ITMI20101414A1 - Dispositivo di cattura dell'energia solare ad alta efficienza angolare - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce a un dispositivo di cattura dell’energia solare ad alta efficienza angolare senza l’uso dei sistemi di inseguimento normalmente presenti nei dispositivi per la cattura della radiazione solare noti allo stato dell'arte.

I sistemi più diffusi sul mercato per la cattura dell’energia solare prevedono essenzialmente profili di concentrazione di radiazione solare caratterizzati dal fatto di avere una geometria parabolica. Detti sistemi standard permettono di ottenere però solo angoli di accettanza molto limitati e per mantenere la radiazione concentrata nel fuoco geometrico delle parabole, utilizzano dei sistemi di inseguimento che permettono alle superfici riflettenti di muoversi per compensare lo spostamento apparente del sole durante il corso della giornata.

Sono note allo stato dell'arte alcune alternative ai sistemi standard sopra citati.

Dette alternative prevedono l'utilizzo di concentratori di radiazione solare a forma complessa in grado di ottenere una focalizzazione di detta radiazione in un punto anche per angoli leggermente differenti dalla normale al dispositivo, senza sistemi di inseguimento.

Il brevetto US7412976 descrive un sistema costituito essenzialmente da un collettore solare dotato di un riflettore esterno. Il collettore solare à ̈ costituito da un alloggiamento in vetro e il riflettore di luce à ̈ disposto esternamente all'alloggiamento. Poiché per poter raggiungere l'assorbitore l'angolo formato dalla radiazione con la normale al riflettore deve essere prossimo a zero, per poter risultare efficace questo dispositivo necessita di un rapporto dimensionale tra altezza e larghezza estremamente elevato, e pertanto, anche questo dispositivo à ̈ caratterizzato da un angolo di accettanza limitato.

Il brevetto US4002499 descrive un dispositivo comprendente un sistema in grado di concentrare la luce solare su una cella target, tramite elementi o segmenti riflettori primari e secondari. In particolare, la luce, tramite i segmenti primari viene focalizzata sulla cella target o riflessa verso i segmenti riflettori secondari. I riflettori secondari riflettono i raggi che arrivano dai segmenti primari focalizzandoli a loro volta verso un'apertura d'uscita dove à ̈ posizionata la cella target, in modo che questa venga completamente illuminata.

Anche in questo caso gli angoli di accettanza utili sono necessariamente limitati poiché sarebbe necessario un rapporto dimensionale tra larghezza ed altezza del dispositivo troppo elevato. Il brevetto US4130107 descrive un sistema di cattura della radiazione solare comprendente una parete laterale riflettente in grado di dirigere la radiazione incidente direttamente sull'assorbitore posizionato in corrispondenza dell'apertura d'uscita così da focalizzare la radiazione.

Come già a riguardo dei brevetti citati sopra, anche in questo caso il rapporto tra la dimensione dell’altezza e la dimensione della larghezza del dispositivo deve essere estremamente elevato per poter aumentare in maniera apprezzabile il range ammissibile dell'angolo di accettanza. Anche in questo caso, quindi, siamo di fronte ad un dispositivo con un angolo di accettanza limitato.

Scopo della presente invenzione à ̈, pertanto, quello di realizzare un dispositivo altamente efficiente in grado di catturare l'energia solare anche per angoli di incidenza della radiazione solare molto diversi da 90° senza prevedere alcun sistema di inseguimento e con un rapporto dimensionale tra altezza e larghezza del dispositivo inferiore ad uno.

Tale scopo à ̈ raggiunto grazie ad un dispositivo comprendente: 1. Una superficie riflettente con profilo geometrico composito e simmetrico rispetto all'asse del dispositivo;

2. Una parete attraversabile dalla luce solare dotata di una copertura multistrato abbinata ad un'interfaccia con profilo di Fresnel per modificare l'angolo di incidenza dei raggi solari;

3. Un assorbitore a sezione non circolare con asse maggiore giacente con l'asse di simmetria del dispositivo al variare dell'angolo di incidenza della radiazione.

La presenza di questi tre elementi permette di realizzare un sistema in grado di catturare la radiazione solare con alta efficienza anche per angoli di incidenza molto diversi dalla normale al dispositivo senza l'uso di sistemi di inseguimento.

L'assenza del sistema di inseguimento, insieme con l'utilizzo di materiali polimerici trasparenti al posto del vetro, permette una notevole riduzione dei costi di produzione.

Queste ed ulteriori caratteristiche del presente trovato saranno rese più chiare dalla lettura della descrizione dettagliata che segue relativa ad un modo preferito di realizzare la presente invenzione da considerarsi a titolo esemplificativo e non limitativo dei più generali concetti rivendicati.

La descrizione che segue fa riferimento ai disegni allegati, in cui:

- la figura 1 Ã ̈ un esploso del modulo di cattura della radiazione solare.

- la figura 2 Ã ̈ esempio della concentrazione della radiazione solare con angolo di incidenza di 30°

- la figura 3 Ã ̈ uno schema esemplificativo della struttura multistrato della parete trasparente attraversata dalla radiazione solare.

- la figura 4 rappresenta un confronto tra l’andamento dell’energia della radiazione incidente in funzione dell'angolo di incidenza di detta radiazione, l'andamento dell'energia assorbita da un dispositivo standard noto allo stato dell'arte dotato di un sistema di inseguimento in funzione dell’angolo di incidenza di detta radiazione e l’andamento dell’energia assorbita dal dispositivo della presente invenzione in funzione dell'angolo di incidenza di detta radiazione.

Con riferimento alla figura 1 , il dispositivo della presente invenzione à ̈ costituito da:

- una parete riflettente 1

- una parete trasparente 2

- un assorbitore 3.

La radiazione solare attraversa la parete trasparente 2, viene riflessa e concentrata dalla parete riflettente 1 sull'assorbitore 3 e viene, quindi, assorbita da detto assorbitore 3.

Detto assorbitore 3 à ̈ disposto da un lato di detta parete trasparente 2 e comprende un condotto tubolare 4 di sezione non circolare per il contenimento e/o convogliamento di un fluido termovettore. Detto condotto tubolare 4 non à ̈ a diretto contatto né con la parete 2 né con la parete riflettente 1 , al fine di minimizzare lo scambio termico tra i vari elementi, prevenire dispersioni di energia e possibili danneggiamenti del dispositivo.

La parete riflettente 1 à ̈ conformata come un guscio alloggiarne l’assorbitore 3 e si estende simmetricamente rispetto all'asse maggiore del condotto tubolare 4.

Il profilo della parete riflettente 1 , nella parte adibita alla concentrazione della radiazione, Ã ̈ costituito da una curva complessa definita dalle seguenti equazioni:

0 = a · x<2>+ b<â– >\x\ c d · \x · y | e · y<2>+ f<â– >x<4>+ g<â– >|3⁄4<'3>1

per la parte del profilo con x<0, e:

0 = ax<â– >x<2>+ bx<â– >\x\ c1+ d1- \x - y\ e - y<2>+ f - x* g1<â– >|x<3>|

per la parte del profilo con x>0.

I rispettivi coefficienti a e a^ b e bi, c e Ci,d e di,g e gì,possono essere sia uguali tra loro (a=ai,b=bi, etc.) che differenti.

Con riferimento alle figure 1 e 2, la parete 2 presenta uri piano mediano 2†̃ coincidente con Casse di simmetria del dispositivo.

II rapporto tra la lunghezza dell'asse maggiore del condotto tubulare 4 e la dimensione trasversale della parete trasparente afferente al singolo dispositivo risulta essere <1 per permettere un effetto di concentrazione della radiazione solare.

L'assorbitore 3 ha l'asse maggiore 2’ coincidente il piano mediano della parete 2 e con l'asse di simmetria della parete riflettente 1

Con riferimento alla Figura 3, la parete 2 comprende uno strato 5, avente indice di rifrazione diverso dall'aria. Detto strato 5 comprende, a sua volta, una prima superficie 6, sulla quale incide la radiazione solare ed una seconda superficie 7, dalla quale la radiazione solare esce dallo strato 5.

La direzione perpendicolare alla superficie 6 in corrispondenza del punto di ingresso della radiazione solare à ̈ indicata con la lettera F.

La direzione perpendicolare alla superficie 7 in corrispondenza del punto di uscita della radiazione solare à ̈ indicata con la lettera G.

Le superfici 6 e 7 sono tali per cui le direzioni ad esse perpendicolari (F e G rispettivamente) sono inclinate tra loro in modo tale che la radiazione solare venga deviata dallo strato 5.

In particolare, la radiazione solare incidente sulla superficie 6, Ã ̈ orientata lungo una direzione I, formante un angolo a con la direzione F.

A causa del fenomeno della rifrazione la radiazione solare viene deviata, sino a formare un angolo β con la direzione G.

Dopo lo strato 5 vi possono essere altri strati, normalmente 2, uno strato 10 compreso tra la superficie 7 ed un'altra superficie indicata con 8, ed un altro strato 11 compreso tra la superficie 8 e la superficie 9.

I diversi strati di materiali trasparenti sopra descritti sono caratterizzati da un indice di rifrazione via via crescente a partire dalla superficie 6 fino alla superficie 9, all'interfaccia dei quali la radiazione solare subisce una deviazione dell'angolo che la direzione di propagazione della radiazione forma con la normale all'interfaccia.

L'effetto rifrattivo della parete trasparente 2 nel suo complesso sarà quindi l'effetto risultante di tutte le interazioni della luce con le interfacce dei i diversi strati.

Gli strati di materiali diversi costituenti la parete 2 possono essere un minimo di due e presentano superficie di interfaccia definite da un'opportuna geometria rappresentata da una curva ottenuta come la combinazione lineare di una parabola con un ellisse. Detta curva à ̈, quindi, definita dalla seguente funzione:

>' = /i<â– >(a<â– >x<2>+ b<â– >|x| c) fz

dove il valore 0 della variabile x corrisponde alla posizione dell'asse di simmetria del dispositivo cioà ̈ all'asse del condotto tubolare 4.

Più precisamente le superfici intermedie 7 e 8 sono realizzate con un profilo definito in maniera analoga alla superficie 6,

y = fLn<â– >(an · x<2>4- bn<â– >|x| cn ) /2

dove i coefficienti an, bn.... e f2n possono essere sia uguali che diversi dai corrispondenti coefficienti a, b.... e f2n.

La superficie 9 può essere realizzata con profilo geometrico differente. In particolare, la superficie 9 può essere realizzata con un profilo ottenuto dalla somma di diversi segmenti orientati in maniera diversa rispetto all'asse del dispositivo con un andamento simmetrico rispetto all'asse stesso che può essere o periodico o caratterizzato da una lunghezza dei rispettivi segmenti in funzione della distanza dall'asse del dispositivo.

Gli strati 5, 10 e 11 sono realizzati in materiali aventi indici di rifrazioni differenti tra loro.

In particolare, lo strato 5 può essere preferibilmente realizzato in teflon, silicone od in una matrice composita di teflon e Si02.

Gli strati 10 e 11 possono essere preferibilmente realizzati in CR39, PMMA, vetro o Policarbonato.

Grazie alla deviazione della radiazione solare effettuata per rifrazione in corrispondenza del passaggio della radiazione attraverso le interfaccie degli strati 5, 10 e 11 la radiazione solare stessa viene concentrata sull'assorbitore 3 durante tutte le ore di luce della giornata.

In tal modo, à ̈ possibile l’eliminazione dei sistemi di inseguimento ovvero à ̈ possibile evitare la rotazione dell'unità di captazione per mantenere l’assorbitore 3 in una posizione ottimale rispetto alla posizione apparente del sole.

In particolare, lo spessore dello strato 5 Ã ̈ inferiore allo spessore degli strati 10 e 11.

Con riferimento alle Figure 1, 2, e 3 la radiazione che esce dalla superficie 9 dello strato 11 arriva alla parete riflettente 1 , viene riflessa da detta parete 1 e concentrata sull'assorbitore 3, determinando il riscaldamento del fluido termovettore contenuto nel condotto tubolare 4 di detto assorbitore 3.

Il fluido termo-vettore contenuto nel condotto 4 Ã ̈, preferibilmente, una miscela a calore specifico maggiore di 0,5 calorie/grammoX ed in grado di rimanere liquida, alla pressione ambiente, in un intervallo di temperatura che varia a seconda dell'ambito di applicazione della presente invenzione.

In particolare, nelle applicazioni in campo industriale, l'intervallo di temperatura sarà compreso tra -40 gradi centigradi e 200 gradi centigradi, mentre nelle applicazioni domestiche l’intervallo di temperatura consentito varierà a seconda delle diverse legislazioni nazionali. In Italia, ad esempio, l'intervallo di temperatura dovrà essere compreso tra -30 e 160 gradi centigradi.

In tal modo, la radiazione solare concentrata dal riflettore 1 sull’assorbitore 3 può elevare la temperatura del fluido termo-vettore ben al di sopra di 100 gradi centigradi senza che il calore ceduto determini l’ebollizione a temperatura costante del fluido termovettore.

Il dispositivo della presente invenzione comprende, inoltre, un involucro realizzato in materiale metallico con lo scopo di connettere la parete 2 con la parete 1 e con funzione di sostegno dell'assorbitore 3. Questo involucro crea una camera stagna dove la pressione residua à ̈ inferiore a 1 atm e il gas residuo presente nella camera à ̈ un gas con capacità termica inferiore a quella dell'aria, tipicamente Ar o Ne, per ridurre la dispersione del calore catturato dall'assorbitore 3.

Con riferimento alla figura 4 ottenuta a seguito di specifici test effettuati, l'andamento dell'energia della radiazione incidente in funzione dell'angolo di incidenza di detta radiazione à ̈ rappresentato con una linea punteggiata 12.

L'andamento dell'energia assorbita da un dispositivo standard noto allo stato dell’arte dotato di un sistema di inseguimento in funzione dell'angolo di incidenza di detta radiazione à ̈ rappresentato con una linea tratteggiata 14.

L’andamento dell'energia assorbita dal dispositivo della presente invenzione in funzione dell'angolo di incidenza di detta radiazione à ̈ rappresentato con una linea continua 13.

E' facile notare che fino ad angoli di incidenza elevata (fino a 50 gradi rispetto allo zenith), i due dispositivi sono equivalenti, la perdita di efficienza del dispositivo della presente invenzione si ha solo per angoli di incidenza molto diversi dalla perpendicolare (90°) corrispondenti alle ore della giornata con minore intensità energetica della radiazione solare.

Grazie alla combinazione di una parete riflettente con profilo geometrico composito e simmetrico rispetto all'asse del dispositivo, una parete trasparente per modificare l'angolo di incidenza dei raggi solari; un assorbitore a sezione non circolare con asse maggiore in corrispondenza dell'asse di simmetria della superficie riflettente 1, si realizza cosi un dispositivo in grado di catturare l'energia solare anche per angoli di incidenza della radiazione solare sensibilmente differenti ai 90° corrispondenti a radiazione incidente perpendicolarmente al dispositivo senza prevedere alcun sistema di inseguimento e con un rapporto dimensionale tra altezza e larghezza del dispositivo inferiore ad uno.

Claims (21)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per la cattura e l'estrazione dell’energia solare caratterizzato dal fatto di presentare almeno un piano di simmetria e di comprendere almeno: - una parete trasparente multistrato finalizzata a deviare opportunamente i raggi solari attraverso il fenomeno della rifrazione; - una superficie riflettente con profilo geometrico composito la cui sezione perpendicolare al piano di simmetria del dispositivo in corrispondenza di almeno un punto di detto piano à ̈ descritta da una curva di quarto grado simmetrica rispetto a tale piano; - un assorbitore a sezione non circolare con asse di simmetria giacente sul piano di simmetria del dispositivo; detti elementi essendo in combinazione ottica fra loro.
2. 2. Dispositivo per la cattura e l’estrazione dell’energia solare secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che i coefficienti dell’equazione di detta curva di quarto grado hanno le seguenti caratteristiche: - il coefficiente del termine misto (†̃xy’) di detta curva quartica à ̈ diverso da zero - i termini ’x', †̃xy’ e ’x<3>' sono espressi in valore assoluto.
3. 3. Dispositivo per la cattura e l’estrazione dell'energia solare secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta parete trasparente à ̈ realizzata in almeno due o più strati di materiali trasparenti con indice di rifrazione via via crescente passando da uno strato all’altro e maggiore rispetto a quello dell'ana.
4. 4. Dispositivo per la cattura e l’estrazione dell’e|iergia solare secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto assorbitore à ̈ ricoperto da un opportuno materiale in grado di assorbire la radiazione solare e di trasferire il calore ad un opportuno fluido vettore.
5. 5. Dispositivo per la cattura e l’estrazione dell'energia solare secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato da! fatto di comprendere un opportuno involucro metallico con funzione di supporto, raccordo e sostegno delle varie parti in grado di creare una camera chiusa con pressione inferiore ad una atmosfera e con gas residuo con capacità termica inferiore a quello dell'aria.
6. 6. Dispositivo per la cattura e l’estrazione dell’energia solare secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che lo strato più esterno di detta parete trasparente ha un indice di rifrazione inferiore a 1,43 ed à ̈ costituito da Teflon e/o silicone o da una matrice composita di Teflon e SiO o da una matrice composita 2 silicone e SiO o simili. 2
7. 7. Dispositivo per la cattura e l'estrazione dell’energia solare secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che gli strati successivi allo strato più esterno di detta parete trasparente hanno un indice di rifrazione superiore a 1,43 e sono costituiti da vetro, PMMA, Policarbonato, CR39 o da una combinazione di questi materiali o simili.
8. 8. Dispositivo per la cattura e l'estrazione dell’energia solare secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la geometria delle superfici dei vari strati di detta pareti trasparente sono rappresentate da una curva equivalente alla combinazione lineare di una parabola con un'ellisse.
9. 9. Dispositivo per la cattura e l'estrazione dell’energia solare secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che almeno una delle superfici che delimitano un singolo strato di detta parete possiede un profilo di Fresnel.
10. 10. Dispositivo per la cattura e l’estrazione dell’energia solare secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che almeno una delle superfici che delimitano un singolo strato di detta parete presentano una variazione periodica dell'inclinazione della superficie simmetrica rispetto al piano di simmetria del dispositivo.
11. 11. Dispositivo per la cattura e l’estrazione dell’energia solare secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta superficie riflettente e detta parete trasparente non sono a contatto diretto con l'assorbitore in nessun punto del dispositivo.
12. 12. Dispositivo per la cattura e l’estrazione dell'energia solare secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che all'interno di detto assorbitore circola un fluido termovettore per l'estrazione del calore dal dispositivo.
13. 13. Dispositivo per la cattura e l’estrazione dell’energia solare secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'assorbitore à ̈ un dispositivo chiuso ed il calore viene trasferito ad una estremità tramite evaporazione e condensazione di un opportuno liquido.
14. 14. Dispositivo per la cattura e l'estrazione dell'energia solare secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto liquido à ̈ una miscela di acqua e una o più sostanze organiche completamente miscibili con percentuale della frazione organica compresa tra lo 0 ed il 100% della miscela.
15. 15. Dispositivo per la cattura e l’estrazione dell'energia solare secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta sostanza organica aggiunta alla miscela à ̈ il glicerolo.
16. 16. Dispositivo per la cattura e l’estrazione dell’energia solare secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che sulla superficie di detto assorbitore sono integrate o depositate delle celle fotovoltaiche realizzando un sistema ibrido.
17. 17. Dispositivo per la cattura e l’estrazione dell’energia solare secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto gas residuo della camera di detto involucro sigillato à ̈ Ar, Ne, Xe oppure una miscela di essi.
18. 18. Dispositivo per la cattura e l’estrazione dell’energia solare secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di poter realizzare un sistema comprendente un insieme di detti dispositivi per la cattura e l'estrazione di energia solare disposti in configurazione in serie e parallelo.
19. 19. Dispositivo per la cattura e l'estrazione dell’energia solare secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto sistema ottenuto mediante l'insieme di detti dispositivi permette di realizzare un sistema con cui viene ottenuta una corrente di fluido a temperatura T>100 °C da cui tramite scambio te rmiico viene ricavato vapore in pressione per scopi industriali o acqua calda per scopi sanitari.
20. 20. Dispositivo per la cattura e l’estrazione dell'energia solare secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto sistema ottenuto mediante l'insieme di detti dispositivi permette di realizzare un sistema con cui viene ottenuta una corrente di fluido a temperatura T>80 °C da cui tramite scambio termico viene ricavato vapore in pressione per la produzione di energia elettrica mediante mezzi noti.
21. 21. Dispositivo per la cattura e l’estrazione dell’energia solare secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di non comprendere alcun sistema di inseguimento.