ITTO20070088U1

ITTO20070088U1 - Progetto s.i.p.sistema solare di produzione

Info

Publication number: ITTO20070088U1
Application number: IT000088U
Authority: IT
Inventors: Alessandro Daneu; Corrado Femia
Original assignee: Febo S R L
Priority date: 2007-07-04
Filing date: 2007-07-04
Publication date: 2009-01-05
Also published as: EP2176547A2; CN101821501A; WO2009004476A8; WO2009004476A3; WO2009004476A2

Description

DESCRIZIONE

DELL’UTILITÀ’ INDUSTRIALE DAL TITOLO:

“SOLAR ISOLATED POWER - POTENZA SOLARE ISOLATA ”

La produzione d’energia elettrica da fonti rinnovabili ha spesso un limite d’utilizzo nella non concomitanza della produzione con la domanda di potenza (ad es. generatori eolici, celle fotovoltaiche e sistemi solari termici senza accumulo).

La possibilità di accumulare energia da fonti rinnovabili, da utilizzare quando questa è richiesta, è spesso utile e qualche volta indispensabile: quando c’è energia disponibile nelle reti elettriche viene pompata acqua nei laghi delle centrali idroelettriche per accumulare energia.

Nei sistemi isolati, non raggiungibili da reti elettriche che funzionano da volano, è molto difficile utilizzare energie rinnovabili senza sistemi d’accumulo.

L’idea innovativa qui sviluppata consente di accumulare energia termica dal sole, in maniera economica anche per piccoli impianti di generazione da 3 a 240 kw elettrici, e di renderla disponibile quando necessaria, anche per 24 ore al giorno tutto l’anno con un opportuno dimensionamento del sistema.

Il SIP SOLAR è economicamente realizzato su container ed è modulare, facile da trasportare, da installare e da avviare.

SIP SOLAR cattura ed accumula energia solare per produrre energia elettrica e/o acqua depurata e/o acqua calda e/o acqua refrigerata, produrre e/o ripetere segnali radio remoti, in generale per i più svariati usi anche in situazioni isolate e remote senza bisogno di approvvigionamento di combustibili anche 24 ore al giorno tutto l’anno.

COMPONENTI FONDAMENTALI

Il SIP SOLAR si basa sul principio d’accumulo d’energia termica ad alta temperatura tra 280° e 600°C, prodotta in un collettore solare a concentrazione ad alta efficienza, realizzato con un sistema di specchi parabolici con raggi solari concentrati su un tubo ricevitore, all’interno del quale scorre un fluido termovettore. L’energia, accumulata in un speciale serbatoio all’interno del modulo, utilizza come fluido termovettore una miscela di sali fusi che si riscalda fino a 550°C.

Sali nitrati di sodio e di potassio (ad esempio: 60% NaN03 - 40% KN03) vengono convenientemente usati come miscela, permettendo stabilità ed alto potere di accumulo ad alta temperatura, con basso costo e molta minore pericolosità ed impatto ambientale rispetto a tutti gli altri termovettori comunemente usati.

VANTAGGI

La novità risulta essere l’utilizzo di un sistema compatto di ricezione ed accumulo di calore solare ad alta temperatura, accoppiato con la produzione d’energia elettrica da un sistema turbina/alternatore azionato da un ciclo rankine a bassa temperatura di diverso tipo (ad esempio con temperature di ingresso tra 180-300°C e di uscita allo scambiatore sotto i 140°C) che permette di produrre energia elettrica in maniera costante o quando richiesto. Sono turbine di diversi tipi: assiali, radiali, Scroll etc. che utilizzano come fluidi d’espansione liquidi organici. L’efficienza elettrica varia a seconda dei sistemi utilizzati tra il 12 e il 25%; il sistema dispone anche di un calore residuo a bassa temperatura (tra circa 130 - 80°C) da utilizzare in processi di riscaldo, depurazione, desalinizzazione, refrigeramento ed ecc., che apportano un valore economico spesso superiore all’energia elettrica prodotta dal sistema.

Il progetto è modulare: ogni modulo è un elemento indipendente una dall’altro, a seconda delle configurazioni possono essere collegati più moduli, permettendo infinite soluzioni, con potenze elettriche in funzione del sistema turbina/alternatore installato, con multipli di 3kw o di 10kw per modulo/container, o di 60kw o di 120kw raggruppando più moduli/container. I sistemi sono così realizzati da uno o più moduli.

La modularità e la trasportabilità, consente di avere delle piccole reti elettriche locali, alimentate dal sole che si adattano ai carichi d’utilizzo.

In questo modo il modulo base è dimensionato sulla capacità termica massima installata su un container standard tra due potenze possibili in funzione se si vuole ottenere un funzionamento su 24 ore continuo o se si vuole potenza più alta ma su un periodo più corto (ad. Esempio un 1/3 della giornata circa). Tutti i moduli sono costruiti con criteri standard per permettere un basso costo di realizzazione per produzioni su larga scala utilizzando i sistemi di movimentazione dei container già in commercio.

PARAGONI Al SISTEMI ESISTENTI

I sistemi energetici solari od eolici in commercio o in fase di sviluppo, sono pensati e realizzati per massimizzare l’efficienza (kw elettrici prodotti/kw termici ricevibili dal sole). Con le soluzioni attualmente adottate, diventa costoso immagazzinare l’energia, e la disponibilità d’erogazione spesso non corrisponde alla richiesta di utilizzo. Ad esempio sia le celle solari che i generatori a vento non permettono accumulo e sono interessanti solo se è possibile riversare in rete l’energia prodotta.

I sistemi oggi esistenti di produzione d’energia con il sole, sia ad alta che bassa temperatura, hanno un accumulo con temperatura vicina a quella d'esercizio. Nei sistemi Stirling con concentratori a 750°C (con efficienza elevata fino al 30%) non è possibile immagazzinare l’ energiia se non con batterie elettriche molto costose.

Lo stesso progetto Archimede (messo a punto da ENEA), che è una soluzione innovativa e brillante perché accumula energia a 550°C con grossi volumi di Sali fusi e quindi riesce a produrre con una certa costanza vapore a 530-550°C che va in turbina e ben si presta in combinazione con centrali elettriche tradizionali, ha una capacità di accumulo di poche ore e trova dei limiti per degli impianti delocalizzati, per basse potenze e modulari.

L’idea innovativa parte da un sistema di ricezione ed accumulo ad alta temperatura di esercizio 550°C che, reso compatto con il suo accumulatore, rende facile la gestione dei Sali fusi che sono una complicazione sui grandi impianti, infatti ad oggi non sono usati se non per impianti pilota, permettendone la moularità. Il Modulo è completato da un sistema di generazione a bassa temperatura. Questo accoppiamento originale, conveniente ed innovativo di alte temperature, di accumulo d’energia termica dà la possibilità di renderla quando serve, con autonomia di giorni sotto forma di energia elettrica e/o termica.

DIMENSIONAMENTO DEI MODULI E DEI SISTEMI.

11 nostro modulo di base è dimensionato con una parabola di circa 6 metri di apertura e 12 di lunghezza per attimizzare la modularità del container, Quindi ha una superfice di cattura del sole di circa 70m2. Naturalmente sono possibili anche altre dimensioni dei moduli in base al tipo di container utilizzato.

Il sole in circostanze ottimali fino alle nostre latitudine, dona reso sulla superficie terrestre circa 1000 cal/m2, di media nelle ore d’insolazione.

Il nostro sistema cattura di media circa 0,7 kwte/m2 ovvero circa 50kwte per modulo (~70 m2).

Calcolando questa resa come media su 10 ore al giorno disponibili ed efficienti, un modulo può produrre 400-500kwte/giorno.

Questa energia accumulata in condizioni ideali di insolazione, può rendere disponibile nell’arco dell’intera giornata (24 ore) circa 15-20 kwte/ora.

Con un sistema turbina/alternatore d’efficienza del 17% avremmo disponibili su 24 ore una potenza costante d’energia elettrica pari a —2,5 - 3,5 kwh da qui il taglio minimo previsto per il modulo scelto in 3 kw.

In condizioni più sfavorevoli di sole e di localizzazione, o abbiamo una richiesta di energia media più bassa, con un massimo di 3kw o, si dovrà aggiungere almeno un modulo base (Ricezione/accumulo) e collegarlo con quello previsto di turbina/alternatore. La modularità del sistema permette infinite soluzioni valide per diverse localizzazioni ed utilizzi.

Infatti questa modularità consente in funzione di quanto necessario, di aggiungere moduli fino a soddisfare le richieste d’utenza. In particolare nella configurazione a potenza minima, mettendo in parallelo i generatori, sarà facile realizzare una rete locale che possa ottimizzare consumi e costi.

La rete elettrica locale così realizzata ad hoc tra ì moduli cosi equipaggiati, chiamata “SIPNET”, può gestire il carico elettrico adattandosi, con accensioni e spegnimenti intelligenti, al carico richiesto mantenendo alta l’efficienza, ottimizzando l’accumulo e le rese.

Il sistema di movimentazione ad inseguimento degli specchi é costruito utilizzando la struttura del container come base e supporto, ottenendo un notevole risparmio per costo di struttura metalliche, imballo, trasporto, opere civili locali e montaggio. Tra le varie particolarità ideate troviamo la soluzione in alternativa la sistemazione fissa del tubo ricettore che permette collegamenti più corti, facilmente isolabili, più bassi, di facile manutenzione ed una rotazione con due punti d’appoggio per gli specchi e la rotazione a 360°C del sistema Tubo e specchi che consente una resistenza a venti di 200km/h.

Il sistema d'inseguimento solare è con previsione di traccia, auto apprendimento e controllo sul sole. Può essere meccanico con moto induttore di precisione da noi preferito od idraulico.

Il serbatoio standard d’ogni modulo è dimensionato per accumulare almeno energia di 3 giorni di sole che a 10 ke rappresentano 3 giorni di produzione, con turbina/alternatore da 3ke fino a 3 gg di funzionamento in continuo.

Il dimensionamento è realizzato partendo dal salto minimo di temperatura previsto (550° - 280° = 270°) per il potere calorifico dei Sali per il volume per il peso specifico = kcal prodotte in tre giorni. Il volume che risulta è circa di 6 m3. Il salto termico utilizzabile può essere anche di 550°C - 180°C = 370°C utilizzando i limiti minimi di funzionamento delle turbine e di fusione dei Sali.

Il serbatoio di 6 metri cubi viene posizionato al centro del container, in posizione preferibilmente orizzontale (in figura della sequenza A indicativamente è in verticale e più piccolo del previsto) ed ha una dimensione di circa 1200mm diametro e lunghezza 6 metri, è supportato all’interno con supporti isolanti, e tutto intorno ha isolante di lana di roccia opportuna e/o altro isolante adeguato di spessore medio superiore a 300mm. Il serbatoio può essere attrezzato con uno o più scambiatori per la turbina, per una rete termica e servizi ausiliari.

Sotto il serbatoio realizzato in acciaio inox o in materiale resisstente a temperatura ed aggressività dei Sali, non è in pressione ma ha uno sfiato esterno per l'avviamento e per compensare eventuali variazioni, abbiamo un sistema di riscaldo elettrico o a gas. Il sistema di bruciatori a gas posto sotto il serbatoio, per l'avviamento è semplice e facilmente reso autonomo con bombole previste a bordo del container stesso.

Nel container trovano spazio anche i sistemi di scambio termico, depurazione e desalinizzazione dell’acqua , radio elettrici ed ausiliari vari.

OGNI MODULO È ATTREZZATO:

Container (Fio, 1 )

Struttura commerciale trasportabile su camion per gestione container nel mondo Struttura di sostegno (Fig.2)

In carpenteria metallica con sistemi di montaggio meccanico veloci ad agganci rapidi. Specchi parabolici (Fio, 3)

Specchi in costruzione in vetro con il vetro della parte specchiate dì spessore di 0.85, con la parte sottostante sempre in vetro con spessore 4-6mm, vincolati tra loro con adesivi commerciali. La parte sottostante può essere anche realizzata in altri materiali plastici, resine, ferrosi o alluminio o materiali compositi.

Lo specchio può essere anche di altra natura, vetro curvato e specchiato o metallo lucidato ma i rendimenti sono più bassi.

Il modulo prevede uno sviluppo di curva parabolica di 6’400mm in piano con una superficie totale di proiezione di circa 70m2.

Tubo collettore (Fio.4)

Tubo colpito dai raggi solari concentrati dalla parabola che trasporta i Sali fusi a 550-600°c nel serbatoio d’accumulo

Serbatoio Sali fusi (Fio.5)

Turbina (Fig.6)

Turbina a cicli organici con varie tipologie di potenza erogata, e vari sistemi di girante, che preleva il calore dei Sali fusi mettendo in funzione la girante. La girante collegata ad un alternatore produce energia elettrica.

Motori-duttore (Fiq.7)

Motoriduttore serve per la rotazione della parabole inseguendo la fonte solare. Integrato al moto-riduttore vi è il sistema elettronico a fotocellule per la ricerca della condizione migliore della fonte solare.

IL SISTEMA DI ROTAZIONE PUÒ ESSERE REALIZZATO:

A. Con un sistema solidare specchio tubo, che ruota attorno al supporto cilindrico lungo l’asse del container, (vedere figura A)

B. Con una rotazione dello specchio paraboloide attorno al fuoco su cui è posizionato fisso il tubo collettore montato fisso, (vedere figura B)

SEQUENZA DI ASSEMBLAGGIO

Vedi Seq. 1 apertura container

Vedi Seq. 2 apertura struttura di sostegno e fissaggio

Vedi Seq. 3 assemblaggio parabola e specchi

Vedi Seq. 4 collegamento tubazione al collettore

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Sistema modulare SIP SOLAR di produzione e d’accumulo di energia termica ad alta temperatura fino a 600°C con Sali fusi compatto ed economico che consente un facile esercizio di funzionamento per la vicinanza tra produzione ed accumulo, con facile svuotamento del circuito per gravità.
2. Sistema modulare SIP SOLAR di produzione e d’accumulo di energia termica ad alta temperatura fino a 600°C con Sali fusi, con serbatoio ben isolato, realizzato con geometria che permette riscaldo parziale dei Sali ed avvio del sistema rapido con bombole dal gas a bordo.
3. SIP SOLAR come sopra ma tutto realizzato in container con collettori solari, accumulo, per una facile e poco costosa produzione, imballo, trasporto e montaggio ed eventuale ri trasferimento, e che permette ad ogni modulo di essere indipendente termicamente
4. Sistema modulare SIP SOLAR di produzione e d’accumulo di energia termica ad alta temperatura fino a 600°C con Sali fusi, accoppiato ad un sistema e di produzione energia elettrica a bassa temperatura (entrata tra 180°C e 300°C) a ciclo rankine con fluido organico, che permette una grossa riserva di funzionamento con rendimenti medi tra il 15% e il 20%.
5. SIP SOLAR come sopra ma tutto realizzato in container con collettori solari, accumulo e sistema turbina/generatore, per una facile e poco costosa produzione, imballo, trasporto e montaggio ed eventuale ri trasferimento, e che permette ad ogni modulo di essere indipendente termicamente ed elettricamente e con potenze elettriche tra i 2kW e 15kW e con una autonomia da 2 a 10 giorni senza sole.
6. Sistema modulare e trasportabile SIP con dimensioni indicate e descritte, e con dimensioni in scala ridotte o moltiplicate. In scale ridotte per utilizzi domestici o di qualunque uso che abbia bisogno d’energia ricavata dal sole.
7. SIP SOLAR come sopra ma utilizzando più unità che possono essere accoppiate in serie e/o in parallelo tramite gli accumulatori di calore (rete termica) per supportare tagli di turbine/generatori con taglie tra 10kW e 1000kW per gruppo.
8. SIP SOLAR come sopra ma utilizzando più unità attrezzate ognuna con turbina/generatore e che possono essere accoppiate in parallelo tramite una rete elettrica dedicata che può essere regolata secondo il carico richiesto ottimizzando il funzionamento di ogni singola unità adattandosi al carico.
9. SIP SOLAR come sopra descritto ma con sistema di desalinizzazione utilizzando il calore residuo al condensatore della turbina.
10. SIP SOLAR come sopra descritto ma con sistema di produzione vapore per usi per usi civili, domestici, industriali e vari.
11.MSIP come sopra descritto ma con sistema di refrigerazione per usi civili, dimestici, industriali e vari
12. SIP SOLAR come sopra descritto ma con sistema di depurazione e riscaldo acqua per usi civili, domestici, industriali e vari.
13. SIP SOLAR come sopra con installato un sistema autonomo di radio trasmissione o ripetizione dei segnali
14. Collettore Solare ad alta temperatura che tiene fisso il tubo solare e fa rotare gli specchi opportunamente supportati su i due lati del container, permettendo una più bassa e stabile rotazione del sistema ed una non necessaria flessibilità dei tubi vettori di collegamento.
15. Collettore Solare ad alta temperatura che permette la rotazione a 360° del sistema specchi e tubo colletore solare con sistema di rotazione con motoriduttore di precisione.
16. Sistema realizzato all’interno di un container ad esempio, ma non limitatamente, alla descrizione nel disegno allegato. Questa costruzione permette di realizzare in officina un sistema già collaudato ed imballato, di facile trasporto, montaggio ed avviamento a bassi costi di produzione e civili di installazione.
17. Serbatoio all’interno del container sospeso e ben isolato, che permette di immagazzinare l’energia anche per più giorni, con sistema a gas per l'avviamento. Previsto con piccolo bacino di avviamento per il riscaldo.
18. Sistema di scambiatore intermedio per mantenere la temperatura della turbina ottimizzata. In alternativa con parzializzazione controllata del fluido della turbina stessa in entrata allo scambiatore con i Sali fusi;
19. Possibilità di utilizzare l’energia scaricata al condensatore della ciclo rankine, con temperature fino a 130°C, nei processi ausiliari di purificazione dell’acqua, vapore, desalinizzazione e raffreddamento;
20. Possibilità di inclinare tutto il SIP SOLAR di circa 20°gradi max per migliorare l’efficienza nei mesi con sole più basso e facilitare lo svuotamento dei Sali fusi dal circuito;
21. Sistema di pulizia e lavaggio degli specchi automatico con acqua calda e pulitore solidale al container.