ITPG20120004A1 - MODULE / TRANSPORTABLE SYSTEM, LOGISTICALLY ADVANCED AND STANDARDIZED FOR THE PRODUCTION AND COLLECTION IN AUTONOMY OF ELECTRICITY AND DRINKING WATER AND FOR THE CONSERVATION OF FOOD (PHLOWER - PHOTOVOLTAIC, LOGISTIC, WATER, ENERGY REVERSOIR) - Google Patents
MODULE / TRANSPORTABLE SYSTEM, LOGISTICALLY ADVANCED AND STANDARDIZED FOR THE PRODUCTION AND COLLECTION IN AUTONOMY OF ELECTRICITY AND DRINKING WATER AND FOR THE CONSERVATION OF FOOD (PHLOWER - PHOTOVOLTAIC, LOGISTIC, WATER, ENERGY REVERSOIR) Download PDFInfo
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Description
DESCRIZIONE dell’invenzione avente per TITOLO: “Modulo/sistema trasportabile, logisticamente avanzato e standardizzato per la produzione e l'accumulo in autonomia di energia elettrica e acqua potabile e per la conservazione di alimenti (PHLOWER - PHotovoltaic, LOgistic, Water, Energy Reservoir) DESCRIZIONE DESCRIPTION of the invention having the TITLE: "Transportable, logistically advanced and standardized module / system for the autonomous production and storage of electricity and drinking water and for the storage of food (PHLOWER - PHotovoltaic, LOgistic, Water, Energy Reservoir ) DESCRIPTION
L'invenzione (denominata PHLOWER) è un modulo integrato trasportabile contenente diverse unità funzionali, volte alla produzione di energia elettrica, al suo immagazzinamento, alla produzione di acqua potabile, alla conservazione degli alimenti, ad altre funzioni non di prima necessità (es. sistemi di comunicazione). Di seguito sono descritti gli aspetti innovativi del sistema, le caratteristiche del modulo ed i suoi componenti. The invention (called PHLOWER) is an integrated transportable module containing various functional units, aimed at the production of electricity, its storage, the production of drinking water, the preservation of food, other functions not of primary necessity (e.g. systems of communication). The innovative aspects of the system, the characteristics of the module and its components are described below.
Innovatività del sistema Innovativeness of the system
L’innovatività del sistema è data dalle seguenti caratteristiche: The innovativeness of the system is given by the following characteristics:
1. Il sistema è costituito da un insieme di tecnologie integrate fra loro in un container standard. 1. The system consists of a set of technologies integrated together in a standard container.
2. Il container è un’unità logisticamente avanzata, facilmente trasportabile, anche in aree remote, con gli standard di intermodalità via acqua, via terra (treno, gomma), via aerea. 2. The container is a logistically advanced unit, easily transportable, even in remote areas, with intermodal standards by water, by land (train, road), by air.
3. Le singole tecnologie adottate sono mature e robuste, conferendo robustezza e affidabilità all’intero sistema. 3. The individual technologies adopted are mature and robust, giving strength and reliability to the entire system.
4. Facilità di impiego ed installazione, che non richiede operatori con competenze specialistiche; 4. Ease of use and installation, which does not require operators with specialized skills;
5. Tempo di vita utile superiore a 10 anni in assenza di manutenzioni particolari eccetto quelle di carattere ordinario (es. sostituzione filtri del sistema di purificazione dell’acqua); 5. Service life of more than 10 years in the absence of special maintenance except those of an ordinary nature (eg replacement of filters of the water purification system);
6. Garanzia di funzionamento a pieno carico per qualche giorno, in assenza totale di soleggiamento. 6. Guarantee of operation at full load for a few days, in total absence of sunshine.
Caratteristiche generali General features
PHLOWER è composto dalle seguenti unità funzionali: un array di pannelli fotovoltaici, un sistema di immagazzinamento dell’energia elettrica prodotta, un’unità di pompaggio e purificazione dell’acqua, un sistema di perforazione di pozzi d’acqua (questa unità è da considerarsi opzionale, a seconda delle necessità della comunità coinvolta), un serbatoio per il contenimento dell’acqua potabile prodotta, un sistema di conservazione degli alimenti. Le funzioni di PHLOWER sono controllate da un’unità logica centrale che analizza la produzione di energia e ne organizza il relativo consumo tra le unità funzionali a seconda delle esigenze. PHLOWER is composed of the following functional units: an array of photovoltaic panels, a storage system for the electricity produced, a pumping and water purification unit, a water well drilling system (this unit is to be considered optional, depending on the needs of the community involved), a tank to contain the drinking water produced, a food storage system. PHLOWER functions are controlled by a central logic unit that analyzes energy production and organizes its consumption among the functional units according to needs.
Caratteristiche meccaniche Mechanical characteristics
PHLOWER è costituito da un container di dimensioni standard, quale ad esempio 20x8x8 ft. In tal caso, le sue dimensioni esterne sono pari a: PHLOWER consists of a standard size container, such as 20x8x8 ft. In this case, its external dimensions are equal to:
Lunghezza = 6058 mm; Length = 6058 mm;
Larghezza = 2438 mm; Width = 2438 mm;
Altezza = 2591 mm. Height = 2591 mm.
Queste corrispondono alle dimensioni tipiche di un container 1CC, come indicato nella norma ISO 668. In tal caso, dimensioni e forma del container esterno sono quelle mostrate in Fig.1.1 e 1.2. These correspond to the typical dimensions of a 1CC container, as indicated in the ISO 668 standard. In this case, the dimensions and shape of the outer container are those shown in Fig.1.1 and 1.2.
Le posizioni degli angoli di montaggio (S = 5853 millimetri, P = 2259 millimetri) corrispondono a quelle indicate per gli angoli dei container in acciaio nella norma ISO 668. Gli angoli in acciaio sono disegnati secondo la norma ISO 1161. E' comunque possibile utilizzare container di altre dimensioni. The positions of the mounting angles (S = 5853 mm, P = 2259 mm) correspond to those indicated for the corners of the steel containers in the ISO 668 standard. The steel corners are designed according to the ISO 1161 standard. containers of other sizes.
Una volta posizionato nel luogo destinato al suo impiego, il container PHLOWER viene aperto per utilizzarne le varie funzioni e unità interne. La modalità tipica di apertura avviene secondo le fasi indicate in Figura 2.1-7. Once positioned in the place intended for its use, the PHLOWER container is opened to use its various functions and internal units. The typical opening mode takes place according to the steps indicated in Figure 2.1-7.
In particolare, ogni lato del container può essere spiegato due volte per mezzo di un doppio sistema di cerniere, al fine di esporre alla radiazione solare i pannelli fotovoltaici contenuti all’interno di ciascun lato, come riportato in figura 2.2, 2.3 e 2.4. Uno dei lati più corti del container è equipaggiato con pannelli fotovoltaici solo in una parte di esso, al fine di consentire agli operatori ed agli utenti l’accesso alle unità funzionali interne, come mostrato in figura 2.5. In particular, each side of the container can be unfolded twice by means of a double system of hinges, in order to expose the photovoltaic panels contained within each side to solar radiation, as shown in figures 2.2, 2.3 and 2.4. One of the shorter sides of the container is equipped with photovoltaic panels only in a part of it, in order to allow operators and users to access the internal functional units, as shown in figure 2.5.
Il tetto del container può essere ruotato di 180° al fine di esporre alla radiazione solare il lato interno, equipaggiato con pannelli fotovoltaici, come mostrato in Fig.2.6 e 2.7. The container roof can be rotated 180 ° in order to expose the internal side, equipped with photovoltaic panels, to solar radiation, as shown in Fig.2.6 and 2.7.
Sono possibili modalità di apertura alternative che prevedano anche più spiegamenti (anche a più cerniere) o con sistemi di spiegamento completamente diversi come lo scorrimento su guide. Alternative opening modes are possible that also provide for multiple unfoldings (even with multiple hinges) or with completely different unfolding systems such as sliding on guides.
Quando PHLOWER è completamente aperto e viene utilizzato un container 1CC, la superficie coperta da pannelli fotovoltaici esposti alla radiazione solare è pari a 80 m<2>. Solo l’apertura delle pareti ed il relativo doppio svolgimento può essere effettuato manualmente. Il sistema di immagazzinamento dell’energia elettrica, il sistema di pompaggio e purificazione dell'acqua e quello di conservazione degli alimenti sono e rimangono posizionati all’interno del container al fine di essere protetti dal tetto dello stesso. Sono generalmente trascurabili le limitazioni alla produzione di energia elettrica dovute alle ombre prodotte dal tetto sui pannelli fotovoltaici, in particolare per impieghi di PHLOWER nella fascia tropicale. Il peso lordo di PHLOWER è di circa 6 tonnellate (2 tonnellate è il peso del container 1CC vuoto). Di seguito sono descritte le caratteristiche delle singole unità funzionali contenute in PHLOWER, il cui posizionamento può essere quello riportato in Fig. 3.1 e 3.2 (possono comunque essere possibili posizioni alternative dei singoli elementi). Le caratteristiche dei singoli elementi di seguito riportate, riferite ad un container 1CC, sono da intendersi quale possibile esempio di dotazione del modulo. L'invenzione consiste nell’integrare le unità funzionali descritte (pannelli fotovoltaici, inverter, sistema di pompaggio e purificazione dell’acqua, unità di perforazione pozzi, unità di conservazione degli alimenti, serbatoio acqua, unità di stoccaggio energia elettrica), le cui dimensioni e taglia potranno variare a seconda delle esigenze degli utenti. When PHLOWER is completely open and a 1CC container is used, the surface covered by photovoltaic panels exposed to solar radiation is equal to 80 m <2>. Only the opening of the walls and the relative double unwinding can be done manually. The electrical energy storage system, the pumping and water purification system and the food storage system are and remain positioned inside the container in order to be protected by the roof of the container. The limitations to the production of electricity due to the shadows produced by the roof on the photovoltaic panels are generally negligible, in particular for uses of PHLOWER in the tropical belt. The gross weight of PHLOWER is about 6 tons (2 tons is the weight of empty 1CC container). The characteristics of the individual functional units contained in PHLOWER are described below, the positioning of which may be that shown in Fig. 3.1 and 3.2 (alternative positions of the individual elements may however be possible). The characteristics of the individual elements shown below, referring to a 1CC container, are intended as a possible example of module equipment. The invention consists in integrating the functional units described (photovoltaic panels, inverters, pumping and water purification system, well drilling unit, food storage unit, water tank, electricity storage unit), whose dimensions and size may vary according to user needs.
Array di pannelli fotovoltaici Array of photovoltaic panels
I pannelli fotovoltaici sono installati sulle pareti laterali del container; ogni parete fotovoltaica è piegata due volte. Le pareti possono pertanto essere spiegate due volte in modo da ottenere una elevata superficie disponibile per la radiazione solare e per una significativa produzione di energia elettrica. Ad esempio, considerando una superficie fotovoltaica ottenibile di circa 80 m<2>(in base allo schema di Fig. 2.7), la potenza elettrica nominale di ciascuna unità PHLOWER è circa 10 kW, che è in grado di produrre almeno 50 kWh/giorno, considerando dati di soleggiamento medi della fascia tropicale (cautelativamente, sono state considerate 1800 ore annue equivalenti di soleggiamento). L’energia elettrica prodotta dai pannelli fotovoltaici consente l’alimentazione del sistema di pompaggio e purificazione dell’acqua, dell’unità di conservazione degli alimenti, dell'unità di controllo, del sistema di perforazione, nonché di possibili utenze esterne, anche mediante l'immagazzinamento in una specifica unità a batterie (il cui dimensionamento tiene in considerazione peso, affidabilità, durata e costi), di capacità fino a 200 kWh. In tal modo, la quantità di energia elettrica immagazzinata può fornire l’alimentazione ai suddetti sistemi per almeno 4 giorni (24 x 4 ore), nel caso di eventuale assenza o riduzione di soleggiamento. A titolo di esempio, la tecnologia fotovoltaica che può essere utilizzata in tale applicazione è quella policristallina, che assicura affidabilità ed efficienza, con moderato effetto della temperatura ambientale. Tali pannelli sono caratterizzati da buoni valori dell’efficienza (mediamente nel range 11-14%), che sono leggermente inferiori a quelli del monocristallino, ma con costi inferiori/kW. La riduzione di efficienza è di circa 1%/anno; in tal modo, il 90% della potenza è garantita dopo 10 anni di funzionamento. La loro durata è di solito superiore a 30 anni. The photovoltaic panels are installed on the side walls of the container; each photovoltaic wall is folded twice. The walls can therefore be unfolded twice in order to obtain a large surface available for solar radiation and for a significant production of electrical energy. For example, considering an achievable photovoltaic surface of approximately 80 m <2> (based on the diagram in Fig. 2.7), the nominal electrical power of each PHLOWER unit is approximately 10 kW, which is capable of producing at least 50 kWh / day , considering average sunshine data of the tropical belt (as a precaution, 1800 equivalent hours of sunshine per year were considered). The electricity produced by the photovoltaic panels allows the powering of the pumping and water purification system, the food storage unit, the control unit, the drilling system, as well as possible external users, also through the '' storage in a specific battery unit (whose sizing takes into account weight, reliability, duration and costs), with a capacity of up to 200 kWh. In this way, the amount of stored electricity can provide power to the aforementioned systems for at least 4 days (24 x 4 hours), in the event of any absence or reduction in sunshine. By way of example, the photovoltaic technology that can be used in this application is the polycrystalline one, which ensures reliability and efficiency, with a moderate effect of the ambient temperature. These panels are characterized by good efficiency values (on average in the 11-14% range), which are slightly lower than those of monocrystalline, but with lower costs / kW. The reduction in efficiency is approximately 1% / year; in this way, 90% of the power is guaranteed after 10 years of operation. Their lifespan is usually over 30 years.
Convertitore DC/AC (inverter) DC / AC converter (inverter)
I pannelli fotovoltaici producono corrente continua; pertanto, al fine di alimentare in corrente alternata le unità funzionali di PHLOWER (unità di pompaggio e purificazione dell'acqua, unità di conservazione degli alimenti, unità di perforazione pozzi, unità di controllo) o una presa AC per eventuali utenze esterne (es. sistemi di comunicazione e di trasmissione, PC), nel container PHLOWER è presente un convertitore DC/AC (inverter). L’inverter è posizionato all’interno del container, anche nella configurazione finale, al fine di essere protetto dal tetto fotovoltaico. E' in grado di produrre energia elettrica alternata da quella continua prodotta dai pannelli fotovoltaici (o da quella immagazzinata nelle batterie di accumulo di energia), con un’efficienza di conversione fino al 97%. Sono possibili diverse tipologie di inverter, a seconda della tensione e della frequenza di output richieste, che dipendono dai requisiti del sistema elettrico del paese ove PHLOWER sarà installato. E' da considerare che, per una conversione di 10 kW (taglia dell’array di pannelli fotovoltaici previsto nell’esempio riportato), il peso dell'inverter sarà di circa 40 kg, il suo volume di circa 0,1 m<3>. Photovoltaic panels produce direct current; therefore, in order to power the functional units of PHLOWER with alternating current (pumping and water purification units, food storage units, well drilling units, control units) or an AC socket for any external users (eg. communication and transmission systems, PC), in the PHLOWER container there is a DC / AC converter (inverter). The inverter is positioned inside the container, even in the final configuration, in order to be protected by the photovoltaic roof. It is able to produce alternating electricity from the continuous one produced by the photovoltaic panels (or from that stored in the energy storage batteries), with a conversion efficiency of up to 97%. Different types of inverters are possible, depending on the required output voltage and frequency, which depend on the requirements of the electrical system of the country where PHLOWER will be installed. It should be considered that, for a conversion of 10 kW (size of the photovoltaic panel array provided in the example shown), the weight of the inverter will be approximately 40 kg, its volume approximately 0.1 m <3> .
Unità di immagazzinamento deli’energia elettrica Electricity storage unit
Un array di batterie costituisce il sistema di immagazzinamento dell’energia elettrica prodotta dai pannelli fotovoltaici. Al fine di individuarne la possibile tipologia ottimale, è stata effettuata un’analisi critica delle tipologie di batterie esistenti e adatte allo scopo, di seguito riportata. A battery array constitutes the storage system for the electricity produced by the photovoltaic panels. In order to identify the possible optimal type, a critical analysis of the types of existing batteries suitable for the purpose was carried out, shown below.
Batterie VRLA VRLA batteries
Una batteria VRLA (Valve-Regulated Lead-acid battery) è un tipo di batteria ricaricabile piombo-acido a bassa manutenzione. Le batterie VRLA non richiedono un’aggiunta d’acqua a intervalli regolari alle singole celle. Tali batterie sono comunemente classificate in: A Valve-Regulated Lead-acid battery (VRLA) is a low-maintenance type of lead-acid rechargeable battery. VRLA batteries do not require the addition of water at regular intervals to the individual cells. Such batteries are commonly classified into:
- Batterie Absorbed glass mat (AGM); - Absorbed glass mat (AGM) batteries;
- Batterie a Gel. - Gel batteries.
Una batteria AGM è caratterizzata dall’assorbimento dell’elettrolita da parte di un separatore in fibra di vetro. Una batteria a gel è invece caratterizzata da un elettrolita mescolato con polvere di silice a formare un gel immobilizzato. Queste batterie sono spesso chiamate batterie al piombo sigillate, anche se hanno sempre una valvola di scarico di sicurezza. A differenza di quelle ventilate (chiamate anche “allagate”), una VRLA non può versare il suo elettrolita se è capovolta. Queste batterie sono inoltre “ricombinanti”, il che significa che in fase di carica l'ossigeno prodotto sull’elettrodo positivo in gran parte si ricombina con l'idrogeno con produzione di acqua. La valvola è un dispositivo di sicurezza, nel caso in cui il tasso di produzione di idrogeno divenga pericolosamente elevato. Nelle tradizionali batterie a celle “allagate", invece, i gas escono prima che abbiano la possibilità di ricombinarsi, quindi l'acqua deve essere periodicamente aggiunta. Pertanto, le batterie VRLA sono caratterizzate da un rapporto potenza/superficie molto più elevato rispetto alle batterie “allagate". An AGM battery is characterized by the absorption of the electrolyte by a glass fiber separator. A gel battery, on the other hand, is characterized by an electrolyte mixed with silica powder to form an immobilized gel. These batteries are often called sealed lead acid batteries, although they always have a safety drain valve. Unlike vented (also called "flooded") ones, a VRLA cannot spill its electrolyte if it is upside down. These batteries are also "recombinant", which means that during the charging phase the oxygen produced on the positive electrode largely recombines with hydrogen producing water. The valve is a safety device in case the hydrogen production rate becomes dangerously high. In traditional "flooded" cell batteries, on the other hand, the gases escape before they have a chance to recombine, so water must be periodically added. Therefore, VRLA batteries are characterized by a much higher power / surface ratio than batteries "Flooded".
Batterie LiFePO≤LiFePO batteries≤
Le batterie litio-ferro-fosfato (LiFeP04), dette anche batterie LFP, sono un tipo di batteria ricaricabile, specificatamente una batteria a ioni di litio, che impiega un catodo a base di LiFeP04. Le batterie LiFeP04restano sempre delle batterie che utilizzano la chimica del litio, perciò condividono con essa gli stessi vantaggi e svantaggi. Comunque, un vantaggio fondamentale rispetto alle altre batterie a ioni di litio è la maggiore stabilità termica e chimica, che garantisce maggiore sicurezza. A causa dei più forti legami tra gli atomi di ossigeno nel fosfato (rispetto ad esempio al cobalto impiegato nelle altre batterie), l’ossigeno viene difficilmente rilasciato, conferendo pertanto elevata resistenza alle alte temperature e caratteristiche di ininfiammabilità. Inoltre, la chimica del Li-Fe-fosfato garantisce un ciclo di vita più elevato rispetto alle celie standard. L’impiego di fosfati riduce anche i costi e l'impatto ambientale rispetto alle celle al cobalto. Un altro dei vantaggi principali delle batterie LiFeP04rispetto a quelle a base di LiCo02è la più elevata corrente di picco. Le batterie LFP hanno comunque qualche svantaggio: la densità di energia (energia/volume) di una batteria LFP nuova è leggermente inferiore rispetto a quella di una batteria LiCo02nuova (circa il 14%). I produttori di batterie stanno comunque lavorando al fine di massimizzare le prestazioni di immagazzinamento energetico e ridurre dimensioni e peso di tali batterie. Molte batterie LFP in commercio hanno inoltre bassi valori della “discharge rate” (tasso di scarica) rispetto alle batterie al piombo-acido o alle LiCo02. Poiché la “discharge rate” è una percentuale della capacità della batteria, questo problema può essere superato utilizzando una batteria più grande (caratterizzata da maggiori valori degli ampere-ora). Mentre le celle LiFeP04hanno più bassi valori del voltaggio e della densità di energia rispetto alle celle LiCo02, questo svantaggio è compensato nel corso del tempo dal tasso più lento di perdita della capacità delle LiFeP04rispetto alle altre batterie a ioni di litio (come LiCo02O LiMn204). Lithium iron phosphate (LiFeP04) batteries, also called LFP batteries, are a type of rechargeable battery, specifically a lithium ion battery, that uses a LiFeP04-based cathode. LiFeP04 batteries always remain batteries that use lithium chemistry, so they share the same advantages and disadvantages with it. However, a key advantage over other lithium-ion batteries is greater thermal and chemical stability, which ensures greater safety. Due to the stronger bonds between the oxygen atoms in the phosphate (compared for example to the cobalt used in other batteries), oxygen is hardly released, thus giving high resistance to high temperatures and non-flammable characteristics. In addition, the chemistry of Li-Fe-phosphate ensures a longer life cycle than standard celias. The use of phosphates also reduces costs and environmental impact compared to cobalt cells. Another major advantage of LiFeP04 batteries over LiCo02 based ones is the higher peak current. However, LFP batteries have some disadvantages: the energy density (energy / volume) of a new LFP battery is slightly lower than that of a new LiCo02 battery (about 14%). Battery manufacturers are however working to maximize energy storage performance and reduce the size and weight of such batteries. Many LFP batteries on the market also have low discharge rates compared to lead-acid or LiCo02 batteries. Since the discharge rate is a percentage of the battery capacity, this problem can be overcome by using a larger battery (characterized by higher ampere-hours). While LiFeP04 cells have lower voltage and energy density values than LiCo02 cells, this disadvantage is offset over time by the slower rate of capacity loss of LiFeP04 compared to other lithium ion batteries (such as LiCo02O LiMn204).
Batterie litio-ione-polimero Lithium-ion-polymer batteries
Le batterie litio-ione-polimero, più comunemente dette batterie ai polimeri di litio (abbreviato Li-poly, Li-Poi, LiPo, LIP, PLI o LiP) sono anch’esse batterie ricaricabili. Di solito, tali batterie sono costituite da diverse celle secondarie identiche in parallelo al fine di ottenere una elevata corrente di scarica. Inoltre, rispetto alle originarie celle a ioni di litio, la differenza principale è che l'elettrolita a sali di litio non è tenuto in un solvente organico, ma in un polimero solido composito come l'ossido di polietilene o poliacrilonitrile. I vantaggi delle batterie Li-poly rispetto a quelle tradizionali a ioni di litio includono inoltre costi potenzialmente più bassi di produzione, l'adattabilità ad una larga varietà di forme di confezionamento, l’affidabilità e la robustezza. Nella tabella seguente, è mostrato il confronto tra le caratteristiche tecniche di alcuni modelli delle tipologie di sistemi di immagazzinamento analizzati. Lithium-ion-polymer batteries, more commonly called lithium polymer batteries (abbreviated Li-poly, Li-Poi, LiPo, LIP, PLI or LiP) are also rechargeable batteries. Usually, such batteries consist of several identical secondary cells in parallel in order to obtain a high discharge current. Furthermore, compared to the original lithium ion cells, the main difference is that the lithium salt electrolyte is not held in an organic solvent, but in a solid composite polymer such as polyethylene oxide or polyacrylonitrile. The advantages of Li-poly batteries over traditional lithium-ion batteries also include potentially lower production costs, adaptability to a wide variety of packaging forms, reliability and robustness. The following table shows the comparison between the technical characteristics of some models of the types of storage systems analyzed.
La potenza dell’array di pannelli fotovoltaici di PHLOWER, nell’esempio riportato, è di circa 10 kW. Si prevede di immagazzinare una quantità di energia elettrica pari a 4 giorni equivalenti di produzione; pertanto, facendo riferimento ad installazioni nelle regioni del Nord-Centro Africa (e considerando un caso peggiore di 1800 ore/anno di soleggiamento - infatti, 2500 ore/anno è un valore tipico delle regioni equatoriali, ma considerando l'installazione orizzontale dei pannelli fotovoltaici e le possibili ombre, è stato considerato un valore cautelativo di 1800 ore/anno), il sistema di batterie deve essere in grado di immagazzinare circa 197 kWh. A tal fine, è riportato nella tabella seguente il confronto tra le caratteristiche tecnico-economiche dei diversi sistemi di immagazzinamento analizzati in grado di accumulare circa 197 kWh. Si evidenzia come le batterie LiFeP04risultano il miglior compromesso da un punto di vista economico, logistico e tecnico. Tuttavia, dato il continuo evolversi della tecnica del settore o per particolari esigenze, è possibile l’installazione in PHLOWER di altre tipologie di batterie innovative. The power of the PHLOWER array of photovoltaic panels, in the example shown, is approximately 10 kW. It is planned to store an amount of electricity equal to 4 equivalent days of production; therefore, referring to installations in the regions of North-Central Africa (and considering a worst case of 1800 hours / year of sunshine - in fact, 2500 hours / year is a typical value of the equatorial regions, but considering the horizontal installation of photovoltaic panels and possible shadows, a precautionary value of 1800 hours / year was considered), the battery system must be able to store approximately 197 kWh. To this end, the following table shows the comparison between the technical-economic characteristics of the various storage systems analyzed, capable of accumulating approximately 197 kWh. It is highlighted how LiFeP04 batteries are the best compromise from an economic, logistic and technical point of view. However, given the continuous evolution of technology in the sector or for particular needs, it is possible to install other types of innovative batteries in PHLOWER.
Il sistema di batterie (LiFeP04o altro) è posizionato sulla base del container. Il suo volume, nell’esempio analizzato, è di circa 2000 litri; la forma è parallelepipeda con un’altezza di 0.18 m. inoltre, è integrato all’unità di immagazzinamento dell’energia un sistema di ventilazione e raffreddamento in grado di mantenere la temperatura di funzionamento delle batterie al di sotto di 50° C (vedi Fig. 4). Il vano batterie potrà essere anche integrato nella struttura del container. The battery system (LiFeP04 or other) is placed on the base of the container. Its volume, in the analyzed example, is about 2000 liters; the shape is parallelepiped with a height of 0.18 m. in addition, a ventilation and cooling system capable of maintaining the operating temperature of the batteries below 50 ° C is integrated into the energy storage unit (see Fig. 4). The battery compartment can also be integrated into the container structure.
Unità di pompaggio e purificazione dell’acqua Pumping and water purification unit
PHLOWER include un'unità di pompaggio e purificazione dell’acqua completamente auto-sufficiente grazie all'energia prodotta dai pannelli fotovoltaici. L’unità descritta nell’esempio è in grado di soddisfare la richiesta di acqua potabile di un villaggio di 200 persone (ad es. delle regioni del Nord-Centro Africa) dove è presente una sorgente di acqua (ad es. un pozzo). A tal fine, si è considerato un consumo giornaliero di acqua potabile prò capite di circa 10 litri, che corrisponde, a 2 m<3>al giorno nel caso di villaggi di 200 persone. PHLOWER includes a completely self-sufficient pumping and water purification unit thanks to the energy produced by photovoltaic panels. The unit described in the example is able to meet the demand for drinking water of a village of 200 people (e.g. in the regions of North-Central Africa) where there is a source of water (e.g. a well). To this end, a daily consumption of drinking water per capita of about 10 liters was considered, which corresponds to 2 m <3> per day in the case of villages of 200 people.
E’ possibile utilizzare diverse tecnologie, quale ad esempio quella deH’osmosi inversa (o Reverse osmosis - RO), un metodo di filtrazione dell’acqua efficace ed economicamente conveniente. Tale metodo è basato sull’impiego di una membrana in grado di rimuovere molte tipologie di grosse molecole e ioni da soluzioni liquide, una volta che a queste, presenti su un lato della membrana, venga applicata una specifica pressione. Il risultato è che il soluto è trattenuto sul lato pressurizzato della membrana e solo il solvente puro (l’acqua nel caso in questione) è in grado di attraversarla. Invece, i metodi di purificazione dell’acqua basati su filtri non-RO generalmente utilizzano solo singole cartucce a carbone attivo per il trattamento dell’acqua. Sono metodi molto meno efficaci e la dimensione dei pori di questi filtri sono molto più elevate di quelli delle membrane, generalmente 0.5 - 10 micron. Pertanto, questi possono essere impiegati per filtrare sedimenti e impurità solo di dimensioni superiori al micron (come risultato, l’acqua risulterà non completamente pura e sicura come nel caso dell'applicazione dell’osmosi inversa). D’altronde, nel mondo, anche i sistemi domestici di purificazione e potabilizzazione dell’acqua impiegano processi di osmosi inversa. L’unità che sarà inclusa in PHLOWER contiene, oltre al sistema di pompaggio, una serie di filtri che potranno consentire la purificazione dell'acqua, ad esempio attraverso i seguenti processi: It is possible to use different technologies, such as that of reverse osmosis (or Reverse osmosis - RO), an effective and cost-effective water filtration method. This method is based on the use of a membrane capable of removing many types of large molecules and ions from liquid solutions, once a specific pressure is applied to these, present on one side of the membrane. The result is that the solute is retained on the pressurized side of the membrane and only the pure solvent (water in the case in question) is able to pass through it. Instead, water purification methods based on non-RO filters generally only use single activated carbon cartridges for water treatment. They are much less effective methods and the pore size of these filters are much larger than those of membranes, typically 0.5 - 10 microns. Therefore, these can be used to filter sediments and impurities only larger than one micron (as a result, the water will not be completely pure and safe as in the case of reverse osmosis application). On the other hand, in the world, even domestic water purification and purification systems use reverse osmosis processes. The unit that will be included in PHLOWER contains, in addition to the pumping system, a series of filters that will allow water purification, for example through the following processes:
- un filtro a sedimentazione, per intrappolare particelle quali ruggine e carbonato di calcio; - a sedimentation filter, to trap particles such as rust and calcium carbonate;
- un secondo filtro a sedimentazione con pori più piccoli (opzionale); - a second sedimentation filter with smaller pores (optional);
- un filtro a carboni attivi per intrappolare composti organici e cloro, che possono attaccare e deteriorare le membrane TFC a osmosi inversa; - an activated carbon filter to trap organic compounds and chlorine, which can attack and deteriorate the reverse osmosis TFC membranes;
- un filtro a osmosi inversa (RO), costituito da una membrana composita a film sottile (TFM o TFC); - a reverse osmosis (RO) filter, consisting of a thin film composite membrane (TFM or TFC);
- un secondo filtro a carboni attivi per catturare i composti chimici non rimossi dalla membrana RO (opzionale); - a second activated carbon filter to capture the chemical compounds not removed from the RO membrane (optional);
- una lampada UV per l’eliminazione dei microbi eventualmente non rimossi dalla membrana RO (opzionale). - a UV lamp for the elimination of microbes that may not be removed from the RO membrane (optional).
Le specifiche tecniche di un esempio di sistema di purificazione RO standard che potrà essere incluso in PHLOWER sono riportate nella seguente tabella. The technical specifications of an example of a standard RO purification system that can be included in PHLOWER are shown in the following table.
Nel caso in cui debbano essere garantiti 2 m<3>al giorno (villaggio di 200 persone), è necessario che l’unità di pompaggio e purificazione sia in funzionamento per 8 ore al giorno. Perciò, il consumo di energia elettrica dell’unità di pompaggio e purificazione è pari a 6.4 kWh. In the event that 2 m <3> per day (village of 200 people) must be guaranteed, the pumping and purification unit must be in operation for 8 hours a day. Therefore, the electricity consumption of the pumping and purification unit is equal to 6.4 kWh.
Tra le operazioni di manutenzione di tale unità, da segnalare la necessità di ricambio dei filtri, che mediamente deve essere effettuata una volta ogni 1-2 mesi. Pertanto, filtri di ricambio in grado di garantire il corretto funzionamento dell’unità per almeno 15-20 anni saranno contenuti in PHLOWER. E’ comunque possibile prevedere in PHLOWER altre tecnologie di pompaggio e purificazione dell'acqua. Among the maintenance operations of this unit, it is worth noting the need to replace the filters, which on average must be carried out once every 1-2 months. Therefore, replacement filters able to guarantee the correct operation of the unit for at least 15-20 years will be contained in PHLOWER. It is however possible to include other pumping and water purification technologies in PHLOWER.
Unità di perforazione di pozzi d’acqua Water well drilling unit
Esistono a tal riguardo nuove tecnologie portatili, costituite da macchine perforatrici anche di soli 3 m di lunghezza, con aste di perforazione di piccole dimensioni. PHLOWER potrà prevedere opzionalmente questa unità funzionale, a seconda delle esigenze, che potrà essere costituita da un semplice sistema fai-da-te per la perforazione di pozzi, utilizzabile facilmente da 1 o 2 persone con un minimo livello di abilità. Le aste di perforazione corte consentono tra l’altro di avere una torre molto piccola, ossia di avere a disposizione un impianto di dimensioni ridotte e leggero. Tali sistemi portatili consentono generalmente profondità di penetrazione fino a circa 240 m, a seconda delle pressioni di esercizio e del flusso dei sistemi di pompaggio dei fanghi. In this regard, there are new portable technologies, consisting of drilling machines as small as 3 m in length, with small drilling rods. PHLOWER can optionally provide this functional unit, depending on the needs, which can be constituted by a simple do-it-yourself system for drilling wells, easily used by 1 or 2 people with a minimum level of skill. The short drill rods allow, among other things, to have a very small tower, that is, to have a small and light rig available. Such portable systems generally allow penetration depths of up to approximately 240m, depending on the operating pressures and flow of the sludge pumping systems.
Nella tabella che segue, sono ad esempio riportate le specifiche tecniche di un semplice sistema di perforazione di pozzi d’acqua, che può essere considerata una possibile dotazione standard di base di PHLOWER. Possono comunque essere previste in PHLOWER altre tipologie di sistemi di perforazione di pozzi d’acqua. For example, the following table shows the technical specifications of a simple water well drilling system, which can be considered a possible standard PHLOWER standard equipment. However, other types of water well drilling systems can be provided in PHLOWER.
Serbatoio dell’acqua potabile Drinking water tank
Nel container PHLOWER è incluso un serbatoio per l’acqua potabile prodotta dal sistema di purificazione. Tale serbatoio, che potrà essere ad esempio realizzato in polietilene, può essere estraibile, e in tal caso potrà essere posizionato all’esterno del container (vedi Fig. 3.2). Possibili dimensioni del serbatoio sono 1.8 x 2.0 x 2.0 m (nell’esempio riportato); con tali dimensioni, il volume del serbatoio è pari a oltre 7000 litri che, per un villaggio di 200 persone, corrisponde ad una riserva di acqua potabile di circa 3 giorni. The PHLOWER container includes a tank for the drinking water produced by the purification system. This tank, which can be made of polyethylene for example, can be removable, and in this case it can be positioned outside the container (see Fig. 3.2). Possible dimensions of the tank are 1.8 x 2.0 x 2.0 m (in the example shown); with these dimensions, the volume of the tank is equal to over 7000 liters which, for a village of 200 people, corresponds to a reserve of drinking water of about 3 days.
Unità di conservazione degli alimenti Food storage unit
L'unità funzionale per la conservazione degli alimenti è costituita da una cella frigorifera, ad esempio con temperature di funzionamento tra (-10 °C) e (-25 °C). La cella può essere costituita da un involucro esterno e da pareti interne in acciaio inox, pannelli di isolamento termico, la macchina frigorifera (ossia il blocco compressoreevaporatore-condensatore) e un pannello di controllo elettronico. Il pannello di controllo permette il controllo della temperatura interna mediante specifiche sonde di temperatura inserite in cella. Inoltre, può essere prevista una procedura di sbrinamento, da attivare da parte del pannello di controllo, quando l'evaporatore è coperto da ghiaccio. La macchina frigorifera è principalmente costituita dal compressore (potenza elettrica nel range 2-3 kW), il condensatore e lo scambiatore evaporatore. E' progettata per funzionare anche in dima tropicale con un COP (coefficiente di rendimento) superiore a 1.2. Il fluido frigorifero è eco-compatibile (senza impiego di CFC o HCFC contenuti). I pannelli di isolamento termico sono in materiale isolante, quale poliuretano ad alta densità con un minimo di 60 mm di spessore. Possono essere previsti, all'interno della cella, supporti per gli alimenti, costituiti da griglie e piastre estraibili. Il volume interno della cella frigorifera, nell'esempio riportato, è di circa 4 m<3>, sufficiente per la conservazione degli alimenti di un villaggio di 200 persone per 3-4 giorni. Per quanto concerne il relativo consumo energetico, considerando una temperatura di esercizio di (-20 °C), il sistema di conservazione dei cibi deve essere alimentato da circa 7 kWh/m<3>al giorno. Pertanto, devono essere garantiti circa 28 kWh di energia elettrica per l’alimentazione dell’unità di conservazione degli alimenti. Le dimensioni lorde dell’unità conservazione alimenti, nell’esempio riportato, sono di circa 6,5-7 m<3>, con un peso di circa 400 kg. Sono altresì possibili altre tipologie di celle frigorifere. The functional unit for food storage consists of a cold room, for example with operating temperatures between (-10 ° C) and (-25 ° C). The cold room can consist of an external casing and internal walls in stainless steel, thermal insulation panels, the refrigeration unit (i.e. the compressor-evaporator-condenser block) and an electronic control panel. The control panel allows the control of the internal temperature by means of specific temperature probes inserted in the cell. Furthermore, a defrost procedure can be provided, to be activated by the control panel, when the evaporator is covered by ice. The refrigeration unit mainly consists of the compressor (electrical power in the range 2-3 kW), the condenser and the evaporator exchanger. It is designed to work even in a tropical template with a COP (coefficient of performance) higher than 1.2. The refrigerant fluid is eco-compatible (without the use of contained CFCs or HCFCs). The thermal insulation panels are made of insulating material, such as high-density polyurethane with a minimum thickness of 60 mm. Food supports can be provided inside the compartment, consisting of grids and extractable plates. The internal volume of the cold room, in the example shown, is about 4 m <3>, sufficient for the preservation of food in a village of 200 people for 3-4 days. As regards the relative energy consumption, considering an operating temperature of (-20 ° C), the food storage system must be powered by about 7 kWh / m <3> per day. Therefore, approximately 28 kWh of electricity must be guaranteed to power the food storage unit. The gross dimensions of the food storage unit, in the example shown, are approximately 6.5-7 m <3>, with a weight of approximately 400 kg. Other types of cold rooms are also possible.
Unità Logica Centrale e Flussi di Energia Central Logic Unit and Energy Flows
PHLOWERè controllato da un’unità logica centrale (CLU), costituita generalmente da una CPU (Central Processing Unii), dispositivi di memoria, dispositivi per la misura delle richieste di energia elettrica di ogni unità funzionale PHLOWER, connessioni elettriche. La CLU, interna al container, controlla i flussi di energia elettrica dai generatori fotovoltaici al sistema di immagazzinamento e alle unità funzionali (unità di pompaggio e purificazione acqua, unità di conservazione degli alimenti, unità di perforazione pozzi, eventuali utenze esterne), al variare della richiesta energetica di ciascuna di esse. L’energia elettrica necessaria all'alimentazione della CLU è stimata essere inferiore a 4 kWh/giorno. Uno schema a blocchi delle possibili connessioni della CLU con le utenze suddette è riportato in Figura 5. Sono possibili altre connessioni della CLU con le unità funzionali, nonché altre logiche di controllo. PHLOWER is controlled by a central logic unit (CLU), generally consisting of a CPU (Central Processing Unii), memory devices, devices for measuring the electricity demands of each PHLOWER functional unit, electrical connections. The CLU, inside the container, controls the electricity flows from the photovoltaic generators to the storage system and to the functional units (pumping and water purification units, food storage units, well drilling units, any external users), depending on the of the energy demand of each of them. The electricity needed to power the CLU is estimated to be less than 4 kWh / day. A block diagram of the possible connections of the CLU with the aforementioned users is shown in Figure 5. Other connections of the CLU with the functional units are possible, as well as other control logics.
Nella tabella seguente sono riassunti i flussi energetici medi giornalieri che caratterizzano il modulo PHLOWER, valutati sulla base degli esempi di equipaggiamento del container riportati. E' evidente che, nelle condizioni operative riportate, l’energia prodotta da PHLOWER è maggiore della richiesta energetica delle relative utenze e pertanto PHLOWER è energeticamente autonomo (in tal caso, circa 9 kWh/giorno sono disponibili per il perforatore di pozzi o per utenze esterne, per il cui impiego sono previste in PHLOWER apposite prese elettriche). The following table summarizes the average daily energy flows that characterize the PHLOWER module, evaluated on the basis of the examples of container equipment shown. It is evident that, in the reported operating conditions, the energy produced by PHLOWER is greater than the energy demand of the related utilities and therefore PHLOWER is energetically autonomous (in this case, about 9 kWh / day are available for the well drill or for utilities. for their use, special electrical sockets are provided in PHLOWER).
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- 2012-02-03 IT IT000004A patent/ITPG20120004A1/en unknown
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