ITRM20090129A1 - Pannello riflettente in particolare per un impianto solare termico a concentrazione - Google Patents

Description

TITOLO: “Pannello riflettente, in particolare per un impianto solare termico a concentrazione”

Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad pannello riflettente, in particolare per un impianto solare termico a concentrazione.

Stato della tecnica

La tecnologia della concentrazione lineare prevede la concentrazione dell’energia solare su una linea di focalizzazione anziché su un punto. I concentratori lineari maggiormente noti sono i collettori parabolici lineari, detti trough, già ampiamente utilizzati nelle sperimentazioni, ma estremamente costosi.

L’alternativa tecnologica ai trough è rappresentata dagli specchi di Fresnel, in grado di raggiungere le medesime prestazioni ottiche ma a costi sensibilmente inferiori. Nonostante le promettenti stime sul potenziale competitivo dei sistemi di Fresnel, ad oggi il numero di prototipi e sistemi dimostrativi è ancora molto limitato mentre restano ampi i margini per un ulteriore sviluppo della tecnologia.

Un impianto basato sula tecnologia a concentrazione lineare generalmente comprende quattro elementi principali:

1. un modulo di raccolta e concentrazione della radiazione solare;

2. un dispositivo di trasformazione in calore e trasporto della radiazione solare concentrata proveniente dal modulo di raccolta e concentrazione;

3. un dispositivo di stoccaggio dell’energia termica;

4. un dispositivo di conversione dell’energia termica in energia elettrica basato su cicli termodinamici Rankine come, ad esempio, ll ciclo ORC, dall’acronimo anglosassone Organic Rankine cycle, cioè un ciclo di Rankine a fluidi organici. Il modulo di raccolta comprende un riflettore primario formato da una pluralità di pannelli riflettenti che concentrano la radiazione solare verso un ricevitore lineare. Tale ricevitore lineare comprende un condotto, detto tubo ricevitore o assorbitore, in cui fluisce un fluido termovettore che viene a riscaldarsi trasferendo il calore ad un impianto termoelettrico per la generazione di potenza. Il ricevitore comprende, inoltre un riflettore secondario, posto al di sopra di detto condotto in modo da catturare i raggi riflessi dai riflettori primari che non colpiscono direttamente il tubo assorbitore, deviandoli opportunamente su di esso.

Per migliorare la prestazione della conversione termoelettrica e semplificare la gestione dei processi d’impianto, si utilizza un dispositivo per lo stoccaggio termico costituito da un serbatoio isolato termicamente in cui si accumula il fluido termovettore caldo, uscente dal campo solare.

Grazie al dispositivo di accumulo termico, i processi di raccolta dell’energia solare e il suo utilizzo nell’impianto di produzione di potenza possono essere completamente disaccoppiati.

Il riflettore primario è l’elemento maggiormente critico.

Infatti l’efficienza del impianto solare termico a concentrazione nel suo complesso dipende principalmente dalle prestazioni ottiche di questa singola componente, ovvero dalla sua capacità di concentrare efficacemente la radiazione solare incidente sulla superficie del ricevitore secondario.

Per realizzare una concentrazione efficiente è necessario che i pannelli riflettenti del riflettore primario, in genere di forma quadrilatera, siano leggermente convessi rispetto ad un asse principale di rotazione, per cui, nella loro fabbricazione, la difficoltà principale è rappresentata dalla necessità di realizzare una curvatura estremamente precisa in modo rapido e a costi molto contenuti. Inoltre il pannello deve essere molto rigido strutturalmente per non comprometterne la precisione ottico-geometrica in condizioni di ventosità sostenuta o per effetto degli spostamenti durante l’inseguimento solare.

La fabbricazione di elementi strutturali rigidi aventi superficie curve di alta precisione è realizzabile attraverso diverse tecniche le quali però implicano lavorazioni lente e costose, quali ad esempio l’asportazione di materiale per fresatura di larghe aree, piegature a caldo di laminati, calandrature di lamine spesse, o strutture reticolari regolabili, oppure la fresatura di ampie di superfici e successiva lappatura o rettifica, calandratura, stampaggio, etc.. Queste tecnologie costruttive, portate a soddisfare i vincoli di precisione ottica richiesta, comportano una minore velocità produttiva e più alti costi di fabbricazione.

Un elemento di criticità per l’efficienza del modulo di raccolta, e quindi dell’intero campo solare, è la sua capacità di inseguire con precisione il moto apparente del sole durante tutto l’arco della giornata massimizzando, in ogni istante, l’energia solare riflessa verso il tubo ricevitore. Infatti, la grande distanza tra il ricevitore e i riflettori primari, normalmente tra i 5 e gli 8 m, comporta che un lieve scostamento angolare rispetto all’angolo di riflessione ideale determina una grande deviazione lineare del raggio riflesso dal punto teorico di incidenza sul ricevitore.

Infatti, nel caso dei trough il problema è semplificato dal fatto che gli specchi riflettenti e il tubo ricevitore sono tra loro solidali e, per il corretto puntamento, è sufficiente assicurarsi che la linea che passa tra il tubo ricevitore ed il centro dell’apertura della parabola sia diretto verso il sole. Invece, nel caso degli specchi di Fresnel, il tubo ricevitore è fisso e la corretta posizione dello specchio riflettente dipende, oltre che dalla posizione del sole, anche dalla distanza tra specchio riflettente e tubo ricevitore nonché dalla posizione di questo ultimo rispetto al piano, parallelo a quello del terreno, su cui giacciono i riflettori stessi e che definiscono il piano del campo solare. Per questo motivo, durante il puntamento solare, ogni pannello riflettore ha un proprio angolo di puntamento e assume una posizione geometrica diversa rispetto ad un sistema di riferimento geometrico fisso, ad esempio, il piano del campo solare.

La non perfetta calibrazione dei riflettori primari porta all’impiego di tubi assorbitori con diametro di notevoli dimensioni, al fine di compensare gli errori di puntamento. Per questo motivo, il fluido vettore maggiormente impiegato in questo tipo di applicazioni risulta essere l’acqua.

Purtroppo, però, l’impiego di acqua ad alta temperatura determina problematiche non indifferenti di gestione del processo termico che prevede la generazione di vapore acqueo ad alta pressione di difficile impiego nell’accumulo termico di calore.

Dunque, il problema principale è quello di realizzare pannelli riflettenti economici senza penalizzare la precisione del puntamento del tubo assorbitore.

Sommario dell’invenzione

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un pannello riflettente atto a risolvere il suddetto problema.

E’ oggetto della presente invenzione un pannello riflettente, in particolare per un impianto solare termico a concentrazione che, conformemente alla rivendicazione 1, comprendente un elemento strutturale portante rigido su cui è attaccata una lamina specchiata flessibile; l’elemento strutturale portante essendo conformato in modo da imporre alla lamina specchiata una curvatura desiderata.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione detto dispositivo trova migliore applicazione quando l’elemento strutturale portante è un estruso aperto o chiuso. In particolare, quando l’elemento strutturale portante comprende una pluralità di zone di rilievo atte a imporre alla lamina specchiata una curvatura desiderata, inoltre, quando de dette zone di rilievo sono delle costolette parallele ad una direzione di estrusione dell’elemento strutturale portante.

Vantaggiosamente, dette zone di rilievo possono essere lavorate, al fine di correggere le tolleranze di estrusione, operando per levigatura o asportazione di truciolo lungo delle linee rette piuttosto che su una superficie tridimensionale.

Le rivendicazioni dipendenti descrivono realizzazioni preferite dell’invenzione, formando parte integrante della presente descrizione.

Breve descrizione delle Figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, di un pannello riflettente, in particolare per un impianto solare termico a concentrazione, illustrato a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle unite tavole di disegno in cui:

la Fig. 1 rappresenta il principio di funzionamento di un impianto solare termico a concentrazione;

la Fig. 2 rappresenta uno schema di impianto solare termico a concentrazione secondo il presente trovato;

la Fig. 3 raffigura una vista prospettica di una parte solare dell’impianto schematizzato in figura 2;

la Fig. 4a raffigura una forma che acquisisce una parte riflettente di un pannello riflettente definente la parte solare di figura 2, quando appoggiata su un elemento strutturale portante;

la Fig. 4b raffigura un elemento strutturale portante della parte riflettente del pannello riflettore secondo la figura precedente;

la Fig. 5 raffigura schematicamente un raggruppamento di pannelli riflettenti allineati compresi dalla parte solare secondo la figura precedente;

la Fig. 6 rappresenta schematicamente l’accoppiamento di ciascun raggruppamento di pannelli riflettenti con un opportuno numero di mezzi di movimentazione necessari all’inseguimento del sole da parte della parte solare dell’impianto;

la Fig. 7 rappresenta schematicamente un sistema di controllo e supervisione dell’impianto secondo la figura 2;

la Fig. 8 rappresenta una fase di calibrazione di un raggruppamento di pannelli riflettenti;

la Fig. 9 rappresenta una vista prospettica di un impianto di figura 2, con in evidenza, una riflessione della radiazione solare da parte di un raggruppamento di pannelli riflettenti su un elemento are dell’impianto;

la Fig. 10 rappresenta la variazione dell’angolo di riflessione secondo una direzione dell’allineamento del raggruppamento dei pannelli riflettenti durante un anno.

Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti.

Descrizione in dettaglio di una forma di realizzazione preferita dell’invenzione

Un impianto solare termico a concentrazione preferito comprende secondo le figure 1 e 2,

- un modulo di raccolta e concentrazione 1 della radiazione solare, rappresentata con le frecce tratteggiate, comprendente un riflettore primario 11 ed almeno un ricevitore 12, questo comprendente un tubo assorbitore 13 e un riflettore secondario 14;

- pompe e rete di trasporto 2 di un fluido termovettore;

- un sistema di accumulo termico 3;

- scambiatori di calore 4 per accoppiamento solare-ORC;

- scambiatori di calore ORC 5;

- una turbina ORC 6;

- un alternatore 7;

- pompe e rete di trasporto 8 di un fluido di lavoro ORC.

Il modulo di raccolta e concentrazione 1 della radiazione solare comprende, dunque, i seguenti elementi:

- riflettore primario 11;

- una struttura di sostegno del riflettore primario 21;

- un tubo assorbitore 13;

- un riflettore secondario 14;

- una struttura di sostegno del riflettore secondario 24, rappresentata in figura 3; - un sistema di attuazione 15 dell’inseguimento del sole da parte del riflettore primario 11;

- un sistema di controllo e supervisione 17 del sistema di attuazione 15;

Dunque, il modulo di raccolta e concentrazione 1 comprende l’accoppiamento del riflettore primario 11, riflettore secondario 14 e tubo assorbitore 13; la movimentazione del riflettore primario è realizzata a mezzo di strutture di supporto, attuatori e sistemi di controllo.

Inoltre, così come mostrato con l’aiuto delle figure 3, 5 e 6, i pannelli riflettenti sono allineati a formare delle stringhe 11A, 11B, etc.. Ciascuna stringa comprende, dunque, un certo numero di pannelli riflettenti 30 solidali tra loro e sorretti in modo che solidalmente possano ruotare attorno all’asse baricentrico α che attraversa tutti i pannelli per inseguire la radiazione solare, convogliandola sul tubo assorbitore.

Dunque, ciascuna stringa, per potersi muovere, è accoppiata meccanicamente ad almeno un moto-riduttore.

Il riflettore primario comprende almeno un pannello riflettore 30. Le dimensioni preferite di tale pannello sono 450x2700 mm. Inoltre, esso è leggermente curvo per aumentare il suo potere di focalizzazione della radiazione solare sul tubo assorbitore. Il raggio di curvatura preferito della superficie riflettente è dell’ordine dei 13 m che si traduce in un incurvamento lungo il lato corto, date dette dimensioni preferite, di circa 2 mm, così come mostrato in figura 4a. Un pannello riflettore 30 definente un riflettore primario 11 comprende:

- un elemento strutturale portante rigido 31 in estruso, di cui un esempio è mostrato in figura 4b, preferibilmente in alluminio, sulla cui faccia superiore, ovvero quella rivolta al sole, viene incollato una lamina specchiata;

- una lamina specchiata 32, preferibilmente uno specchio sottile piano sufficiente flessibile, ad alta riflettività e di lunga durata.

L’elemento strutturale è realizzato per estrusione e può avere un profilo aperto o chiuso. Detto elemento comprende una pluralità di costole, sulla faccia superiore, sulle quale viene successivamente attaccata la lamina specchiata 32.

L’elemento strutturale supporta meccanicamente e impone i vincoli geometrici alla superficie specchiata, la quale è sufficientemente sottile da assumere per deformazione elastica, quando sottoposta a una leggera pressione, la curvatura imposta dall’elemento strutturale rigido. I due elementi sono tenuti assieme da una opportuna colla atta a garantire, oltre all’accoppiamento meccanico, la stabilità di adesione nel lungo periodo, almeno 25 anni, e la compensazione delle deformazioni indotte dalle dilatazioni termiche differenziali dei materiali.

La curvatura impressa alla lamina specchiata dipende dall’altezza delle costole su cui si appoggia la lamina specchiata.

Pare subito evidente che una lavorazione di fresatura, lungo la lunghezza di poche costole è assolutamente più semplice ed economica che la fresatura di un corpo pieno, al fine di ottenere la corretta curvatura della superficie riflettente.

La soluzione mostrata è in grado di combinare precisione, rapidità e bassi costi. Il punto di partenza è un profilo estruso, sia esso chiuso o aperto, di forma e materiale metallico o non metallico tali da garantire la desiderata resistenza alle deformazioni. La superficie del profilo estruso di partenza, in cui sarà incollato il lamina specchiata di vetro o altro materiale, è circa piana, tenute in conto le tolleranze di fabbricazione del processo di estrusione, e presenta lungo la direzione longitudinale, quattro o più costole alte preferibilmente da 2 a 10 mm, sempre in relazione alla tolleranza di fabbricazione, e spesse da 1 a 4 mm. Le costole dell’estruso sono fresate a mezzo di una macchina utensile a controllo numerico sino a far coincidere la geometria della superficie fresata con quella di un segmento di cilindro o di parabola o di altra curva avente curvatura coincidente con quella obiettivo.

Dunque, rispetto alla fresatura di larghe aree in uno spazio 3D, la lavorazione delle costole è un processo bidimensionale che procede lungo linee, quelle appunto definite dalle costole. In particolare, le superfici da fresare sono delle aree rettangolari lunghe e strette, quasi planari, con un rapporto tra lato lungo e corto dell’ordine delle migliaia di unità.

In alternativa una lamina riflettente metallica può essere saldata alle costole con tecniche di saldatura laser. La curvatura assunta dalla lamina negli spazi “intercostali” assume la forma di una curva “cubica” la cui curvatura dipende principalmente dalle caratteristiche meccaniche del materiale e dal suo spessore, ovvero dal momento d’inerzia della sezione e dal modulo di elasticità longitudinale o di Hooke. A seconda del valore di questi due parametri caratteristici della lamina riflettente si determina il numero di costole necessario perché la superficie cubica definita dalla lamina specchiata 32 approssimi con sufficiente accuratezza la superficie teorica voluta.

Si preferisce, dunque, che l’elemento strutturale portante rigido 31 in estruso abbia 4-6 costole.

In una realizzazione preferita del pannello riflettore 30, esso è realizzato con profili estrusi di alluminio e lamine specchiate in vetro spesse 1 mm circa.

Oltre alla velocità della lavorazione, i vantaggi di questa tecnica sono:

1) la possibilità di utilizzare semilavorati estrusi come elemento strutturale, avendo risolto, con il processo di lavorazione sopra identificato, il problema delle tolleranze di fabbricazione dei profilati, troppo alte rispetto ai vincoli stringenti di precisione geometrica associati alle applicazioni ottiche nel settore del solare a concentrazione. I semilavorati estrusi sono facilmente reperibili nel mercato, fabbricabili in grandi volumi e consentono di poter variare con grande facilità il disegno del loro profilo senza che ciò si rifletta sul costo del semilavorato;

2) la possibilità di variare la curvatura della lamina riflettente semplicemente variando un parametro del programma di lavoro della macchina utensile. In tal modo, la variazione della curvatura può essere ottenuta “on-fly”, cioè senza la necessità di interrompere la operatività della macchina nella linea di produzione. Inoltre la precisione del pannello può essere ottimizzata in modo “soft”, senza che debba essere modificato l’attrezzaggio della macchina utensile durante il processo produttivo;

3) l’assenza di processi di produzione di tipo termico, tipicamente caratterizzati da un alto costo energetico. Il processo produttivo identificato è condotto interamente a freddo;

4) l’elevato numero di materiali di base utilizzabili sia per l’elemento strutturale estruso che per la lamina riflettente. Nel caso di accoppiamento di materiali con differenti coefficienti di dilatazione termica, è la colla che ha il compito di assorbire le deformazioni derivanti dalle dilatazioni differenziali.

Ciascun pannello riflettente 30 è sorretto da una struttura di sostegno 21 cooperante con un sistema di attuazione 15 comprendente una relativa meccanica di trasmissione del moto di rotazione intorno ad un asse di ciascun pannello riflettente.

Tale sistema di attuazione 15 comprende:

- un moto-riduttore a ruota dentata e vite senza fine,

- mezzi di accoppiamento alla struttura di sostegno 21 e

- mezzi di recupero dei giuochi meccanici.

Il moto-riduttore comprendente, preferibilmente, un motore stepper con precisione angolare di 1,8 gradi ed a bassa potenza e sistema di trasmissione a vite senza fine cooperante con una corona dentata con rapporto di trasmissione pari a 60. Si assume come posizione base, anche detta home, di ciascun azionamento, ai fini del controllo dello stesso, quella corrispondente con una posizione in cui a stringa di pannelli riflettenti risulta essere perfettamente perpendicolare rispetto alla forza di gravità.

Eventuali inaccuratezze del puntamento predittivo, descritto nel seguito, sono corrette da una procedura di calibrazione descritta nel seguito.

Il riflettore secondario 14 comprende anch’esso:

- una struttura portante in estruso, preferibilmente in alluminio sulla cui faccia interna, ovvero quella rivolta verso il riflettore primario, è incollata una superficie, eventualmente lucidata a specchio,

- detta superficie ad alta riflettività comprendente una lamina riflettente di lunga durata e resistente alle alte temperature;

- tubo ricevitore 13,

- riflettore secondario 14

- struttura di sostegno del riflettore secondario 24

- mezzi di recupero degli allungamenti differenziali delle summenzionate parti.

Il sistema di controllo e supervisione 17 del sistema di attuazione 15 comprende: - un sistema di controllo 17a,

- una scheda elettronica 17b, preferibilmente un PIC dall’acronimo anglosassone "Programmable Interface Controller", di controllo del bus e di detto motore stepper, collegata col sistema di supervisione,

- una seconda scheda di controllo preferibilmente PIC 17c di acquisizione di un segnale da un sensore ottico,

- una scheda driver che converte i segnali di controllo a bassa potenza in segnali di potenza e

- una elettronica di alimentazione: alimentazione di potenza e alimentazione in bassa potenza per i segnali di controllo;

- un sensore ottico di calibrazione S, collocato opportunamente in prossimità del tubo ricevitore e solidale con esso;

- un sistema di supervisione 17d.

Una scheda preferibilmente PIC gestisce la movimentazione di un moto-riduttore e dunque di una stringa ad esso associata e gestisce la comunicazione con il sistema di controllo 17a e dunque di supervisione 17d tramite un opportuno bus di campo.

Il flusso di dati, che coinvolge il sistema di puntamento, prevede la comunicazione tra:

- il sistema di supervisione e controllo centrale (SCADA) 17d

- i PIC che governano i motori passo-passo (PICm) 17b

- I PIC che governano l’acquisizione delle misure di irraggiamento (PICs) 17c - una stazione meteorologica (meteohandler) 17e.

La comunicazione, come mostrato in figura 7, da/verso i PIC, cioè sia PICm che PICs, è realizzata tramite una rete MODBUS nella quale i PIC giocano il ruolo di nodi slave mentre una unità dedicata, cioè il sistema di controllo 17a svolge il ruolo di nodo master.

Il sistema di controllo 17a comprende una architettura preferibilmente PC-104 e sistema operativo preferibilmente Linux, mentre un software controllo dell’inseguimento solare e puntamento ottimale del tubo assorbitore definisce un sistema di puntamento e calibrazione del puntamento per il recupero costante dei giuochi.

Il software gestisce la comunicazione tra il sensore ottico ed il sistema di attuazione del riflettore primario e implementa una logica di controllo di alto livello per la gestione del funzionamento collettivo dei pannelli riflettori definenti il riflettore primario nel modulo di raccolta e concentrazione.

La figura 6, in relazione alla figura 5, illustra uno schema architetturale del sistema di attuazione del modulo di raccolta. Ogni azionamento, comprende almeno un motore stepper controllato dalla scheda PIC. Per semplicità, nel prosieguo del testo si indica con la sigla PICm un azionamento. Poiché la scheda di controllo PIC 17c configurata per acquisire un segnale preferibilmente elettrico prodotto dal sensore ottico S, questa sarà indicata, in seguito, anche con la sigla PICs.

La movimentazione dei pannelli riflettenti viene eseguita calcolando in anticipo, dunque predicendo, la posizione del sole sulla base della conoscenza della posizione geografica in cui è installato l’impianto e del secondo, minuto, ora, giorno e anno.

La calibrazione della posizione delle stringhe, meglio descritta nel seguito, consente di eseguire la regolazione fine della posizione degli specchi in base alle informazioni derivanti dall’acquisizione del segnale luminoso percepito da sensori ottici S disposti in modo opportuno, come spiegato nel resto del documento. Sia la calibrazione, come il puntamento predittivo, viene gestita stringa per stringa. Sia il puntamento predittivo che quello fine, cioè ottenuto grazie alla calibrazione, viene controllato da un’unità di calcolo 17a, basato su hardware di calcolo PC-104 e su sistema operativo Linux, che implementa il controllo di ciascun PICm. Tale unità di calcolo implementa la comunicazione sia verso ciascun PICm che verso il sistema di supervisione 17d dell’impianto (SCADA) comprendente, quest’ultimo, un PC server, preferibilmente basato su sistema operativo Windows®. La comunicazione tra il PC 104 e lo SCADA avviene tramite un opportuno protocollo seriale o TCP/IP su interfaccia seriale o Ethernet. Lo SCADA realizza le funzioni di supervisione sia del riflettore primario che del sistema di movimentazione fluidi, quest’ultimo controllato da una piattaforma PLC, così come schematizzato nella figura 7.

Il software sul PC104 si occupa direttamente della gestione delle stringhe impartendo gli opportuni comandi o a sottogruppi o alla totalità dei PICm. Il PC104 implementa diverse operazioni, tra le quali la generazione delle mappe di velocità giornaliere utilizzando un algoritmo di calcolo della posizione del sole come, ad esempio, l’algoritmo SPA dall’acronimo anglosassone Solar Position Algorithm. Il PC 104 acquisisce altresì le misure relative all’irraggiamento corrente in prossimità del tubo ricevitore, e sulla base di queste effettua la calibrazione o puntamento fine.

L’operazione di calibrazione, meglio descritta nel seguito, prevede da parte del PC104 una sequenza di successive interrogazioni ai PICs e al PICm con essi interagenti, cioè con il PICm che determina la rotazione degli specchi e dunque la riflessione della luce verso i sensori ottici di calibrazione S, il cui segnale elettrico è acquisito dai relativi PICs e trasmesso al PC104.

Dunque, il PC104 comunica indipendentemente attraverso:

(i) una interfaccia seriale per connettersi con la/le reti preferibilmente modbus a cui afferiscono i PICm e PICs e

(ii) un layer di comunicazione seriale o TCP-IP per il dialogo con il sistema di supervisione (SCADA).

Dunque, il PC104 effettua i calcoli astronomici necessari al puntamento predittivo, elabora delle mappe di velocità e gestisce le procedure di calibrazione.

Il sistema di controllo del campo solare che gira sul PC-104 si interfaccia con lo scada che ha il compito di supervisionare il sistema accoppiato “campo solare”-“processo di gestione fluido di lavoro” e “meteohandler”, cioè una centralina meteo 17e, e di impartire comandi di più alto livello al campo solare come, ad es, interrompere l’illuminamento del tubo assorbitore nel caso in cui si riscontrino situazioni di allarme, quali temperature eccessive del fluido di lavoro, oppure mettere il campo solare in condizione di protezione nel caso di condizioni meteoreologiche avverse quale alta ventosità o grandine che potrebbero mettere a repentaglio i funzionamento dei pannelli riflettenti

Il sistema di puntamento e inseguimento solare oggetto della presente invenzione comprende i seguenti processi:

(i) un puntamento e inseguimento di tipo predittivo e

(ii) un affinamento o calibrazione della posizione degli specchi tramite un controllo di posizione in retroazione e

(iii) una calibrazione fine della posizione degli specchi.

Nel puntamento predittivo, che non fa uso di retroazione, la corretta posizione del riflettore primario è calcolata sulla base delle coordinate temporali: anno, mese, giorno, minuti, secondi e sulla base della posizione geografica: latitudine, longitudine e altezza del campo solare sul livello del mare dell’impianto solare e della sua orientazione rispetto all’azimut. La funzione di puntamento predittivo include anche quella di inseguimento solare, cioè l’aggiornamento continuo preferibilmente ogni 10 sec. circa, della posizione dei pannelli riflettenti.

Per eseguire ciò si impiega un algoritmo che descrive il moto apparente del sole e da cui è possibile ricavarne la sua posizione istantanea nella volta celeste.

Il puntamento predittivo, in teoria estremamente preciso, non può tenere però conto delle imprecisioni che derivano dai giuochi indotti delle meccaniche di trasmissione e dal controllo e attuazione dei motori elettrici. Quando questi errori assumono un comportamento sistematico, tendono ad accumularsi nel tempo compromettendo la precisione complessiva del puntamento.

Si rende quindi necessaria una correzione periodica o calibrazione della posizione angolare dei pannelli riflettenti.

Una soluzione immediata sarebbe quella di impiegare sensori ottici. Purtroppo però nel contesto dei sistemi di concentratori di Fresnel l’uso di sensori ottici di supporto al puntamento solare pone alcuni problemi che non si riscontrano in altre tipologie di campi solari a concentrazione lineare. In particolare, non è sufficiente che il sensore rilevi la direzione di provenienza del fascio luminoso della sorgente solare e quindi del sole, ma si rende necessario che esso individui la direzione del fascio di raggi riflessi dal pannello riflettente. Si richiede, dunque, che un sensore ottico sia solidale col tubo ricevitore che è fisso.

Verrebbe, dunque naturale posizionare un sensore ottico lungo la linea di focalizzazione della radiazione riflessa, ovvero in corrispondenza del tubo ricevitore. Questa soluzione non è attualmente praticabile per via delle temperature elevate e della alta intensità di radiazione presente nella linea di focalizzazione che può essere indicativamente compresa tra 40 e 80 soli.

Inoltre, anche se sono disponibili sensori in grado di lavorare con intensità di fascio delle radiazioni solari concentrate, questi risultano scarsamente sensibili, per cui sorge l’ulteriore problema di captare la variazione di intensità della radiazione riflessa da un numero limitato di pannelli riflettenti sottoposti ad una procedura di calibrazione, oppure nel caso di una giornata di scarsa insolazione. Il presente trovato prevede che il sensore ottico sia solidale col tubo assorbitore, ma fuori dalla zona di massima focalizzazione della radiazione luminosa pur rimanendo vicino al tubo ricevitore stesso. Infatti, la scarsa sensibilità di tali sensori comporta che, quando un numero limitato di pannelli riflettenti esegue la calibrazione, la variazione massima di illuminazione percepita risulta essere del medesimo ordine di grandezza delle variazioni casuali di intensità di radiazione riflessa dovuta a cause esterne non controllabili ne prevedibili quali, ad esempio, le oscillazioni dei pannelli riflettenti dovute all’azione del vento o alla variazione repentina del livello di insolazione dovuta a condizioni meteo caratterizzate da nuvolosità variabile.

Una soluzione conforme al presente trovato prevede che il sensore ottico sia solidale col tubo assorbitore, ma fuori dalla linea di focalizzazione della radiazione luminosa pur rimanendo vicino al tubo ricevitore.

Acquisita, in fase di installazione del campo solare, la distanza angolare tra sensore ottico e tubo ricevitore percepita da ciascun pannello riflettore, tale distanza angolare resta memorizzata in termini di distanza angolare nel sistema di controllo, PC-104 e/o PICm, di ogni attuatore elettrico che contribuisce alla movimentazione della relativa stringa.

Quindi ciascun attuatore del pannello riflettente, una volta individuata la posizione del sensore ottico tramite il suo fascio di raggi riflessi, è in grado di ruotare il pannello riflettore stesso per indirizzare precisamente la riflessione della radiazione solare verso il tubo ricevitore.

Durante la procedura di calibrazione, poiché non è perfettamente nota la posizione del sensore ottico, ogni pannello ruota di un intervallo angolare sufficiente per permettere alla radiazione riflessa di spazzare un angolo necessario a colpire il sensore ottico. Descrivendo più in dettaglio questa procedura, all’inizio della fase di calibrazione il sensore ottico è nello stato non illuminato e registra soltanto i valori di illuminazione della radiazione solare ambientale ovvero quella che non proveniente dai pannelli riflettenti, essendo il sensore posizionato in ombra rispetto alla radiazione solare diretta.

Durante il passaggio della radiazione riflessa dallo specchio durante il movimento rotatorio intorno al suo asse, il sensore ottico registra un iniziale aumento di luminosità e la successiva diminuzione una volta che il fascio di raggi riflessi è passato oltre. Il segnale ottico rilevato dal sensore viene registrato dall’elettronica di controllo ed elaborato.

Allora, si individua il momento temporale di massima illuminazione del sensore ottico e si determina la corrispondenza con la posizione angolare del pannello riflettente, infatti anche quest’ultima viene registrata dall’azionamento, in particolare dal PICm. Una volta individuata con precisione la posizione del sensore, il sistema di controllo 17a e attuazione 17b riposizionano la stringa nella corretta posizione di focalizzazione. Come detto in precedenza, questa operazione è possibile poiché ogni attuatore conosce in relazione alla sua posizione nel campo la distanza angolare tra il sensore ottico e il tubo ricevitore.

Almeno una stringa alla volta, per esempio la 11A di figura 8, esegue la calibrazione ruotando in modo tale da riflettere verso il sensore anziché verso il tubo ricevitore. Dopo avere ottimizzato la posizione, si opera il “rifasamento”, applicando alla pannello riflettente o alla stringa una rotazione inversa alla precedente pari a detta distanza angolare tra il sensore ottico e il tubo ricevitore a partire dal punto di massimo illuminamento del sensore ottico di calibrazione.

Durante la giornata e durante l’arco dell’anno, la luce riflessa da ciascuno specchio colpisce porzioni via, via differenti del tubo ricevitore, in accordo sia con le rotazioni dello specchio che con le variazioni di azimut ed elevazione del raggio incidente. Quindi, in sede di processamento dei segnali fornite dai vari sensori di illuminamento S1, S2, S3, etc., il comando segnale che viene impiegato per il riallineamento fine degli specchi deve essere conosciuto e quindi deve essere conosciuta su quale porzione di tubo, e quindi su quale sensore, stia riflettendo un dato specchio in quel momento, così come illustrato in figura 9. Infatti, nei mesi invernali il sole risulta essere più basso sull’orizzonte, per cui i raggi riflessi risultano spostarsi lungo la linea di concentrazione del ricevitore. Per questo motivo sono impiegati più sensori ottici per tenere contadi questo fatto. La procedura di calibrazione si esegue sequenzialmente sulle varie stringhe di specchi. Il tempo di calibrazione per ciascuna stringa è piccolo e non dovrebbe preferibilmente eccedere il tempo di qualche secondo.

Al momento di attivazione della procedura, la stringa di specchi oggetto della calibrazione si trova in prossimità della posizione ottimale. Vi sono difatti componenti di errore dovute a disallineamenti tra una stringa di specchi e tubo ricevitore, ed a giochi di natura meccanica che ne determinano il non ottimale posizionamento.

Al modulo viene applicata una rotazione volta a fare in modo che il raggio riflesso si sposti dal tubo ricevitore all’alloggiamento in cui è posto il sensore. L’entità di tale rotazione, detta “sfasamento”, dipende sia dalla posizione relativa tra lo specchio, il tubo ricevitore, ed il sensore, cioè da dati geometrici noti in sede di progetto, sia dalla direzione di incidenza del raggio solare.

L’angolo di sfasamento ha dunque variabilità giornaliera ed è pertanto funzione dell’istante in cui avviene la calibrazione.

Durante tale procedura il PC104 comunica semplicemente a tutti gli slave (in broadcast) un comando all’interno del quale viene incluso nello specifico TAG di comunicazione l’identificativo dell’unica stringa soggetta a calibrazione. Il o gli slave sono in questo caso i PICm relativi alla stringa di specchi da calibrare.

Si preferisce che la calibrazione venga effettuata movimentando una linea intera di pannelli riflettenti, ciascuna linea potendo comprendere più di una stringa e dunque più di un azionamento. Allora, gli specchi di una data linea si muovono simultaneamente e in maniera sincrona perchè ogni stringa colpisce uno o più sensori ottici di calibrazione diversi da quelli colpiti da un’altra stringa definente la medesima linea di pannelli.

Si preferisce che si effettui dapprima una procedura di calibrazione basata sulla identificazione di un sensore ottico colpito durante lo sfasamento della stringa soggetta a calibrazione e successivamente si esegue una procedure di calibrazione fine.

Una procedura di calibrazione fine prevede che a partire da una posizione approssimativamente corretta di puntamento del sensore ottico, si inizia una procedura di calibrazione fine che prevede l’effettuazione di piccole rotazioni prossime a detta posizione. In questo modo registrando insieme posizione e grado di illuminamento del sensore ottico si desume la posizione che massimamente illumina il sensore ottico.

Si preferisce che sia il sistema di controllo PC-104 a soprassedere alla procedura di calibrazione, compiendo la quasi totalità delle elaborazioni necessarie.

Il PC-104, in successione, interroga i sensori e impartisce comandi di movimento per i PICm.

Alternativamente, le elaborazioni assegnate preferibilmente al PC-104 possono essere compiute dai PICs.

La procedura preferita di ricerca del punto di massimo, prevede il sistematico raggiungimento di un certo numero di posizioni sufficientemente prossime alla posizione iniziale. Tali posizioni non necessariamente distano fra di loro un passo singolo del motore stepper. Per velocizzare la procedura di ricerca, si effettuerà una prima scansione con un passo angolare pari a diverse unità di step, volto a identificare rapidamente un intervallo più ridotto all’interno del quale concentrare la ricerca della posizione di massimo illuminamento del sensore.

Una volta effettuato l’allineamento iniziale, la procedura prevede che dapprima si effettuino un certo numero di spostamenti pari ad un numero di step o passi motore, dell’ordine della decina (dieci nel caso qui illustrato) e in ciascuna delle posizioni si legge e si memorizzi la misura. Sia preferibilmente N=10 volte; x=10 passi; y=10 ms.

All’istante iniziale, cioè con lo specchio nella posizione corrispondente all’allineamento iniziale, si acquisisce e si memorizza la lettura del sensore.

Poi per N=10 volte:

1. Esegui una rotazione di x=10 passi in senso orario

2. attendi y=10 ms per far stabilizzare la misura del sensore

3. Leggi la misura del sensore

4. Inserisci la misura di luminosità in un vettore

5. Ritorna ad 1

Poi si ritorna nella posizione di partenza (percorrendo cioè, nel caso precedente, N x = 100 passi in senso antiorario), e per N=10 volte si riapplica il medesimo algoritmo 1-2-3-4-5 ma imponendo assi in senso antiorario. Al termine della procedura si ha un vettore di 2N+1=21 elementi. Identificando il valore massimo nel vettore, dalla posizione di quest’ultimo nel vettore si può risalire alla posizione in corrispondenza della quale si è verificata la massima lettura del sensore. La ricerca può essere ora affinata rieseguendo la mappatura fine delle due regioni, ciascuna di “ampiezza” x=10 passi motore, rispettivamente a destra ed a sinistra del punto di massimo. Si devono pertanto assumere tutte le posizioni intermedie. Si può pensare che si debba ripetere la procedura 1-2-3-4-5 con x=1, a partire dalla posizione di massimo rilevata. Al termine di questa seconda fase di ricerca fine si è ottenuta la posizione di massimo assoluto, naturalmente a meno di un errore intrinseco pari a mezzo passo di motore.

Vi è una alternativa alla esecuzione della seconda fase di ricerca fine. La posizione del massimo può essere stimata all’interno dell’intervallo [-10 , 10] analizzando il gradiente delle misure e facendo una approssimazione parabolica della caratteristica tensione-step.

A titolo di esempio, in presenza di tre misure come quelle riportate nella tabella precedente, si potrebbe stimare che il punto di massimo sia collocato tra 30 e 40 ad una distanza dal centro proporzionale al rapporto (2-1.9)/(2-1.8), nella fattispecie il massimo verrebbe approssimato nel punto 35.

Il parametro y, il tempo morto che si deve lasciar trascorrere una volta raggiunto un punto di misura, per fare in modo che la misura del sensore si stabilizzi, dipende dalle caratteristiche del sensore ottico di calibrazione..

Una volta individuato il punto di massimo assoluto (es n=35), si porta la linea di specchi in quella posizione e, successivamente, si applica una rotazione uguale ed opposta a quella dello “sfasamento iniziale”. Dopo tale fase, detta anche di rifasamento, la linea di specchi risulta essere collocata nella posizione ottimale rispetto al tubo ricevitore, e non più rispetto al sensore di misura.

A seguito della ricalibrazione di una linea specchi, andrà eseguita la stessa procedura per la seconda e così via in scansione per tutte le linee. Se si colloca una doppia fila di sensori fuori fuoco, collocati simmetricamente rispetto al tubo ricevitore, queste due regolazioni fini possono avvenire in simultanea sugli specchi lato SX e DX (linee specchi simmetriche).

Al termine della procedura, cioè quando sia stata effettuato il puntamento fine per l’ultima linea specchi, si riparte da capo calibrando la fila 11A, e cosi via. I parametri N=10 volte; x=10 passi; sono da ritenersi dei valori indicativi di massima.

Dunque, è adesso evidente, che un corretto posizionamento del sensore ottico di calibrazione S deve essere sufficientemente vicino al tubo assorbitore, ma non al punto da essere investito dalla luce riflessa dai pannelli durante il normale esercizio, anche in presenza di un non perfetto puntamento del tubo assorbitore. In figura 8 si vede che la stringa 11A sta effettuando la calibrazione mentre le restanti stanno puntando il tubo assorbitore.

I vantaggi nel posizionare il sensore ottico fuori fuoco sono molteplici:

1) il sensore viene investito dalla radiazione proveniente da un unico pannello riflettore alla volta, ed è quindi soggetto ad una radiazione solo leggermente concentrata, compresa tra 3 e 6 soli.

2) è possibile utilizzare sensori ottici di tipo comune e a basso costo in quanto non sussistono condizioni operative di elevata temperatura ed elevata intensità di radiazione che richiederebbero l’uso di sensori più performanti e costosi;

3) sono ridotti i problemi di sensibilità del sensore ottico in quanto vi è una grande differenza di intensità d’illuminazione nel passaggio tra lo stato iniziale (quello non illuminato) e quello in cui viene investito dalla radiazione riflessa del pannello;

4) poiché il processo è seriale e non concorrente (si ricalibra la posizione di un pannello alla volta per sensore ottico) vengono ridotti grandemente i problemi di interazione con il comportamento degli altri pannelli riflettenti che potrebbero determinare una illuminazione variabile sul sensore ottico stesso. Come già citato in precedenza, le variazioni casuali di illuminazione indotte dagli altri pannelli riflettenti potrebbero mascherare quelle generate intenzionalmente per la calibrazione.

I pannelli riflettenti descritti risultano particolarmente adatti a consentire una alta precisione ottica della superficie specchiata a bassi costi. Il pannello risulta possedere un’elevata rigidità strutturale per garantire una elevata precisione ottica con deviazioni angolari inferiori a 1 mrad anche in condizioni di alta ventosità.

D’altro canto, la precisione della movimentazione delle stringhe di pannelli riflettenti consentono di garantire alti vincoli progettuali, ed ottenere prestazioni di concentrazione della radiazione solare del campo solare sul tubo ricevitore simili se non superiori a quelli ottenibili dai sistemi trough.

Grazie all’insieme delle soluzioni proposte, si rende possibile impiegare un tubo ricevitore di piccola sezione, entro cui diventa possibile far scorrere fluidi termovettori tipo oli diatermici sintetici che possono raggiungere una temperatura massima di esercizio superiore a 300 °C, rendendo possibile un grosso miglioramento nella gestione del processo di movimentazione dei fluidi di lavoro a olio diatermico e dello stoccaggio dell’energia termica per il funzionamento dell’impianto anche nelle ore di soleggiamento scarso o assente.

Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite possono essere combinate senza peraltro uscire dall’ambito di protezione della presente domanda.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Pannello riflettore, in particolare per impianti solari termici a concentrazione, comprendente un elemento strutturale portante (31) rigido su cui è attaccata una lamina specchiata (32) flessibile; l’elemento strutturale portante essendo conformato in modo da imporre alla lamina specchiata una curvatura desiderata.
2. 2. Pannello riflettore secondo la rivendicazione 1, in cui l’elemento strutturale portante (31) è un estruso aperto o chiuso.
3. 3. Pannello riflettore secondo le rivendicazioni precedenti, in cui l’elemento strutturale portante (31) comprende una pluralità di zone di rilievo (33) atte a imporre alla lamina specchiata una curvatura desiderata.
4. 4. Pannello riflettore secondo le rivendicazioni 2 e 3, in cui dette zone di rilievo (33) sono delle costolette parallele (33) ad una direzione di estrusione dell’elemento strutturale portante (31).
5. 5. Pannello riflettore secondo la rivendicazione 4, in cui sono maggiormente rilevanti le costolette periferiche al fine di rendere la lamina specchiata concava.
6. 6. Pannello riflettore secondo le rivendicazioni precedenti, in cui il numero di costole (33) necessario è determinato in relazione alla rigidezza del materiale definente la lamina specchiata, in modo che la lamina definisce una superficie cubica approssimante detta curvatura desiderata.
7. 7. Pannello riflettore secondo le rivendicazioni precedenti, in cui dette costole (33) hanno altezza compresa tra 2 a 10 mm e spessore compreso tra 1 e 4 mm.
8. 8. Metodo di fabbricazione di un pannello riflettore, in particolare per impianti solari termici a concentrazione, comprendente un fase di estrusione di un elemento strutturale portante (31) e l’attaccatura di un lamina specchiata (32) flessibile su una sua superficie di attaccatura; essendo detta superficie di attaccatura conformata in modo da imporre alla lamina specchiata vincoli geometrici che le conferiscono una curvatura desiderata.
9. 9. Metodo di fabbricazione secondo la rivendicazione 9, in cui detta superficie di attaccatura comprende un opportuno numero di costolette (33) parallele alla direzione di estrusione dell’elemento strutturale portante (31).
10. 10. Metodo di fabbricazione secondo la rivendicazione 9, in cui dopo la fase di estrusione segue una fase di spianatura di dette costolette.
11. 11. Impianto solare termico a concentrazione comprendente un pannello riflettore secondo una rivendicazione da 1 a 7.