ITRM20110088A1 - Convertitore solare termoionico - Google Patents

Description

Descrizione

“CONVERTITORE SOLARE TERMOIONICO†,

INTRODUZIONE:

L’invenzione concerne un dispositivo per la captazione e la conversione dell’energia solare dalla forma di radiazione in energia elettrica e termica.

Scopo dell’invenzione à ̈ di ottenere rendimenti di conversione elevati e semplicità nella messa in opera in sistemi di concentrazione dell’energia solare in schiere lineari.

PRECEDENTI:

Gli attuali sistemi di conversione termoionica sono principalmente di tre tipi: convertitori a spazio ridotto; convertitori a campo elettrico; convertitori a vapori di cesio. Tutti questi tipi lavorano riducendo il più possibile, da 0.3 mm a qualche micron, la distanza tra gli elettrodi, ed utilizzando un campo elettrico per abbassare la funzione di lavoro del catodo e/o dei vapori di cesio ionizzati, per ridurre la carica spaziale tra gli elettrodi.

Per la conversione si sfrutta un ciclo termodinamico in cui l'energia termica convertita in energia cinetica degli elettroni, viene estratta da essi, per mezzo del campo elettrico inverso, rallentandoli fino ad impattare sull'anodo, dove l'energia cinetica residua viene dissipata dal sistema di raffreddamento.

I tipi di convertitori sopra descritti hanno un principale difetto:

la maggior parte dell'energia utilizzata per riscaldare il catodo, alle temperatura di emissione termoionica dei materiali, passa direttamente dal catodo all'anodo per irraggiamento e viene dissipata dal sistema di refrigerazione a causa dell’affaccio diretto e ravvicinato delle superfici dei due elettrodi.

Non essendo trasportata dagli elettroni, Ã ̈ energia persa dal sistema, e questo abbatte drasticamente il rendimento di conversione.

Due strategie sono adottate principalmente in questi dispositivi per aggirare questo problema:

1) Diminuire la temperatura di emissione termoionica attraverso la scelta di materiali con funzione di lavoro più bassa, e ridurre la distanza tra catodo e anodo (catturando elettroni con energia cinetica minore);

2) Ridurre la funzione di lavoro del catodo mediante l'applicazione di un campo elettrico di estrazione tramite una lavorazione foto-litografica della superficie e la deposizione di una griglia di estrazione, a pochi micron di distanza dalle superfici emittenti. Il campo elettrico applicato, abbatte la funzione di lavoro del catodo, permettendo l'emissione termoionica anche a temperatura ambiente.

Entrambi i metodi aumentano l'efficienza di conversione dei rispettivi dispositivi riducendo l'emissione per irraggiamento del catodo, e quindi dell'energia persa, ma, per contro, riducono drasticamente l'efficienza termodinamica che à ̈ data dalla differenza di temperatura tra anodo e catodo; il prodotto delle due efficienze dà l’efficienza totale del dispositivo.

FINALITA’:

La finalità della presente invenzione à ̈ di rendere economicamente conveniente lo sfruttamento dell’energia solare da irraggiamento diretto negli impianti a concentrazione per la produzione di energia elettrica, aumentando la potenza convertita per unità di superficie esposta tramite l’aumento del rendimento di conversione elettrica.

Per ottenere questo risultato si utilizza un convertitore termoionico ad alta temperatura progettato per aumentarne il rendimento, con il quale ci si propone:

1) di abbattere l'energia persa per irraggiamento, utilizzando il più efficiente sistema di coibentazione, realizzato tramite schermi di radiazione sotto vuoto, in modo da riflettere la maggior parte dell'energia irradiata dal catodo, di nuovo sul catodo stesso;

2) di abbattere l'energia scambiata tra catodo ed anodo per irraggiamento diretto, sfruttando il reciproco posizionamento delle superfici, allineandole sullo stesso piano, in modo che, non essendo direttamente affacciate, si possano scambiare energia in maniera molto limitata; 3) di curare il collegamento elettrico del catodo tramite un allungamento del percorso di uscita in modo da limitare le perdite per conduzione termica attraverso i conduttori elettrici ed abbassare la temperatura di uscita dei terminali.

Questi accorgimenti permettono di far lavorare il catodo emettitore a temperature anche molto alte, vicine alla temperatura di fusione dei materiali refrattari, abbattendo drasticamente le perdite per irraggiamento del sistema e permettendo di risollevare il rendimento termodinamico e quindi quello totale.

Per una valutazione del rendimento totale del dispositivo consideriamo le varie perdite ed i relativi rendimenti:

La radiazione solare, per essere raccolta, incontra prima gli specchi di concentrazione con un rendimento del 90%, poi la parete di vetro della finestratura che ha un rendimento di circa il 92%; con un rendimento composto fin qui di 0,83;

le perdite di captazione sul catodo possono essere stimate intorno al 5%, con una rendimento di captazione quindi del 95%, ed un rendimento composto di 0,79. Il rendimento termodinamico teorico del ciclo di Carnot equivalente con queste temperature (3000°C il catodo, 100°C l’anodo) si attesta all’88,6%; per un rendimento composto di 0,70. A questo vanno sottratte le perdite per irraggiamento tra catodo ed anodi (stimabili nello 2,8%), le perdite per irraggiamento attraverso la finestratura di ingresso (stimabili in un 7% per la configurazione proposta), le perdite per irraggiamento attraverso gli schermi di radiazione (stimabili in un 5%), per un totale di perdite di irraggiamento del 14,8%, ed un rendimento della coibentazione dell’85%; con un rendimento composto di 0,59. Vanno ora considerate le perdite per conduzione termica sui terminali elettrici del catodo (stimabili in un 3%) con un rendimento composto che fin qui ammonta allo 0,58; le perdite di conversione dovute alla carica spaziale e alla polarizzazione delle griglie (stimabili in un 10%) con un rendimento composto di 0,52, le perdite elettriche per effetto Joule sui collegamenti elettrici (stimabili in un 15%), ottenendo infine un rendimento elettrico totale stimato del sistema del 44%. Stimando un recupero termico di circa un 5%, tramite i tubi di raffreddamento del calore di scarto del ciclo di Carnot, un 5% sulle perdite per conduzione termica, ed un 5% su quelle elettriche (perdite per effetto joule sugli anodi), si può calcolare un recupero di cogenerazione di circa il 15% come energia termica che aggiunto al rendimento elettrico porta ad un rendimento totale dell’ impianto in opera che può essere stimato vicino al 59%. Riepilogando: 90% rendimento degli specchi; 49% rendimento elettrico del convertitore; 15% recupero termico; per un rendimento totale dell’impianto del 59%.

DESCRIZIONE:

In questa descrizione si fa riferimento a 3 disegni puramente indicativi ed illustrativi del testo nei quali la numerazione à ̈ progressiva ed univoca per tutti e tre i disegni e qui di seguito riportata:

DISEGNO 1 (Prospetto assonometrico d'insieme di un impianto) riferimenti:

1 Serie di convertitori montati in fila;

2 Specchi cilindrico-parabolici apertura 40°.

Nel primo disegno à ̈ rappresentato un esempio indicativo di montaggio di alcune unità del convertitore solare termoionico disposte lungo la linea focale di una fila di specchi cilindrico-parabolici.

DISEGNO 2 (Sezione trasversale del convertitore solare termoionico) riferimenti:

3 Tubo a vuoto;

4 Finestratura di ingresso;

5 Foro principale passaggio terminali catodo;

6-7-8 Rilievi di bloccaggio e centratura;

9-10 Anodi raffreddati;

11 Zoccolo di connessione elettrica;

12 Catodo riscaldato per irraggiamento;

13 Tubo di vuotatura;

14 Schermi di radiazione;

15-16 Fori di passaggio dei tubi di raffreddamento;

17-18 Tubi di raffreddamento anodi;

19 Griglia di controllo;

20 Percorso di raffreddamento catodo a doppia spirale;

21 Griglie di accelerazione e deflessione;

22 Griglie di deflessione;

23 Griglie di schermatura campo anodi;

24 Griglie di contenimento;

25 Griglie di deflessione;

26 Stringhe di magneti permanenti di deflessione.

Nel secondo disegno à ̈ rappresentata una sezione trasversale del convertitore solare termoionico con evidenziate le parti funzionali.

DISEGNO 3 (Sezione longitudinale del convertitore solare termoionico) riferimenti:

27 Tubo a vuoto;

28 Flangia dello zoccolo di connessione elettrica;

29-30 Tubi di raffreddamento anodi;

31 Diaframma ondulato di compensazione dilatazioni termiche per l'accoppiamento vetro metallo;

32 Rilievo di bloccaggio meccanico;

33 Schermi riflettenti di radiazione;

34-35 Anodi;

36 Catodo a sviluppo lineare;

37 Doppia spirale per contenimento termico;

Il terzo disegno rappresenta una sezione longitudinale dello stesso convertitore.

Le dimensioni, le proporzioni, il numero delle griglie, l’elemento ottico della finestratura, i materiali, possono variare, salvi restando i particolari rapporti funzionali descritti di seguito. I disegni presentati non sono disegni costruttivi ma contengono indicazioni sufficienti per poter sviluppare dei disegni costruttivi.

Il presente convertitore solare termoionico a sviluppo lineare consiste in un tubo a vuoto spinto, di vetro termo-stabile trasparente per avere una trasmissione della radiazione più ampia possibile e stabilizzato tramite ricottura, di forma cilindrica allungata, con dimensioni da definire; si indicano a solo titolo di esempio: di 200 mm di diametro e di 1000 mm di lunghezza; (Disegno 2 riferimento elemento n.3; e Disegno 3 rif. n.27).

Su un lato del cilindro à ̈ presente una “finestratura†, (Dis. 2 rif. n. 4), dello stesso vetro per un settore di 40° con lavorazione ottica tale da permettere la focalizzazione della luce sull'elemento centrale (catodo), che può essere realizzata anche con una sagomatura tale da integrare un elemento ottico del sistema di focalizzazione. Ognuna delle due basi del cilindro, presenta tre fori flangiati per il montaggio di diaframmi elastici di attraversamento, (Dis. 2 rif. n. 5; 15; 16), e alcuni rilievi esterni per il posizionamento ed il bloccaggio meccanico (Dis. 2 rif. n.6; 7; 8; e Dis. 3 rif. n.32). Su questi fori sono montati diaframmi di lamiera metallica flessibile (Dis. 3 rif. n. 31), a basso coefficiente di dilatazione, con ondulazioni concentriche per la compensazione delle dilatazioni termiche dei terminali del catodo e dei tubi di raffreddamento, accoppiate al vetro in modo da mantenere il vuoto. Su questi sono praticati i fori di passaggio del catodo, del tubo di vuotatura, e dei tubi di raffreddamento degli anodi ad essi saldati, (Dis.2 rif. n. 15; 16).

Nota bene: le misure non sono indicate poiché possono essere variate a seconda delle esigenze, dei diversi modelli e delle caratteristiche di impianto.

All'interno di questo tubo, longitudinalmente, sono alloggiati:

1. un catodo di materiale idoneo, refrattario, conduttivo (come tungsteno o grafite), di forma piatta rettangolare allungata a bordi rastremati (Dis.2 rif. n. 12; e Dis.3 rif. n.

36), posizionato longitudinalmente al centro del tubo e disposto con una faccia esposta verso la finestratura di ingresso, riscaldato ad alta temperatura per irraggiamento direttamente dalla luce concentrata del sole senza mezzi intermedi di trasmissione del calore;

2. due anodi, in forma di tubi schiacciati longitudinalmente alettati lateralmente, (Dis.2 rif. n. 9; 10; e Dis. 3 rif. n. 34; 35), disposti lateralmente e di profilo, al catodo secondo un posizionamento di minimo irraggiamento, raffreddati tramite la circolazione di un fluido di raffreddamento;

3. due file di magneti permanenti di deflessione, alloggiati all’interno dei tubi di raffreddamento, per generare campi magnetici di deflessione (Dis.2 rif. n.26);

4. degli schermi riflettenti in numero variabile (consigliati 19) a seconda delle esigenze di efficienza di coibentazione (Dis. 2 rif. n. 14; e Dis. 3 rif. n. 33), per minimizzare l’energia dispersa per irraggiamento, disposti lungo la superficie interna del tubo, tranne che nella zona di ingresso della radiazione solare denominata finestratura di ingresso;

5. delle griglie per generare campi elettrici per deflettere gli elettroni (Dis. 2 rif. n. 19;

21; 22; 23; 24; 25);

6. degli zoccoli, sulla parete di vetro, per realizzare i collegamenti elettrici tra interno ed esterno (Dis.2 rif. n. 11; e Dis.3 rif. n.28);

7. alle estremità del catodo un percorso allungato realizzato con un avvolgimento a doppia spirale di materiale conduttore per il collegamento con i terminali elettrici di uscita per limitare la trasmissione del calore per conduzione (Dis.2 rif. n.20);

8. sulla flangia centrale di passaggio, il tubo di vuotatura (Dis.2 rif. n.13);

Sul catodo, viene concentrata, tramite sistemi ottici, l'energia solare in modo da portarlo ad una temperatura idonea ad innescare l'emissione termoionica.

Il catodo à ̈ collegato ad appositi sostegni e sospensioni elastiche che lo mantengono in posizione al centro del tubo e atti a mantenere fissa la posizione reciproca tra catodo e anodi. Il catodo à ̈ collegato elettricamente tramite conduttori a doppia spirale per allungare il percorso di conduzione termica e limitare le relative perdite termiche per conduzione attraverso i terminali elettrici che lo collegano all’esterno (Dis. 2 rif. n. 20; e Dis. 3 rif. n.

37). I conduttori passano attraverso la flangia, e sarà necessario tenere conto degli effetti di termocoppia e di Peltier nella realizzazione dei collegamenti elettrici per la messa in serie elettrica di più dispositivi ed i collegamenti con il carico.

Sul catodo à ̈ realizzato da un trattamento della superficie per aumentarne la rugosità o un rivestimento refrattario conduttivo per massimizzare il coefficiente di captazione e minimizzare quello di riflessione e di emissione allo scopo di aumentare l'efficienza di captazione.

Lateralmente al catodo sono posizionati due tubi metallici di raffreddamento (Dis. 2 rif. n.

17; 18; e Dis. 3 rif. n. 29; 30), dimensionati per la potenza termica da estrarre, schiacciati longitudinalmente e saldati a due alette di conduzione termica ed elettrica che realizzano le superfici di captazione degli anodi, con la sezione trasversale che si assottiglia verso il catodo, in modo da realizzare due facce piane inclinate di circa 9° l'una rispetto a l'altra (Dis.

2 rif. n. 9; 10; e Dis. 3 rif. n.34; 35), e posizionate di profilo, in modo da offrire la sezione minima di esposizione per ottenere un coefficiente di vista tra catodo ed anodi il più basso possibile compatibile con le esigenze di raffreddamento; il fattore di vista tra anodo e catodo per la geometria proposta à ̈ di 0,0018 per una faccia degli anodi che sommato per tutte le superfici da 0,007.

Le facce di captazione degli anodi possono essere trattate in superficie con un rivestimento studiato per migliorare l'assorbimento degli elettroni.

I tubi e gli anodi possono vantaggiosamente essere realizzati in rame e sono montati sui diaframmi di chiusura pretensionati, per compensare una dilatazione di circa 2 mm per 100° per lo sviluppo di un metro.

I tubi che realizzano gli anodi sono isolati utilizzando o un fluido di raffreddamento elettricamente isolante o un isolamento dei tubi tramite rivestimento interno e raccordi esterni isolanti per poter usare il tubo stesso come conduttore e collegamento elettrico di uscita (dis. 3 rif. n. 34; 35) o utilizzando passaggi e flange separate per realizzare l’isolamento elettrico potendo in tal modo utilizzare dell’acqua additivata come fluido di raffreddamento.

Questi tubi vengono raffreddati con un circuito di circolazione di fluido refrigerante, ad una temperatura intorno ai 70-80 °C che può essere sfruttato per altri usi o deve essere raffreddato per mantenere gli anodi ad una temperatura intorno ai 100 °C.

Gli anodi isolati sono collegati elettricamente all'esterno tramite gli stessi tubi di raffreddamento che attraversano la parete tramite apposite flange elastiche (Dis.2 rif. n. 15; 16).

Il problema tecnico che viene affrontato dal presente dispositivo à ̈:

- la minimizzazione dello scambio termico per irraggiamento tra catodo ed anodi, permettendo lo scambio termico mediato principalmente dagli elettroni emessi dal catodo;

- la minimizzazione dello scambio termico per irraggiamento del catodo verso l'esterno; - la minimizzazione dello scambio termico per conduzione;

per innalzare il rendimento termico e quindi quello totale.

Gli accorgimenti sono tre:

1) Il catodo e gli anodi sono affacciati lateralmente di profilo, e non frontalmente, in modo che le due superfici di catodo e anodo si affaccino sotto un angolo di 165° nell’esempio, (o superiore) che corrisponde ad un fattore di vista di circa 0,0071 (Dis. 2 rif. n.9; 10; 12). Questo angolo, che deve essere il più possibile vicino a180°, dipende dal dimensionamento dei tubi di raffreddamento e dalla sezione di conduzione del catodo, ed à ̈ necessario per contenere all'interno, in contatto termico con gli anodi, le tubazioni di raffreddamento e permettere l’alloggiamento dei magneti di deflessione.

2) Il catodo à ̈ collegato elettricamente tramite conduttori a doppia spirale per allungare il percorso di conduzione termica e limitare le relative perdite termiche per conduzione attraverso i terminali elettrici che lo collegano all’esterno.

3) Tutta la superficie interna perimetrale, viene rivestita da sottili fogli di metallo riflettenti, in funzione di schermi di radiazione, disposti in modo concentrico almeno in 7 strati (87,5%) o più (con 19 strati si arriva al 95% di efficienza degli schermi), separati da spazi vuoti tramite opportuni distanziatori, eccettuata una striscia longitudinale denominata finestratura di accesso attraverso la quale entra il fascio di luce solare concentrata secondo un angolo di apertura di circa 40°.

Essendo posizionati all'interno del tubo a vuoto con disposizione concentrica, questi schermi rifletteranno la radiazione irraggiata dal catodo, nel modo più efficiente possibile, di nuovo al centro, sul catodo.

In questo modo si può ottenere un'efficienza di isolamento termico del catodo per la parte schermata che può andare dal 77% all'84% dell’irraggiamento totale o anche superiore. Saranno presenti inoltre all'interno:

1. una coppia di “griglie†di controllo (Dis.2 rif. n.19) sui due lati del catodo;

2. quattro “griglie†di accelerazione e deflessione (Dis.2 rif. n.21);

3. quattro “griglie†di deflessione (Dis.2 rif. n.22);

4. quattro “griglie†di schermatura del campo degli anodi (Dis.2 rif. n.23);

5. gli schermi di radiazione riflettenti e griglie di contenimento (Dis.2 rif. n.24);

6. quattro griglie di contenimento e deflessione (Dis.2 rif. n.25)

7. magneti dei campi magnetici di deflessione (Dis.2 rif. n.26).

Tutti i precedenti elementi funzionali (tranne i magneti) sono collegati elettricamente con l'esterno separatamente, tramite altrettanti piedini degli zoccoli di collegamento e sono opportunamente posizionati a seconda delle caratteristiche di funzionamento volute e sono controllate, a seconda delle caratteristiche e delle condizioni di lavoro, da appositi circuiti di polarizzazione.

I magneti dei campi magnetici di deflessione (Dis.2 rif. n.26) sono alloggiati all’interno dei tubi di raffreddamento.

Sarà presente inoltre una coppia di flange esterne di sospensione meccanica per il posizionamento stabile sul punto di lavoro ottico, (fuoco ottico) (Dis.1 rif. n.1).

FUNZIONAMENTO:

La luce diretta del sole, la cui superficie si trova a 6000 °C, permette di sfruttare un ciclo termodinamico apicale a temperature intorno a 3000 °C a cui possono resistere i materiali refrattari come tungsteno (3387 °C fonde) e grafite (3600 °C sublima) permettendo di ottenere rendimenti elevati. La luce viene concentrata, sul catodo, con forma di barra piatta allungata, di un tubo a vuoto spinto, da specchi piano-parabolici o altri sistemi ottici per un fattore di circa 1:100 (Dis.1 rif. n.2).

Il catodo ha funzione di captatore della radiazione solare e di emettitore di elettroni per emissione termoionica. Per massimizzare la funzione di captazione la superficie à ̈ trattata per renderla porosa e non riflettente e/o rivestita da un rivestimento selettivo in carbonio a bassa emissività ed alto coefficiente di assorbimento. Il catodo à ̈ montato al centro di un sistema di schermi riflettenti disposti all’interno lungo la parete del tubo ad eccezione di un settore che à ̈ lasciato libero per l’ingresso della luce (Dis. 2 rif. n. 9), ad una distanza sufficientemente grande da non comportare surriscaldamenti eccessivi degli strati riflettenti ed evitare deformazioni degli stessi. La sezione ipotizzata del tubo à ̈ di circa 200 mm di diametro. Alle due estremità del catodo sono stati previsti due percorsi allungati per i terminali di uscita, dello stesso materiale del catodo, per ridurre le perdite di calore per trasmissione ed abbassare la temperatura dei terminali di uscita nella zona in cui attraversano i diaframmi di chiusura. Questi percorsi sono realizzati a partire da un disco pieno tagliato quasi completamente nello spessore, in modo da realizzare due dischi paralleli uniti per un piccolo tratto vicino al bordo e lavorati a spirale tramite fresatura. Questa forma permette la dilatazione del materiale, che per il tungsteno a 3000°C, corrisponde a 15 mm/m, compensandone lo spostamento, poiché le due spirali che si ottengono con questa lavorazione, si avvolgono in senso opposto e si dilatano in senso opposto, facendo in modo che il catodo rimanga fermo nella sua posizione senza ruotare. Per la dilatazione lineare di 15 mm/m à ̈ sufficiente montare il catodo mettendo in pretensionamento i supporti elastici in modo da lasciare 10mm per parte di luce tra le zone centrali di due dischi a spirale.

L’energia emessa dal catodo per irraggiamento, viene riflessa e riconcentrata sul catodo stesso in modo da contenere efficacemente le perdite per irraggiamento, preponderanti a queste temperature. Per un sistema di schermi con 19 strati l’efficienza degli schermi à ̈ del 95% e si applica ad un settore di 320°, la parte coperta dagli schermi, che à ̈ l’89% della superficie, ottenendo un’efficienza di schermatura per l’applicazione dell’84%.

Gli schermi hanno anche una funzione elettrica: il tubo vuoto, costituisce una camera di espansione degli elettroni emessi dal catodo e gli schermi caricati negativamente ne costituiscono le pareti di contenimento in modo che gli elettroni energetici emessi dal catodo vengano deflessi e riflessi dal campo elettrico e non possano impattare su di essi surriscaldandoli. La polarizzazione di questi schermi, che si comportano elettricamente come un condensatore, può essere lasciata alla carica elettrostatica che si accumula all’inizio, dovuta ai primi impatti, controllandone dall’esterno il valore massimo di tensione in modo da tenerlo al disotto della tensione di emissione degli elettroni del materiale che li costituisce alla temperatura di equilibrio degli schemi stessi. A questo scopo gli schermi sono collegati elettricamente ad un piedino dello zoccolo dei collegamenti elettrici. Un materiale adatto al primo strato interno degli schermi à ̈ il nichel per l’alta temperatura di fusione e l’elevata funzione di lavoro permettendo di lavorare a temperatura e tensione di polarizzazione negativa più alta, prima che cominci ad emettere elettroni. Gli altri schermi possono essere realizzati in fogli di alluminio lucido. Una tensione di polarizzazione adatta potrebbe essere intorno ai -20V riferita al catodo, ma il valore ottimale andrà individuato tramite la misura delle curve di polarizzazione del componente e può variare in base alla geometria ed alle altre caratteristiche del dispositivo.

Gli anodi (Dis. 2 rif. n. 9; 10) sono composti da due profili metallici al cui interno passa la tubazione di raffreddamento. Sono disposti lateralmente paralleli al catodo (Dis.2 rif. n.12), di profilo in modo da presentare un coefficiente di vista, rispetto al catodo, più basso possibile. Il coefficiente di vista tra questi due elementi nella disposizione rappresentata nel disegno 2 à ̈ di 0,007 che corrisponde allo 0,7%. Le tubazioni di raffreddamento dei catodi che fungono anche da collegamenti elettrici, escono attraverso i diaframmi elastici dalle pareti laterali e devono essere collegate al sistema di raffreddamento ed ai cavi di collegamento elettrico. All’interno dei tubi di raffreddamento à ̈ alloggiata una fila di magneti permanenti con i campi magnetici rivolti verticalmente, orientati in antiparallelo ed equispaziati, in modo che le linee di campo negli spazi tra uno ed il successivo, si dispongano il più possibile orizzontalmente e parallelamente alla superficie degli anodi eccetto che in corrispondenza dei poli. Questo permette una deflessione degli elettroni ortogonale alle linee di flusso, favorendo l’impatto con la superficie degli anodi, o l’instradamento e la cattura verso i poli.

Vicino alla superficie del catodo à ̈ disposta una coppia di “griglie†di controllo (Dis.2 rif. n.

19) con polarizzazione leggermente negativa rispetto al catodo (ad esempio -1V) in modo da selezionare gli elettroni con energia più alta della media e schermare contemporaneamente il campo del catodo, che à ̈ di valore positivo e che tenderebbe a rallentare e riattrarre gli elettroni uscenti. Gli elettroni, superata la prima griglia tenderanno a diffondersi nello spazio intorno al catodo degradando di densità verso le pareti del tubo a causa del campo elettrico negativo delle pareti formando una zona di carica spaziale. Per compensare la carica spaziale formatasi, si utilizza la seconda serie di griglie (Dis. 2 rif. n. 21) che a questo scopo viene polarizzata da un generatore esterno ad un valore di tensione positiva. Questa griglia e la successiva essendo polarizzate positivamente, catturano elettroni e quindi consumano energia. Il valore di tensione di questa e della serie di griglie di deflessione successive viene dimensionato in base alla percentuale di potenza che si intende impegnare e potrebbe attestarsi intorno a 10V, per la seconda griglia (Dis. 2 rif. n.21) e 15V, per la terza griglia (Dis. 2 rif. n. 22). Un compromesso accettabile à ̈ di utilizzare il 10% della potenza resa per questo impiego. Un ulteriore sistema di griglie, il quarto, à ̈ disposto intorno agli anodi ed à ̈ polarizzato alla tensione del catodo in funzione di schermo della carica negativa degli anodi. Si potrà ottenere una tensione di funzionamento del dispositivo compresa tra 1V e 5V, ma la tensione ottimale dovrà essere trovata tramite l’indagine delle curve di funzionamento per ottenere il massimo rendimento di conversione.

L’ultimo sistema di griglie à ̈ posizionato: 2 lateralmente agli anodi e 2 in asse col catodo; le prime per riflettere gli elettroni che rimbalzano sugli anodi; le seconde per deflettere lateralmente gli elettroni emessi in asse col catodo. Queste ultime sono polarizzate negativamente.

L’obiettivo che ci si propone à ̈ di ottenere un dispositivo che possa produrre circa 1000W per metro lineare di sviluppo con specchi di 2,5 m di apertura (Dis. 1 rif. n.1; 2). Con una tensione di lavoro di 1V occorre gestire correnti di 1000 A per m portando a suddividere il dispositivo in più elementi più corti per la necessità di aumentare eccessivamente la sezione di conduzione del catodo e dei terminali di uscita. In questa condizione, con la forma ipotizzata rappresentata nel disegno 1, con la lunghezza di 1 metro, occorre una densità di corrente emessa di:

1000A / 706cm^2 = 1,42 A/mm^2 , compatibile con la densità di emissione di saturazione del tungsteno a 2500°C che à ̈ di 2,9 A/cm^2 e ampiamente compatibile con possibilità di innalzare la tensione di lavoro portando la temperatura a 3000°C a cui corrisponde una corrente di saturazione di 72 A/cm^2.

Claims (10)

1. Rivendicazioni “CONVERTITORE SOLARE TERMOIONICO†, 1) Un convertitore solare termoionico a sviluppo lineare, atto alla conversione diretta dell’energia solare in energia elettrica e la cogenerazione di calore, costituito da un tubo a vuoto di vetro trasparente termostabile allungato, con catodo ed anodi sviluppati linearmente e montati al centro del tubo stesso, con elettrodi a griglia per la generazione di campi elettrici, e magneti di deflessione per la generazione di campi magnetici, con mezzi per raffreddare direttamente gli anodi, e mezzi per collegare elettricamente gli elettrodi interni con l’esterno, caratterizzato dal fatto di: - essere progettato per lavorare alla massima temperatura mantenibile dal catodo (maggiore di 2600 °C), con mezzi per limitare lo scambio termico con l’esterno per irraggiamento tramite schermi di radiazione, lo scambio termico per irraggiamento tra catodo ed anodi tramite la particolare posizione reciproca di questi elettrodi affacciati di profilo, e lo scambio termico per conduzione tramite un percorso allungato di connessione con i terminali elettrici di uscita; - utilizzare entrambe le facce di catodo ed anodi come superfici di emissione ed assorbimento degli elettroni; - presentare passaggi di accesso per le tubazioni di raffreddamento degli anodi attraverso diaframmi elastici alle due estremità opposte e zoccoli per i collegamenti elettrici su i due lati, tali da permettere un facile montaggio di più unità allineate in file per mezzo di raccordi idraulici ed elettrici; - presentare una finestratura ottica di accesso lungo un settore della superficie del tubo che costituisce un elemento ottico del sistema di concentrazione, che permette l’utilizzo di sistemi di concentrazione lineari dell’energia solare del tipo a specchi cilindricoparabolici; - avere un catodo realizzato in materiale refrattario conduttivo, sospeso al centro del tubo, con una forma lineare allungata che costituisce l’elemento di captazione dell’energia solare, su cui viene concentrata direttamente la luce solare per effettuare la conversione termoionica, senza mezzi intermedi di trasmissione del calore; - avere collegamenti elettrici del catodo con l’esterno, allungati, per limitare le dispersioni per conduzione termica ed una forma adatta a compensare le dilatazioni termiche; - utilizzare due tubi schiacciati longitudinalmente montati lateralmente al catodo con la tripla funzione di essere gli elettrodi di collegamento con l’esterno, di formare le superfici degli anodi di conversione con basso coefficiente di vista tra catodo ed anodi, e di raffreddarli in modo da far lavorare gli anodi alla temperatura più bassa possibile (circa 80-100 °C) compatibile con un efficiente raffreddamento, permettendo nello stesso tempo, il recupero del calore di scarto per utilizzi a bassa temperatura; - alloggiare degli schermi di radiazione lungo la superficie interna, eccettuata la finestratura ottica di accesso per minimizzare le perdite per irraggiamento; - presentare dei rilievi di bloccaggio meccanico alla due estremità del tubo per l’esatto allineamento delle parti ed il posizionamento del convertitore rispetto al sistema di concentrazione ottico; mentre le dimensioni possono variare.
2. 2) Un convertitore solare termoionico a sviluppo lineare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il catodo à ̈ di forma lineare allungata che percorre tutta la lunghezza del tubo, sospeso al centro, ed uscente attraverso le sospensioni, ai due lati del tubo stesso, in modo da permettere il montaggio di più esemplari in fila tramite collegamenti elettrici esterni (dis. 3 rif. n.36; dis.2 rif. n.12).
3. 3) Un convertitore solare termoionico a sviluppo lineare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che gli anodi sono costituiti da due tubi metallici di raffreddamento di forma schiacciata nella loro lunghezza, uscenti dai due estremi del tubo, attraverso diaframmi elastici, per i collegamenti idraulici ed elettrici, ed alettati per ottenere due facce piane sospese ai due lati del catodo (dis. 2 rif. n.17, 18; dis.3 rif. n. 29, 30).
4. 4) Un convertitore solare termoionico a sviluppo lineare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di utilizzare entrambe le facce del catodo, come superfici attive, emettitrici di elettroni, per realizzare il ciclo di conversione termoionico (dis. 2 rif. n. 12).
5. 5) Un convertitore solare termoionico a sviluppo lineare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di utilizzare entrambe le facce di ciascun anodo, come superfici attive di assorbimento degli elettroni, per realizzare il ciclo di conversione termoionico (dis. 2 rif. n.9, 10).
6. 6) Un convertitore solare termoionico a sviluppo lineare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di disporre anodi e catodo, affiancati di profilo (anziché sovrapposti ed affacciati frontalmente), in modo che i piani di simmetria alto-basso, di ciascuno, giacciano sullo stesso piano, ed in modo che l'angolo di vista di ciascuna superficie di catodo ed anodo sia più vicino possibile a 180°, per ottenere in questo modo un basso scambio termico tra anodi e catodo dovuto al basso coefficiente di vista tra le rispettive superfici (dis. 2 rif. n.9, 10, 12).
7. 7) Un convertitore solare termoionico a sviluppo lineare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il catodo à ̈ sospeso ai due estremi, tramite un conduttore avvolto a doppia spirale, con versi di avvolgimento opposti, in modo da formare una coppia di dischi paralleli, di materiale conduttore, per allungare il percorso dei terminali elettrici di uscita, allo scopo di ridurre le dispersioni per conduzione termica del catodo, permettendo allo stesso tempo la compensazione delle dilatazioni termiche, e mantenendo invariata la posizione del catodo (dis.2 rif. n.20; dis.3 rif. n.32).
8. 8) Un convertitore solare termoionico a sviluppo lineare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i magneti di deflessione sono posizionati all’interno delle tubazioni di raffreddamento degli anodi (dis.2 rif. n.26).
9. 9) Un convertitore solare termoionico a sviluppo lineare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dalla presenza di schermi di radiazione, costituiti da sottili fogli di metallo riflettente disposti in modo concentrico lungo la superficie interna perimetrale, collegati elettricamente con l’esterno e separati da spazi vuoti tramite opportuni distanziatori, eccettuata una striscia longitudinale denominata finestratura di accesso, per riflettere la radiazione emessa dal catodo, di nuovo verso il catodo, allo scopo di ridurre le perdite per irraggiamento verso l’esterno ed aumentare il rendimento alle alte temperature (dis.2 rif. n.14; dis.3 rif. n. 33).
10. 10) Un convertitore solare termoionico a sviluppo lineare secondo la rivendicazione 1, in cui il tubo di vetro presenta una finestratura ottica di ingresso rettangolare allungata caratterizzata dal fatto di realizzare, con la forma della parete stessa, un elemento ottico facente parte integrante del sistema di focalizzazione dell’energia solare sul catodo (dis. 2 rif. n.4).