ITRM20070193A1 - Impianto generatore elettrico ad alimentazione solare. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto per INVENZIONE dal titolo:

"Impianto generatore elettrico ad alimentazione sola-re"

La presente invenzione concerne un impianto ge-neratore elettrico ad alimentazione solare.

Più in particolare l'invenzione si riferisce ad un impianto generatore elettrico da energia rinnova-bile solare raccolta mediante un collettore a lenti Fresnel, utilizzato come sorgente calda di un motore a ciclo Rankine.

Attualmente, la maggior parte dell'energia con-sumata nel mondo è ottenuta da fonti di energia non rinnovabili, ovvero destinate, prima o poi con il passare degli anni, all'esaurimento. Tra queste, si-curamente la quota maggiore spetta alla combustione diretta di idrocarburi, che sviluppa calore, a sua volta utilizzato per generare energia meccanica che, nel caso si voglia ottenere energia elettrica, viene ulteriormente convertita in elettricità. Ognuno dei passaggi appena citati comporta però una certa perdi-ta energetica, che implica la diminuzione del rendi-mento ottenibile, calcolato come potenza effettiva-mente utilizzabile rispetto a quella nominalmente di-sponibile. All'atto pratico, quindi, i rendimenti dei generatori elettrici a combustione interna sono molto bassi .

Per migliorare il rendimento dei generatori elettrici si ricorre sempre più spesso ad impianti di trasformazione diretta dell'energia chimica in ener-gia elettrica (potendo poi convertire l'energia elet-trica in energia meccanica con rendimenti ugualmente molto elevati) . In questa ottica si sono moltiplicati negli ultimi anni gli studi sulle celle a combustibi-le e sulle pile da esse ottenute.

Nonostante il miglior rendimento di trasforma-zione di energia, anche questo tipo di generatori de-vono essere annoverati tra quelli che fanno uso di fonti non rinnovabili. Quindi, il loro utilizzo può solo ritardare, ma non impedire, l'esaurimento della fonte energetica di cui fanno uso.

Un approccio totalmente diverso è perseguito dalle macchine di produzione di energia meccanica e/o elettrica alimentate da fonti energetiche rinnovabi-li. Questo tipo di dispositivi, infatti, fanno uso di fonti di energia che per loro caratteristica intrinseca sono in grado di rigenerarsi in continuo o che comunque non sono "esauribili" nella scala dei tempi percepibili dall'uomo o dalla società. A scopo puramente esemplificativo, secondo la normativa di riferimento italiana (D.L.:16 marzo 1999, n.79) vengono considerate "rinnovabili": " . . . il sole , il vento , le risorse idriche, le risorse geotermiche, le maree, il moto ondoso e la trasformazione in energia elettrica dei prodotti vegetali o dei rifiuti organici e inorganici" .

Risulta evidente come questo tipo di fonti di energia possono permettere il cosiddetto sviluppo sostenibile dell'uomo, ovvero uno sviluppo che non esaurisce o danneggia le risorse naturali ma piuttosto è in grado di fruirne per un tempo indeterminato.

Alcuni di questi tipi di energia (in particolare quella solare) hanno anche il vantaggio di poter essere microgenerate, ossia prodotte in piccoli impianti che possono soddisfare il bisogno energetico di una singola abitazione, un piccolo gruppo di abitazioni o altri impianti di dimensioni contenute per uso terziario o industriale. Questo permette di risparmiare l'energia che si perde nella fase di distribuzione di energia elettrica, per esempio sugli elettrodotti .

In questo contesto viene ad inserirsi la soluzione secondo la presente invenzione, che si propone di fornire un generatore elettrico alimentato ad energia solare convertita in energia meccanica mediante un passaggio intermedio in energia termica grazie ad un collettore a lenti di tipo Fresnel, l'energia meccanica prodotta facendo a sua volta ruotare un generatore elettrico a magneti permanenti con conseguente produzione di energia elettrica.

Scopo della presente invenzione è quindi quello di realizzare un generatore elettrico che permetta di ottenere i risultati tecnici precedentemente descritti, superando i limiti dei dispositivi secondo la tecnologia nota.

Ulteriore scopo dell'invenzione è che detto generatore elettrico possa essere realizzato con costi sostanzialmente contenuti, sia per quanto riguarda i costi di produzione che per quanto concerne i costi di gestione e lavorazione.

Non ultimo scopo dell'invenzione è quello di realizzare un dispositivo che sia sostanzialmente semplice, sicuro ed affidabile.

Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un impianto generatore elettrico ad alimentazione solare del tipo che sfrutta l'espansione di un fluido di lavoro precedentemente compresso per far muovere una macchina motrice collegata ad un generatore elettrico, che comprende almeno un collettore solare per il riscaldamento e la compressione di detto fluido di lavoro.

Secondo l'invenzione, l'impianto generatore elettrico può comprendere ulteriormente un condensatore del fluido di lavoro, posto a valle di detta macchina motrice e un vaso di raccolta del fluido compresso in uscita da detto almeno un collettore solare .

In particolare, secondo l'invenzione, detto collettore solare è un collettore solare a lenti Fresnel, che concentrano la radiazione solare su un riscaldatore solare dotato di una camera di scambio termico, alla quale detto fluido di lavoro accede, spinto da una pompa, attraverso un condotto di ingresso e dal quale detto fluido di lavoro esce attraverso un condotto di uscita, previa apertura di una valvola controllata da un controllore di pressione.

Preferibilmente, l'impianto generatore elettrico secondo l'invenzione comprende una pluralità di condensatori solari collegati in parallelo.

Sempre secondo la presente invenzione, l'energia elettrica prodotta da detto generatore elettrico viene trasformata e raddrizzata per caricare una batteria di accumulatori, asserviti all'alimentazione di impianti ausiliari, che preferibilmente comprendono una pompa di estrazione dell 'acqua.

Preferibilmente, secondo l'invenzione, detto fluido di lavoro è un fluido organico con elevate caratteristiche di espandibilità e di trasferimento di calore e più preferibilmente detto fluido di lavoro è HFC-245fa, ovvero il composto chimico 1,1,1,3,3-pentafluoropropano .

Infine, sempre secondo l'invenzione, detto condensatore può essere un condensatore con raffreddamento ad acqua oppure un condensatore con raffreddamento ad aria e in quest'ultimo caso l'impianto può comprendere ulteriormente una pompa eliotermica, disposta a valle di detto condensatore, per convogliare aria al condensatore per effetto camino.

Risulta evidente l'efficacia di un generatore elettrico ad alimentazione solare come quello della presente invenzione, che permette di perseguire i seguenti vantaggi:

- produzione decentralizzata e completamente autonoma di energia elettrica da sorgenti rinnovabi-li,

- riduzione dei costi delle stazioni di energia da sorgenti rinnovabili rispetto ai più costosi si-stemi della tecnica nota, quali i sistemi fotovoltai-ci, e conseguentemente ausilio allo sviluppo di im-pianti a sfruttamento delle sorgenti rinnovabili;

- riduzione delle emissioni in atmosfera di Coxe Nox, nel rispetto degli impegni sottoscritti dagli aderenti al protocollo di Kyoto.

La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, con particolare ri-ferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

- la figura 1 mostra l'andamento di una macchi-na a ciclo Rankine su un diagramma temperaturaentropia in cui il fluido di processo è acqua;

- la figura 2 mostra una vista trasversale in sezione di un collettore solare con lente di tipo Fresnel secondo la presente invenzione;

la figura 3 mostra uno schema della porzione di riscaldamento di un impianto generatore elettrico se-condo la presente invenzione, con una pluralità di collettori solari del tipo mostrato nella figura 2; la figura 4 mostra uno schema complessivo di un primo tipo di impianto generatore elettrico secondo la presente invenzione; e

la figura 5 mostra uno schema complessivo di un secondo tipo di impianto generatore elettrico secondo la presente invenzione.

La macchina a ciclo Rankine è quella che meglio approssima la macchina di Carnot.

La macchina di Carnot è la soluzione ottimale al problema di realizzare un ciclo termodinamico che produca la massima quantità di lavoro a parità di ca-lore entrante. La macchina di Carnot è però solamente una macchina ideale, dal momento che opera su un ci-clo reversibile.

La macchina a ciclo Rankine ha avuto ed ha tut-tora innumerevoli applicazioni: dalla locomotiva a vapore alle centrali termoelettriche a combustibile chimico o nucleare. In tutte queste applicazioni è solitamente utilizzata acqua come fluido di processo, ma lo stesso ciclo può essere applicato ad altri fluidi con opportune correzioni dei parametri opera-tivi, in particolare con riferimento alla fase di evaporazione del fluido di processo.

Facendo preliminarmente riferimento alla figura 1, in cui è mostrato su un diagramma temperatura (T)entropia (S) l'andamento di una macchina a ciclo Rankine con acqua come fluido di processo, in questo ci-clo sono individuabili i seguenti stadi successivi.

Nella prima fase del ciclo, dal punto 1 al pun-to 2 del diagramma, il fluido si trova in fase liqui-da e viene sottoposto ad una compressione isoentropi-ca attraverso una pompa, sistema aperto che non scam-bia calore, il lavoro scambiato essendo rappresenta-bile tramite la relazione seguente:

in cui h indica l'entalpia e L indica il lavoro, che avrà segno positivo se prodotto e segno negativo se fornito dall'esterno.

Nella seconda fase, dal punto 2 al punto 2', e poi dal punto 2' al punto 3, il fuido viene prima ri-scaldato e poi vaporizzato, a pressione costante. Si utilizza un serbatoio caldo (una caldaia tradizionale o alimentata con energia termica rinnovabile) , che è un sistema aperto che non scambia lavoro:

h3-h2- q1> 0

in cui q indica la quantità di calore scambiato. La quantità di calore q1 viene prelevata da una sorgente di calore che può essere fornita dalla combustione di idrocarburi oppure da energia termica rinnovabile, in particolare energia solare.

Nella terza fase, dal punto 3 al punto 4 del ciclo, il fluido, che si trova nella fase di vapore saturo secco, passa attraverso una turbina (o attra-verso un compressore reciproco) , sistema aperto che non scambia calore, e, espandendosi isoentropicamente, compie lavoro:

Questo lavoro può essere utilizzato per genera-re elettricità, collegando la turbina ad un generato-re .

Nel quarta e ultima fase del ciclo, dal punto 4 al punto 1, il fluido, nella fase di vapore saturo a bassa pressione, viene portato completamente in fase liquida, a pressione e temperatura costanti; per fare ciò si utilizza un condensatore, che cede la quantità di calore

ad una serpentina (serbatoio freddo).

Il ciclo di Rankine presenta delle irreversibi-lità. Ad esempio il fatto che man mano che si prende calore da una sorgente termica discreta la temperatu-ra di essa diminuisca è una causa di irreversibilità esterna. Il fluido è comunque sempre in equilibrio termodinamico, per cui l'area del ciclo nel diagramma rappresenta la differenza tra il calore assorbito e il calore ceduto, cioè il lavoro prodotto.

Nel caso in cui il fluido utilizzato sia acqua, il vapore saturo secco in uscita dal serbatoio caldo viene fatto espandere utilizzando una turbina. Nel punto 4 del ciclo, però, il titolo di vapore ha un valore abbastanza inferiore all'unità, ovvero nel va-pore sono presenti in sospensione numerose gocce di liquido le quali entrano in contatto violentamente con le parti meccaniche della turbina, riducendo il rendimento della trasformazione e erodendo le palette della turbina. Per superare questo inconveniente, in genere si adotta, secondo la tecnica nota, surriscal-dare il fluido di processo mediante un ulteriore scambiatore di calore, cosicché il fluido in uscita dal serbatoio caldo nello stato di vapore saturo sec-co viene riscaldato in questo ulteriore scambiatore di calore fino ad uno stato di vapore surriscaldato.

Nel caso in cui il fluido di processo non sia acqua, ma piuttosto sia un fluido di tipo organico (ciclo denominato Organic Rankine Cycle (ORC)), un fluido organico con massa molecolare abbastanza ele-vata viene dapprima vaporizzato in un serbatoio a vo-lume predefinito e successivamente fatto espandere nella turbina fino a raggiungere una pressione pre-stabilita. Il vapore del fluido organico viene quindi condensato e pompato nell'evaporatore chiudendo così il ciclo termodinamico. Nel caso del Cilco Rankine Organico, quindi, non essendo necessario alcun surri-scaldamento del vapore, l'irreversibilità è limitata alla variazione di pressione.

Facendo riferimento alla figura 2, un colletto-re solare 10 secondo la presente invenzione comprende una lente Fresnel il, che concentra la radiazione in-cidente in un punto di fuoco in cui è disposto un ri-scaldatore solare 12, dotato di una camera di scambio termico 13, in cui avviene il riscaldamento del flui-do di lavoro. Il collettore solare 10 è ulteriormente dotato di un condotto di ingresso 14 del fluido di lavoro, sul quale è disposta una valvola di ritegno 15, e di un condotto di uscita 16 del fluido di lavo-ro, dotato di una valvola di controllo 17, inizial-mente in posizione chiusa, azionata da un controllore di pressione 18.

Con riferimento alla figura 3, in cui sono mo-strati una pluralità di collettori solari 10 disposti in parallelo, il fluido di lavoro viene iniettato nella camera di scambio termico 13 di ciascun collet-tore solare 10 in fase liquida, spinto da una pompa 19. Nella camera di scambio termico 13 il fluido di lavoro riceve energia solare sia per assorbimento in moto convettivo che per irradiazione, aumentando la sua temperatura e passando alla fase vapore. Dal mo-mento che il volume a disposizione del fluido di la-voro è costante, essendo la valvola 15 una valvola di ritegno e la valvola 17 essendo chiusa, tale aumento di temperatura comporta un aumento di pressione.

Al raggiungimento della pressione massima desi-derata, il controllore di pressione 18 comanda l'apertura della valvola 17 e il fluido di lavoro in fase vapore viene convogliato al vaso di raccolta 20.

Sempre con riferimento alla figura 3, tutti i condotti di uscita 16 dei diversi collettori solari 10 sono collegati allo stesso vaso di raccolta 20. È inoltre prevista un'ulteriore valvola 21, controllata da un controllore di pressione 22.

Con riferimento alle figure 4 e 5, in cui il sistema di collettori solari 10 è complessivamente rappresentato con un cerchio indicato con il riferi-mento numerico 100, la valvola 21, comandata da un controllore 22 che comanda l'apertura della valvola 21 quando la pressione ha raggiunto il valore massimo desiderato, controlla l'invio del vapore compresso ad una macchina motrice 23, che può essere una turbina o un compressore reciproco, collegata ad un generatore elettrico 24.

All'uscita della macchina motrice 23 il fluido di lavoro si trova nella fase di gas espanso a bassa pressione, e viene inviato ad un condensatore per es-sere raffreddato fino a tornare completamente in fase liquida, a pressione costante. A questo punto il fluido di lavoro è pronto per essere inviato di nuovo ai collettori solari 10.

Tra i fluidi di lavoro che si prestano all'ap-plicazione con motori a Ciclo Rankine Organico per recupero di energia e generazione di potenza si trova l'HFC-245fa, ovvero il composto chimico 1,1,1,3,3-pentaf luoropropano, un refrigerante con temperatura di ebollizione alta (rispetto alla media dei refigeranti) , che presenta buone caratteristiche di espandibilità e buone capacità di trasferimento di calore anche a basse temperature e peso molecolare sufficientemente elevato per trasferire l'energia ac-cumulata alla turbina.

In particolare, HFC-245fa ha una temperatura critica elevata (Tc= 154,3 °C), che implica il fatto che permette di raggiungere un'evelava efficienza.

Inoltre, da un punto di vista ambientale, in particolare con riferimento al problema del cosiddet-to "buco di ozono" dell'atmosfera, HFC-245fa ha un indice di consumo potenziale di ozono nullo, il che ne ha favorito la piena approvazione per l'uso negli impianti di refrigerazione e per la produzione di schiume organiche isolanti.

Con particolare riferimento alla figura 4, il fluido organico HFC-245fa in fase liquida ad una tem-peratura minore di 60°C, e preferibilmente minore di 40°C, e ad una pressione di 2-3 bar, viene inviato al complesso 100 di collettori solari, attraverso con-dotti 14, spinto da una pompa 19, azionata da un mo-tore elettrico in corrente continua. Nei collettori solari, il fluido di lavoro aumenta la sua temperatu-ra fino a circa 140°C eia sua pressione fino a circa 15 bar.

Al raggiungimento della pressione massima, il fluido di lavoro in fase vapore viene convogliato al vaso di raccolta 20 e da questo ad una turbina 23 collegata ad un generatore elettrico 24 a magneti permanenti. Dalla turbina 23 il fluido di lavoro, nella fase di gas espanso a bassa pressione, viene inviato ad un condensatore 25 raffreddato ad acqua, per essere raffreddato fino a tornare completamente in fase liquida, a pressione costante.

In particolare, il condensatore 25 è alimentato con acqua di raffreddamento attraverso un condotto di ingresso 26 e, terminato lo scambio termico, l'acqua di raffreddamento esce dal condensatore 25 attraverso un condotto di uscita 27. Il raffreddamento può avve-nire in equicorrente o in controcorrente.

A questo punto il fluido di lavoro è pronto per essere inviato di nuovo ai collettori solari 10.

L'energia elettrica prodotta dal generatore elettrico 24 viene trasformata e raddrizzata per cari-care con flusso discontinuo (dato il funzionamento in discontinuo del sistema controllato dalla valvola 21) una batteria di accumulatori di capacità adeguata ai carichi dell'utenza e ai periodi di mancanza di sole.

In particolare, le batterie provvedono:

- all'alimentazione di una pompa sommersa in corrente continua a 50V, tramite la quale è possibile pompare acqua dal sottosuolo;

- all'alimentazione di un inverter 50CC/400CA nel caso in cui la pompa funzioni in corrente alter-nata;

- all'alimentazione di un inverter 50CC/400CA nel caso in cui si alimenti un motore in corrente al-ternata per usi diversi (ventilatori, compressori, ecc .).

La configurazione in cui il generatore elettri-co della presente invenzione è associato ad una pompa per l'estrazione dell'acqua dal sottosuolo è particolarmente vantaggiosa, poiché permette di estrarre ac-qua dal sottosuolo sfruttando energia solare, parti-colarmente disponibile proprio in quelle regioni in cui l'acqua è meno abbondante.

Facendo riferimento alla figura 5, è mostrato un impianto che lavora con lo stesso funzionamento e con lo stesso fluido di lavoro già illustrati con ri-ferimento alla figura 4, ad eccezione della sezione di condensazione del fluido di lavoro successivamente alla sua espansione nella turbina 23.

Nel caso mostrato in figura 5, il condensatore 29 è raffreddato ad aria. In particolare, l'aria è convogliata al condensatore 29 per effetto camino ge-nerato attraverso una pompa eliotermica 30, disposta a valle del condensatore 29.

L'energia elettrica prodotta dal generatore elettrico 24 viene trasformata e raddrizzata per cari-care con flusso discontinuo (dato il funzionamento in discontinuo del sistema controllato dalla valvola 21) una batteria di accumulatori di capacità adeguata ai carichi dell'utenza e ai periodi di mancanza di sole.

In particolare, le batterie provvedono all'alimentazione degli apparati di una stazione ra-dio base alla tensione consuenta di 50V.

Per ovviare ai problemi dovuti al funzionamento in discontinuo, possono essere realizzati una plura-lità di generatori del tipo secondo la presente in-venzione, con funzionamento opportunamente sfasato tra loro e collegati tutti alla medesima linea da alimentare. In particolare, tale risultato può essere ottenuto aumentando il numero dei collettori solari 10 e conseguentemente la portata complessiva per ogni singola macchina motrice 23, e diminuendo conseguen-temente il salto di pressione. Inoltre, risultati mi-gliori possono essere ottenuti orientando diversamen-te tra loro i collettori solari 10, in modo da assi-curare la ricezione della radiazione solare incidente ottimale al variare della posizione del sole in cie-lo.

La presente invenzione è stata descritta a ti-tolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma è da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apporta-te dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (12)

1. Rivendicazioni 1. Impianto generatore elettrico ad alimentazione solare del tipo che sfrutta l'espansione di un fluido di lavoro precedentemente compresso per far muovere una macchina motrice (23) collegata ad un generatore elettrico (24), caratterizzato dal fatto che comprende almeno un collettore solare (10) per il riscaldamento e la compressione di detto fluido di lavoro .
2. 2. Impianto generatore elettrico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende ulteriormente un condensatore (25, 29) del fluido di lavoro, posto a valle di detta macchina motrice (23).
3. 3. Impianto generatore elettrico secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che comprende ulteriormente un vaso di raccolta (20) del fluido compresso in uscita da detto almeno un collettore solare (10).
4. 4. Impianto generatore elettrico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto collettore solare (10) è un collettore solare a lenti Fresnel, che concentrano la radiazione solare su un riscaldatore solare (12) dotato di una camera di scambio termico (13), alla quale detto fluido di lavoro accede, spinto da una pompa (19), attraverso un condotto di ingresso (14) e dal quale detto fluido di lavoro esce attraverso un condotto di uscita (16), previa apertura di una val-vola (IV) controllata da un controllore di pressione (18).
5. 5. Impianto generatore elettrico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratte-rizzato dal fatto che comprende una pluralità di con-densatori solari (10) collegati in parallelo.
6. 6. Impianto generatore elettrico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratte-rizzato dal fatto che l'energia elettrica prodotta da detto generatore elettrico (24) viene trasformata e raddrizzata per caricare una batteria di accumulatori, asserviti all'alimentazione di impianti ausilia-ri .
7. 7. Impianto generatore elettrico secondo la ri-vendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detti impianti ausiliari comprendono una pompa di estrazio-ne dell'acqua.
8. 8. Impianto generatore elettrico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratte-rizzato dal fatto che detto fluido di lavoro è un fluido organico con elevate caratteristiche di espandibilità e di trasferimento di calore.
9. 9. Impianto generatore elettrico secondo la ri-vendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto fluido di lavoro è HFC-245fa, ovvero il composto chi-mico 1,1,1,3,3-pentafluoropropano .
10. 10. Impianto generatore elettrico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-9, caratterizzato dal fatto che detto condensatore (25, 29) è un con-densatore (25) con raffreddamento ad acqua.
11. 11. Impianto generatore elettrico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-9, caratterizzato dal fatto che detto condensatore (25, 29) è un con-densatore (29) con raffreddamento ad aria.
12. 12. Impianto generatore elettrico secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che com-prende ulteriormente una pompa eliotermica (30), di-sposta a valle di detto condensatore (29), per convo-gliare aria al condensatore (29) per effetto camino.