ITRM20110234A1

ITRM20110234A1 - Ricevitore/scambiatore e metodo di connessione ad alto livello di efficienza energetica.

Info

Publication number: ITRM20110234A1
Application number: IT000234A
Authority: IT
Inventors: Mario Magaldi
Original assignee: Magaldi Ind Srl
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2012-11-11
Also published as: AR086311A1; WO2012153264A2; WO2012153264A3; TW201319488A

Description

RICEVITORE/SCAMBIATORE E METODO DI CONNESSIONE AD ALTO

LIVELLO DI EFFICIENZA ENERGETICA

DESCRIZIONE

Settore dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un impianto di generazione industriale basato sull’impiego e sull’accumulo di energia solare, ad un dispositivo di accumulo di energia termica di origine solare idoneo all’impiego in tale impianto e ad un relativo metodo.

Background dell’invenzione

Sono noti dispositivi di accumulo e cessione di energia termica ottenuta da una radiazione solare concentrata mediante eliostati, idonei a consentire un contestuale o successivo utilizzo dell’energia termica accumulata. È quindi nota la possibilità di accumulare il calore non impiegato in materiali solidi ad elevata conducibilità termica (tipicamente grafite) per un successivo impiego. Per lo sfruttamento del calore accumulato si adotta normalmente uno scambiatore di calore che può anche essere immerso nel materiale di accumulo e che è attraversato da un fluido operativo - tipicamente acqua, vapore o altri vettori - in grado di assorbire e trasportare l’energia termica.

Nella pratica comune a detti dispositivi di accumulo e cessione sono associati ricevitori solari idonei a captare la radiazione appunto solare e a tal fine realizzati a forma di “cavità”, ossia presentanti un profilo generalmente concavo, dimodoché la radiazione solare in ingresso venga massimamente assorbita dalle pareti del ricevitore medesimo.

Generalmente, il dispositivo di accumulo vero e proprio prevede un involucro di contenimento metallico a tenuta ed isolato termicamente, sul quale sono applicati o integrati uno o più ricevitori della radiazione solare, anch’essi in genere di metallo.

La disposizione descritta presenta alcuni inconvenienti.

Innanzitutto, la connessione fra le superfici interne della o delle cavità di ricezione e quelle interne del dispositivo di accumulo subisce il differente regime termico delle pareti della cavità, direttamente interessata dalla radiazione solare concentrata, e dell’interno del dispositivo. A ciò si aggiunge il fatto che i regimi di temperatura attesi sottopongono il ricevitore solare a stress termici importanti fra le pareti irraggiate e non. Ancora, durante la vita del dispositivo si verificano innumerevoli variazioni di temperatura dovute all’alternarsi delle stagioni, della notte e del dì oltre che delle condizioni atmosferiche, tali da indurre fenomeni di fatica termica e di creep dovuto allo stato tensionale ad alta temperatura.

A causa di tutto ciò, il ricevitore può subire deformazioni permanenti che, anche in presenza di materiali resistenti alle alte temperature, possono generare rotture o fessurazioni e/o comunque compromettere la affidabilità del dispositivo.

Inoltre, in dipendenza dell’assorbimento della radiazione solare da parte del ricevitore e della efficienza del meccanismo di trasferimento del calore al fluido operativo, la superficie del ricevitore stesso può raggiungere temperature tali per cui il re-irraggiamento verso l’ambiente diventa un fattore importante che incide negativamente sull’efficienza del dispositivo nel suo complesso e dell’impianto cui esso è associato.

Sintesi dell’invenzione

Il problema tecnico posto e risolto dalla presente invenzione è pertanto quello di ovviare agli inconvenienti sopra menzionati con riferimento alla tecnica nota.

Il suddetto problema viene risolto da un dispositivo di accumulo di energia termica secondo la rivendicazione 1 e da un metodo secondo la rivendicazione 22.

Caratteristiche preferite dell’invenzione sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Un importante vantaggio dell’invenzione consiste nel fatto che essa consente di realizzare in modo affidabile ed efficiente un accumulo di energia termica di origine solare, eliminando la necessità di un ricevitore solare in lamiera metallica sottoposto a stress termico e ad importanti sollecitazioni meccaniche.

II nuovo dispositivo è caratterizzato da appositi mezzi di ricezione della radiazione solare basati sulla circolazione di particelle fluidizzabili atte ad accumulare l’energia termica e a scambiarla con altre particelle o con ulteriori componenti del dispositivo. Inoltre, secondo una caratteristica preferita dell’invenzione, la sostituzione di una superficie piana, circolare o ellittica con elementi strutturali a forma tubolare consente l’incremento della superficie ricevente riducendo il flusso termico a parità di potenza incidente.

Il dispositivo proposto prevede un letto granulare fluidizzabile dal quale viene prelevato il suddetto flusso dedicato di particelle. Preferibilmente, tale letto di particelle è fluidizzabile selettivamente per svolgere la doppia funzione di sistema di accumulo del calore raccolto e di sistema di scambio, rendendo indipendente la fase di accumulo dalla fase di scambio di calore al fluido operativo.

In una realizzazione preferita, il dispositivo consta di due letti (o zone) di materiale granulare fluidizzabile, uno essenzialmente preposto all’accumulo ed associato agli ingressi della radiazione solare, ed un secondo, che riceve calore dal primo, essenzialmente preposto allo scambio con il fluido operativo.

Sempre in una realizzazione preferita, la fluidizzazione del o dei letti e la ricircolazione esterna al letto di particelle che ricevono calore dalla radiazione solare viene eseguita impiegando quale gas di fluidizzazione aria prelevata dall’ambiente. Per ottenere il massimo recupero energetico, l’aria calda in uscita dal o dai letti fluidizzati viene inviata ad uno scambiatore aria-aria dove cede il suo calore all’aria di fluidizzazione fredda prelevata dall’ambiente.

Nella realizzazione con due letti (o comunque due zone di fluidizzazione), durante la fase di accumulo il primo letto sopra citato riceve calore da un campo di eliostati attraverso mezzi di ricezione della radiazione solare che generano il suddetto ricircolo dedicato di particelle. Tale primo letto è tenuto in condizioni di fluidizzazione da aria che viene preferibilmente preriscaldata all’interno dello scambiatore aria-aria di cui sopra e da tale primo letto provengono le particelle ricircolate all’esterno del letto stesso e che ricevono la radiazione solare.

Qualora sia necessario conservare il calore accumulato in una fase in cui non si cede calore al fluido operativo, il primo letto, di accumulo, viene mantenuto in condizione di riposo.

Durante una fase di produzione di energia, il letto di accumulo, questa volta fluidizzato, scambierà calore con il secondo letto fluido ad esso adiacente. All’interno del secondo letto è preferibilmente immerso un fascio tubiero attraversato da un fluido operativo. Anche in questo caso, preferibilmente l’aria di fluidizzazione viene preriscaldata impiegando lo scambiatore ariaaria.

In una configurazione preferita, i mezzi di ricezione si basano su di un ricevitore solare a tubi i cui condotti sono realizzati in materiale resistente alle alte temperature, preferibilmente carburo di silicio. Quest’ultimo, grazie alla elevata conducibilità ed alla elevata resistenza alle alte temperature, permette l’assorbimento di elevati flussi di energia solare.

In una ulteriore configurazione, i mezzi di ricezione si basano su di un ricevitore solare a tubi in quarzo. Tale materiale, grazie alla trasparenza alla radiazione solare ed alla notevole resistenza al calore, permette di contenere le particelle del letto senza ostacolare l’assorbimento dell’energia termica da parte di quelle che sono direttamente esposte alla radiazione solare concentrata.

Una configurazione alternativa prevede che i condotti del ricevitore solare presentino un corpo principale di carburo di silicio in cui fluiscono le particelle, a sua volta contenuto in tubazioni di quarzo. Un opportuno filtro ottico atto ad aumentare l’assorbimento della radiazione solare può essere previsto sul tubo di quarzo esterno o sulla superficie del corpo interno.

Descrizione breve delle figure

Verrà fatto riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

- la Fig. 1 mostra uno schema di dispositivo di accumulo secondo una prima forma di realizzazione preferita dell’invenzione, il quale dispositivo è rappresentato inserito in un impianto per la produzione di energia elettrica;

- la Fig. 1A mostra il solo dispositivo di accumulo di Fig. 1 , sempre in forma schematica;

- la Fig. 1 B mostra una vista in sezione trasversale del dispositivo di Fig. 1 A, eseguita secondo la linea B-B di quest’ultima figura;

- la Fig. 1C mostra il solo dispositivo di accumulo di Fig. 1 , con una variante relativa alla tipologia di connessione di condotti del ricevitore;

- la Fig. 2 mostra una schematica vista frontale di una parte dell’impianto di Fig. 1 , che incorpora una struttura a torre con scambiatore di calore aria/aria ed evidenzia un circuito di immissione di gas di fluidizzazione ed il percorso di quest’ultimo;

- le Fig. 3 e 3A si riferiscono ad una seconda forma di realizzazione preferita del dispositivo dell’invenzione, comunque impiegabile in un impianto analogo a quello di Fig. 1 , il quale dispositivo prevede l’utilizzo di gas combustibile come fonte energetica ausiliaria ed è mostrato rispettivamente in sezione laterale e vista in pianta; e

- la Fig. 4 riporta un rendering dell’impianto di Fig. 1 evidenziando quattro dispositivi di accumulo ciascuno analogo a quello della Fig. 1 .

Descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferita

Con riferimento alla Figura 1 , un impianto di produzione di energia elettrica a partire da una radiazione solare concentrata secondo una forma di realizzazione preferita dell'invenzione è complessivamente denotato con 100.

L’impianto 100 a sua volta incorpora uno o più dispositivi di accumulo di energia termica ricevuta dalla radiazione solare concentrata, ciascuno secondo una forma di realizzazione preferita dell'invenzione. Nelle rappresentazioni qui considerate, è mostrato un unico dispositivo denotato complessivamente con 1.

Come detto, il dispositivo 1 è atto ad accumulare l’energia termica che si origina da una radiazione solare convogliata/concentrata su di esso, ad esempio mediante eliostati e, come illustrato più avanti, nel presente esempio è anche atto a cedere l’energia termica accumulata ad un fluido operativo, tipicamente acqua o vapore.

Con riferimento anche alle Figure 1 A, 1 B e 2, il dispositivo 1 comprende un involucro di contenimento 2, preferibilmente in materiale metallico, isolato termicamente in modo da ridurre al minimo la dispersione di calore verso l’ambiente esterno. L’involucro 2 può recare una o più aperture 20 verso le quali viene convogliata la radiazione solare concentrata. In corrispondenza di tale o tali aperture 20, l’involucro 2 definisce corrispondenti camere di irraggiamento 200, aperte verso l’esterno appunto mediante le rispettive aperture 20 ed entro le quali sono disposti mezzi 400 di ricezione della radiazione solare che verranno descritti più avanti.

Oltre alle camere di irraggiamento 200 aperte, l’involucro 2 definisce altresì una camera principale di fluidizzazione 250 entro la quale sono ricevuti due letti di particelle fluidizzabili 3 e 30 descritti più avanti.

Nel presente esempio, la disposizione complessiva è tale che le camere di irraggiamento 200 siano disposte circoscritte alla camera principale di fluidizzazione 250.

In corrispondenza di una base della camera di fluidizzazione 250 sono ricavati uno o più ingressi di adduzione 21 per un gas di fluidizzazione, il cui ruolo sarà chiarito a breve. In corrispondenza degli ingressi 21 è previsto un setto di distribuzione o distributore, per semplicità anch’esso identificato con 21 , di tale gas di fluidizzazione, atto a consentire l'immissione uniforme di quest’ultimo entro il dispositivo 1 in corrispondenza dei due letti di particelle fluidizzabili 3, 30. Inferiormente al distributore 21 è prevista una cassa d’aria di alimentazione 14, che contribuisce anch’essa ad uniformare il flusso dell’aria in ingresso al distributore 21.

Entro la camera di fluidizzazione 250 è prevista una zona di accumulo, che contiene il primo letto di particelle fluidizzabili 30 appunto idoneo all’accumulo termico secondo caratteristiche preferite descritte più avanti.

Sempre entro la camera di fluidizzazione 250 è poi prevista una zona di scambio di energia termica, che contiene il secondo letto di particelle fluidizzabili 3. Quest’ultimo è appunto atto a lambire elementi di scambio termico - e in particolare fasci tubieri 4 di uno scambiatore di calore -attraversati, in uso, dal fluido operativo, anche in questo caso secondo modalità di cessione di energia descritte più avanti.

Nella presente forma di realizzazione, la zona del letto di accumulo 30 è disposta a ridosso delle pareti periferiche della camera di fluidizzazione 250 e quindi adiacentemente alle camere di irraggiamento 200, mentre la zona del letto di scambio 3 è disposta centralmente al letto di accumulo 30 e può essere separata dalla prima mediante setti 141 , preferibilmente metallici.

In una variante di realizzazione, i due letti di particelle 3, 30 possono costituire porzioni adiacenti di un medesimo letto selettivamente fluidizzabile mediante parzializzazione della cassa d’aria 14 con i setti 143.

La scelta del materiale particellare dei letti di accumulo e scambio 3 e 30 è basata in particolare sulla scarsa attitudine all’abrasione e frammentazione, per rispondere alla necessità di minimizzare il fenomeno di elutriazione delle particelle del letto stesso così da limitare la produzione ed il trasporto di fini nell’aria di fluidizzazione. In base a queste considerazioni, una configurazione preferita privilegia l’utilizzo, per le particelle del letto, di materiale granulare inerte all’ossidazione, con forma regolare, preferibilmente sferoidale e/o preferibilmente di dimensioni dell’ordine di 50 - 500 micron.

In corrispondenza di ciascuna camera di irraggiamento 200, le pareti della camera di fluidizzazione 250 - e quindi della zona di accumulo che riceve il primo letto 30 - presentano una o più aperture di uscita 201 ed una o più corrispondenti aperture di re-introduzione 202 per le particelle del letto di accumulo 30.. Ciascuna apertura di uscita 201 è in comunicazione di fluido con una corrispondente apertura di re-introduzione 202 mediante una prima connessione 41 ed un condotto di circolazione (o di irraggiamento) 44 o un mezzo equivalente disposti in sequenza.

Il condotto di circolazione 44 si estende entro la corrispondente camera di irraggiamento 200, in corrispondenza dell’apertura 20, fungendo da ricevitore della radiazione solare, e sbocca in una camera di espansione 251 in comunicazione con l’apertura 202 di re-introduzione delle particelle nel letto 30.

La disposizione complessiva è tale che le aperture 202 risultano preferibilmente immerse nel letto di particelle quando fluidizzato. Sarà quindi compreso che la disposizione descritta di aperture 201 , 202, condotti 44 e connessioni 41 in camere di irraggiamento 200 realizza mezzi di ricezione della radiazione solare, in particolare un ricevitore che potremo dire a tubi che sostituisce quelli a cavità noti nella tecnica e che è complessivamente denotato con 400.

Preferibilmente, le connessioni 41 sono realizzate in materiali ceramici e i condotti 44 in carburo di silicio, ma possono essere usati anche altri materiali idonei per le loro caratteristiche di elevata conducibilità termica e di resistenza alle alte temperature ed all’abrasione, in alternativa può essere usata convenientemente anche una lega metallica resistente alle alte temperature o un materiale composito costituito da detta lega metallica rivestita in materiale ceramico resistente alle alte temperature.

In una realizzazione alternativa cui si riferisce la Figura 1 C, il condotto di circolazione 44 può essere connesso alla camera di fluidizzazione 250 mediante una connessione 42 anch’essa preferibilmente in materiali ceramici e carburo di silicio.

In un’altra configurazione alternativa, i condotti 44 del ricevitore a tubi 400 sono realizzati in quarzo, con il vantaggio che, essendo il quarzo trasparente alla radiazione solare e resistente alle elevate temperature, permette di esporre direttamente le particelle in transito alla radiazione solare concentrata. In questa configurazione, le particelle del letto fluidizzato, in aggiunta alle caratteristiche già menzionate, saranno scelte con emissività elevata.

Ancora una ulteriore variante di realizzazione prevede che i condotti 44 comprendano un corpo principale di carburo di silicio, in cui fluiscono le particelle, a sua volta contenuto in camicie o tubi di quarzo. In questo caso, un filtro ottico applicato alla superficie esterna del corpo principale di carburo di silicio permette di aumentare l’assorbimento della radiazione concentrata, ove tale filtro sia permeabile alla radiazione solare ed impermeabile al re-irraggiamento dei tubi 44. In alternativa, il filtro ottico può essere applicato sulle superfici interne del tubo in quarzo.

In corrispondenza della aperture di ingresso 20 della radiazione solare possono essere previste una o più finestre in quarzo sintetico con il vantaggio di ridurre le perdite per convezione, preferibilmente detto quarzo è rivestito con filtri ottici trasparenti alla radiazione solare ed in grado di riflettere la radiazione infrarossa proveniente dal ricevitore 400, per aumentare l’assorbimento della radiazione solare e l’efficienza complessiva del dispositivo.

In una variante di realizzazione (non rappresentata), è prevista la presenza di un sistema di chiusura degli ingressi 20 mediante serrande in materiale isolante. Dette serrande, il cui azionamento è preferibilmente automatizzato, permettono di isolare il dispositivo durante le ore notturne o per prolungata assenza di radiazione solare con il duplice scopo di evitare le dispersioni termiche verso l’ambiente e di ridurre le escursioni termiche dei ricevitori 400, oltre poi a proteggere dalle intemperie gli ingressi 20, i sistemi di drenaggio 50 di seguito descritti, i ricevitori 400 e le camere di irraggiamento 200 nel loro complesso.

Ciascuna connessione 41 associata ad una apertura di uscita 201 è di tipo a tre vie, essendo in comunicazione, oltre che con l’apertura 201 medesima ed il corrispondente condotto di circolazione 44, anche con un mezzo di adduzione di gas di fluidizzazione atto a generare un flusso di particelle dedicato attraverso l’apertura di uscita 201 , il condotto 44 e l’apertura di reintroduzione 202, flusso che potremo definire di ricircolo.

Tipicamente, tale mezzo di adduzione comprende una cassa d’aria dedicata 15. Setti di distribuzione 18 sono interposti fra detta cassa d’aria e ciascuna connessione 41 allo scopo di uniformare il flusso di fluidizzazione all’interno di ciascun condotto 44 ed evitare la caduta accidentale di materiale particellare nella cassa d’aria.

Come meglio visibile in Figura 1 B, per ciascuna camera di irraggiamento 200 possono essere previste una o più delle suddette coppie di aperture 201 , 202 e corrispondenti connessioni e condotto 41 e 44.

Nel caso di manutenzione o sostituzione di uno dei condotti 44 o comunque di un componente del ricevitore a tubi 400, è preferibile per motivi di sicurezza isolare il letto di particelle. Per tale scopo sono previsti mezzi di chiusura o interdizione 203, preferibilmente di tipo meccanico, che recano uno o più otturatori 205 posti all’interno del letto di accumulo 30 ed in corrispondenza delle aperture di uscita 201. Preferibilmente, è previsto un otturatore 205 unico consistente in una piastra in materiale ceramico continua sottoposta alle aperture 201 che una volta movimentata dal basso copre in contemporanea tutte le aperture 201 , impedendo la risalita delle particelle attraverso i condotti 44. Tali mezzi di chiusura 203 comprendono anche un sistema di comando 204, preferibilmente posizionato in corrispondenza della base del letto di particelle 30, esternamente alla camera di fluidizzazione 250.

Inoltre, sempre in base ad una realizzazione preferita, è previsto un sistema di drenaggio 50 posizionato fra le aperture 20 ed il ricevitore a tubi 400, che consente di convogliare eventuali fuoriuscite di particelle per gravità ad un condotto 72 collegato a un serbatoio di raccolta 73. Da tale serbatoio le particelle possono essere re-inviate, ad esempio pneumaticamente, entro la camera di fluidizzazione 250.

Naturalmente, è previsto anche un sistema di carico delle particelle ai letti 3 e 30, che non è illustrato nelle figure in quanto riconducibile a nozioni note per un tecnico del ramo.

Verranno ora illustrate le modalità operative del dispositivo 1 , contestualmente ad una descrizione dell’impianto 100 nel quale esso è inserito.

Come menzionato sopra, gli ingressi 21 del dispositivo 1 sono idonei a consentire l’adduzione entro l’involucro 2 - e specificamente attraverso la base dei letti di particelle 3, 30 - del gas di fluidizzazione, che nella presente configurazione preferita è aria. In particolare, la disposizione complessiva è tale che il gas, spinto attraverso il setto di distribuzione 21 , movimenta le particelle del letto 30 generando un flusso di particelle che attraversa le aperture di uscita 201 e fluisce all’interno delle connessioni 41 ed i condotti di circolazione 44, direttamente esposti alla radiazione solare concentrata attraverso le aperture 20. Le particelle del flusso di ricircolo rientrano quindi nella camera di fluidizzazione 250, e in particolare nella zona di accumulo di questa, attraverso l’apertura di re-introduzione 202, sospinte dal flusso di areazione proveniente dalla cassa d’aria 15, apportando il contenuto termico sottratto durante il percorso alle pareti dei condotti 44.

In fase di accumulo di energia, quindi, l’energia solare è concentrata, attraverso le aperture 20, sui condotti ricevitori 44 nei quali fluiscono le particelle fluidizzate, le quali accumulano energia termica sottratta alle pareti dei tubi 44 o ricevono invece la radiazione diretta in caso di tubi in quarzo. Le particelle sospinte da un flusso di areazione prodotto dal gas di fluidizzazione in ingresso alla connessione 41 , percorrono i condotti 44 e rientrano nel letto con il contenuto termico sottratto ai condotti 44 stessi.

In particolare, il regime di fluidizzazione delle particelle all’interno dei condotti 44 è preferibilmente di tipo turbolento e consente un elevato coefficiente di scambio termico fra le superfici interne dei condotti 44 medesimi esposti alla radiazione solare concentrata e le particelle stesse. Il gas di fluidizzazione anch’esso riscaldato durante l’attraversamento dei condotti 44 sbocca nella camera di espansione 251 assieme alle particelle trasportate attraversa il letto 30 fluidizzato, cedendo calore a questo prima di rientrare in una tubazione o condotto 71 , il cui ruolo sarà meglio descritto più avanti.

La camera di espansione 251 ha dunque la funzione di promuovere la separazione delle particelle solide dal gas di fluidizzazione, migliorando lo scambio termico e riducendo la quantità di particelle che ricadono nel condotto 44.

Il coefficiente di scambio all’interno del condotto 44 può essere modulato variando il flusso di areazione proveniente dalla cassa d’aria 15 mediante mezzi di regolazione 144 disposti a monte della stessa.

La quantità di particelle ricircolate attraverso i condotti 44 è dimensionata in modo da chiudere il bilancio termico sulla minima temperatura raggiunta dai condotti 44, il che equivale a ridurre al minimo le perdite per irraggiamento del ricevitore 400.

Il regime di fluidizzazione del letto di accumulo 30 è preferibilmente bollente tale cioè da omogeneizzare la temperatura, distribuendo il contenuto termico apportato dalle particelle provenienti dal ricevitore a tubi 400 e generando un corrispondente scambio di calore fra le particelle del medesimo letto 30 e in particolare fra le particelle di porzioni di letto fra loro adiacenti.

Come detto, questa fase è indipendente dalla fase di produzione. In regime di solo accumulo è fluidizzato solo il primo letto 30.

In fase di produzione, si attiva - ossia si fluidizza - anche il secondo letto di scambio 3, cosicché il passaggio di calore avviene dal letto di accumulo 30, anch’esso fluidizzato, alle particelle del letto di scambio 3, da queste ai fasci tubieri 4 e quindi al fluido operativo che fluisce in questi ultimi.

Pertanto, il fluido operativo che attraversa i fasci tubieri 4 riceve dal secondo letto 3 l’energia termica accumulata dal primo letto 30, dove il trasferimento di calore avviene attivando i letti 3, 30 ossia fluidizzando le particelle delle zone di letto 30 e 3.

In aggiunta al meccanismo di scambio termico diffusivo, tipico di un letto fluido bollente, è possibile promuovere lo scambio termico all’interno del letto variando la velocità di fluidizzazione fra il letto di accumulo 30 ed il letto di scambio 3 o fra porzioni di questi mediante mezzi di regolazione 145, 146.

Come già menzionato, il letto di particelle di cessione di calore 3 può essere fisicamente separato dal letto di particelle 30, comunque presentando nel complesso una struttura modulare che consente una fluidizzazione selettiva delle zone del letto. In generale, il dispositivo 1 consente una fluidizzazione selettiva e/o differenziata di una o più porzioni dei letti di particelle 3 e 30 e/o una fluidizzazione selettiva e/o differenziata dei letti stessi o di porzioni di questi ultimi.

È così possibile far operare porzioni del letto come interruttori termici che chiudono il circuito di scambio termico solo se fluidizzati. Detta fluidizzazione controllata e selettiva di zone del mezzo granulare del letto garantisce una continuità di estrazione del calore e flessibilità deirimpianto rispetto alle esigenze energetiche a valle.

Il regime di fluidizzazione delle particelle dei letti 3 e/o 30 è preferibilmente bollente o comunque tale da massimizzare il coefficiente di scambio termico.

La posizione dei fasci tubieri 4 rispetto al letto di particelle 3, o meglio l’esposizione della superficie dei tubi rispetto al letto di particelle, è tale da massimizzare la quantità di calore scambiato, quest’ultima essendo proporzionale al prodotto del coefficiente di scambio termico e della superficie interessata allo scambio termico stesso.

Come detto, per una migliore versatilità di impianto, preferibilmente sono previsti mezzi per variare la velocità deN’aria di fluidizzazione, e quindi anche la sua portata.

Pertanto, variando la velocità di attraversamento del gas di fluidizzazione può essere controllato e modificato il coefficiente di scambio termico complessivo fra il letto fluidizzato e le tubazioni riceventi, con conseguente flessibilità di regolazione della quantità di potenza termica trasferita.

Può così essere ottenuta una sostanziale riduzione del trasferimento di calore in assenza di fluidizzazione.

Come meglio illustrato in Fig. 2, nel presente esempio il dispositivo 1 presenta o è associato a una struttura sopraelevata a torre 70. In corrispondenza della zona centrale di quest’ultima è collocato uno scambiatore gas/gas 7, nel presente esempio di tipo aria/aria, che si sviluppa appunto verticalmente all’interno della struttura di sostegno del dispositivo stesso.

L’ambiente interno al dispositivo 1 , e in particolare la camera di fluidizzazione 250 di esso, è comunicante con lo scambiatore aria-aria 7. In particolare, una sezione dello scambiatore aria-aria 7 da cui esce aria ambiente preriscaldata è connessa al setto di distribuzione 21 alla base della camera di fluidizzazione 250 che contiene i letti di particelle 3 e 30, ed alle connessioni 41 mediante rispettivamente il collettore o cassa d’aria 14 ed il collettore o cassa d’aria 15 associato ai condotti 44 del ricevitore a tubi 400. Nell’altra sezione dello scambiatore 7 entra invece aria di fluidizzazione calda proveniente dai letti 3 e/o 30 e/o dal ricevitore a tubi 400, convogliata attraverso la già menzionata tubazione 71 che attraversa centralmente la camera di fluidizzazione 250.

In tal modo, lo scambiatore 7 consente di preriscaldare in controcorrente aria ambiente in ingresso al distributore 21 ed alle connessioni 41 a spese dell’aria calda di fluidizzazione in uscita dal letto di particelle 3 e/o 30, e quindi di recuperare il contenuto termico dell’aria di fluidizzazione in uscita.

II circuito dell’aria di fluidizzazione prevede che aria ambiente fredda sia spinta da un mezzo di circolazione forzata, in particolare uno o più soffianti/compressori 8, all’interno dello scambiatore aria-aria 7 e si preriscaldi lungo il percorso a spese dell’aria di fluidizzazione calda che, in uscita dal letto di particelle 3 e/o 30, è spinta in controcorrente all’interno di detto scambiatore 7. L’aria ambiente preriscaldata raggiunge le casse d’aria 14, 15, il setto di distribuzione 21 e le connessioni 41 attraverso rispettivi circuiti di adduzione dedicati 140 (per il letto di scambio 3 e la relativa parte di cassa d’aria 14) , 142 (per il letto di accumulo 30 e la relativa parte di cassa d’aria 14) e 150 (per la cassa d’aria 15 ed il ricevitore a tubi 400).

Preferibilmente, tali circuiti di adduzione 140, 142 e 150 prevedono, anche indipendentemente dallo scambiatore 7 appena descritto, i rispettivi mezzi dir regolazione dedicati già introdotti e denotati rispettivamente con 146, 145 e 144.

Sempre in base ad una configurazione preferita, è possibile una regolazione indipendente dei due flussi che interessano la camera di fluidizzazione 250 e il ricevitore a tubi 400, particolarmente in termini di velocità.

L’aria in uscita dal letto di particelle 3, 30, raffreddata dopo aver percorso lo scambiatore aria-aria 7, viene addotta, mediante un condotto di deflusso 5, ad un separatore di polveri 6, o depolveratore, ed è poi espulsa all’ambiente esterno.

Preferibilmente, il separatore di polveri 6 - tipicamente a impattori inerziali o dispositivi equivalenti a basse perdite di carico e funzionamento ciclonico -è posto alla base della struttura del dispositivo 1 in linea con il condotto di deflusso 5 e provvede quindi a depolverare l’aria di fluidizzazione da eventuale elutriato delle particelle dei letti 3, 30.

Con riferimento alla Figura 1 e venendo ora alla configurazione generale dell’impianto 100, nell’esempio qui considerato il fluido operativo è acqua allo stato liquido che durante l’attraversamento dello scambiatore 4 riceve l’energia termica trasferita dalle particelle del letto 3 fino a diventare vapore surriscaldato. Detto vapore in condizioni di temperatura e pressione prestabiliti è poi utilizzato per produrre energia elettrica espandendo in una turbina a vapore 10 associata ad un generatore.

II circuito del fluido operativo prevede condotti 90 che definiscono i fasci tubieri 4 entro il dispositivo 1 , e nell’esempio considerato è prevista la già menzionata turbina a vapore 10 connessa ad un generatore di energia elettrica, un condensatore 11 , un degasatore 40 con spillamento in turbina 10, una pompa di alimento 12, una pompa di estrazione 120 o mezzi equivalenti a quelli appena citati.

Con riferimento alla Figura 4, è illustrato il rendering deirimpianto 100, che a titolo di esempio è composto da quattro dispositivi 1 con struttura a torre 70, ciascuno dei dispositivi 1 è dotato di quattro ricevitori 400 ciascuno con proprio campo specchi 60. La Figura 4 illustra una postazione 61 che accorpa la turbina 10 associata al generatore di corrente, le pompe 12 e 120 oltre che il degasatore 40 prima citate. È evidenziato inoltre il circuito 90 del fluido operativo che prevede sulla medesima linea i condotti di andata del fluido operativo alla turbina 10 e di ritorno al dispositivo 1 dal degasatore 40.

Nella precedente descrizione, ci si è riferiti a titolo di esempio all’applicazione del dispositivo di accumulo secondo l’invenzione ad un impianto di produzione di energia elettrica, stand-alone. Sarà comunque compreso che le possibili applicazioni del dispositivo sono ampie e relative alla produzione di vapore o calore per impianti industriali come centrali termoelettriche, dissalatori, teleriscaldamento, e così via.

In base alla configurazione fin qui descritta, anche in assenza di energia solare - come nelle ore notturne - si assicura la continuità di esercizio e di erogazione di vapore e quindi di potenza termica da parte del dispositivo di accumulo.

In particolare, il dimensionamento del dispositivo 1 , dei condotti ricevitori 44, dei letti particellari 3 e 30, delle superfici dei fasci tubieri 4 e il range di velocità del gas di fluidizzazione sia entro la camera di fluidizzazione 250 che nel ricevitore a tubi 400 può essere tale da assicurare accumulo di energia termica durante le ore di sole fluidizzando il solo letto 30 e i condotti 44 ed assicurare cessione di questa durante le ore notturne allo scambiatore di calore tramite fluidizzazione delle particelle dei letti 3 e 30. Inoltre, come già anticipato, utilizzando una struttura modulare dei letti fluidizzabili e modulando per ciascuna sezione la velocità di fluidizzazione delle particelle stesse, è possibile regolare la quantità di energia termica trasferita ai fasci tubieri 4, scegliendo di dedicare una o più sezioni al trasferimento di calore o all’accumulo mediante una fluidizzazione selettiva e/o differenziata di queste, assicurando un esercizio continuo deirimpianto. Ancora, nella eventualità di impianti che prevedono una molteplicità di dispositivi 1 , la possibilità di regolare per ciascun dispositivo la quantità di calore trasferita al fluido operativo e necessaria a mantenere costante la temperatura e la pressione del vapore prodotto, consente il vantaggio di mantenere costante, diminuire o aumentare la temperatura del fluido operativo ovvero, a parità di temperatura, aumentare la portata del fluido operativo.

Il dimensionamento dei dispositivi di accumulo dell’invenzione e la logica di funzionamento possono essere coordinati per ottenere una determinata produzione di energia anche in assenza di radiazione solare.

In base ad un’altra variante preferita dell’Invenzione utilizzabile in associazione con tutte le altre configurazioni sin qui descritte, è previsto l’utilizzo di combustibile gassoso all’interno del letto fluidizzato, per sopperire a prolungate assenza di insolazione e/o per garantire il raggiungimento di determinato livello di potenza in funzione delle esigenze a valle dell’impianto di produzione.

Un importante vantaggio deriva dalla possibilità di bruciare detto combustibile gassoso direttamente all’interno del letto fluidizzabile. Solitamente infatti per dispositivi di tecnica nota questa operazione viene svolta in unità produttive distinte dall’impianto di produzione principale. Quest’ultima configurazione è schematizzata nelle Fig. 3 e 3A, che mostrano un circuito possibile per il gas combustibile, il quale circuito comprende mezzi di adduzione 16 e relativi mezzi di regolazione 161. Il circuito prevede inoltre un distributore dedicato 162 o sparger in corrispondenza del distributore 21 .

In presenza di gas combustibile, il dispositivo 1 è dotato di uno o più torce 22 inserite nell’ambiente del dispositivo 1 per l’innesco della combustione e per garantire il sistema da eventuali accumuli pericolosi di gas all’interno del dispositivo, ed uno o più dischi di rottura 222 sull’involucro 2. Tali accorgimenti - come altri eventualmente applicabili - sono finalizzati alla prevenzione dai rischi di esplosione.

Per quanto riguarda la combustione di gas di per sé, questa è tecnica nota per cui non ci si dilunga oltre nella specifica descrizione.

Il ricorso a questa configurazione aggiuntiva è reso ancora più conveniente dal fatto che le normative che regolano la produzione di energia da fonti rinnovabili ammettono che una quota minima, generalmente minore o uguale al 15% della potenza nominale dell’impianto, sia prodotta mediante combustione di combustibili fossili.

Una variante di realizzazione semplificata del dispositivo dell’invenzione può prevedere, come già detto, un unico letto fluidizzabile con funzione di accumulo ed eventualmente anche di scambio di energia termica.

Inoltre, in ulteriori varianti l’energia termica trasferita al fluido operativo può essere utilizzata per scopi industriali anche diversi dall’esempio qui considerato.

Sarà compreso meglio a questo punto come il trovato presenta notevoli vantaggi in termini di:

dimensionamento dell’impianto, e in particolare dei dispositivi di accumulo e scambio e della relativa struttura che risultano particolarmente compatti - ciò deriva evidentemente dalla configurazione preferita che vede lo scambiatore aria/aria svilupparsi in altezza all’interno della struttura di supporto del dispositivo stesso; eliminazione di stress termici e conseguenti deformazioni delle superfici riceventi adottando le particelle del letto come ricevitori diretti e/o indiretti della radiazione solare concentrata;

- dimensionamento ed esercizio delle soffianti-compressori dell’impianto, che elaborano un fluido freddo, ossia aria ambiente; dimensionamento ed esercizio del depolveratore che analogamente alle soffianti-compressori 8 lavora con aria di fluidificazione esausta a bassa temperatura (circa 100 °C);

- dimensionamento dei fasci tubieri che attraversano il dispositivo di accumulo, che risultano drasticamente ridimensionati essendo le fasi di preriscaldo di evaporazione e surriscaldamento del fluido operativo affidate allo scambio termico all’interno del letto con coefficienti tipici di 300 - 500 W/m<2>K.

Sarà infine compreso come l’invenzione fornisca anche un metodo di accumulo e scambio di calore come definito nelle rivendicazioni che seguono e presentante le medesime caratteristiche preferite esposte sopra in relazione alle varie forme e varianti di realizzazione del dispositivo e dell’impianto dell’invenzione.

La presente invenzione è stata fin qui descritta con riferimento a forme preferite di realizzazione. È da intendersi che possano esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, come definito dall’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di accumulo di energia termica (1) ricevuta da una radiazione solare, il quale dispositivo (1) comprende: - un involucro di contenimento (2); - almeno un letto di particelle (3, 30) atte all’accumulo ed allo scambio di energia termica, contenute entro detto involucro di contenimento (2); - almeno un ingresso di adduzione (21) di un gas di fluidizzazione attraverso detto letto di particelle (3, 30), la disposizione complessiva essendo tale che, in uso, tale gas di fluidizzazione movimenta le particelle di detto letto (3, 30) determinando o favorendo uno scambio di calore fra le particelle stesse e/o fra queste ed ulteriori elementi; e - mezzi di ricezione della radiazione solare (400), disposti in corrispondenza di detto involucro (2) e comprendenti mezzi di circolazione (40, 41 , 44) di particelle provenienti da detto letto (30), i quali mezzi di circolazione sono atti a determinare un flusso dedicato di tali particelle in corrispondenza di una regione di irraggiamento (200) del dispositivo (1) interessata dalla radiazione solare.
2. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1 , in cui detta regione di irraggiamento comprende una o più camere (200) definite da detto involucro (2) ed associate ad una o più aperture di irraggiamento (20) ricavate in quest’ultimo.
3. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detto involucro (2) definisce una camera di fluidizzazione (250) che contiene detto letto di particelle (3, 30) ed in cui dette una o più camere di irraggiamento (200) sono disposte circoscritte a detta camera di fluidizzazione (250).
4. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di circolazione comprendono uno o più condotti di irraggiamento (44) atti a ricevere detto flusso dedicato di particelle ed estendentisi in detta regione di irraggiamento (200).
5. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione precedente, comprendente una camera di fluidizzazione (250) che contiene detto letto di particelle (3, 30) ed in cui detti mezzi di circolazione comprendono, per detto o ciascun condotto di irraggiamento (44), una uscita di particelle (201) da detta camera di fluidizzazione (250) verso detto condotto (44), preferibilmente disposta in corrispondenza di una base di detta camera di fluidizzazione (250), ed un ingresso di re-introduzione (202) delle particelle in detta camera di fluidizzazione (250), preferibilmente ricavato in corrispondenza di una porzione di detta camera sottoposta al pelo libero di detto letto di particelle (30) in condizione fluidizzata.
6. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 4 o 5, comprendente una connessione a tre vie (41) per detto o ciascun condotto di irraggiamento (44), che pone quest’ultimo in collegamento di fluido con detto letto di particelle (30) e con una adduzione (15) di gas di fluidizzazione.
7. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 6, in cui detto o detti condotti di irraggiamento (44) sono realizzati in un materiale refrattario, preferibilmente una lega metallica resistente alle alte temperature, carburo di silicio e/o ceramica.
8. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 7, in cui detto o ciascun condotto di irraggiamento (44) presenta un corpo principale di carburo di silicio a sua volta contenuto in una camicia di quarzo e preferibilmente un filtro ottico applicato sulla superficie esterna di detto corpo principale.
9. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente mezzi di adduzione (140, 142, 150) e preferibilmente di regolazione di flusso (146, 145, 144) indipendenti rispettivamente per la fluidizzazione di detto letto di particelle (3, 30) e per la generazione di detto flusso dedicato in detti mezzi di ricezione di radiazione solare (400).
10. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente mezzi di interdizione (203) di detto flusso dedicato di particelle.
11. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una o più aperture di irraggiamento (20) ricavate in detto involucro (2) ed una o più finestre in quarzo disposte in corrispondenza di dette una o più aperture (20).
12. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione precedente, comprendente uno o più filtri ottici trasparenti alla radiazione solare ed in grado di riflettere la radiazione infrarossa, che rivestono dette finestre in quarzo.
13. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una o più aperture di irraggiamento (20) ricavate in detto involucro (2) ed un sistema di chiusura di dette aperture di irraggiamento (20), il cui azionamento è preferibilmente automatizzato.
14. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre - elementi di scambio termico (4) attraversati, in uso, da un fluido operativo e disposti in corrispondenza o prossimità di detto letto di particelle fluidizzabili (3, 30), in cui la disposizione complessiva è tale che, in uso, porzioni di detto letto di particelle (3, 30) sono atte ad essere movimentate selettivamente mediante il gas di fluidizzazione per accumulare energia termica ricevuta dalla radiazione solare in una fase di accumulo e per cedere l’energia termica accumulata a detti elementi di scambio termico (4) in una fase di scambio, ed in cui la disposizione complessiva è inoltre tale da consentire una attivazione indipendente della fase di accumulo dalla fase di scambio di calore.
15. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detto letto di particelle a sua volta è formato da: - una prima porzione di accumulo (30), atta ad accumulare energia termica ricevuta dalla radiazione solare ed in comunicazione di flusso con detti mezzi di circolazione di particelle (40, 41 , 44); e - una seconda porzione di scambio (3), disposta adiacentemente a detta prima porzione (30) ed atta a cedere l’energia termica accumulata mediante quest’ultima a detti elementi di scambio termico (4), in cui detta prima porzione di accumulo (30) e detta seconda porzione di scambio (3) sono atte a realizzare rispettivamente detta fase di accumulo e detta fase di scambio mediante una rispettiva fluidizzazione.
16. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui detti elementi di scambio termico (4) sono disposti in modo tale da essere in contatto con almeno parte (3) di detto letto di particelle (3, 30) e/o in modo tale da essere lambiti, in uso, da almeno parte (3) di detto letto (3, 30) quando fluidizzato mediante detto gas di fluidizzazione.
17. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente mezzi di adduzione (16, 161 , 162) e mezzi di combustione in sicurezza (22, 222) di un gas combustibile entro detto letto di particelle (3, 30) o parte di esso.
18. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente, in corrispondenza di detto ingresso di adduzione di gas di fluidizzazione (21), una compartimentazione (141) atta a consentire una fluidizzazione selettiva e/o differenziata di una o più parti di detto letto di particelle (3, 30) da parte del gas di fluidizzazione e/o una fluidizzazione selettiva e/o differenziata di dette prima (30) e seconda (3) porzione di detto letto di particelle o di parti di queste ultime.
19. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente uno scambiatore di calore gas/gas (7), preferibilmente aria/aria, in cui la disposizione complessiva è tale che, in uso, sono addotti in tale scambiatore (7): - un primo gas freddo, che è il gas di fluidizzazione da impiegare per la fluidizzazione di detto letto di particelle (3, 30) o di dette prima (30) e/o seconda (3) porzione di esso e/o il gas per la generazione di detto flusso dedicato di particelle in detti mezzi di ricezione (400), e - un secondo gas caldo, che è il gas di fluidizzazione in uscita da detto letto di particelle (3, 30) o da dette prima (30) e/o seconda (3) porzione di esso.
20. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione precedente, che è disposto su una struttura a torre (70) che alloggia al suo interno detto scambiatore gas/gas (7).
21. Impianto (100) per produrre vapore o calore per usi industriali, comprendente uno o più dispositivi (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, il quale impianto è preferibilmente un impianto di produzione di energia elettrica o di dissalazione.
22. Metodo di accumulo e successivo scambio di energia termica di origine solare, che prevede l’impiego di un letto di particelle (3, 30) atte a ricevere ed accumulare l’energia termica di origine solare ed una fluidizzazione di detto letto di particelle (3, 30) tale da determinare o favorire uno scambio termico fra queste ultime ed i fasci tubieri (4) di uno scambiatore di calore, in cui viene prodotto un flusso dedicato di particelle prelevate da detto letto (30) in corrispondenza di una regione di irraggiamento (200) interessata dalla radiazione solare.
23. Metodo secondo la rivendicazione precedente, in cui detta fluidizzazione viene eseguita mediante adduzione controllata di un gas di fluidizzazione, preferibilmente aria.
24. Metodo secondo la rivendicazione 22 o 23, che prevede una fluidizzazione differenziata di porzioni selezionate di detto letto di particelle (3, 30).
25. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 22 a 24, in cui in detti fasci tubieri (4) scorre un fluido di esercizio che è acqua e/o vapore.
26. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 22 a 25, che prevede l’impiego di uno o più dispositivi (1) o di un impianto (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 19.
27. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 22 a 26, che prevede una combustione di combustile fossile gassoso entro detto letto di particelle (3, 30).
28. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 22 a 27, comprendente: - una prima fase di accumulo di energia termica ricevuta dalla radiazione solare concentrata mediante movimentazione di una prima porzione (30) di detto letto di particelle; e - una seconda fase di scambio di detta energia termica accumulata in detta prima fase ad una seconda porzione (3) di detto letto di particelle e da quest’ultimo a detti fasci tubieri (4), in cui dette fasi di accumulo e di scambio di calore sono attivabili l’una indipendentemente dall’altra.
29. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 22 a 28, che prevede una fase di scambio di calore gas/gas, preferibilmente aria/aria, fra un primo gas freddo che è il gas di fluidizzazione da impiegare per la fluidizzazione di detto letto di particelle (3, 30) e per la generazione di detto flusso dedicato alla ricezione della radiazione solare ed un secondo gas caldo che è il gas di fluidizzazione in uscita da detto letto di particelle (3, 30).
30. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 22 a 29, in cui detto gas di fluidizzazione è aria.
31. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 22 a 30, che è un metodo di produzione di energia elettrica.