ITSA20100016A1 - Sistema e mezzi alternativi alla produzione di energia elettrica capaci di autoavviarsi per trasformare il calore prelevato in geotermia o anche ottenuto mediante qualsivoglia procedimento ma preferibilmente mediante impianti solari termici a pannell - Google Patents

Description

Domanda di brevetto per invenzione dal titolo:

“Sistemi e mezzi alternativi alla produzione di energia elettrica capaci di autoavviarsi per trasformare il calore prelevato in geotermia o anche ottenuto mediante qualsivoglia procedimento ma preferibilmente mediante impianti solari fermici a pannelli o a concentrazione, in energia meccanica e/o elettrica†.

Descrizione:

Oggetto della presente invenzione sono dispositivi capaci di avviarsi autonomamente al sorgere del sole se autorizzati, capaci di trasformare il calore ottenuto mediante impianti solari termici a pannello e/o a concentrazione solare o mediante qualsiasi altro procedimento incluso il prelievo geotermico, in energia meccanica e/o elettrica attrezzando allo scopo meccanismi già noti ma da soli non in grado di soddisfare quanto al titolo, in modo da rendere possibile la produzione di energia elettrica anche nelle città, presso ogni abitazione o condominio compresi quelli con scarsa assolazione e con scarso vento, ove altri metodi alternativi di produzione di energia non risultano applicabili.

Lo stato attuale della tecnica dispone di una variegata quantità di meccanismi capaci di produrre energìa meccanica e/o elettrica consumando combustibili in via di esaurimento, salvo gli impianti fotovoltaici, eolici ed i geotermici, che si sono dimostrati capaci di convertire energie naturali senza bruciare nulla, tuttavia occorre ricordare che gli impianti fotovoltaici sono costosi, necessitano di notevoli spazi ed in caso di scarsa assolazione diventano poco produttivi ed occorre prevedere gli alti costi di smaltimento deirimpianto una volta che ha raggiunto la sua fine operativa; gli impianti eolici sono costosi, comportano un notevole impatto visivo e sonoro pertanto vanno necessariamente dislocati lontani dalie città in luoghi ben ventilati per il motivo che funzionano solo con un vento di intensità minima dì circa 5m/sec; Infine gli impianti geotermici che risultano anch’essi abbastanza costosi, vengono asserviti principalmente al riscaldamento degli ambienti e dell’acqua sanitaria e possono essere realizzati con profitto, solo nelle zone in cui il calore non si trova a profondità proibitive. Per i motivi elencati nonché ulteriori, i suddetti sistemi non si prestano ad essere installati in modo generalizzato soprattutto nelle città, presso ogni condominio, pertanto vanno realizzati in spazi opportuni ove ricorrono Se condizioni di funzionamento ottimale co! gravame del trasporto dell’energia, cosicché ai momento, tutti questi sistemi vengono realizzati principalmente quando sostenuti da incentivi statali il cui costo ricade su tutta la collettività. Lo stato attuale della tecnica, si avvale inoltre, di impianti a concentrazione solare mediante parabole speculari, capaci di riscaldare un fluido circolante (talvolta glicole), fino a temperature molto elevate per poi cedere il calore prodotto attraverso scambiatori di calore da utilizzarsi mediante varie applicazioni che vanno dalla produzione di energia elettrica (previa produzione di vapore) a quella di acqua sanitaria. Sono già state progettate varie centrali di produzione di energia con questo metodo, da realizzarsi preferibilmente nei deserti. Uno degli svantaggi di tale metodo à ̈ costituito, oltre all’alto costo degli impianti, dal fatto che necessita di spazi e condizioni che si trovano solo lontano dalle città, quindi ancora una volta l’energia prodotta va trasportata fino al luogo di utilizzo, con tutti i problemi ed il gravame di spese connesse con tale aspetto della realizzazione. I richiedenti intendono indicare una via inedita alla produzione di energia meccanica e/o elettrica attraverso meccanismi capaci di utilizzare il calore. Gli stessi risultati saranno ottenuti utilizzando acqua calda senza alcuna necessità di arrivare alla temperatura di ebollizione, utilizzando pertanto, procedimenti ad impatto ambientale e dispositivi semplici ed economici nella realizzazione, atti ad essere impiegati su larga scala onde ottenere quantità di energia commisurata alla richiesta sempre crescente. Il metodo di accumulo di calore da trasformare in energia mediante i dispositivi appresso descritti, si avvale quindi preferenzialmente di calore prodotto attraverso l'utilizzo di impianto solare termico di qualsivoglia tipologia, forma o struttura sia a pannelli che mediante concentratore a parabola in libera vendita, sin qui asserviti alla produzione di acqua sanitaria ma nulla osta avvalersi anche di altri sistemi naturali come la geotermia o di ulteriori sistemi di produzione di calore come ad esempio il gas naturale, metano, biomasse o altro metodo a basso impatto ambientale, da utilizzarsi quando sono esaurite le scorte di acqua calda gratis prodotta mediante impianti solari termici o in emergenza quando non sono disponibili i predetti impianti solari termici.

Oltre quanto sin qui descritto, risulta altresì noto il motore Stirling, inventato da Robert Stirling nel 1816, che attraverso il ciclo omonimo, consente di trasformare il calore in movimento. Il sistema venne successivamente soppiantato dal ciclo a vapore in quanto maggiormente efficiente. Risulta ancora noto il ciclo Brayton che consente allo stesso modo la conversione dell'energia termica in energia meccanica e che rispetto al motore Stirling comporta un minore peso ed una maggiore superficie captante l'energia termica, che può essere assorbita attraverso tutta la superficie esposta del tubo a serpentina, inoltre, nei caso di abbinamento con impianto solare a concentrazione mediante parabole, quest’ultima da sistemare all'altezza del piano di focalizzazione del concentratore parabolico. L'energia solare assorbita dalia superficie del mare Sa riscalda, creando una differenza di temperatura fra le acque superficiali, che possono raggiungere i 25 - 28 gradi, e quelle situate ad una profondità dì 600 m, che non superano i 6-7 gradi. Le acque superficiali, più calde, consentono di far evaporare sostanze come ammoniaca e fluoro; i vapori ad alta pressione, mettono in moto una turbina e un generatore di elettricità, passano in un condensatore e tornano allo stato lìquido raffreddati dall’acqua aspirata dal fondo. Una differenza di 20 gradi centigradi basta a garantire la produzione di una quantità di energia economicamente sfruttabile. Il metodo per realizzare energia che abbisogna dell'oceano, in particolare alle latitudini tropicali ove in superficie à ̈ riscontrabile la temperatura di 25 - 28° C. per gran parte dell'anno, ha come controindicazione il trasporto dell’energia prodotta, attraverso l’oceano, fino al luogo di utilizzo.

Realizzazione del primo dispositivo:

Per ottenere sistemi economici alternativi alla produzione di energia meccanica/elettrica capaci di avviarsi autonomamente al sorgere del sole se autorizzati, capaci di trasformare il calore ottenuto mediante qualsiasi procedimento, in energia meccanica e/o elettrica attrezzando allo scopo meccanismi già noti ma da soli non in grado di soddisfare quanto al titolo, in modo da rendere possibile la produzione di energia elettrica anche nelle città, presso ogni abitazione o condominio compresi quelli con scarsa assolazione e con scarso vento, a qualsiasi latitudine, in poco spazio ove altri metodi alternativi di produzione di energia non sono applicabili, occorrerà procedere nella seguente maniera:

Ad un motore Stirlìng che di per se già funziona abbinandolo ad acqua o aria calda, occorrerà abbinare i seguenti dispositivi nell’ordine illustrato alla tavola allegata (vedi Figura 1), consistenti in:

1) Termostato T1 collegato all'impianto solare termico e/o a parabola capace di aprirsi a temperatura programmata per consentire l’invio di acqua calda (o glicole o altro fluido idoneo) al basamento dello Stirlìng, onde fornirgli il calore necessario ai suo movimento;

2) ulteriore termostato T2, posizionato nel basamento dello Stirlìng o in prossimità di esso, che al raggiungimento delle condizioni ottimali di esercizio del motore (che non sono immediate e sono diverse ai tropici rispetto alle zone fredde e variano inoltre alle prime ore del mattino rispetto alle ore più calde), dia il consenso aH<’>avviamento automatico dello stesso;

3) Motorino di avviamento M1, capace di avviare lo Stirlìng al raggiungimento delle condizioni di esercizio;

4) Batteria e/o rete elettrica, che fornisca l’energia per l’avvio dello stirlìng, 6) Generatore G1, per ricaricare la batteria e nel contempo produrre energia gratis a costo zero per illuminazione e/o altri usi;

7) S1 Sensore di movimento che eviti continui input di avvio con motore in funzione.

Tarando opportunamente il valore del termostato T1, à ̈ anche possibile utilizzare il sistema descritto, per protezione contro il raggiungimento di criticità esplosive nell’impianto solare termico (frequenti nelle ore più calde, soprattutto con prolungato inutilizzo di acqua sanitaria), oltre alla trasformazione di quest’ultime in produzione di energia gratis. Naturalmente à ̈ possibile asservire rimpianto solare termico esclusivamente alla produzione di energia ed esso consentirà il funzionamento del generatore collegato allo Stirling finché dura la produzione di acqua calda e anche oltre il tramonto, in base al surplus di acqua calda ottenuta grazie al sapiente dimensionamento deirimpianto ed opportunamente stoccata in contenitore coibentato, il vantaggio di un dispositivo così strutturato consiste principalmente nella possibilità di funzionamento in completa autonomia, infatti, al sorgere del sole, raggiunte le condizioni di riscaldamento del basamento dello Stirling, l’automatismo descritto, se autorizzato (mediante apposito interruttore), provvede all'avviamento de! motore che darà luogo alla produzione di energia elettrica proprio nelle fasce orarie nelle quali c’à ̈ un maggiore bisogno. Ulteriore vantaggio del sistema consiste nel fatto che anche dopo il tramonto del sole, il sistema continuerà a produrre energia in base all'acqua calda accumulata o del glicole/altro nei casi in cui si sia usato un impianto a concentrazione solare. Ulteriore vantaggio ma solo nei casi in cui si sia usato un solare termico a pannelli, sarà quello di ottenere il riscaldamento dell’acqua anche col cielo coperto, differentemente dagli altri sistemi di produzione di energia che abbisognano dell'irradiazione diretta. Naturalmente nulla osta abbinare pannelli solari termici ad un impianto solare a parabole, al fine di continuare ad ottenere le condizioni minime di produzione di energia anche col cielo coperto, infatti, con 80-90° C, uno Stirling à ̈ in grado di funzionare discretamente. Ulteriore vantaggio del sistema descritto à ̈ la produzione di energia pulita, completamente gratis (a parte il costo di impianto), ovunque ce ne sia bisogno, quindi anche in baite alpine e luoghi altrettanti isolati ove non vi sono altre opportunità di produzione di energìa. Si potrà aumentare notevolmente l'efficienza del motore Stiriing raffreddando la parte superiore dello stesso, aumentando in tal modo la differenza di temperatura tra il suo basamento e la sua parte superiore come rappresentato in figura 1. L’utilizzo del metodo descritto si rivela particolarmente conveniente in prossimità di un corso d’acqua o presso il mare, ove si potrà contrapporre all'acqua calda prodotta mediante un impianto solare termico, il raffreddamento determinato dall’utilizzo di acqua fredda prelevata da un fiume, dal mare o anche da un serbatoio. Il metodo si presta anche ad essere utilizzato in maniera ottimale sulle imbarcazioni.

Stesso principio di funzionamento ma con migliore rendimento, si ottiene abbinando un impianto solare termico e un motore a ciclo Brayton per la conversione dell'energia termica in energia meccanica e/o elettrica, anche per le migliori condizioni di sicurezza ottenibili, un minore peso dell’apparato motore ed un buono scambio di calore attraverso lo scambiatore di calore S3 (vedi Figura 2). Anche in questo caso occorrerà munire la serpentina S3, di un termostato T1 che al raggiungimento delle condizioni di funzionamento del motore, dia il consenso ad un motorino di avviamento M1, alimentato da una batteria Bt se in assenza di collegamento con la rete elettrica, a dare l’input iniziale al motore che continuerà a produrre energia meccanica oppure elettrica (attraverso il Generatore G1) fino a quando alla serpentina giungerà la giusta quantità di calore. Anche questo sistema à ̈ applicabile alio stesso modo, in tutti i luoghi. Ulteriore vantaggio dei sistemi descritti, à ̈ quello che sono in grado di produrre energia senza bisogno dì inneschi, combustibili o consumo di ulteriori risorse oltre a quella naturale del calore ottenuto per accumulo o qualsivoglia procedimento.

Ulteriore sistema di produzione di energia elettrica a costo zero e senza controindicazioni, consiste nello sfruttamento del principio applicato per la conversione dell'energia termica degli oceani in grado di produrre energia sfruttando la differenza di temperatura tra i diversi strati dell'oceano. Ai largo delle isole Hawai, à ̈ possibile ottenere i 20X di differenza di temperatura necessari ad un corretto funzionamento deirimpianto, utilizzando la temperatura dell’acqua superficiale che in quel luogo raggiunge i 25 - 28 gradì, e quelle situate ad una profondità di 600 m, che non superano i 6-7 gradi. Le acque superficiali, più calde, consentono di far evaporare sostanze come ammoniaca e fluoro; i vapori ad alta pressione, mettono in moto una turbina e un generatore di elettricità, passano in un condensatore e tornano allo stato liquido raffreddati dall'acqua aspirata dal fondo. Per utilizzare tale metodo anche laddove non sono riscontrabili in natura le speciali condizioni delle Hawaii, occorre crearle, pertanto, al fine di ottenere energia col metodo indicato anche su una baita alpina o su un grattacielo o su una barca e ovunque si abbisogni di energia, si procederà come segue {vedi Figura 3): Un impianto solare termico, provvederà a fornire acqua calda necessaria a far evaporare sostanze come ammoniaca e fluoro contenute in un bollitore B3, tenendo conto che possono essere utilizzate molte sostanze o miscele di sostanze in miriadi di concentrazioni particolari, adattando la miscela di gas alle condizioni dell’ambiente esterno o anche solo alle caratteristiche dell’impianto da costruire. Per chiarire il concetto, porteremo l’esempio dell’acqua che evapora a 100°C se la pressione atmosferica à ̈ di 760 mm di Hg, ma se sottoposta ad una pressione di 6 mm di Hg in un recipiente stagno, allora evapora intorno ai 4°C. Questo ci indica che vi à ̈ larghissimo margine per i ricercatori che vorranno cimentarsi nel perfezionamento di tale metodo, riuscire ad ottimizzare il sistema mediante accoppiamenti di varie sostanze in percentuali variegate a diverse condizioni di pressione e temperatura, pertanto, i sottoscritti richiedenti si limiteranno a descrivere il solo inedito principio di funzionamento di un apparato capace, sfruttando il principio sopra descritto, produrre energia elettrica presso una qualsiasi abitazione, in qualsiasi parte del mondo .

Un impianto solare termico, a concentrazione o misto (come nei casi precedenti), provvederà a fornire calore sotto forma di acqua calda raccolta in serbatoio coibentato o bollitore B3, ove le sostanza (o miscele di sostanze) evaporeranno al raggiungimento della Soro temperatura di evaporazione. I vapori ad alta pressione formatisi a seguito del cambiamento di stato delle sostanze utilizzate, potranno procedere solo in una direzione all'Interno della tubazione e provocheranno la rotazione delle pale di una turbina collegata ad un generatore di elettricità G1. Dopodiché, spinti da altro vapore ad alta pressione che nel frattempo si sarà formato, passeranno in un condensatore C1 dove incontreranno acqua di falda {che à ̈ tra i 14 e i 16°C e torneranno alio stato liquido perché raffreddati. Laddove non sarà possibile utilizzare acqua di falda, sarà sufficiente utilizzare uno scambiatore di calore interrato del tipo utilizzato in geotermia, per disperdere il calore ceduto dalla miscela di gas durante la fase di condensazione. Il metodo descritto, oltre a tutti i vantaggi descritti per i metodi precedenti ne possiede altri, infatti non necessità di temperature altissime e avendo a disposizione una eccedenza di acqua calda o comunque di calore ottenuto con concentratori solari, i’eccedenza potrà essere a sua volta trasformata in energia con uno dei metodi sin qui descritti, Ulteriore vantaggio dell’ultimo sistema descritto consiste nel raffreddamento dovuto all'evaporazione delle sostanze, che una volta prelevato se occorre, potrà essere utilizzato per raffrescare l'edificio al quale à ̈ collegato rimpianto o utilizzato per contribuire alla condensazione dei vapori, inoltre, in abbinamento con motore Stirling o a ciclo Brayton, il fresco potrà essere utilizzato per aumentare la potenza e/o in numero di giri dei suddetti. Allo stesso modo, nel passaggio di stato tra aerosol e liquido vi sarà cessione di calorie che all’occorrenza potrà essere utilizzata per il riscaldamento degli ambienti o da inviare ad un eventuale motore abbinato Sterling o a ciclo Brayton, per coadiuvare il calore necessario al proprio funzionamento.

Il metodo sopra descritto diventa ancora più vantaggioso se installato in prossimità di un corso d’acqua poiché sarà possibile utilizzare quest’ultimo per reperire la tempera utile alla condensazione dei vapori. Allo stesso modo, se l'impianto à ̈ realizzato in prossimità del mare, potrà utilizzare quest’ultimo per ottenere la condensazione dei Vapori.

Va da sé che su una nave o altro natante, abbinando un impianto solare termico ad uno dei tre sistemi descritti e maggiormente al terzo di essi, utilizzando l’acqua del mare come condensatore e come raffreddamento per gli altri dispositivi proposti, si potranno ottenere rilevanti quantità di energia pulita, senza consumare nessun combustibile fossile e senza produzione di C02.Ulteriore vantaggio dei tre metodi descritti consiste nel fatto che possono essere realizzati pìccoli impianti per baite, barche o condomini in poco spazio ma anche grandi impianti, solo in base alla quantità di calore recuperabile attraverso i solari termici, che allo stato à ̈ enorme, infatti, a parità di superficie occupata da un impianto fotovoltaico, con un solare termico si ottiene una quantità smodata di acqua calda sin qui utilizzata solo per fini sanitari.

Claims (3)

1. Rivendicazioni: 1) Sistema autonomo capace di autoavviarsi per trasformare i! calore in energia meccanica e/o elettrica caratterizzato dai fatto di comprendere a) un apparecchio di riscaldo di un fluido; b) un termostato T 1 capace di aprirsi alla temperatura programmata per consentire l’invio del fluido al motore di figt, fig.2 e fig.3 onde fornirgli il calore necessario al suo movimento; c) ulteriore termostato T2, posizionato ne! basamento del motore Stirling e in prossimità della serpentina Brayton, che al raggiungimento delle condizioni ottimali di esercizio dei rispettivi motori, dia il consenso airavviamento automatico degli stessi; d) Motorino di avviamento M1, capace di avviare i motori Stirling e Brayton ai raggiungimento delle condizioni di esercizio; e) Batteria e/o rete elettrica, che fornisca l’energia per l’avvio del motore. f) Generatore G1, per ricaricare la batteria e nel contempo produrre energia a costo zero per illuminazione e/o altri usi; g) S1 Sensore di movimento che eviti continui input di avvio con motori in funzione.
2. 2) Sistema capace di autoavviarsi per trasformare il calore in energia meccanica e/o elettrica†come a rivendicazione 1) caratterizzato dal fatto che il fluido di cui ai punto a) à ̈ costituito da acqua calda, glicole, sali liquefatti dal rialzo termicoo gas in varie miscele a pressione controllata. 3) Sistema capace di autoavviarsi per trasformare il calore in energia meccanica e/o elettrica†come a rivendicazione 1) caratterizzato dal fatto che l'apparecchio di riscaldo del fluido di cui al punto a) può essere anche un generatore solare termico a pannelli eventualmente con fluidi circolanti a bassa temperatura di ebolizione minori di 100°C. 4) Sistema capace di autoavviarsi per trasformare il calore in energia meccanica e/o elettrica†come a rivendicazione 1) caratterizzato da! fatto che il motore di cui alla fig.
3. 3 à ̈ costituito da uno scambiatore di calore ed un bollitore B3 coibentato necessario a far evaporare sostanze come ammoniaca e fluoro o miscele di sostanze in concentrazioni particolari, per diverse condizioni di pressione e temperatura; i vapori ad alta pressione provocheranno la rotazione delle pale di una turbina collegata ad un generatore di elettricità G1, dopodiché, passeranno in un condensatore C1 dove saranno raffreddati con acqua di falda, di fiume o lago a temperatura tale da tornare allo stato liquido. 5) Sistema capace di autoavviarsi per trasformare il calore in energia meccanica e/o elettrica come a rivendicazione 1) caratterizzato dal fatto che si utilizza uno scambiatore di calore interrato per disperdere il calore ceduto dalla miscela di gas durante la fase di condensazione quando non viene utilizzato per il riscaldamento ambientio per aumentare il rendimento degli altri sistemi rappresentati. 6) Sistema capace di autoavviarsi per trasformare il calore in energia meccanica e/o elettrica come a rivendicazione 1) caratterizzato dal fatto che si utilizza il freddo generato dalla evaporazione del gas come rappresentato in fig.3 per il raffreddamento ambiente, quando non viene utilizzato per aumentare il rendimento degli altri sistemi rappresentati in fig .1 , e fig .2 7) Sistemi capaci di autoavviarsi per trasformare il calore in energia meccanica e/o elettrica come a rivendicazion precedenti capaci di trasformare il calore accumulato negli impianti solari termici o solo quello eccedente, in energia meccanica e/o elettrica anche col cielo coperto e dopo il tramonto del sole in base all’acqua calda stoccata in recipienti coibentati ed a qualsiasi latitudine.