ITMI20120809A1 - Impianto termodinamico a concentrazione solare - Google Patents

Description

IMPIANTO TERMODINAMICO A CONCENTRAZIONE SOLARE

La presente invenzione riguarda un impianto termodinamico a concentrazione solare per produrre energia attraverso la conversione della radiazione solare in calore ad alta temperatura.

Più in particolare la presente invenzione riguarda un impianto termodinamico a concentrazione solare di tipo a collettori lineari.

Un esempio di impianto a concentrazione solare à ̈ quello di tipo parabolico lineare, in cui la radiazione solare diretta à ̈ concentrata attraverso dei sistemi riflettenti parabolici lineari, denominati collettori parabolici, su di un tubo ricevitore rettilineo, generalmente posto nel fuoco delle parabole, in cui scorre un opportuno fluido termovettore. Detti collettori parabolici sono inoltre in grado di seguire il moto del sole per ottimizzare l’angolo di incidenza.

Un’ulteriore tipologia di impianto solare a collettori lineari à ̈ quello a collettori di tipo Fresnel. Questo impianto comprende dei riflettori lineari che concentrano la radiazione solare su un tubo ricevitore posto in posizione orizzontale fissa al di sopra dei collettori. Detti riflettori sono in grado di ruotare lungo l'asse longitudinale in modo da seguire il moto del sole e mantenere e concentrare la radiazione solare costantemente riflessa sul tubo ricevitore.

L’irraggiamento solare concentrato aumenta la potenza termica raccolta dal tubo favorendone il riscaldamento e riscaldando di conseguenza il fluido termovettore che scorre all’interno del tubo.

Nei comuni impianti a collettori solari lineari, il fluido termovettore riscaldato presente nel tubo ricevitore viene utilizzato per una serie di applicazioni che sfruttano il suo stato termodinamico, ad esempio applicazioni connesse alla conversione di energia termica in energia elettrica tramite impianto termoelettrico convenzionale.

Ogni collettore lineare rappresenta l’unità di base indipendente di un impianto termodinamico a concentrazione solare, denominato generalmente campo solare, ed à ̈ costituito principalmente da un riflettore (specchio), da un tubo ricevitore, da una struttura metallica di supporto e da un sistema di movimentazione che include il motore, i sensori e i controlli.

I tubi ricevitori rappresentano l’elemento più delicato della tecnologia solare e generalmente comprendono un tubo metallico, denominato comunemente tubo assorbitore, in cui scorre il fluido termovettore.

Questi tubi ricevitori hanno generalmente spessore uniforme per resistere alle pressioni di lavoro generate dal fluido termovettore riscaldato, e generalmente sono internamente lisci per evitare perdite di carico del fluido termovettore.

A volte il tubo assorbitore à ̈ rivestito da uno strato di materiale spettralmente selettivo che ne aumenta l’assorbimento delle radiazioni solari.

Occasionalmente il tubo assorbitore metallico à ̈ incapsulato in un tubo esterno coassiale in vetro che lo protegge e lo isola.

Nell’intercapedine definita tra il tubo assorbitore e il tubo in vetro può essere praticato il vuoto per evitare la degradazione del rivestimento e ridurre le dispersioni.

Comunemente i tubi ricevitori comprendono, dei soffietti elastici che consentono l’assorbimento delle dilatazioni assiali che si realizzano nel tubo assorbitore a seguito delle variazioni di temperatura, e dei giunti che permettono al tubo ricevitore di ruotare rispetto agli altri componenti della struttura.

I sistemi disponibili nello stato dell’arte con collettori lineari, utilizzano come fluido termovettore una miscela di composti organici, solitamente olio diatermico costituito da ossido di difenile e bifenile. L’olio sintetico ha una temperatura di solidificazione pari a 12°C ed una temperatura massima di utilizzo prossima ai 400°C.

Uno dei problemi legati all’utilizzo dell’olio nei collettori lineari, soprattutto in quelli di tipo parabolico che permettono di raggiungere temperature più elevate, à ̈ legato alla degradazione termica che l’olio ha alla sua temperatura massima di utilizzo: a 400°C avviene una decomposizione pirolitica del fluido termovettore con la formazione di idrogeno, monossido di carbonio ed idrocarburi leggeri.

Conseguentemente, l’olio deve essere sostituito periodicamente e può avvenire che l’eventuale vuoto creato tra il tubo esterno in vetro e il tubo assorbitore si riduca progressivamente per la permeazione di idrogeno dall’olio.

Accanto a questi impianti solari che utilizzano oli sintetici come fluido termovettore, sono in corso di sviluppo anche tecnologie che utilizzano direttamente acqua/vapore nei tubi ricevitori. In questo tipo di tecnologia, denominata Direct Steam Generation (DSG), l’acqua à ̈ scaldata nei tubi ricevitori dei collettori e convertita in vapore surriscaldato che viene direttamente espanso nella turbina connessa al generatore di corrente (temperatura di circa 400°C e circa 100 bar). La sostituzione dell’olio col vapore comporta investimenti e costi operativi minori, una più alta efficienza e la riduzione di rischi ambientali e di incendi.

La principale difficoltà tecnica degli impianti DSG à ̈ connessa al regime di flusso che si instaura all’interno del tubo assorbitore. Un flusso stratificato liquidovapore può portare ad una distribuzione non omogenea della temperatura lungo la circonferenza del tubo stesso provocando stress meccanici a volte molto pericolosi. Sistemi DSG sono stati oggetto dei progetti europei DISS (1996-1998) e DISS-2 (1999-2001) durante i quali à ̈ stato progettato e costruito un “DSG test loop†presso la Plataforma Solar de Almeria (Spagna) costituito da un’unica fila di collettori da 300 kWth, diviso in due sezioni, una per l’evaporazione dell’acqua e l’altra per produrre il vapore surriscaldato (T>400°C)

Un’ulteriore soluzione tecnica à ̈ costituita dall’utilizzo come fluido termovettore di miscele di sali. Questi fluidi inorganici hanno una massima temperatura di esercizio compresa tra 500°C e i 550°C, a seconda dei sali utilizzati, una tensione di vapore che alla temperatura massima à ̈ di pochi mbar ed un’elevata capacità termica. I sali utilizzati più comunemente sono miscele eutettiche di nitrati, ad esempio NaNO360% peso - KNO340% peso.

Il problema principale nell’utilizzo di queste miscele di sali come fluido termovettore nel campo solare à ̈ rappresentato dal loro elevato punto di fusione, che impone di mantenerne la temperatura al di sopra di 250-260°C e comporta un consumo di energia per mantenere liquida la miscela durante i lunghi periodi di scarso o nullo irraggiamento solare.

Questa tipologia di impianti solari, impone una particolare attenzione nelle fasi di progettazione e gestione, al fine di evitare la solidificazione dei sali nelle tubazioni dell’impianto. Inoltre, in fase di avviamento sono richieste grandi quantità di energia per la fusione.

Negli ultimi 25 anni ci sono stati molti sviluppi nell’impiego dei sali fusi e vari esperimenti dimostrativi. Tra questi uno dei più significativi esempi à ̈ stato quello effettuato presso la centrale elettrica a ciclo combinato di Priolo Gargallo (Sicilia) di proprietà dell’ENEL, che à ̈ stata integrata con un campo solare che utilizza una miscela di sali fusi, costituita da sodio e potassio nitrati (Hitec® Solar Salt), sia come fluido termovettore all’interno del campo solare sia come accumulatore termico (tecnologia Enea).

Recentemente, sono state proposte soluzioni di impianti solari a collettori solari che utilizzano fluidi termovettore gassosi. L’utilizzo di gas permette di superare le limitazioni sulle temperature di esercizio tipiche degli altri fluidi termovettori.

I gas consentono di ottenere rendimenti termodinamici elevati data l’assenza di limitazioni intrinseche sulla massima temperatura raggiungibile. Inoltre l’uso di un gas quale fluido termovettore migliora la sicurezza e l’impatto ambientale degli impianti a collettori solari. Ciononostante, l’utilizzo del gas come fluido termovettore impone valori di pressione più elevati per via della bassa densità.

Inoltre, poiché gli impianti termodinamici che utilizzano gas possono raggiungere temperature superiori, i materiali che costituiscono il tubo ricevitore possono subire stress termici circonferenziali e assiali superiori.

Sperimentazioni in tal senso sono in corso in Spagna presso la Plataforma Solar de Almeria (PSA), dove stanno testando l’utilizzo di gas pressurizzato (CO2), e in Italia nell’ambito del progetto ESTATE sviluppato tramite una collaborazione tra l’Università di Cagliari ed il Centro di Ricerca, Sviluppo e Studi Superiori in Sardegna. In particolare, uno dei principali problemi connessi agli impianti a collettori solari parabolici à ̈ rappresentato dal fatto che il tubo ricevitore à ̈ irradiato dalle radiazioni solari solo su una frazione della sua superficie, infatti, le radiazioni solari possono essere concentrate solo sulla porzione di superficie che si affaccia al riflettore parabolico, mentre la restante porzione di superficie à ̈ riscaldata per radiazione solare diretta.

Il fatto che il tubo ricevitore sia scaldato dalle radiazioni solari concentrate solo su una porzione della sua superficie, provoca un fenomeno di stratificazione termica del fluido termovettore che scorre al suo interno e una differenza di temperatura tra le due porzioni del tubo che provoca distorsioni termiche al tubo stesso.

Anche negli impianti di tipo Fresnel si verifica questo inconveniente poiché il lato del tubo ricevitore opposto al sole à ̈ irradiato dalle radiazioni solari riflesse, mentre il lato che sia affaccia verso il sole à ̈ irradiato da una parte delle stesse radiazioni che viene ulteriormente riflessa verso il tubo da un elemento riflettente posto sopra al tubo. Questa differenza di irraggiamento tra le due porzioni del tubo ricevitore, genera un fenomeno di stratificazione termica del fluido termovettore e una differenza di temperatura tra queste due porzioni.

In particolare i riscaldamenti localizzati su una porzione del tubo, provocano un maggiore trasferimento di energia termica da questo lato facendo variare localmente la densità del fluido termovettore e quindi le altre proprietà termodinamiche e fisiche connesse. Questo fenomeno si verifica maggiormente nel caso in cui il fluido termovettore à ̈ gassoso. In questo caso la differenza di temperatura tra le due porzioni del tubo assorbitore può superare i 100 °C.

In particolare i riflettori parabolici raggiungono rapporti di concentrazione della radiazione solare 50-100 volte superiori della radiazione diretta.

Per questo motivo il lato caldo può avere una temperatura sensibilmente più alta del lato freddo del tubo assorbitore, nonostante che il calore si trasferisca lungo il mantello per conduzione.

Questo fenomeno aumenta utilizzando fluidi termovettori a bassa densità o bassa capacità termica, ad esempio utilizzando gas.

Per risolvere questo problema nello stato dell’arte sono note alcune soluzioni.

Un esempio à ̈ descritto nel documento WO 2011/055401, in cui un impianto solare a concentrazione prevede una pluralità di alette disposte internamente al tubo assorbitore per aumentare lo scambio termico di tipo convettivo.

Questo tipo di tubo assorbitore riduce il fenomeno di stratificazione termica del fluido termovettore migliorando la trasmissione di calore per convezione, ossia incrementando lo scambio convettivo tra la parete calda del tubo ed il fluido, con il duplice effetto di ottenere un aumento della temperatura stessa del fluido e una trasmissione del calore verso la porzione di tubo assorbitore non esposta ai raggi solari concentrati.

Nello stato dell’arte à ̈ altresì noto come sia possibile ottenere lo stesso effetto incrementando la rugosità superficiale interna del tubo, così da aumentare la turbolenza del fluido e quindi aumentare lo scambio termico sia all’interno del fluido che tra il fluido e la superficie interna del tubo.

Un’ulteriore soluzione à ̈ rappresentata dall’introdurre sulla parete interna del tubo una serie di generatori elicoidali, ossia delle strisce avvolte ad elica, con la funzione di aumentare la turbolenza e di rinnovare continuamente la porzione di fluido in contatto con la porzione del tubo assorbitore riscaldata da raggi solari concentrati, evitando così lo sviluppo di un flusso stratificato (Massidda, L., and Varone, A., 200X, A Numerical Analysis of a High Temperature Solar Collecting Tube, Using Helium as an Heat Transfer Fluid, Internal Note XX, CRS4).

Ciononostante, le suddette soluzioni risolvono solo in parte il problema della differenza di temperatura che si genera tra la parte fredda e la parte calda del tubo assorbitore durante la fase di irraggiamento solare.

Le suddette soluzioni riducono la differenza di temperatura tra le due porzioni del tubo assorbitore, sfruttando i moti convettivi del fluido termovettore, però, nel caso di un gas termovettore, lo scambio di calore tra le due porzioni del tubo risulta limitato risolvendo solo in parte il problema.

Un’ulteriore soluzione al problema della stratificazione termica del fluido termovettore à ̈ descritta nel brevetto US 4583519, in cui, in un impianto solare termodinamico a torre centrale, sono utilizzati tubi assorbitori suddivisi internamente da uno o più setti.

In particolare il tubo assorbitore à ̈ diviso da uno o più setti disposti ortogonalmente alla direzione dei raggi solari, in modo da formare all’interno del tubo assorbitore una pluralità di canali di passaggio per il fluido termovettore.

I canali di passaggio realizzati possono avere forma trasversale varia e dimensioni proporzionali al calore assorbito dalla relativa porzione di parete del tubo assorbitore.

In questa soluzione il fenomeno della stratificazione termica del fluido termovettore viene mitigato facendo scorrere nei differenti canali di passaggio flussi di fluido termovettore aventi differenti velocità a seconda del calore assorbito dallo specifico canale di passaggio. La suddetta soluzione, grazie al passaggio differenziato del fluido termovettore nei canali di passaggio del tubo assorbitore, risolve il problema della stratificazione termica del fluido termovettore, senza però risolvere il problema della differenza termica tra la porzione calda e la porzione fredda del tubo assorbitore, lasciando irrisolto il problema delle distorsioni termiche al tubo ricevitore.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di ovviare agli inconvenienti sopra menzionati e in particolare quello di ideare un impianto solare termodinamico a collettori lineari che riduca la differenza di temperatura che si genera tra la porzione di tubo assorbitore rivolta verso il sole, di seguito denominata “porzione fredda†, e la porzione opposta riscaldata per radiazione solare riflessa e concentrata, di seguito denominata “porzione calda†.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un impianto solare termodinamico a collettori lineari particolarmente idoneo per l’utilizzo di un fluido termovettore gassoso.

Rappresenta inoltre scopo della presente invenzione realizzare un impianto solare termodinamico a collettori lineari che sia di semplice realizzazione e assemblaggio e che possa essere realizzato, con particolare riferimento al tubo ricevitore, con costi contenuti.

Scopo ulteriore della presente invenzione à ̈ quello di fornire un impianto termodinamico a collettori lineari avente efficienza superiore ed in grado di raggiungere temperature superiori del fluido termovettore in uscita dall’impianto.

Non ultimo scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un impianto solare termodinamico a collettori lineari, che risulti sicuro e affidabile nel tempo.

Forma un primo oggetto della presente invenzione un impianto solare termodinamico a collettori lineari comprendente un riflettore per riflettere e concentrare le radiazioni solari lungo una linea di concentrazione; un tubo ricevitore posizionato lungo detta linea di concentrazione riscaldato da dette radiazioni solari comprendente un tubo assorbitore, in cui scorre un fluido termovettore, avente una prima porzione del mantello rivolta verso il sole ed una seconda porzione opposta alla prima porzione, in cui detto tubo assorbitore à ̈ realizzato in materiale metallico e comprende almeno un setto realizzato in un rispettivo materiale metallico, disposto longitudinalmente all’interno di detto tubo assorbitore e vincolato ad esso in modo da realizzare un contatto termico tra dette prima e seconda porzione del mantello. In particolare, secondo l’invenzione, il numero di setti à ̈ inferiore a cinque, preferibilmente due o tre.

Inoltre, secondo l’invenzione, detto tubo ricevitore può comprendere un tubo esterno permeabile alle radiazioni solari che incapsula detto tubo assorbitore.

Detto fluido termovettore può essere un gas, preferibilmente elio, o anidride carbonica, o aria.

Secondo l’invenzione il materiale metallico di detto tubo assorbitore e/o il materiale metallico di detto setto possono essere acciaio inox o rame o una lega di rame.

Inoltre, secondo l’invenzione, detti setti possono essere paralleli tra loro e allineati alla direzione delle radiazioni solari.

Detto impianto può comprendere inoltre uno strato di rivestimento in materiale spettralmente selettivo, ad elevata assorbanza delle radiazioni solari e bassa emissività di calore nell’infrarosso, ricoprente il mantello esterno di detto tubo assorbitore.

Forma un secondo oggetto della presente invenzione, un impianto solare termodinamico a collettori lineari comprendente un riflettore per riflettere e concentrare le radiazioni solari lungo una linea di concentrazione; un tubo ricevitore posizionato lungo detta linea di concentrazione riscaldato da dette radiazioni solari comprendente un tubo assorbitore, in cui scorre un fluido termovettore, avente una prima porzione del mantello rivolta verso il sole ed una seconda porzione opposta alla prima porzione, in cui detto tubo assorbitore ha una struttura monolitica in materiale metallico comprendente al suo interno una pluralità di canali longitudinali aventi forma trasversale e disposizione tali da realizzare almeno una zona di comunicazione tra dette prima e seconda porzione del mantello che si estende lungo l’intera lunghezza del tubo assorbitore.

Secondo la presente invenzione detto fluido termovettore può essere un gas.

Inoltre, secondo l’invenzione, detto canale longitudinale di detta pluralità di canali longitudinali ha forma trasversale circolare, oppure detta pluralità di canali longitudinali ha complessivamente forma trasversale a nido d’ape.

In particolare, secondo l’invenzione, il materiale metallico di detto tubo assorbitore può essere acciaio inox o rame o una lega di rame.

Detto impianto solare termodinamico a collettori lineari può avere collettori parabolici lineari o in alternativa collettori lineari di Fresnel.

Le caratteristiche e i vantaggi dell’impianto solare termodinamico a collettori lineari secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati, in cui:

- la figura 1a mostra una vista schematica di un impianto solare termodinamico a collettori lineari;

- la figura 1b mostra la sezione di un collettore lineare di tipo parabolico;

- la figura 1c mostra la sezione di un tubo ricevitore secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 2a mostra la sezione di un tubo assorbitore di un impianto solare termodinamico a collettori lineari secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 2b mostra la sezione di un tubo assorbitore di un impianto solare termodinamico a collettori lineari secondo una seconda forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 2c mostra la sezione di un tubo assorbitore di un impianto solare termodinamico a collettori lineari secondo una terza forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 3a mostra la sezione di un tubo assorbitore di un impianto solare termodinamico a collettori lineari secondo una quarta forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 3b mostra la sezione di un tubo assorbitore di un impianto solare termodinamico a collettori lineari secondo una quinta forma di realizzazione della presente invenzione.

Con riferimento alla figura 1, viene mostrato un impianto solare termodinamico a collettori lineari di tipo parabolico, complessivamente indicato con 100, per riscaldare un fluido termovettore in scorrimento in una moltitudine di tubi ricevitori 102, essendo detto fluido termovettore proveniente attraverso un tubo di mandata 103 da un sistema di alimentazione (non illustrato) , ed essendo il fluido termovettore, una volta riscaldato, inviato mediante un tubo di ritorno 104 ad un sistema di utilizzo (non illustrato) posizionato a valle dell’impianto solare.

Detto impianto solare termodinamico a collettori parabolici lineari può comprendere una moltitudine di riflettori parabolici atti a riflettere e concentrare le radiazioni solari 105 nel loro fuoco.

Nel fuoco di detti riflettori parabolici possono essere posizionati dei tubi ricevitori riscaldabili, in maniera diretta o riflessa, dalle radiazioni solari.

Con particolare riferimento alla figura 1b, dette radiazioni solari dirette 105’ sono quelle che irradiano la porzione di tubo esposta al sole, mentre le radiazioni solari riflesse 105’’ sono quelle che irradiano il tubo nella sua porzione che si affaccia al riflettore parabolico 101 e che in assenza dello stesso risulterebbe in ombra.

Il riflettore parabolico 101, può essere una superficie altamente riflettente, generalmente uno specchio, basculante rispetto ad un asse longitudinale e avente la sezione a forma di parabola.

Detto riflettore parabolico 101 Ã ̈ in grado di riflettere le radiazioni solari 105 concentrandole sul tubo ricevitore 102.

Normalmente il tubo ricevitore 102 comprende un tubo assorbitore 106 e un tubo esterno 108 permeabile alle radiazioni solari 105 che circonda il tubo assorbitore 106.

Le radiazioni solari 105, siano esse dirette 105’ o riflesse 105’’, attraversano il tubo esterno 108 irradiando il tubo assorbitore 106.

Nel tubo assorbitore 106 scorre un fluido termovettore, preferibilmente un gas termovettore tipo elio, anidride carbonica, o aria.

In una forma preferita, detto tubo assorbitore 106 Ã ̈ realizzato in materiale metallico, preferibilmente in acciaio inox, rame, o una lega di rame.

Il tubo assorbitore 106 può essere coperto da uno strato di rivestimento 107 realizzato in materiale spettralmente selettivo ad elevata assorbanza delle radiazioni solari, preferibilmente maggiore del 94%, e bassa emissività di calore nell’infrarosso, preferibilmente inferiore al 15% a 350°C.

Detto tubo esterno 108 permeabile alle radiazioni solari incapsula detto tubo assorbitore 106, ed i due tubi possono essere posizionati coassialmente.

In particolare, il diametro interno del tubo esterno 108 risulta superiore al diametro esterno del tubo assorbitore 106 in modo da realizzare un’intercapedine tra i due tubi. Il tubo esterno 108 può essere realizzato con materiali trasparenti alle radiazioni solari, permettendo alle stesse di filtrare attraverso il tubo esterno 108 e raggiungere il tubo assorbitore 106.

Detto tubo esterno 108 Ã ̈ preferibilmente realizzato in vetro borosilicato ad elevata trasmittanza e ha la funzione di isolare il tubo assorbitore 106.

Ulteriormente, detto tubo esterno può ricevere un trattamento antiriflesso.

Detto tubo esterno 108 Ã ̈ collegato al tubo assorbitore 106 mediante dei soffietti metallici (non illustrati) che hanno la funzione ulteriore di compensare eventuali dilatazioni termiche tra il tubo assorbitore 106 e il tubo esterno 108, dovute ai gradienti di temperatura.

Nell’intercapedine che si crea tra il tubo assorbitore 106 e il tubo esterno 108 può essere realizzato il vuoto, per diminuire le dispersioni termiche, per proteggere la superficie di rivestimento 107 del tubo assorbitore 106 nel caso in cui il contatto con l’aria ne faccia decadere le prestazioni, e per ridurre le perdite di calore che per convezione avvengono tra i due tubi quando sono ad alta temperatura.

Il vuoto nell’intercapedine à ̈ preferibilmente realizzato ad una pressione inferiore ad 1 Pa, ancora più preferibilmente a 10<-4>mmHg.

In una forma particolare dell’impianto solare termodinamico, all’interno dell’intercapedine posta sotto vuoto sono installati degli elementi assorbenti (non illustrati), generalmente noti con il termine inglese “getters†, ossia elementi metallici che assorbono molecole gassose.

In particolare, nel caso in cui il fluido termovettore sia olio, detti elementi assorbenti assorbono l’idrogeno proveniente dalla parziale decomposizione dell’olio termovettore ad alta temperatura, che permea nell’intercapedine sotto vuoto col passare del tempo.

Il tubo assorbitore 106 essendo irradiato lungo una prima porzione del mantello dalle radiazioni solari dirette 105’ e lungo una seconda porzione del mantello dalle radiazioni solari riflesse 105’’, può riscaldarsi in maniera disomogenea.

Questo fatto può provocare fenomeni di dilatazione termica disuniforme del materiale che costituisce il tubo assorbitore 106.

Questo fenomeno si verifica particolarmente quando nel tubo assorbitore 106 scorre un fluido termovettore a scarsa capacità termica, ad esempio un gas.

Infatti, lo scambio termico che normalmente avverrebbe tra tubo assorbitore 106 e fluido termovettore, può avvenire anche tra fluido termovettore e tubo assorbitore 106, nella porzione denominata fredda del tubo assorbitore 106. Quando però viene impiegato nell’impianto solare termodinamico un fluido termovettore di tipo gassoso, la bassa capacità termica del fluido ed i limitati coefficienti di scambio termico tra tubo assorbitore 106 ed il gas termovettore, incrementano il problema dei forti gradienti termici tra le diverse porzioni del tubo assorbitore 106.

I forti gradienti termici possono creare deformazioni termiche nel tubo assorbitore 106 e comportare rischi di disallineamento del tubo ricevitore 102 dall’asse focale o addirittura di rottura del tubo esterno 108.

I valori della temperatura massima nel tubo assorbitore 106 e del gradiente di temperatura in una sezione dello stesso, sono fattori importanti per la realizzazione dell’impianto solare termodinamico 100 e per la stabilità strutturale del collettore parabolico.

Risulta pertanto determinante incrementare la trasmissione del calore nel tubo assorbitore 106 lungo la direzione Y, parallela ai raggi solari 105, per ridurre la temperatura massima e il gradiente di temperatura radiale nel tubo, e ottenendo così una più uniforme distribuzione di temperatura nel tubo assorbitore 106 e nel fluido termovettore.

Secondo il primo oggetto della presente invenzione, detto tubo assorbitore 106 di detto impianto solare termodinamico 100 a collettori parabolici lineari comprende al suo interno almeno un setto metallico 109 che consente uno scambio termico per conduzione tra la porzione calda del tubo 106, ossia quella irradiata dalle radiazioni riflesse 105’’, e la porzione fredda, ossia quella irradiata dalle radiazioni dirette 105’.

Detti setti metallici 109 sono inserti metallici disposti longitudinalmente all’interno di detto tubo assorbitore 106 e vincolati ad esso in modo da realizzare un contatto termico tra la porzione calda e quella fredda del mantello.

In particolare il numero di detti setti metallici 109 disposti internamente al tubo assorbitore 106 può essere preferibilmente uno, due, o tre, per incrementare il suddetto scambio termico, come illustrato nelle figure 2a, 2b e 2c.

Il materiale metallico per realizzare detti setti metallici 109 può preferibilmente essere scelto tra l’acciaio inox o il rame, per via dell’ottimo rapporto tra prestazioni meccaniche, capacità termica ed economicità. In particolare il rame presenta un’elevata conducibilità termica (390 w/m/K a 150°C ) e coefficienti di dilatazione termica confrontabili con quelli dell’acciaio .

Più preferibilmente, per via delle alte temperature operative (superiori a 500°C) e delle pressioni elevate, detti setti metallici 109 possono essere in una lega di rame per aumentarne la resistenza meccanica, ad esempio leghe AMPCOLOY® della AMPCO METAL o leghe Cu-Be della Smiths Metal Centres Ltd.

Preferibilmente detti setti metallici 109 hanno uno spessore di 3 mm e detto tubo assorbitore 106 ha forma sostanzialmente cilindrica con spessore del mantello di 3 mm.

Detto tubo assorbitore 106 può essere realizzato con gli stessi materiali selezionati per realizzare detti setti metallici 109.

Detti setti metallici 109 hanno l’ulteriore vantaggio di aumentare la superficie di scambio tra il fluido termovettore e il tubo assorbitore 106.

Detti setti metallici 109 possono essere installati nel tubo assorbitore 106 in modo da creare un’interferenza lungo il profilo longitudinale del setto realizzando così una struttura rigida in grado di resistere a brusche variazioni di pressioni interne al tubo.

Secondo il secondo oggetto della presente invenzione, detto tubo assorbitore 106 di detto impianto solare termodinamico 100 a collettori parabolici lineari ha una struttura monolitica metallica, preferibilmente di forma esterna cilindrica, e presenta al suo interno una pluralità di canali longitudinali 110, in cui scorre il fluido termovettore.

Detto tubo assorbitore 106 presenta all’interno della sua struttura monolitica almeno una zona di comunicazione 111 longitudinale, compresa tra detti canali longitudinali 110, tra detta prima porzione del mantello e detta seconda porzione del mantello.

Detti canali longitudinali 110 si estendono per l’intera lunghezza del tubo assorbitore 106, attraversandolo da un capo all’altro.

Lungo detta zona di comunicazione 111, il calore può trasferirsi per conduzione da detta prima porzione a detta seconda porzione del tubo assorbitore 106, facilitando un riequilibrio termico del tubo assorbitore 106.

Detti canali longitudinali 110 posso avere sezione varia in funzione delle variabili operative, ad esempio pressione o portata del fluido termovettore. Possono altresì avere forma trasversale, ossia sezione, varia in funzione della natura del fluido termovettore, a seconda che sia liquido o gassoso.

La forma trasversale e la disposizione di detti canali longitudinali 110 Ã ̈ tale da ottimizzare la trasmissione termica lungo la direzione Y ed il transito del fluido termovettore attraverso il tubo assorbitore 106.

Detti canali longitudinali sono preferibilmente disposti in maniera simmetrica rispetto alla direzione Y, in modo da realizzare una zona di comunicazione 111 all’interno del tubo assorbitore 106 sostanzialmente allineata all’asse Y.

Preferibilmente detti canali longitudinali 110 hanno forma trasversale circolare.

In una versione preferita, detti canali longitudinali 110 a forma circolare sono quattro e sono disposti a due a due in maniera simmetrica rispetto alla direzione Y, come illustrato in figura 3a.

In un’ulteriore forma preferita, detti canali 110 sono disposti in modo tale che, una qualsiasi sezione ortogonale all’asse del tubo assorbitore 106 presenti una forma a nido d’ape, in cui le pareti delle varie celle del nido d’ape, costituenti la zona di comunicazione 111, risultano parallele o perpendicolari alla direzione Y, come illustrato in figura 3b.

Detto tubo assorbitore 106 può essere realizzato per estrusione o mediante foratura di una barra metallica piena.

Detti canali longitudinali 110 hanno l’ulteriore vantaggio di aumentare la superficie di scambio tra il fluido termovettore e il tubo assorbitore 106.

Detto tubo assorbitore 106 può essere preferibilmente realizzato con un materiale metallico scelto tra acciaio inox, rame, o una lega di rame, ad esempio la lega AMPCOLOY® della AMPCO METAL o una delle leghe Cu-Be della Smiths Metal Centres Ltd.

Detta struttura monolitica metallica del tubo assorbitore 106 à ̈ preferibilmente realizzata in un materiale metallico ad elevata conducibilità termica.

Preferibilmente detti canali distano tra loro almeno 3 mm e distano dalla superficie esterna del tubo assorbitore 106 almeno 3 mm.

Un’ulteriore forma realizzativa dell’impianto solare termodinamico a collettori lineari può comprendere collettori lineari di tipo Fresnel, in cui il tubo assorbitore di detti collettori risponde alle caratteristiche descritte per entrambe gli oggetti della presente invenzione.

Vantaggiosamente le varie forme di realizzazione di detta struttura monolitica metallica del tubo assorbitore 106 consentono un efficace scambio termico lungo la zona di comunicazione 111 tra dette prima e seconda porzione del tubo assorbitore 106.

Il suddetto vantaggio à ̈ riscontrabile anche nel tubo assorbitore 106 comprendente uno o più setti, poiché entro questi lo scambio termico tra una porzione e l’altra del tubo avviene per conduzione in maniera più efficiente.

Vantaggiosamente detto impianto solare termodinamico si presta particolarmente per l’uso di un fluido termovettore di tipo gassoso, migliorando l’efficienza complessiva dell’impianto per le maggiori temperature raggiungibili, ed evitando l’inconveniente dei cambi di fase del fluido termovettore a basse temperature. Inoltre detto impianto migliora la sicurezza dal punto di vista ambientale.

Nel caso di utilizzo di un gas termovettore, l’impianto solare termodinamico 100 a collettori lineari può comprendere inoltre un sistema di accumulo termico diretto ad elementi solidi (cemento, ceramici, ecc) che permetterebbe di diminuire significativamente il costo dello stoccaggio.

Vantaggiosamente il tubo assorbitore secondo entrambe gli oggetti della presente invenzione à ̈ realizzabile agevolmente mediante comuni lavorazioni meccaniche note nello stato dell’arte.

L’impianto solare termodinamico a collettori lineari della presente invenzione così concepito à ̈ suscettibile in ogni caso di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel medesimo concetto inventivo. L’ambito di tutela dell’invenzione à ̈ pertanto definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Impianto solare termodinamico (100) a collettori lineari comprendente: - un riflettore (101) per riflettere e concentrare le radiazioni solari (105) lungo una linea di concentrazione; - un tubo ricevitore (102) posizionato lungo detta linea di concentrazione riscaldato da dette radiazioni solari (105) comprendente: - un tubo assorbitore (106), in cui scorre un fluido termovettore, avente una prima porzione del mantello rivolta verso il sole ed una seconda porzione opposta alla prima porzione; caratterizzato dal fatto che detto tubo assorbitore (106) à ̈ realizzato in materiale metallico e comprende almeno un setto (109) realizzato in un rispettivo materiale metallico, disposto longitudinalmente all’interno di detto tubo assorbitore (106) e vincolato ad esso in modo da realizzare un contatto termico tra dette prima e seconda porzione del mantello.
2. 2. Impianto solare termodinamico (100) a collettori lineari secondo la rivendicazione 1, in cui il numero di setti (109) Ã ̈ inferiore a cinque.
3. 3. Impianto solare termodinamico (100) a collettori lineari secondo la rivendicazione 2, in cui il numero di setti (109) Ã ̈ due o tre.
4. 4. Impianto solare termodinamico (100) a collettori lineari secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto tubo ricevitore (102) comprende un tubo esterno (108) permeabile alle radiazioni solari (105) che incapsula detto tubo assorbitore (106);
5. 5. Impianto solare termodinamico (100) a collettori lineari secondo qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detto fluido termovettore à ̈ un gas.
6. 6. Impianto solare termodinamico (100) a collettori lineari secondo la rivendicazione 5, in cui detto gas termovettore à ̈ elio, o anidride carbonica, o aria.
7. 7. Impianto solare termodinamico (100) a collettori lineari secondo qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il materiale metallico di detto tubo assorbitore (106) Ã ̈ acciaio inox o rame o una lega di rame.
8. 8. Impianto solare termodinamico (100) a collettori lineari secondo qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il materiale metallico di detto setto (109) Ã ̈ acciaio inox o rame o una lega di rame.
9. 9. Impianto solare termodinamico (100) a collettori lineari secondo qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detti setti (109) sono paralleli tra loro e allineati alla direzione delle radiazioni solari (105).
10. 10. Impianto solare termodinamico (100) a collettori lineari secondo qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente uno strato di rivestimento (107) in materiale spettralmente selettivo, ad elevata assorbanza delle radiazioni solari (105) e bassa emissività di calore nell’infrarosso, ricoprente il mantello esterno di detto tubo assorbitore (106).
11. 11. Impianto solare termodinamico (100) a collettori lineari comprendente: - un riflettore (101) per riflettere e concentrare le radiazioni solari (105) lungo una linea di concentrazione; - un tubo ricevitore (102) posizionato lungo detta linea di concentrazione riscaldato da dette radiazioni solari (105) comprendente: - un tubo assorbitore (106), in cui scorre un fluido termovettore, avente una prima porzione del mantello rivolta verso il sole ed una seconda porzione opposta alla prima porzione; caratterizzato dal fatto che detto tubo assorbitore (106) ha una struttura monolitica in materiale metallico comprendente al suo interno una pluralità di canali longitudinali (110) aventi forma trasversale e disposizione tali da realizzare almeno una zona di comunicazione (111) tra dette prima e seconda porzione del mantello che si estende lungo l’intera lunghezza del tubo assorbitore (106).
12. 12. Impianto solare termodinamico (100) a collettori lineari secondo la rivendicazione 11, in cui detto fluido termovettore à ̈ un gas.
13. 13. Impianto solare termodinamico (100) a collettori lineari secondo la rivendicazione 11, in cui detto canale longitudinale di detta pluralità di canali longitudinali (110) ha forma trasversale circolare.
14. 14. Impianto solare termodinamico (100) a collettori lineari secondo la rivendicazione 11, in cui detta pluralità di canali longitudinali (110) ha complessivamente forma trasversale a nido d’ape.
15. 15. Impianto solare termodinamico (100) a collettori lineari secondo qualsiasi delle rivendicazioni da 11 o 14, in cui il materiale metallico di detto tubo assorbitore (106) Ã ̈ acciaio inox o rame o una lega di rame.