ITRM20100368A1 - Impianto a concentrazione solare tramite spacchi piani con un sistema di inseguimento ad un grado di liberta' facente uso di moduli fotovoltaici posti in posizione fissa e irradiati dalla sola radiazione riflessa dagli specchi - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione avente per TITOLO:

"Impianto a concentrazione solare tramite specchi piani con un sistema di inseguimento ad un grado di libertà facente uso di moduli fotovoltaici posti in posizione fissa e irradiati dalla sola radiazione riflessa dagli specchi"

L'invenzione riguarda un impianto solare per la produzione di energia elettrica tramite moduli fotovoltaici di tipo tradizionale dotato di un sistema di concentrazione solare formato da specchi solari piani (eventualmente leggermente convessi) mobili attorno ad un asse fisso, quindi ad un grado di libertà, a cui è delegato il compito di riflettere la radiazione solare sui moduli stessi posti in posizione fissa e rialzata rispetto agli specchi ed aventi il lato sensibile rivolto verso gli specchi stessi (rif. Tav.l). Là produzione di energia elettrica è quindi legata alla sola radiazione riflessa dato che i moduli non vengono investiti dalla radiazione solare diretta (Tav.l - 4). .Gli specchi si estendono longitudinalmente per una lunghezza mglto superiore alla loro larghezza caratteristica (Tav.l - 1) e sono fissati ad un piano (generalmente il piano del terreno, Tav.l - 5) e hanno il grado di libertà rotazionale attorno al proprio asse principale (Tav.2 - 2), o ad un asse parallelo a questo. La regolazione dell'inclinazione di ciascuno specchio (o fila di specchi) consente di proiettare la radiazione solare su un piano fisso parallelo al terreno posto in posizione rialzata, la porzione irradiata di piano in direzione normale all'asse longitudinale è indipendente dagli angoli di elevazione e azimut del sole, mentre il forte allungamento della fila stessa permette che una porzione rilevante del piano del ricettore in direzione longitudinale sia costantemente irradiata (rif. Tav.l). L'intersezione della porzione irradiata del piano ricettore con l'asse normale all'asse longitudinale degli specchi è costante come detto prima, mentre la sua estensione e posizione longitudinale è variabile in funzione degli angoli di elevazione e azimut del sole. A questo punto è possibile utilizzare una porzione del piano ricettore (Tav.l - 2) per installare dei pannelli fotovoltaici di tipo tradizionale disposti con il lato sensibile (o il più sensibile dei due iati) nella direzione dei raggi riflessi dagli specchi (Tav.l - 4). L'estensione e posizione dei moduli sul piano ricettore dipende da considerazioni di efficienza di impianto e non coincide necessariamente con la porzione di detto piano sempre irradiata dalia radiazione solare. Questa porzione verrà detta d'ora in avanti semplicemente ricettore e richiede una opportuna struttura di supporto (Tav.l - 3). L'impianto è stato definito a concentrazione perché è possibile disporre più file parallele di specchi regolate in modo indipendente così da direzionare la radiazione solare sempre sul ricettore. Un modo efficiente di disporre tali file di specchi è quello simmetrico sul piano del terreno rispetto all'asse del ricettore (Tav.l - 1). Il numero di file determina il fattore di concentrazione dell'impianto stesso.

Stato della tecnica ed elementi di novità

Al momento della presentazione di questo brevetto sono disponibili sul mercato pannelli fotovoltaici a concentrazione in cui la concentrazione sola're avviene all'interno del modulo stesso tramite lenti a rifrazione, tali pannelli non sono compatibili con lo schema proposto, basato su un sistema di concentrazione a specchi, che richiede l'utilizzo di pannelli di tipo convenzionale. Sul mercato esistono già specchi sviluppati specificamente per riflettere la radiazione solare di cui l'impianto prevede l'utilizzo. Attualmente esistono impianti con pannelli fotovoltaici tradizionali posti su un meccanismo di inseguimento (esistono diverse varianti di quest'ultimo) in cui sono montati specchi solari solidali al meccanismo stesso che consentono di incrementare lievemente la radiazione solare incidente sul pannello (generalmente massimo 1,5 volte rispetto ad un impianto fisso); la maggior quota è comunque costituita dalla radiazione incidente direttamente sul pannello stesso. Gli elementi di novità della presente invenzione rispetto a detti impianti sono costituiti dal fatto che i pannelli fotovoltaici in questo caso sono fissi e vengono irradiati unicamente dalla radiazione riflessa dagli specchi, il cui sistema di movimentazione è ad un solo grado di libertà, con lo scopo di raggiungere una concentrazione solare maggiore di 7-8 vòlte rispetto ad un impianto fisso. La movimentazione ad un grado di libertà distingue tale schema dai tradizionali sistemi di inseguimento a due assi utilizzati negli impianti a concentrazione solare con un singolo punto focale (tipicamente di tipo termodinamico). Un ultimo cenno si fa al classico sistema di concentrazione solare basato su specchi parabolici con forte allungamento dotati di un grado di libertà assiale il cui scopo è concentrare sempre nel medesimo punto (normalmente un tubo per il riscaldamento dell'acqua) la radiazione solare; la differenza tra tale schema di impianto e il sistema qui proposto è nell'utilizzo di file multiple (non possibile nel sistema precedentemente descritto) di specchi piani (non parabolici), in cui la concentrazione solare è data dalla somma delle radiazioni riflesse dalle diverse file di specchi e non è delegata ad uno specchio solare a concentrazione.

Geometria e schema di impianto

Riassumendo gli argomenti trattati sopra l'impianto è costituito da n file di specchi fortemente allungati con possibilità di ruotare attorno al proprio asse longitudinale giacenti su un piano di riferimento (Tav.l - 1). Su un piano parallelo al primo, in posizione rialzata, è disposto un organo ricettore costituito da uno o più pannelli fotovoltaici di tipo tradizionale (Tav.l - 2) la cui superficie sensibile è diretta verso la radiazione riflessa dagli specchi, quindi verso gli specchi stessi (Tav.l^- 4). Tale ricettore è qui considerato fisso (non lo è necessariamente). Il movimento delle file di specchi avviene attorno ad un asse fìsso per ciascuna fila ed è debitamente attuato (rif. Tav.2).

Parametri fondamentali

1) Posizione ed estensione dei ricettore : come premesso nel paragrafo precedente il ricettore è costituito da uno o più pannelli fotovoltaici posizionati sul piano del ricettore e il suo asse di simmetria è coincidente con l'asse del ricettore.

2) Numero e posizionamento degli specchi : Il fattore di concentrazione può essere ovviamente massimizzato aumentando il numero di file parallele di specchi, ma per evitare fenomeni di ombreggiamento, le diverse file dovranno essere distanziate in modo opportuno. Questo limita il numero massimo di file di specchi a parità di posizionamento dei ricettore

3) Distanza del piano del ricettore dal terreno : per ridurre fenomeni di ombreggiamento tra le diverse file di specchi e in ultima analisi aumentare il fattore massimo di concentrazione è necessario aumentare la distanza tra il piano del terreno e il piano del ricettore, la cui altezza è vincolata solamente ad esigenze di natura strutturale e di installazione / manutenzione.

Movimentazione delle file di specchi

La movimentazione di ciascuna fila di specchi può avvenire tramite la definizione di un triangolo con un lato deformabile (tramite un attuatore lineare, Tav.2 - 2), un altro lato solidale con lo specchio stesso (Tav.2 - 6), e l'ultimo lato fissato al piano del terreno {Tav.2 - 3). L'asse parallelo all'asse longitudinale dello specchio passante per il punto comune al lato solidale allo specchio e a quello solidale al terreno definisce l'asse di rotazione dello specchio (Tav.2 - 1). Alle estremità dei diversi lati del triangolo sono posizionati dei giunti sferici (Tav.2 - 4). Le diverse file di specchi non richiedono una movimentazione indipendente ma possono essere movimentate da un cinematismo di tipo quadrilatero articolato che definisce un-rapporto costante tra le escursioni angolari delle diverse file con un sistema di movimentazione definito unicamente su una delle diverse file (Tav.2 - 5).

Strategie di gestione

La gestione della movimentazione degli specchi ha lo scopo primario di concentrare la radiazione solare sul ricettore indipendentemente dagli angoli di elevazione e azimut del sole. Ciò significa che la potenza prodotta dall'impianto è direttamente proporzionale alla radiazione incidente come ogni impianto fotovoltaico tradizionale, a parte certe condizioni estreme in cui l'impianto potrebbe non riuscire a compensare angoli estremi di azimut e/o elevazione (sera o mattina presto) . Una gestione più efficace può però prevedere di concentrare la radiazione solare solo nei momenti in cui questa è relativamente debole (cielo non limpido, sole non allo zenit, mesi invernali ...) in modo da dimensionare l'impianto e i suoi organi ausiliari (inverter, cavi, contatori ...) su una potenza nominale minore di quella massima teoricamente raggiungibile, garantendo però una minore variazione di potenza elettrica prodotta in funzione delle diverse condizioni ambientali, con lo scopo di massimizzare la rendita economica dell'impianto stesso. Inoltre una gestione di questo tipo ridurrebbe i rischi per i moduli fotovoltaici derivanti da una esposizione occasionale a picchi di potenza irradiante e conseguente aumento di temperatura, facilmente evitabile considerando come parametro fondamentale per il sistema di gestione anche la temperatura dei moduli.

Accessori e impianti ausiliari

Il fattore di concentrazione relativamente elevato delia radiazione solare provoca diversi effetti secondari, oltre alla voluta moltiplicazione della potenza dejja radiazione incidente sui moduli fotovoltaici e la conseguente moltiplicazione della potenza -prodotta dall'impianto. Infatti dalla letteratura e studi di settore emerge che all'aumentare della potenza incidente aumenta anche il rendimento dei moduli fotovoltaici; oltre a questo effetto benefico aumenta però necessariamente la temperatura dei moduli stessi e la conseguenza-di un aumento di temperatura è una riduzione di rendimento che compensa almeno in parte il benefico effetto della concentrazione precedentemente descritto. E' quindi necessario ridurre la temperature dei moduli il più possibile. La collocazione del ricettore in posizione elevata favorisce il moto convettivo dell'aria circostante provvedendo ad un sistema di raffreddamento spontaneo e proporzionale alla temperatura del modulo. Si può prevedere un sistema di raffreddamento forzato tramite ventole a loro volta alimentate da pannelli fotovoltaici secondari; l'attivazione di questo sistema sarebbe quindi già legata alla radiazione solare incidente e di conseguenza sarà attivata nel momento più critico per l'impianto stesso.

Claims (1)

1. Rivendicazioni 1) Uso di specchi piani (o leggermente convessi) multipli dotati di un solo grado di libertà attorno ad un asse fisso per concentrare la radiazione solare su un ricettore fisso dedicato costituito da pannelli fotovoltaici 2) Utilizzo di pannelli fotovoltaici di tipo tradizionale in posizione fissa e rialzata rispetto al piano del terreno in un sistema a concentrazione basato suH'utilizzo di specchi solari piani (o leggermente convessi), diretti nel verso degli specchi, -investiti quindi dalla sola radiazione riflessa 3) Sistema di movimentazione degli specchi attorno ad un asse di rotazione tramite un triangolo con lati solidali al terreno, agli specchi ed infine con un lato deformabile che collega i precedenti due 4) Sistema di trasmissione del movimento tra le diverse file di specchi tramite bielle facenti parte per ciascuna fila di un cinematismo basato sul principio del quadrilatero articolato, definendo in tal modo un rapporto di trasmissione regolabile in fase di progettazione e fisso durante il funzionamento dell'impianto 5) Sistema di raffreddamento dei pannelli fotovoltaici tramite un sistema di circolazione forzata di aria basato su utilizzo di ventilatori alimentati da pannelli fotovoltaici secondari 6) Possibilità di utilizzare sistema descritto per il riscaldamento di acqua o fluidi termici equivalenti