è, quindi, composto da una prima porzione 3a, disposta superiormente al pannello 1 e responsabile del collegamento tra ogni elemento fotovoltaico 2 e il rispettivo snodo a sfera 4, e da una seconda porzione 3b, disposta inferiormente al pannello 1 e responsabile del collegamento dello snodo a sfera 4 a mezzi di movimentazione 50 responsabili della rotazione della sfera 4 stessa.

In generale, sin possono considerare l’insieme dei mezzi d’orientamento 40 e dei mezzi di movimentazione 50 come mezzi d’inseguimento d’onde. Secondo l’invenzione, nel corso della giornata, l’inseguimento dei raggi solari viene realizzato mantenendo il pannello 1 fisso e orientando solo gli elementi fotovoltaici 2 nella direzione dei raggi solari.

Più precisamente, mezzi di determinazione di orientamento, nella fattispecie sensori di per sé noti rilevano nell’arco della giornata la direzione di massima ampiezza del fronte d’onda e, tramite un’opportuna interfaccia trasmettono ai mezzi di movimentazione 50 opportuni comandi per azionare due motori passo passo che, tramite un insieme di rimandi e giunti, sono collegati ad ogni singolo snodo a sfera 4. I motori trasmettono un movimento rotatorio agli snodi a sfera 4 e, di conseguenza, agli elementi fotovoltaici 2; i motori operano su direzioni perpendicolari generando una rotazione sincrona degli snodi a sfera 4 e, corrispondentemente, di tutti gli elementi 2 alloggiati nel pannello di supporto 1.

Altri mezzi di determinazione di orientamento comprendono mezzi di prestabilita programmazione dell’orientamento dei pannelli, ad esempio una programmazione in base alle diverse ore della giornata considerate in base alla diversa provenienza delle onde incidenti. Tali mezzi sono, in questo caso, responsabili della trasmissione, tramite un’opportuna interfaccia, di opportuni comandi ai mezzi di movimentazione 50 per azionare i due motori passo passo.

Ogni motore passo passo muove un insieme di elementi 2 in modo sincrono.

Con riferimento alla figura 2, si possono apprezzare i dettagli dei mezzi di movimentazione 50, secondo una forma di realizzazione preferita dell’invenzione. Naturalmente, la struttura può variare senza con ciò esulare dall’oggetto dell’invenzione.

Una prima asta 12 rotante è responsabile della trasmissione del comando di rotazione, impartito da uno dei motori passo passo, ad un sistema di ingranaggi 14 che trasmette il moto rotatorio ad una seconda asta 16 rotante. Una coppia di rimandi 18 vincola la seconda asta rotante 16 ad una terza asta 20 che regge una prima coppia di snodi a sfera 4 e rispettivi elementi 2.

Alle estremità della terza asta 20 sono associati steli di supporto 3 tramite giunti 21 che consentono i seguenti movimento dello stelo 3 rispetto alla terza asta 20:

(a) inclinazione esclusivamente nel piano generato da quest’ultima e dallo stelo 3 stesso.

(b) rotazione solidale alla terza asta 20

In seguito alla rotazione della seconda asta 16, lo stelo di supporto 3 ruota solidalmente alla terza asta 20 determinando una conseguente rotazione della sfera 4 e dell’elemento 2.

Una quarta asta 22 rotante comprende una prima porzione 22a liscia ed una seconda porzione 22b filettata.

La rotazione della quarta asta 22 impartita dal secondo motore passo passo determina un avvitamento della porzione 22b, per mezzo di un opportuno foro filettato, su di una traversa 24 che è vincolata in scorrimento alle sue estremità alla terza asta 20 e ad una quinta asta 26 che regge una seconda coppia di snodi a sfera 4 e rispettivi elementi 2.

L’avvitamento della porzione 22b nel foro filettato della traversa 24 determina uno spostamento della terza asta 20 e della quinta asta 26 lungo i rispettivi assi causando, nel primo caso, il movimento dello stelo indicato con (a) e nel secondo caso un movimento identico, ma effettuato rispetto alla quinta asta 26.

In sostanza, la sfera 4 ruota lungo due assi di direzioni mutuamente ortogonali, un primo asse giacente nel piano del supporto 1 (direzione sostanzialmente orizzontale) ed un secondo asse ortogonale al primo ( direzione sostanzialmente verticale). Il conseguente movimento angolare degli elementi fotovoltaici 2 può arrivare, nel piano verticale fino a 90 gradi e nel piano orizzontale fino a 120 gradi, senza che gli elementi interferiscano l’uno con l’altro.

Il disegno meccanico è stato ottimizzato pensando al moto del sole e ad una applicazione di tipo fotovoltaico, anche se altre applicazioni sono possibili. Gli intervalli angolari corrispondono infatti con buona approssimazione al moto del sole nel corso della giornata, per cui questo meccanismo è adatto ad una movimentazione di una schiera di elementi fotovoltaici a concentrazione che debbano essere tutti puntati esattamente verso il sole nel corso della giornata senza che sia necessario movimentare l’intero panello 1.

L’intervallo angolare che può essere raggiunto in questa movimentazione dipende dal rapporto tra il diametro dello snodo a sfera 4 ed il diametro dello stelo di supporto 3. Sfere di maggior diametro permettono di raggiungere maggiori escursioni angolari. Il sistema è, quindi, dimensionabile anche in base a particolari requisiti ambientali che possono richiedere una maggiore movimentazione degli elementi 2.

La movimentazione degli elementi 2 permette di inseguire una sorgente di una onda piana (luminosa, sonora, radiofrequenza etc.) che, al posto di utilizzare un unico pannello ricevente a forma, ad esempio, di disco parabolico movimentato in modo da essere sempre perpendicolare alla sorgente, sfrutta un gran numero di elementi riceventi, ciascuno in grado di posizionarsi perpendicolarmente alla sorgente, senza la necessità di muovere l’intero pannello ricevente.

Questo approccio è molto utile in caso di grandi strutture riceventi, in quanto con questo meccanismo si può sostituire la movimentazione di una grande struttura con la movimentazione sincrona di tante piccole strutture. Aspetti vantaggiosi dell’invenzione riguardano il posizionamento, la movimentazione e la meccanica del sistema come qui di seguito evidenziato.

Il piano comune di supporto può essere orientato secondo la necessità. Ad esempio può essere montato su pareti verticali, su tetti inclinati, in una posizione (quasi)orizzontale: in tutti i casi una matrice di sensori fotovoltaici, anche di grandi dimensioni (metri quadrati) può essere mantenuta perpendicolare al sole senza la necessità di muovere l’intero pannello ma solo muovendo l’insieme degli elementi di ricezione in modo sincrono.

La movimentazione permette di sfruttare l’energia solare più efficacemente dei comuni pannelli fissi, con un fattore di guadagno complessivo di circa il 20-30% nel numero di KWH prodotti.

La parte meccanica (mezzi di movimentazione 50) può essere protetta all’ interno di un volume chiuso, protetto dalle intemperie onde garantire una lunga durata; questo aspetto risulta di fondamentale importanza per le applicazioni del sistema in aree desertiche e polverose.

Inoltre, la complessità dei mezzi di movimentazione atti ad orientare elementi di dimensioni contenute è molto inferiore a quella richiesta per la movimentazione di interi pannelli riceventi.

Da quanto finora descritto si deduce il funzionamento del sistema nella sua complessità.

A fronte di raggi solari emessi, sensori di per sé noti rilevano nell’arco della giornata la direzione di massima ampiezza del fronte d’onda della radiazione solare e, tramite opportune interfacce software, trasmettono ai mezzi di movimentazione 50 opportuni comandi per movimentare le sfere 4 e, conseguentemente, gli elementi fotovoltaici 2 nelle direzioni rilevate. Gli elementi 2 ruotano in modo sincrono lungo due possibili assi tra loro ortogonali “inseguendo” il fronte d’onda più ampio, senza che il pannello, al quale sono vincolati attraverso steli di supporto, venga in alcun modo messo in movimento.

Un ulteriore caratteristica del sistema è rappresentata dal fatto che gli elementi 2 possono essere progettati in modo da essere facilmente sostituibili e fissati allo stelo di supporto tramite opportune interfacce quali, ad esempio, un meccanismo a baionetta o a vite, comprendente al suo interno almeno due linee elettriche ed i contatti relativi collegati a dei fili passanti all’interno dello stelo di supporto 3 e collegati a loro volta tra di loro al di sotto del supporto 1 all’interno di una zona protetto dalle intemperie.

E’ sufficiente realizzare un interfaccia d’aggancio che accoppi l’elemento fotovoltaico con gli steli di supporto.

L’elemento 2, in questo caso funzionerebbe come una “lampadina solare” vale a dire, una lampadina che invece che produrre luce utilizzando energia, produce energia utilizzando la luce.

La lampadina solare può essere costituita da un qualsiasi tipo di elemento fotovoltaico a concentrazione (e non), come ad esempio quelli prodotti dalle ditte seguenti: Amonix, Concentrix Solar GmbH, WHITFIELD SOLAR, Entech, Guascor, Solar Systems Pty, Spectrolab Inc., Whitfield Solar , Angelantoni Industrie spa ecc..

Il concetto di lampadina solare è basato sulla possibilità di separare l’inseguimento della luce solare dall’elemento fotovoltaico in se stesso, conseguendo i seguenti vantaggi:

- il singolo elemento può essere riparato o sostituito facilmente;

- L’elemento fotovoltaico può essere sostituito senza modificare il sistema di inseguimento, che rimane installato indipendentemente;

- le fasi di installazione dei sistemi di inseguimento, di connessione alla rete elettrica e di installazione della lampadina solare possono essere eseguite indipendentemente l’una dalle altre.

- un ulteriore ed importante vantaggio è rappresentato dal fatto che la sostituibilità degli elementi 2 può essere sfruttata sia con riferimento ai pannelli 1 fissi dell’invenzione, che con riferimento a pannelli orientabili della tecnica nota, a patto che questi ultimi siano opportunamente frammentati in modo da essere di dimensioni compatibili con gli elementi 2 della presente invenzione.

Il meccanismo di movimentazione sincrona di cui alla presente invenzione, si applica anche al caso in cui essa riguardi la movimentazione sincrona di elementi specchianti disposti in modo da realizzare uno specchio sferico o parabolico, come ad esempio nella realizzazione di uno specchio di Fresnel formato da elementi riflettenti disposti su un piano ma aventi una geometria che produce un effetto equivalente ad uno specchio sferico o parabolico.

Un esempio di applicazioni in cui si utilizza uno specchio di Fresnel è il caso del solare termodinamico, dove uno specchio a sezione parabolica e avente simmetria assiale concentra la luce su un tubo posto nel fuoco dello specchio .

La movimentazione sincrona degli elementi dello specchio di Fresnel attorno a un asse, necessaria a seguire il moto diurno del sole nei sistemi termodinamici a concentrazione solare, può essere realizzata utilizzando il principio meccanico oggetto di questa invenzione.

Benché finora gli elementi 2 siano stati descritti con caratteristiche di ricevitori, essi possono anche svolgere la funzione di emettitori.

Nel caso di onde sonore, ad esempio, un altoparlante direzionale di grandi dimensioni può essere realizzato come un insieme di tanti piccoli altoparlanti orientabili .

La struttura di supporto dell’altoparlante, date le grandi dimensioni, rimane fissa, mentre il fascio di onde sonore viene orientato tramite l’orientamento sincrono in una direzione predefinita dei fasci sonori emessi dagli elementi 2.

Il movimento sincrono degli elementi potrebbe, ad esempio, essere modulato dalla musica che viene trasmessa o, in caso di emissioni di luce, dall’intensità della luce emessa.

Claims (27)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di inseguimento di sorgenti d’onda comprendente - un pannello fisso (1) per il supporto di - almeno un elemento (2) atto a ricevere onde incidenti da dette sorgenti d’onda, caratterizzato dal fatto che detto almeno un elemento (2) è orientabile, rispetto a detto pannello (1) fisso.
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1 in cui una pluralità di elementi (2) è orientabile in modo sincrono rispetto a detto pannello (1) fisso.
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 1 comprendente mezzi di determinazione di orientamento atti a stabilire l’orientamento di detto almeno un elemento orientabile (2).
4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 3 in cui detti mezzi di determinazione di orientamento comprendono mezzi sensori per il rilevamento della direzione di massima ampiezza del fronte d’onda incidente.
5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 3 in cui detti mezzi di determinazione di orientamento comprendono mezzi di prestabilita programmazione dell’orientamento dei pannelli.
6. 6. Sistema secondo le rivendicazioni 1 o 2 in cui detto almeno un elemento (2) è orientabile rispetto a due assi, un primo asse giacente nel piano del supporto (1) ed un secondo asse ortogonale al primo.
7. 7. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti comprendente mezzi di inseguimento (40, 50) di dette sorgenti d’onda.
8. 8. Sistema secondo la rivendicazione 7 in cui detti mezzi di inseguimento (40, 50) comprendono mezzi d’orientamento (40) atti ad orientare detta pluralità di elementi (2) tramite steli di supporto (3), alle cui estremità superiori sono dislocati detti elementi (2), detti steli essendo collegati inferiormente a snodi a sfera (4).
9. 9. Sistema secondo la rivendicazione 8 in cui detti snodi a sfera (4) sono alloggiati in fori realizzati in detto pannello fisso (1).
10. 10. Sistema secondo una delle rivendicazioni 8 o 9 in cui detti snodi a sfera (4) sono girevolmente associati a detto pannello fisso (1) tramite cuscinetti e coppie di ghiere (5) adiacenti a detto pannello fisso (1), l’una inferiormente e l’altra superiormente.
11. 11. Sistema secondo la rivendicazione 10 in cui dette ghiere (5) sono reciprocamente vincolate tramite opportuni perni o viti passanti.
12. 12. Sistema secondo una delle rivendicazioni da 8 a 11 in cui detti steli di supporto (3) sono passanti per gli assi di detti snodi a sfera (4) in modo che la rotazione sincrona di detti snodi determini un corrispondente orientamento sincrono di detta pluralità di elementi (2).
13. 13. Sistema secondo una delle rivendicazioni 7 o 8 in cui detti mezzi di inseguimento (40, 50) comprendono mezzi di movimentazione (50) atti a far ruotare su se stessi detti snodi a sfera (4).
14. 14. Sistema secondo la rivendicazione 13 in cui detti mezzi di movimentazione (50) comprendono due motori passo passo per la generazione di una rotazione sincrona di dette sfere di snodo (4).
15. 15. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui detta pluralità di elementi (2) comprende elementi fotovoltaici.
16. 16. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui detta pluralità di elementi (2) comprende uno specchio.
17. 17. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui detto almeno un elemento (2) di detta pluralità di elementi (2) è atto ad essere rimovibilmente associato a un detto stelo di supporto (3).
18. 18. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui detto almeno un elemento (2) è fissato in modo sostituibile a detto stelo di supporto (3).
19. 19. Sistema secondo la rivendicazione precedente comprendente un meccanismo a baionetta o a vite per la rimovibile associazione tra detti elementi (2) e detti steli di supporto (3).
20. 20. Sistema di emissione di onde comprendente - un pannello fisso (1) per il supporto di - almeno un elemento emettitore d’onde caratterizzato dal fatto che almeno un elemento è orientabile, rispetto a detto pannello (1) fisso, in una predefinita direzione di emissione.
21. 21. Sistema secondo la rivendicazione 20 in cui una pluralità di elementi è orientabile in modo sincrono rispetto a detto pannello (1) fisso, in una predefinita direzione di emissione.
22. 22. Sistema di emissione secondo la rivendicazione 20 in cui le onde emesse comprendono onde sonore.
23. 23. Sistema di emissione secondo la rivendicazione 20 in cui le onde emesse comprendono onde luminose o elettromagnetiche.
24. 24. Sistema secondo una delle rivendicazioni da 20 a 23 in cui detto elemento orientabile è un elemento emettitore avente le stesse caratteristiche dell’elemento ricevitore definito nelle rivendicazioni da 3 a
25. 25. Sistema di ricevimento/emissione di onde comprendente - un pannello per il supporto di - almeno un elemento atto a ricevere o trasmettere onde caratterizzato dal fatto che detto elemento è rimovibilmente associato e sostituibile in detto pannello di supporto.
26. 26. Sistema secondo la rivendicazione 25 in cui detto pannello è fisso.
27. 27. Sistema secondo la rivendicazione 25 in cui detto pannello è orientabile.