ITRM20100520A1 - Sistema di movimentazione idraulico a contrappesi per un impianto fotovoltaico a concentrazione solare facente uso di specchi piani disposti secondo lo schema di fresnel - Google Patents

Description

ASCRIZIONE dell'invenzione avente per TITOLO:

"Sistema di movimentazione idraulico a contrappesi per un impianto solare fotovoltaico a concentrazione facente uso di specchi piani disposti secondo lo schema Fresnel"

L'invenzione riguarda un sistema di movimentazione per un impianto fotovoltaico a concentrazione con una serie di specchi piani disposti in file parallele secondo lo schema di Fresnel (Tav.l - 1) e con un organo ricettore rialzato costituito da pannelli fotovoltaici rivolti verso gli specchi (Tav.l - 2) , il ricettore è sostenuto da una apposita struttura di sostegno (Tav.l - 3). La movimentazione indipendente di ciascuno specchio si basa sulla regolazione del peso di un contenitore (Tav.l - 4), detto anche nel seguito contrappeso, tramite la variazione della quantità di liquido in esso presente. I diversi contenitori sono poi collegati agli specchi stessi tramite un sistema di tiranti (Tav.l - 5) che garantisce l'attuazione meccanica del sistema. E' possibile raggiungere la posizione angolare istantanea richiesta per ciascuno specchio equilibrando il momento della forza peso, variabile con l'angolo di rotazione dello specchio attorno al proprio asse di rotazione, con il momento della forza peso relativa al contrappeso di massa regolabile (come illustrato in Tav.3 schema A, in cui lo specchio 5 è incernierato attorno al punto 1).

Stato della tecnica

In un impianto a concentrazione solare a riflessione di tipo Fresnel tradizionale, diverse file di specchi piani, a pianta rettangolare, con lunghezza caratteristica molto maggiore della larghezza sono disposte parallelamente sul piano del terreno e possiedono un grado di libertà per la movimentazione attorno al loro asse principale (o ad un asse parallelo a quest'ultimo). Infine un ricettore, nel caso specifico formato da pannelli fotovoltaici, è disposto su un piano rialzato parallelo al terreno e con il lato sensibile rivolto verso gli specchi, quindi verso il basso. La movimentazione indipendente delle diverse file di specchi consente a ciascuna di esse di proiettare la radiazione solare incidente sul ricettore, indipendentemente dall'angolo di incidenza dei raggi solari; la somma dUutti i raggi riflessi dalle diverse file determina il fattore di concentrazione dell'impianto. Lo schema Fresnel tradizionale per la concentrazione solare è attualmente utilizzato perlopiù in applicazioni per il riscaldamento di fluidi termici, ma esistono applicazioni industriali anche per la concentrazione fotovoltaica. Lo schema di impianti a concentrazione di tipo Fresnel presenta il vantaggio economico di avere un solo grado di libertà riducendo quindi i costi di movimentazione rispetto ai sistemi di inseguimento biassiali; ad ogni modo anche in questo tipo di impianto è necessario l'utilizzo di attuatori a comando meccanico, idraulico o pneumatico il cui costo ha un impatto considerevole su quello dell'impianto complessivo. Si consideri a tal proposito che l'attuale diffusione di impianti fotovoltaici ha ridotto notevolmente i costi dei pannelli solari e degli specchi solari. Per contro gli attuatori mantengono un costo considerevole, diventando quindi la voce più rilevante di impianti fotovoltaici a concentrazione, che richiedono in tutti i casi la movimentazione degli specchi. Gli attuatori tradizionali permettono di applicare forze rilevanti per tempi estremamente brevi, consentendo la movimentazione di oggetti / attrezzature. Questa caratteristica non è però necessaria in generale per attuare i sistemi di inseguimento solare; i tempi necessari per l'inseguimento del sole sono infatti relativamente lunghi dato che il sole richiede una media di 12 ore di tempo per percorrere i circa 180° dall'alba al tramonto. Per ottenere l'applicazione della forza rilevante richiesta dalla movimentazione dei diversi specchi, pur nei tempi relativamente lunghi, il sistema proposto utilizza un impianto idraulico a contrappesi, quindi un sistema che sfrutta il peso dell'acqua e non la sua pressione, come avviene negli attuatori idraulici di tipo convenzionale. In questo modo è possibile utilizzare una unica pompa di modeste dimensioni per assicurare la portata di liquido ai diversi contrappesi ed ottenere la variazione di peso richiesta per la movimentazione delle file di specchi. Si consideri poi che i contrappesi sono nel caso generale contenitori industriali per liquidi dal prezzo trascurabile. Le elettrovalvole, tubazioni e serbatoi necessari al corretto funzionamento del sistema sono tutti componenti derivati da impianti di irrigazione agricola. Si stima un costo del sistema di movimentazione per un impianto di medie dimensioni pari circa al 20% del costo equivalente di un sistema di movimentazione tradizionale equivalente.

Descrizione

Il sistema prevede per ciascuno specchio dello schema descritto in precedenza un serbatoio mobile di acqua (da qui in seguito denominato contrappeso) mobile lungo un asse verticale (Tav.l - 4 e Tàv.2 - 1), rappresentato nella tavola 2. Il movimento del contrappeso viene trasmesso agli specchi tramite una fune metallica (Tav.l - 5) coilegata da una parte al contrappeso stesso, e, dopo il passaggio per una carrucola, collegata allo specchio da movimentare. La movimentazione di diverse file di specchi necessita di una serie di contrappesi sostenuti da una unica struttura portante (Tav.l -6). Nel caso più semplice ciascuno specchio è fissato al terreno tramite una cerniera, sulla sommità dello specchio stesso è fissato l'estremo della fune metallica precedentemente descritta. Il braccio della forza peso dello specchio è pari alla distanza del suo baricentro dalla cerniera per il coseno dell'angolo di rotazione, quindi la forza peso presenta un momento variabile in funzione della posizione angolare dello specchio; per equilibrare quindi il momento della forza peso, fissato l'angolo di rotazione istantaneo richiesto dal sistema, è necessario uno specifico peso del contrappeso e quindi è necessario regolare la quantità di liquido in essi presente.

Un sistema idraulico garantisce l'apporto di acqua al contrappeso il cui flusso è controllato da una centralina in modo da equilibrare la forza di reazione dello specchio (di cui si è trattato in precedenza) attorno al punto di equilibrio necessario al sistema di inseguimento per indirizzare i raggi solari nella direzione richiesta. Il sistema idraulico è costituito da un serbatoio principale (Tav.2 - 2) per la raccolta del liquido in uscita dal sistema di contrappesi. Dal serbatoio principale il fluido di impianto viene poi rimesso in circolo da una pompa (Tav.2 - 3) che riempie un serbatoio secondario di dimensioni più contenute rispetto a quello principale posto in posizione rialzata (Tav.2 - 5). Dal serbatoio secondario il fluido passa in una tubazione sopraelevata (Tav.2 - 7) che alimenta una serie di elettrovalvole azionate elettronicamente (Tav.2 - 6) a cui è affidato il compito di regolare il flusso di acqua in ingresso in ciascun contrappeso. Infine per consentire il ritorno degli specchi alla posizione originale o per il raggiungimento del punto di equilibrio nel caso in cui la portata d'acqua vgpga ridotta o annullata, è necessario prevedere un tubo di scolo (Tav.2 - 8) con valvola calibrata (Tav.2 - 4) che consenta il deflusso dell'acqua nel serbatoio principale, comune a tutti i contrappesi, dal quale il ciclo ricomincia. Il funzionamento del sistema è in definitiva legato aN'equilibrio continuo tra il flusso in ingresso e il flusso in uscita da ciascun contrappeso, in modo da regolarne dinamicamente la quantità di acqua contenuta e quindi il peso. Il deflusso di acqua dai contrappesi nelle ore notturne consente inoltre agli specchi di ritornare alla fine della notte nella posizione di partenza; nelle ore mattutine il sistema idraulico si riattiverà consentendo di raggiungere tutte le posizioni di equilibrio richieste dal sistema di movimentazione utilizzato.

L'insieme dei contrappesi è in grado di assicurare l'equilibrio del sistema in ciascuna delle posizioni previste per il corretto funzionamento dell'impianto; è però anche necessario verificare che tale equilibrio sia stabile in modo che ad una perturbazione esterna il sistema tenda a tornare nella posizione di equilibrio, senza dover compensare ogni piccola perturbazione con il sistema di movimentazione. Nello schema base (Tav.3 - schema A) gli specchi (Tav.3 - 3) sono collegati al terreno lungo la parte inferiore tramite una cerniera (Tav.3 - 1); il tirante (Tav.3 - 2) collegato allo specchio lo tiene poi in equilibrio. Si noti che tale sistema è instabile, infatti ad un abbassamento dello specchio corrisponde un aumento del braccio della forza peso e quindi del suo momento, deviando dalla posizione iniziale di equilibrio (rotazione in senso antiorario nello schema A, tavola 3); questo comportamento può essere critico nel momento in cui il sistema non sia in grado di regolare tempestivamente la quantità di fluido presente nel contrappeso (Tav.3 - 4). Il contrario avviene nel caso di rotazione in verso opposto, dove ad un sollevamento dello specchio corrisponde una riduzione del momento equilibrante e quindi sempre un allontanamento dal punto di equilibrio. Per rendere tale configurazione stabile è necessaria l'applicazione di una molla di reazione sulla cerniera dello specchio per creare una forza di reazione aggiuntiva al peso del contrappeso, in questo caso ad una variazione di posizione dello specchio corrisponderà una forza di segno opposto da parte della molla che quindi tende a stabilizzare il sistema. Si noti che nel caso di posizionamento della cerniera (Tav.3 - 5) dello specchio sulla sommità (Tav.3 - schema B) la forza di reazione è già garantita dal peso dello specchio stesso, in questo caso ad un abbassamento dello specchio corrisponde una riduzione del momento della forza peso (rotazione in senso orario nello schema B, tavola 3), viceversa in caso di rotazione inversa, il sistema è quindi stabilizzante; ovviamente l'utilizzo di questo schema richiede il costo aggiuntivo di un telaio che garantisca il collegamento della sommità dello specchio invece del semplice collegamento al terreno. Si noti però che questa soluzione presenta il vantaggio di poter posizionare gli specchi più esterni del sistema di concentrazione in posizione rialzata rispetto aHe precedenti riducendo l'effetto di ombreggiamento che queste ultime hanno sulle file esterne.

Claims (9)

1. Rivendicazioni 1) Impianto solare fotovoltaico a concentrazione solare tramite specchi piani a forma rettangolare allungata disposti in file parallele secondo il classico schema di Fresnel dotato di un sistema di movimentazione indipendente per ciascuno specchio facente uso di contrappesi, collegati meccanicamente agli specchi, contenenti una quantità variabile di fluido per variarne il peso.
2. 2) Regolazione del livello di fluido nei contrappesi tramite una elettrovalvola (comandata da centralina elettronica) che regoli la portata in ingresso nel contrappeso, e una valvola strozzatrice fissa per regolare il flusso costante in uscita dal contrappeso stesso.
3. 3) Impianto idraulico formato da un serbatoio principale, una pompa di rimando, un serbatoio secondario rialzato, un canale comune ai diversi contrappesi e una elettrovalvola di regolazione per ciascun contrappeso, infine da un tubo flessibile che consenta di far defluire una portata costante da ciascun contrappeso nel serbatoio attraverso una valvola strozzatrice.
4. 4) Possibilità di utilizzo dell'impianto descritto per il riscaldamento di fluidi termici.
5. 5) Possibilità di utilizzare l'impianto descritto in un sistema meccanico per il condizionamento dell'aria tramite lo schema tradizionale di riscaldamento diretto di un fluido frigorifero.
6. 6) Possibilità di utilizzo del sistema di movimentazione per l'attuazione di un inseguitore solare monoassiale per pannelli fotovoltaici di tipo tradizionale.
7. 7) Movimentazione di ciascuno specchio (o fila solidale di specchi) del sistema proposto attorno ad un asse di rotazione parallelo all'asse principale dello specchio disposto in posizione rialzata rispetto al baricentro dello specchio stesso, in modo da ottenere un sistema stabilizzante; ovvero in grado di recuperare la posizione di equilibrio a seguito di una perturbazione esterna.
8. 8) Possibilità di posizionare gli specchi esterni del sistema proposto in posizione rialzata rispetto alle file precedenti in modo da ridurne l'ombreggiamento.
9. 9) Possibilità di installare specchi concavi al posto degli specchi piani con lo scopo di aumentare il rapporto di concentrazione dell'impianto