ITRM20130444A1

ITRM20130444A1 - LINEAR SOLAR RECEIVER WITH REFLECTIVE CAVITY FOR HIGH TEMPERATURE APPLICATIONS

Info

Publication number: ITRM20130444A1
Application number: IT000444A
Authority: IT
Inventors: Tommaso Crescenzi; Roberto Grena; Michela Lanchi
Original assignee: Agenzia Naz Per Le Nuove Tecn Ologie L Ener
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2015-01-31

Description

RICEVITORE SOLARE LINEARE A CAVITA' RIFLETTENTE PER LINEAR SOLAR RECEIVER WITH REFLECTING CAVITY FOR

APPLICAZIONI AD ALTA TEMPERATURA HIGH TEMPERATURE APPLICATIONS

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione si colloca nel settore degli impianti solari, ed in particolare si riferisce ad un ricevitore per concentratori lineari, che consente di raggiungere temperature molto elevate per un concentratore lineare (fino a 800 °C). The present invention relates to the solar plant sector, and in particular it refers to a receiver for linear concentrators, which allows to reach very high temperatures for a linear concentrator (up to 800 ° C).

Il trovato si pone nell'ambito delle tecnologie solari termiche a concentrazione, sempre più diffuse e studiate per far fronte al fabbisogno energetico crescente in modo sostenibile. Tra esse, quelle industrialmente più sviluppate sono le tecnologie a concentrazione lineare, in cui uno specchio primario (di solito a sezione parabolica) insegue il sole ruotando su un asse e concentra la radiazione lungo una linea focale. Intorno a questa linea si trova un ricevitore tubolare in cui scorre un fluido termovettore, che assorbe il calore. Il fluido può essere usato poi per scambiare calore con un generatore di vapore per la produzione elettrica (in questo caso si usano olii diatermici o, in alcuni casi, sali fusi), o può essere acqua per la generazione diretta di vapore da mandare in turbina. The invention arises in the field of concentrating solar thermal technologies, which are increasingly widespread and designed to meet the growing energy requirement in a sustainable way. Among them, the most industrially developed technologies are linear concentration technologies, in which a primary mirror (usually with a parabolic section) follows the sun by rotating on an axis and concentrates the radiation along a focal line. Around this line there is a tubular receiver in which a heat transfer fluid flows, which absorbs heat. The fluid can then be used to exchange heat with a steam generator for electrical production (in this case diathermic oils or, in some cases, molten salts are used), or it can be water for the direct generation of steam to be sent to the turbine. .

La generazione elettrica non è la sola possibilità: il calore può essere usato direttamente per altri scopi. Particolare interesse hanno le reazioni termochimiche, che possono essere alimentate da energia solare. Anche qui, vi sono due possibilità: scaldare un fluido che poi cederà il calore ai reagenti, o mandare i reagenti direttamente nei ricevitori raccogliendo e separando i prodotti all'uscita. Electricity generation is not the only possibility: heat can be used directly for other purposes. Of particular interest are the thermochemical reactions, which can be powered by solar energy. Here too, there are two possibilities: to heat a fluid which will then transfer the heat to the reactants, or to send the reactants directly to the receivers, collecting and separating the products at the outlet.

I ricevitori usati in genere per applicazioni su larga scala e a media temperatura (300 – 500 °C) sono i tubi a vuoto, in cui il ricevitore è un tubo cilindrico incapsulato in un tubo di vetro; nell'intercapedine tra i due c'è il vuoto. The receivers typically used for large-scale and medium-temperature applications (300 - 500 ° C) are vacuum tubes, in which the receiver is a cylindrical tube encapsulated in a glass tube; in the gap between the two there is emptiness.

Il massimo delle temperature raggiungibili da questi tubi è, finora, di 550 °C, ma le temperature finali più frequenti sono intorno ai 400 °C. Le limitazioni sono dovute non tanto alle proprietà termiche del tubo, ma alla sua scarsa resistenza a temperature elevate. I punti critici nei tubi a vuoto sono: le giunzioni vetro-metallo alle estremità dei tubi (che devono mantenere il vuoto), la copertura selettiva del ricevitore (usata per ottenere una elevata efficienza termica), la differenza di dilatazione termica tra il vetro e il materiale che compone il ricevitore vero e proprio (di solito acciaio). The maximum temperatures that can be reached by these pipes are, so far, 550 ° C, but the most frequent final temperatures are around 400 ° C. The limitations are due not so much to the thermal properties of the tube, but to its poor resistance to elevated temperatures. The critical points in vacuum tubes are: the glass-metal junctions at the ends of the tubes (which must maintain the vacuum), the selective coverage of the receiver (used to obtain a high thermal efficiency), the difference in thermal expansion between the glass and the material that makes up the actual receiver (usually steel).

La limitazione in temperatura non consente l'uso dei ricevitori lineari per svariate applicazioni termochimiche che pure non richiedono temperature operative elevatissime (600 – 800 °C), come, ad esempio, i seguenti processi: The temperature limitation does not allow the use of linear receivers for various thermochemical applications which also do not require very high operating temperatures (600 - 800 ° C), such as, for example, the following processes:

• reforming degli idrocarburi (metano, etanolo, bioetanolo, glicerolo, etc.) • reforming of hydrocarbons (methane, ethanol, bioethanol, glycerol, etc.)

• ciclo termochimico Zolfo-Iodio. • Sulfur-Iodine thermochemical cycle.

• ciclo termochimico Ferriti Miste di Sodio e Manganese. • thermochemical cycle Mixed Ferrites of Sodium and Manganese.

• processi chimici reversibili per lo stoccaggio dell’energia solare quali i cicli della famiglia dello Zolfo. • reversible chemical processes for the storage of solar energy such as the cycles of the Sulfur family.

Per estendere il campo di utilizzo dei ricevitori lineari a temperature più elevate (600-800°C), c’è la necessità di realizzare un ricevitore più resistente alle alte temperature. To extend the range of use of linear receivers at higher temperatures (600-800 ° C), there is a need to create a receiver that is more resistant to high temperatures.

Il problema della resistenza in temperatura dei ricevitori è molto discusso nel caso di concentratori puntuali, come i dish parabolici o i campi di eliostati, che lavorano con concentrazioni solari molto più elevate. Una soluzione interessante per questi sistemi è il ricevitore a cavità, in cui la radiazione entra in una cavità dall'imboccatura molto piccola e viene assorbita dalle pareti interne. La frazione di radiazione riflessa e quella riemessa per irraggiamento termico restano in gran parte all'interno della cavità, dove vengono riassorbite, poiché l'apertura è una frazione piccola della superficie. Il sistema è molto robusto, poiché non richiede protezioni, né superfici con rivestimenti particolari o giunzioni tra materiali diversi. The problem of the temperature resistance of the receivers is much discussed in the case of point concentrators, such as parabolic dishes or heliostat fields, which work with much higher solar concentrations. An interesting solution for these systems is the cavity receiver, in which the radiation enters a cavity with a very small mouth and is absorbed by the internal walls. The fraction of reflected radiation and that re-emitted by thermal radiation remain largely inside the cavity, where they are reabsorbed, since the opening is a small fraction of the surface. The system is very robust, as it does not require protections, surfaces with special coatings or joints between different materials.

Quindi, in tali sistemi a cavità noti, la cavità funge direttamente essa stessa da assorbitore. Hence, in such known cavity systems, the cavity itself acts directly as an absorber.

Questa tecnologia non sarebbe particolarmente efficiente se applicata ad un ricevitore lineare. Infatti, in tal caso, la concentrazione sarebbe particolarmente ridotta a causa del fatto che le pareti della cavità sono necessariamente più estese di un tubo tradizionale e quindi permetterebbero concentrazioni minori, se fossero usate direttamente come assorbitori. This technology would not be particularly efficient if applied to a linear receiver. In fact, in this case, the concentration would be particularly reduced due to the fact that the cavity walls are necessarily more extended than a traditional tube and therefore would allow lower concentrations, if they were used directly as absorbers.

Inoltre, la cavita, assorbente, si scalderebbe in modo eccessivo causando forti perdite termiche dalla parete esterna. Furthermore, the absorbent cavity would heat up excessively causing strong thermal losses from the external wall.

Scopo della presente invenzione è dunque quello di superare le problematiche sopra esposte e ciò è ottenuto attraverso un ricevitore lineare come definito dalla rivendicazione 1. The aim of the present invention is therefore to overcome the problems set out above and this is achieved through a linear receiver as defined in claim 1.

Ulteriore oggetto della presente invenzione è un concentratore solare come definito nella rivendicazione n.9. A further object of the present invention is a solar concentrator as defined in claim 9.

La presente invenzione, superando i problemi della tecnica nota, comporta numerosi ed evidenti vantaggi. The present invention, overcoming the problems of the known art, entails numerous and evident advantages.

Innanzitutto, il ricevitore secondo la presente invenzione utilizza una cavità lineare entro la quale è contenuto un assorbitore, su cui le pareti della cavità (in questo caso riflettenti) reindirizzano la radiazione. La cavità agisce quindi anche da specchio secondario. First of all, the receiver according to the present invention uses a linear cavity within which an absorber is contained, onto which the walls of the cavity (reflecting in this case) redirect the radiation. The cavity therefore also acts as a secondary mirror.

La presente invenzione consente di raggiungere quindi temperature elevate, sufficienti per fornire calore a molti processi endotermici per lo stoccaggio dell’energia solare (quali i cicli termochimici per la produzione di idrogeno o i processi di reforming degli idrocarburi) che richiedono temperature operative nel range di 600 – 800 °C, attualmente al di fuori della portata dei comuni ricevitori lineari come i tubi a vuoto. L'uso di un ricevitore lineare invece che di un concentratore puntuale (dish o torre solare) per i fabbisogni termici ad alta temperatura, permette di sfruttare la tecnologia consolidata e già diffusa a livello industriale dei collettori lineari, integrandola e potenziandola (ad esempio connettendo in serie i ricevitori innovativi con quelli tradizionali per integrare i contributi termici richiesti a diversi livelli di temperatura). The present invention therefore allows to reach high temperatures, sufficient to supply heat to many endothermic processes for the storage of solar energy (such as thermochemical cycles for the production of hydrogen or the reforming processes of hydrocarbons) which require operating temperatures in the range of 600 - 800 ° C, currently beyond the reach of common linear receivers such as vacuum tubes. The use of a linear receiver instead of a point concentrator (dish or solar tower) for high temperature thermal needs, allows to exploit the consolidated and already widespread technology of linear collectors at an industrial level, integrating it and enhancing it (for example by connecting in series the innovative receivers with the traditional ones to integrate the thermal contributions required at different temperature levels).

Il risultato è ottenuto con un ricevitore a cavità riflettente ellittica: il concentratore primario concentra i raggi solari in uno dei fuochi dell'ellisse, e questi vengono poi riflessi nel secondo fuoco, dove si trova un tubo ricevitore. Il tubo è schermato dall'eccessiva emissione termica dalla cavità intorno, trovandosi vicino al fondo della cavità e quindi lontano dall'apertura verso l'esterno. La superficie esterna della cavità è coperta da uno strato di materiale isolante per ridurre ulteriormente le perdite termiche. Il sistema non presenta giunzioni vetro-metallo, vuoto o superfici selettive delicate, che limitano la temperatura d'esercizio nei tubi a vuoto usati generalmente come ricevitori; questo sistema è volutamente mantenuto semplice e robusto. Nonostante ciò, le temperature ottenibili sono molto alte a causa della schermatura fornita dalla cavità. The result is obtained with an elliptical reflecting cavity receiver: the primary concentrator concentrates the solar rays in one of the foci of the ellipse, and these are then reflected in the second focus, where there is a receiver tube. The pipe is shielded from excessive thermal emission from the surrounding cavity, being near the bottom of the cavity and therefore away from the opening to the outside. The outer surface of the cavity is covered with a layer of insulating material to further reduce thermal losses. The system has no glass-metal junctions, vacuum or delicate selective surfaces, which limit the operating temperature in the vacuum tubes generally used as receivers; this system is deliberately kept simple and robust. Despite this, the temperatures that can be obtained are very high due to the shielding provided by the cavity.

Questi ed altri vantaggi, assieme alle caratteristiche ed alle modalità di impiego della presente invenzione, risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di sue forme di realizzazione preferite, presentate a scopo esemplificativo e non limitativo. These and other advantages, together with the characteristics and methods of use of the present invention, will become evident from the following detailed description of its preferred embodiments, presented by way of non-limiting example.

Verrà fatto riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui: Reference will be made to the figures of the attached drawings, in which:

la figura 1 è una vista schematica in sezione trasversale, di un ricevitore secondo una forma di realizzazione della presente invenzione; Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a receiver according to an embodiment of the present invention;

la figura 2 è una vista schematica in prospettiva di un concentratore solare lineare secondo la presente invenzione, che utilizza un ricevitore secondo la figura 1; Figure 2 is a schematic perspective view of a linear solar concentrator according to the present invention, which uses a receiver according to Figure 1;

la figura 3 è una vista schematica in sezione trasversale, di un ricevitore secondo una ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione. Figure 3 is a schematic cross-sectional view of a receiver according to a further embodiment of the present invention.

La presente invenzione sarà di seguito descritta facendo riferimento alle figure suindicate. The present invention will be described below with reference to the figures indicated above.

In particolare, la figura 1 è una vista schematica in sezione trasversale, di un ricevitore lineare 1 secondo una forma di realizzazione della presente invenzione. In particular, Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a linear receiver 1 according to an embodiment of the present invention.

Il ricevitore lineare 1, pensato per operare in un impianto solare basato su concentratori solari a sviluppo lineare, comprende innanzitutto un corpo cavo 2 presentante un asse di sviluppo longitudinale A sostanzialmente lineare. The linear receiver 1, designed to operate in a solar plant based on linear development solar concentrators, first of all comprises a hollow body 2 having a substantially linear longitudinal axis A.

All’interno del corpo cavo 2, è presente un tubo ricevitore 3 atto al passaggio di un fluido termovettore, e posto in posizione sostanzialmente parallela all’asse longitudinale A del corpo cavo 2. Inside the hollow body 2, there is a receiver tube 3 suitable for the passage of a heat transfer fluid, and placed in a position substantially parallel to the longitudinal axis A of the hollow body 2.

In particolare, il corpo cavo 2 presenta una sezione sostanzialmente a forma di ellisse, ed il tubo ricevitore 3 è posto in corrispondenza di un primo fuoco f1 dell’ellisse, con il suo asse longitudinale sostanzialmente coincidente con la linea focale definita dal primo fuoco f1. In particular, the hollow body 2 has a substantially ellipse-shaped section, and the receiver tube 3 is placed in correspondence with a first focus f1 of the ellipse, with its longitudinal axis substantially coinciding with the focal line defined by the first focus f1 .

In corrispondenza del suo secondo fuoco f2, l’ellisse presenta un’apertura longitudinale 4. At its second focus f2, the ellipse has a longitudinal opening 4.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l’ellisse è sezionata secondo una linea B passante per detto secondo fuoco f2 e parallela ad un asse minore di detta ellisse, e l’apertura longitudinale è ricavata su detta linea e delimitata da due orli 5, 6. According to an embodiment of the present invention, the ellipse is sectioned along a line B passing through said second focus f2 and parallel to a minor axis of said ellipse, and the longitudinal opening is obtained on said line and delimited by two edges 5 , 6.

E’ da intendersi che altre soluzioni possono essere previste per la realizzazione di un’apertura longitudinale, in prossimità del secondo fuoco dell’ellisse. It should be understood that other solutions may be envisaged for the creation of a longitudinal opening, near the second focus of the ellipse.

Secondo la presente invenzione, il ricevitore lineare 2 può essere parte di un concentratore solare a sviluppo lineare. According to the present invention, the linear receiver 2 can be part of a linear development solar concentrator.

Tale concentratore solare comprende un collettore primario presentante una linea focale ed il ricevitore lineare 2 è posizionato sostanzialmente lungo la linea focale, con l’apertura rivolta verso il collettore primario ed in modo tale che il suo secondo fuoco coincida sostanzialmente con il fuoco del collettore primario. This solar concentrator comprises a primary collector having a focal line and the linear receiver 2 is positioned substantially along the focal line, with the opening facing the primary collector and in such a way that its second focus substantially coincides with the focus of the primary collector .

Vantaggiosamente la geometria del sistema è tale che il secondo fuoco f2 dell’ellisse del ricevitore venga a trovarsi nel punto focale di un collettore primario. In questo modo, i raggi che il collettore primario concentra in f2 verranno riflessi per le note proprietà ottiche dell'ellisse - verso f1 e verranno assorbiti dal tubo ricevitore in cui scorre il fluido termovettore. Advantageously, the geometry of the system is such that the second focus f2 of the ellipse of the receiver is located in the focal point of a primary collector. In this way, the rays that the primary collector concentrates in f2 will be reflected due to the known optical properties of the ellipse - towards f1 and will be absorbed by the receiver tube in which the heat transfer fluid flows.

In figura 1 è rappresentata in modo schematico la sezione del ricevitore 2 insieme ad un collettore primario 10, e sono evidenziati i percorsi dei raggi solari per illustrare il principio di funzionamento. In figura 2, un tratto di un concentratore solare lineare secondo la presente invenzione, è raffigurato in prospettiva. Figure 1 schematically represents the section of the receiver 2 together with a primary collector 10, and the paths of the sun's rays are highlighted to illustrate the operating principle. In Figure 2, a section of a linear solar concentrator according to the present invention is shown in perspective.

Per quanto riguarda la forma del collettore primario, è preferibile che sia tale da presentare nel complesso una focale ben definita, preferibilmente un’unica linea focale, in modo tale che i raggi collimati sono con buona approssimazione concentrati lungo tale unica linea focale. With regard to the shape of the primary collector, it is preferable that it is such as to present a well-defined focal line overall, preferably a single focal line, so that the collimated rays are with good approximation concentrated along this single focal line.

Esempi di forme valide in tal senso sono concentratori a sezione parabolica, oppure anche concentratori cilindrici con curvatura non eccessiva, che presentano comunque una linea focale ben definita. Examples of valid shapes in this sense are concentrators with parabolic section, or even cylindrical concentrators with not excessive curvature, which in any case have a well-defined focal line.

La larghezza del fascio di radiazione proveniente dal collettore primario in prossimità del fuoco f2 dipende sostanzialmente da due fattori: la divergenza solare (la radiazione solare non è collimata, ma arriva con una certa dispersione angolare e quindi non sarà interamente concentrata in f2, ma in una piccola zona intorno a questo punto), e le possibili imperfezioni del collettore primario che potrebbero dare una dispersione aggiuntiva. The width of the radiation beam coming from the primary collector near the focus f2 substantially depends on two factors: the solar divergence (the solar radiation is not collimated, but arrives with a certain angular dispersion and therefore will not be entirely concentrated in f2, but in a small area around this point), and the possible imperfections of the primary collector that could give an additional dispersion.

Questi fattori devono quindi essere presi in considerazione nella progettazione del ricevitore ed in particolare nel determinare le dimensioni dell'apertura longitudinale, che deve essere sufficiente a far passare sostanzialmente tutta la radiazione incidente all'interno della cavità. These factors must therefore be taken into consideration in the design of the receiver and in particular in determining the dimensions of the longitudinal opening, which must be sufficient to allow substantially all the incident radiation to pass inside the cavity.

I raggi del sole, pur non essendo perfettamente collimati, presentano una dispersione angolare piccola e quindi passeranno tutti in una piccola zona intorno al fuoco (della larghezza di qualche centimetro, per collettori di qualche metro di larghezza). Ad esempio, per un collettore parabolico lineare si può calcolare la larghezza entro cui passeranno tutti i raggi solari: se a è l'apertura angolare della radiazione solare (circa 0.046 rad), L è la semiapertura del collettore, allora la semilarghezza del fascio di radiazione a livello del fuoco è The sun's rays, although not perfectly collimated, have a small angular dispersion and therefore will all pass in a small area around the fire (a few centimeters wide, for collectors a few meters wide). For example, for a linear parabolic collector it is possible to calculate the width within which all the solar rays will pass: if a is the angular opening of the solar radiation (about 0.046 rad), L is the half-opening of the collector, then the half-width of the radiation at the level of the focus is

(f-2L / 4f) sin(a) / sin(t-a), (f-2L / 4f) sin (a) / sin (t-a),

dove t = arctan(f/L – L/4f). where t = arctan (f / L - L / 4f).

Idealmente, l'apertura della cavità dovrebbe contenere interamente il fascio incidente, per non causare perdite. In realtà, poichè i bordi del fascio di radiazione hanno intensità molto minore della parte centrale, potrebbe essere conveniente usare una cavità con apertura minore, perdendo parte della radiazione ma riducendo le perdite termiche. Ideally, the cavity opening should entirely contain the incident beam, so as not to cause leakage. In reality, since the edges of the radiation beam have much less intensity than the central part, it might be convenient to use a cavity with a smaller aperture, losing part of the radiation but reducing thermal losses.

Un altro aspetto che può essere considerato nell'ottimizzazione e nel dimensionamento è l'ombra che il ricevitore proietta sul collettore primario, causando perdite ottiche: per questo motivo, la cavità non dovrebbe essere troppo ingombrante. Another aspect that can be considered in the optimization and sizing is the shadow that the receiver projects on the primary collector, causing optical losses: for this reason, the cavity should not be too bulky.

Il corpo cavo 2 ha, preferibilmente, una parete interna atta a riflettere la radiazione solare. Il corpo cavo ellittico agisce quindi come riflettore secondario, riceve i raggi provenienti dal concentratore primario e li invia sul ricevitore. The hollow body 2 preferably has an internal wall adapted to reflect the solar radiation. The elliptical hollow body therefore acts as a secondary reflector, receives the rays coming from the primary concentrator and sends them to the receiver.

La radiazione solare viene concentrata dal collettore primario nel fuoco f2. La radiazione, concentrata intorno a f2, entra (tutta o quasi) nella cavità, e viene riflessa dalle pareti. The solar radiation is concentrated by the primary collector in the focus f2. The radiation, concentrated around f2, enters (all or almost) the cavity, and is reflected by the walls.

Poiché proviene da una piccola zona intorno a f2, verrà riflessa verso una piccola zona intorno a f1, grazie alle proprietà ottiche dell'ellisse. Since it comes from a small area around f2, it will be reflected back to a small area around f1, thanks to the optical properties of the ellipse.

In f1, parallelamente all’asse longitudinale del corpo cavo, si trova il tubo ricevitore 3 che assorbe la radiazione. In f1, parallel to the longitudinal axis of the hollow body, there is the receiver tube 3 which absorbs the radiation.

Si noti che la cavità agisce da specchio secondario, ma non aumenta la concentrazione. La sua funzione è quella di trasmettere la radiazione in una zona profonda della cavità, riducendo l'emissione termica e le perdite per convezione e per irraggiamento verso l'esterno. Note that the cavity acts as a secondary mirror, but does not increase the concentration. Its function is to transmit the radiation in a deep area of the cavity, reducing the thermal emission and the losses due to convection and radiation towards the outside.

Quindi, la radiazione termica emessa dal ricevitore caldo (e, in misura minore, dalle pareti interne della cavità) resta in larga parte all'interno della cavità stessa, dove viene riassorbita attraverso riflessioni multiple, dal tubo o dalle pareti della cavità. La convezione è anch'essa ridotta poiché l'apertura limitata minimizza lo scambio di aria con l'esterno. Hence, the thermal radiation emitted by the hot receiver (and, to a lesser extent, by the internal walls of the cavity) remains largely within the cavity itself, where it is reabsorbed through multiple reflections, from the tube or from the cavity walls. Convection is also reduced since the limited opening minimizes the exchange of air with the outside.

Poiché anche le pareti della cavità tenderanno a scaldarsi, è preferibile che il corpo cavo sia esternamente ricoperto con un materiale termicamente isolante. Since the cavity walls will also tend to heat up, it is preferable that the hollow body is externally covered with a thermally insulating material.

Al contrario, il tubo ricevitore, in cui scorre il fluido termovettore, dovrebbe preferibilmente avere una superficie esterna rivestita o realizzata in materiale assorbente nel visibile. On the contrary, the receiver tube, in which the heat transfer fluid flows, should preferably have an external surface coated or made of absorbent material in the visible.

E’ da intendersi che il tubo e/o l'eventuale strato assorbente, dovranno essere realizzati in materiali resistenti al calore, almeno fino ad 800 °C. It is understood that the tube and / or any absorbent layer must be made of heat resistant materials, at least up to 800 ° C.

Il funzionamento del ricevitore può essere descritto analizzandone il comportamento in dettaglio nelle fasi di assorbimento della radiazione incidente, di riemissione termica e di perdite per convezione. The operation of the receiver can be described by analyzing its behavior in detail in the phases of absorption of the incident radiation, of thermal re-emission and of losses by convection.

Nel complesso, la radiazione incidente sarà in piccola parte assorbita dalle pareti della cavità ed in larga parte assorbita dal tubo. Una porzione della radiazione incidente verrà persa per riflessione, ma queste perdite sono limitate dalla cavità e solo la porzione che esce dall'apertura dopo riflessioni multiple verrà persa. Overall, the incident radiation will be partially absorbed by the cavity walls and largely absorbed by the tube. A portion of the incident radiation will be lost by reflection, but these losses are limited by the cavity and only the portion that exits the aperture after multiple reflections will be lost.

Per quanto riguarda l'emissione termica radiativa, essa sarà dovuta al tubo e alla cavità, e può essere consistente - soprattutto nel caso del tubo - a causa delle elevate temperature di lavoro. As for the radiative thermal emission, it will be due to the tube and the cavity, and can be substantial - especially in the case of the tube - due to the high working temperatures.

La cavità limita la riemissione verso l'esterno, poiché la radiazione viene riflessa e riassorbita dalla cavità e solo la frazione che esce dall'apertura viene persa. Tuttavia, se la cavità è riflettente anche nell'infrarosso, questa funzione è almeno parzialmente compromessa: infatti la radiazione emessa dal tubo proviene da una zona intorno ad f1, e per emissione termica lambertiana (secondo la legge del coseno) ha buone probabilità di essere riflessa in una zona intorno a f2, uscendo dall'apertura. The cavity limits the re-emission towards the outside, since the radiation is reflected and reabsorbed by the cavity and only the fraction that exits the opening is lost. However, if the cavity is also reflective in the infrared, this function is at least partially compromised: in fact the radiation emitted by the tube comes from an area around f1, and due to Lambertian thermal emission (according to the cosine law) it has a good chance of being reflected in an area around f2, exiting the aperture.

Simulazioni mostrano che questa quantità è tra il 30% e il 60% dell'emissione termica del tubo, a seconda dell'apertura della cavità. Quindi, sebbene l'effetto della cavità sia presente e riduca significativamente l'emissione, è lontano dall'essere ideale. Simulations show that this amount is between 30% and 60% of the thermal emission of the pipe, depending on the opening of the cavity. Hence, although the cavity effect is present and significantly reduces the emission, it is far from ideal.

Per ridurre sensibilmente tale inconveniente, possono essere implementati alcuni accorgimenti tecnici. To significantly reduce this drawback, some technical measures can be implemented.

Vantaggiosamente, il tubo ricevitore 3 può essere ricoperto – oppure esternamente costituito - da uno strato in materiale assorbente nello spettro solare, preferibilmente un materiale assorbente che presenti un' emissività infrarossa inferiore a 0.5. Advantageously, the receiver tube 3 can be covered - or externally constituted - by a layer of absorbent material in the solar spectrum, preferably an absorbent material which has an infrared emissivity lower than 0.5.

Ulteriormente, in alternativa o in concomitanza con altri accorgimenti, il corpo cavo può essere realizzato in maniera tale da presentare una parete interna sostanzialmente non riflettente nell'infrarosso. Ad esempio, uno strato di vetro di pochi millimetri lascerebbe passare la radiazione solare senza alterare eccessivamente i cammini ottici, ma assorbirebbe buona parte dell'infrarosso riemesso (molti vetri sono degli ottimi assorbitori nell'infrarosso). In questo modo il calore resterebbe nella cavità, assorbito dalle pareti. Furthermore, alternatively or concurrently with other expedients, the hollow body can be made in such a way as to have an internal wall which is substantially non-reflective in the infrared. For example, a layer of glass of a few millimeters would let the solar radiation pass without excessively altering the optical paths, but would absorb a large part of the re-emitted infrared (many glasses are excellent infrared absorbers). In this way the heat would remain in the cavity, absorbed by the walls.

Ancora, il tubo ricevitore potrebbe essere realizzato con una forma in sezione non cilindrica, per allontanare quanto più possibile l'emissione termica superficiale dal fuoco f1 ed orientarla in direzioni che sfavoriscano la riflessione all’esterno dell’apertura. Furthermore, the receiver tube could be made with a non-cylindrical sectional shape, to remove as much as possible the surface thermal emission from the focus f1 and orient it in directions that disfavour reflection outside the opening.

Inoltre, per ridurre le perdite convettive verso l'esterno, sarebbe vantaggioso posizionare un elemento – trasparente nel visibile – per schermare l'apertura. Furthermore, to reduce convective losses towards the outside, it would be advantageous to place an element - transparent in the visible - to screen the opening.

Tale elemento potrebbe ad esempio essere in vetro pyrex o quarzo. Poiché non è necessaria una tenuta a vuoto e neppure una perfetta aderenza tra la finestra e la cavità, una finestra del genere non darebbe alcun problema di resistenza in temperatura. Dal punto di vista termico, la finestra può assorbire l'infrarosso riducendo le perdite dirette verso l'esterno per irraggiamento, e può ridurre notevolmente la convezione ostacolando lo scambio d'aria. This element could for example be in pyrex glass or quartz. Since there is no need for a vacuum seal or even a perfect fit between the window and the cavity, such a window would not cause any problems with temperature resistance. From the thermal point of view, the window can absorb the infrared reducing the losses directed towards the outside by radiation, and can considerably reduce convection by hindering the exchange of air.

Anche la parete esterna della cavità emetterà radiazione termica, anche se la temperatura di emissione sarà molto minore a causa dello strato di isolante. Inoltre, l'esterno della cavità può essere ricoperto con un materiale riflettente nell'infrarosso (es. alluminio). Quindi, nel complesso, le perdite per irraggiamento delle pareti esterne sono trascurabili rispetto a quelle dovute all'irraggiamento dall'apertura. The outer wall of the cavity will also emit thermal radiation, although the emission temperature will be much lower due to the insulation layer. In addition, the outside of the cavity can be covered with an infrared reflective material (eg aluminum). Therefore, on the whole, the losses due to irradiation of the external walls are negligible compared to those due to irradiation from the opening.

Il sistema è stato messo alla prova con simulazioni ottiche e termiche, per verificare la temperatura che è realmente possibile raggiungere. La simulazione ottica, con un programma di ray-tracing, calcola la radiazione assorbita dal tubo ricevitore e dalla cavità, con ipotesi ragionevoli sulle proprietà dei materiali (riflettività della cavità 0.94, assorbanza del tubo 0.9). The system was put to the test with optical and thermal simulations, to verify the temperature that is really possible to reach. The optical simulation, with a ray-tracing program, calculates the radiation absorbed by the receiver tube and the cavity, with reasonable assumptions on the properties of the materials (reflectivity of the cavity 0.94, absorbance of the tube 0.9).

Per un sistema con collettore primario parabolico di 4 m di larghezza e lunghezza focale di 3 m, cavità ellittica dai semiassi di 8 e 6 cm, diametro del tubo ricevitore di 2 cm, e apertura di 3 cm, la radiazione assorbita dal tubo è l'80% di quella incidente, mentre la cavità ne assorbe il 5%. La concentrazione media è di 50 soli, e quella locale ha un massimo poco superiore a 100 soli. Per confronto, un concentratore lineare del modello più diffuso ha una concentrazione media inferiore a 25 soli. Simulazioni termiche con un modello semplificato di irraggiamento termico, e con un modello di ricevitore privo di ogni ottimizzazione (l'emissività del ricevitore è stata fissata a 0.9, il tubo è cilindrico, la cavità è considerata riflettente per l'infrarosso, e non c'è una finestra sull'apertura) mostrano temperature di equilibrio per questo sistema di circa 800 °C, indicando che può essere usato per applicazioni a temperature superiori a quelle a cui lavorano attualmente i ricevitori lineari. For a system with a parabolic primary collector of 4 m wide and a focal length of 3 m, an elliptical cavity with half-shafts of 8 and 6 cm, a diameter of the receiver tube of 2 cm, and an aperture of 3 cm, the radiation absorbed by the tube is l '80% of that incident, while the cavity absorbs 5%. The average concentration is 50 suns, and the local one has a maximum just over 100 suns. For comparison, a linear concentrator of the most popular model has an average concentration of less than 25 suns. Thermal simulations with a simplified model of thermal radiation, and with a receiver model without any optimization (the emissivity of the receiver was set at 0.9, the tube is cylindrical, the cavity is considered reflective for infrared, and not c 'is a window on the aperture) show equilibrium temperatures for this system of around 800 ° C, indicating that it can be used for applications at temperatures above those currently running linear receivers.

La presente invenzione è stata fin qui descritta con riferimento a sue forme di realizzazione preferite. È da intendersi che ciascuna delle soluzioni tecniche implementate nelle forme di realizzazione preferite qui descritte a titolo esemplificativo, potranno vantaggiosamente essere combinate diversamente tra loro, per dar forma ad altre forme di realizzazione, che afferiscono al medesimo nucleo inventivo e tutte comunque rientranti nell’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate. The present invention has been described up to now with reference to its preferred embodiments. It is to be understood that each of the technical solutions implemented in the preferred embodiments described here by way of example, can advantageously be combined differently with each other, to give shape to other embodiments, which pertain to the same inventive core and all in any case fall within the scope protection of the claims set out below.

Claims

CLAIMS 1. Linear receiver (1) for linear development solar concentrators, comprising: - a hollow body (2) having a linear longitudinal development axis (A); - a receiver tube (3) for the passage of a heat-carrying fluid, passing inside said hollow body, in a position substantially parallel to said longitudinal axis, in which said hollow body (2) has a substantially ellipse-shaped section, said receiver tube (3) being placed at a first focus of said ellipse, said ellipse having a longitudinal opening, at a second focus of called ellipse.

Linear receiver (1) according to claim 1, wherein said hollow body has an internal wall adapted to reflect solar radiation.

Linear receiver (1) according to claim 1 or 2, wherein said hollow body has an internal wall which is substantially non-reflective in the infrared.

Linear receiver (1) according to one of the preceding claims, in which said hollow body is externally covered with a thermally insulating material.

Linear receiver (1) according to one of the preceding claims, wherein said receiver tube (3) is covered with a layer of absorbent material in the solar spectrum.

Linear receiver (1) according to claim 5, wherein said absorbent material has an infrared emissivity lower than 0.5.

7. Linear receiver (1) according to one of the preceding claims, in which said ellipse is sectioned along a line passing through said second focus and parallel to a minor axis of said ellipse, said longitudinal opening being formed on said line and delimited by two edges .

Linear receiver (1) according to one of the preceding claims, in which said opening is closed by a transparent element in the visible.

Linear receiver (1) according to claim 7, wherein said transparent element is made of pyrex glass or quartz.

10. Linear development solar concentrator, comprising a linear receiver according to any one of claims 1 to 9.

11. A solar concentrator according to claim 10, comprising a primary collector having a focal line.

12. Solar concentrator according to claim 11, wherein said linear receiver is positioned along said focal line, with the opening facing said primary collector and in such a way that its second focus substantially coincides with the focus of the primary collector.

13. Solar concentrator according to claim 11 or 12, wherein said primary collector is of the parabolic type.

14. Solar concentrator according to claim 11 or 12, wherein said primary collector is of the cylindrical type.