ITTO20080440A1 - Dispositivo di protezione per collettori solari, in particolare per collettori ad elementi tubolari - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo:

"DISPOSITIVO DI PROTEZIONE PER COLLETTORI SOLARI, IN

PARTICOLARE PER COLLETTORI AD ELEMENTI TUBOLARI"

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un dispositivo di protezione per collettori solari, in particolare per collettori ad elementi tubolari.

Specificatamente, l'invenzione ha per oggetto un dispositivo di protezione per collettori solari, in particolare per collettori ad elementi captatori con involucri tubolari in vetro, in accordo con le parti introduttive delle rivendicazioni principali.

L'invenzione attiene al settore della generazione di energia termica mediante l'utilizzo di collettori solari termici applicati per il riscaldamento di fluidi. Attualmente, i sistemi solari termici sono in continua evoluzione, grazie alla crescente domanda che esiste principalmente per la generazione di acqua e che comincia ad estendersi anche al riscaldamento di fluidi ad alte temperature.

Particolarmente efficaci sono i collettori ad elementi tubolari, con involucri in vetro e nei quali è stato praticato il vuoto. Tali collettori sono in grado di garantire un elevato apporto energetico in condizioni di basso irraggiamento o basse temperature esterne, presentano grande flessibilità d’impiego e sono di agevole installazione anche in aree di difficile accesso.

I paesi mediterranei sono idonei per l'installazione di impianti con collettori solari che possono coprire le necessità di energia senza dovere ricorrere a sistemi di riscaldamento ausiliari. In questo contesto, i collettori devono essere in grado di fornire l’energia necessaria in ogni momento dell'anno. A titolo di esempio e per l'applicazione più usuale, la produzione di acqua calda sanitaria, la massima domanda di energia è richiesta nei mesi invernali, quando la radiazione solare è minore. Pertanto, per coprire le richieste di un'abitazione per i mesi più freddi, i collettori devono essere dimensionati per un’ampia superficie di ricezione.

Nei mesi estivi, nei quali le necessità termiche diminuiscono, e la radiazione solare aumenta, si produce un eccesso di energia, a fronte di un consumo ridotto. Il risultato è un surriscaldamento del sistema, che può arrivare a danneggiare i dispositivi che lo costituiscono, per l'aumento eccessivo di temperatura e pressione nei circuiti.

Le misure note per contrastare il problema del surriscaldamento sono dirette a:

- Sottodimensionare il sistema in modo che, nei mesi di massima radiazione e minor consumo, non si produca un eccesso nella generazione di energia. Per contro, nel resto dell'anno, l’impianto richiederà l’integrazione con mezzi convenzionali.

- Aggiungere uno o più vasi di espansione ed una o più valvole di sicurezza, di protezione di fronte alle sovra-pressioni, come conseguenza dell’aumento della temperatura nei circuiti. Ciò con rischi di danni ai componenti del sistema, nel caso in cui il surriscaldamento continui a prodursi, e necessità di reintegro del fluido, nel caso di apertura delle valvole di sicurezza.

Questi sistemi sono inefficaci in mancanza continuata di consumi, come conseguenza, dell'assenza dell'abitazione da parte dell’utente. In tali casi, viene consigliato di:

- Spegnere i dispositivi di controllo dell'installazione. In questo modo, il surriscaldamento lo soffrono esclusivamente i captatori, con forte fatica termica, che finisce tradursi in una minore vita utile.

- Coprire i captatori mediante teloni o altre coperture. E’ una soluzione scomoda ed è impraticabile quando, come succede nella maggior parte delle occasioni, i captatori siano ubicati in aree di difficile accesso.

Per collettori solari piani, sono stati proposti dei dispositivi meccanizzati, con tendina o persiana, scorrevole in guide laterali e che coprono i captatori in risposta ad informazioni di sensori termici. Questi dispositivi risultano costosi e pesanti in dipendenza dell’ampia superficie continua, uguale a quella dell’intero pannello, e per la necessità di dover resistere alle condizioni ambientali più avverse ed in particolare all’azione del vento. Inoltre per collettori di differenti potenzialità è necessario prevedere protezioni di dimensioni corrispondenti a quelle dei pannelli da proteggere, con ulteriore aggravio dei costi.

Un altro rischio al quale possono essere soggetti i collettori solari è legato alla caduta di grandine, che può provocare gravi danni alle parti in vetro dei captatori, ancorché di tipo temprato.

Oggetto dell’invenzione è di realizzare un dispositivo di protezione per collettori solari, in particolare per collettori ad elementi captatori tubolari, che risulti affidabile, di costo relativamente contenuto e di facile installazione e che possa essere adattamento a moduli con differenti quantità di elementi captatori.

Tale oggetto è definito da un dispositivo di protezione per collettori solari, in particolare per collettori ad elementi captatori tubolari con involucri in vetro sottovuoto, in accordo con le parti caratteristiche delle rivendicazioni principali, comprendente tegoli di schermatura associati agli elementi tubolari ed attuabili da una posizione inoperativa ad una posizione di schermatura degli elementi captatori.

Le caratteristiche dell'invenzione risulteranno chiare dalla descrizione che segue, fatta a titolo esemplificativo ma non limitativo, con l'ausilio degli annessi disegni, in cui:

Fig. 1 rappresenta una vista prospettica schematica di un collettore solare ad elementi tubolari, di tipo noto;

Fig. 2 mostra una vista prospettica schematica di un collettore solare ad elementi tubolari con un dispositivo di protezione secondo l'invenzione; Fig. 3 è una vista prospettica schematica del collettore solare e del dispositivo di protezione di Fig.2, in una condizione di lavoro;

Fig. 4 mostra una vista schematica in pianta, parzialmente sezionata, e scala ingrandita, di alcuni elementi del collettore solare e del dispositivo di protezione di Fig.2;

Fig. 5 rappresenta una vista schematica in piante, parzialmente sezionata e scala ingrandita, degli elementi del collettore solare e del dispositivo di protezione di Fig.4, in condizione di lavoro;

Fig. 6 è una vista schematica frontale, in scala ingrandita, di alcuni elementi del collettore solare e del dispositivo di protezione di Fig.2;

Fig. 7 rappresenta gli elementi del collettore e del dispositivo di protezione di Fig.6, nella condizione di lavoro; e

Fig. 8 mostra una vista prospettica schematica di un collettore solare ad elementi tubolari, con il relativo dispositivo di protezione secondo l'invenzione, accoppiato ad un generatore fotovoltaico.

DESCRIZIONE GENERALE

Con riferimento alla figura 2 è rappresentato con 21 un collettore solare ad elementi captatori con involucri tubolari 22, al quale è applicato un dispositivo di protezione 23, in accordo con l'invenzione

Il collettore solare 21 è di tipo noto, comprendente un blocco scambiatore di calore 24 nella parte superiore ed una struttura di base 26 nella parte inferiore ed in cui gli elementi captatori 22 sono montati fra il blocco 24 e la struttura di base 26. Il collettore 21 è montabile su tetti di edifici, tramite staffe ed un telaio 27 di supporto per il blocco 24 e per la struttura di base 26.

I captatori 22 (Figg. 4 e 7) sono di tipo commerciale, comprendenti ciascuno, come involucro, un lungo tubo in vetro 28 in cui è stato fatto il vuoto, un condotto termico (heat pipe) 29, chiuso e contenente una piccola quantità di liquido vaporizzabile, una lamina captatrice 31 in alluminio, aderente al condotto 29 ed un bulbo condensatore 32, ad una estremità superiore del condotto 29, sporgente dal tubo 28. Il tubo 28 termina inferiormente con un puntale metallico 33 montato su asole 34 della struttura di base 26. Superiormente, il tubo 28 ha una flangia metallica 36 saldata a tenuta sul bordo ed attraversata dal condotto termico 29. Una cuffia di protezione 37 isola termicamente la parte emergente del condotto 29 e la flangia 36.

Il blocco-scambiatore 24 ha una copertura isolante 39 che comprende, all’interno, un collettore di scambio termico 41 con un condotto d’ingresso 42, un condotto d’uscita 43 per il fluido da scaldare ed una serie di sedi cilindriche 44, in rame, ed in cui i bulbi condensatori 32 degli elementi 22 sono alloggiati nelle sedi 44, con stretto accoppiamento termico favorito da grasso conduttivo.

Gli elementi captatori 22 utilizzano un ciclo di evaporazionecondensazione, in cui le lamine 31, con l’irraggiamento, fanno evaporare il liquido dei condotti 29, mentre i bulbi condensatori 32 cedono il calore alle sedi 44, con trasmissione al fluido da scaldare. Captatori di questo tipo trasformano in calore più del 90% dell'irradiazione solare ricevuta, con temperature dei bulbi 29 superiori a 200°, in condizioni d’uso.

I collettori 21 sono generalmente presentati come moduli da 8 o 16 elementi tubolari 22, ciascuno con diametro di 10 cm e lunghezza di 2 m circa. I collettori vengono assiemati sul posto, montando i singoli elementi captatori 22 nei blocchi-scambiatori 24 e con i supporti di base 26.

In accordo con l’invenzione, il dispositivo di protezione 23 comprende, per ciascun elemento captatore 22 da proteggere, un tegolo di schermatura 52 attuabile da una posizione in operativa, di massima esposizione, ad una posizione di schermatura in cui il tegolo scherma e protegge l’elemento captatore 22.

La posizione inoperativa è al disotto dell’elemento captatore 22, mentre la posizione di schermatura è al disopra dell’elemento. In dettaglio, i tegoli 52 sono in lamiera di alluminio a forma semicilindrica, con bordi ripiegati di irrigidimento e sono suscettibili di rotazione di 180°, sostanzialmente attorno ad un asse longitudinale 53 del rispettivo elemento captatore 22.

I tegoli 52 si estendono per l’intera lunghezza degli elementi captatori 22. Ciascun tegolo 52 è montato fra un anello inferiore 54 ed un anello superiore 56 supportati girevolemente dal rispettivo elemento 22. L’anello 54 collabora con il bordo superiore di un distanziale tubolare 57 accoppiato all’estremità inferiore dell’elemento 22 e contrastato da una struttura di base 58 simile alla struttura 26. L’anello superiore 56 è invece adiacente al bordo inferiore della cuffia di protezione 37.

Convenientemente, il dispositivo di protezione 23 comprende un organo motore unico, costituito da un motoriduttore 61, suscettibile di rotazione bidirezionale, ed elementi di trasmissione fra l’organo motore ed i tegoli 52. In dettaglio, gli elementi di trasmissione comprendono, un pignone 64 calettato sull’albero del motoriduttore 61, una corona dentata 62 per ciascun tegolo 52 montata in modo fisso nella rotazione con l’anello 54 ed una catena o cinghia dentata 63 in impegno con il pignone 64 e con le corone dentate degli elementi 22.

Le corone 62 sono sfalsate l’una con l’altra per evitare interferenze di una quantità contenuta per essere trascinate in modo sicuro dalla catena o cinghia dentata 63. Rullini tendicatena o tendicinghia 66 assicurano l’ingranamento ottimale della catena o della cinghia 63 con le corone dentate dei vari elementi 22.

Il motoriduttore 61 è disposto in una posizione centrale del collettore 21. La trasmissione del moto tramite catena o cinghia dentata assicura un’attuazione affidabile dei tegoli 52, anche in presenza di disallineamenti fra gli elementi captatori 22, dovute ad irregolarità del tetto sul quale il collettore è montato.

In alternativa, gli elementi di trasmissione fra motoriduttore 61 e tegoli 52 possono comprendere elementi dentati solidali nella rotazione con gli anelli 54, in ingranamento reciproco e con un altro elemento motore del motoriduttore 61, ovvero in ingranamento individuale con ingranaggi di un albero intermedio.

Il motoriduttore 61 è controllato nella rotazione in risposta ad informazioni relative al rischio dal quale il collettore deve essere protetto. A titolo di esempio, il dispositivo 23 comprende una centralina di comando 67, di tipo noto, con relè per il comando del motoriduttore 61. La centralina 67 è collegata ad un sensore di temperatura massima 68 e ad un sensore di temperatura minima 69 montati sul collettore di scambio termico 41 e ad una linea 71 di comando manuale o a tempo. La centralina risponde inoltre ad un segnale “Off” di un microinterruttore o sensore di fondo corsa di apertura e, rispettivamente, ad un segnale “On” di un microinterruttore o sensore di fondo corsa di chiusura, non mostrati nelle figure, per la catena o cinghia dentata 63.

Gli elementi captatori 22 utilizzano per i tubi 28 vetri di spessore relativamente elevato, resistente anche alla caduta di grandine. Il dispositivo 22 può essere tuttavia dotato di un rilevatore di grandine 72 e, in questo caso, la centralina 67 risponde anche a segnali del rilevatore 72 per portare i tegoli 52 nella posizione di schermatura, quando venga rilevata la caduta di grandine di dimensioni maggiori di valori predefiniti.

La centralina di comando 67 ed il motoriduttore 61 possono essere alimentati in modo indipendente dalla rete, ad esempio tramite un gruppo fotovoltaico 73 rispondente all’irraggiamento, per l’energia necessaria ai vari componenti.

Per ciò che attiene alla protezione da sovra-riscaldamento, il dispositivo 23 prevede la condizione inoperativa dei tegoli 22, per la massima esposizione all’irraggiamento delle lamine captatrici 31, fino a quando non venga raggiunta la temperatura massima accettabile del fluido da scaldare. Al ricevimento di un segnale di massima temperatura dal sensore 68, la centralina 67 fa attivare il motoriduttore 61, con rotazione dei tegoli 52 fino alla condizione di schermatura per le lamine, segnale “On” dal microinterruttore o sensore di fondo corsa di chiusura.

Il mancato irraggiamento delle lamine captatrici 31 fa raffreddare il fluido da scaldare, fino al valore minimo accettabile. In risposta ad un segnale del sensore 69, la centralina 67 attiva, in senso opposto, il motoriduttore 61, con rotazione dei tegoli 22 fino alla condizione inoperativa di massimo irraggiamento per le lamine captatrici 31, segnale “Off” dal microinterruttore o sensore di fondo corsa di apertura. La temperatura del fluido è così mantenuta entro limiti di sicurezza prestabiliti.

La struttura del dispositivo di protezione 22 è facilmente utilizzabile per realizzare un generatore di energia 79 (Fig. 8) con captatori solari fotovoltaici 81, facilmente affiancabili al collettore 21.

I captatori fotovoltaici 81 sono montati su tegoli 82, simili agli schermi 22 e che supportano sulla superficie esterna uno strato 84 con celle fotovoltaiche di tipo noto. I tegoli 82 sono girevoli fra una struttura di base 86 ed una traversa superiore 87 e sono attuati da un servomotore 88, tramite una catena o cinghia dentata 89. I tegoli 82 sono movimentati dal servomotore 88, secondo una tecnica nota, per seguire il movimento del sole in modo da presentare all’irraggiamento la superficie più ampia.

Se ritenuto conveniente, i tegoli con celle fotovoltaiche 82 possono sostituire i tegoli di protezione 22 di uno o più elementi captatori 22 in un collettore solare 21, ovvero essere montati sullo stesso collettore, con movimentazione indipendente o in modo fisso e senza alcun elemento captatore 22.

I vari componenti del dispositivo di protezione 23 vengono forniti in modo separato. I tegoli 52, gli anelli 53 e 54, i distanziali 57, la struttura dii base 58, il motoriduttore 61, gli elementi di trasmissione, i sensori e la centralina 57 vengono poi assiemati sul posto con gli elementi captatori 22 congiuntamente all’assiematura del collettore 21 in modo intuitivo.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente modificati rispetto a quanto è stato descritto ad illustrato a puro titolo non limitativo, senza per questo uscire dall’ambito della presente invenzione.

A titolo di esempio, il dispositivo dell’invenzione può essere anche impiegato vantaggiosamente in collettori del tipo a concentrazione comprendenti un riflettore semicilindro, a sezione parabolica di concentrazione dell’irraggiamento sul condotto termico. Il tegolo di schermatura può muoversi all’esterno del riflettore e ruotare coassialmente ad esso.

In alternativa, il tegolo di schermatura può essere realizzato in materiale riflettente ed in modo da avere nel fuoco il condotto termico. In quest’ultimo caso, il riflettore viene eliminato ed il tegolo, nella sua posizione inoperativa al disotto del condotto termico, avrà anche la funzione di concentrazione dell’energia raccolta.

Claims (19)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di protezione per collettori solari, in particolare per collettori ad elementi captatori con involucri tubolari in vetro, caratterizzato da ciò che comprende tegoli di schermatura associati a detti elementi ed attuabili da una posizione inoperativa ad una posizione di schermatura dei suddetti elementi captatori.
2. 2. Dispositivo di protezione in accordo con la rivendicazione 1 caratterizzato da ciò che la posizione inoperativa è al disotto dell’involucro tubolare, mentre la posizione di schermatura è al disopra del suddetto involucro.
3. 3. Dispositivo di protezione in accordo con la rivendicazione 1 o 2 caratterizzato da ciò che detti tegoli sono suscettibili di rotazione sostanzialmente attorno all’asse dell’elemento captatore.
4. 4. Dispositivo di protezione in accordo con la rivendicazione 1 o 2 o 3 caratterizzato da ciò che è accoppiato ad un gruppo fotovoltaico rispondente all’irraggiamento, per la generazione dell’energia di attuazione dei suddetti tegoli.
5. 5. Dispositivo di protezione in accordo con una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti elementi con involucri tubolari si estendono fra una struttura di base ed un collettore superiore, detto dispositivo essendo caratterizzato da ciò che i tegoli di schermatura si estendono sostanzialmente per l’intera lunghezza dei suddetti involucri tubolari.
6. 6. Dispositivo di protezione in accordo con una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato da ciò che detti tegoli sono montati su anelli supportati girevolemente dai rispettivi involucri tubolari.
7. 7. Dispositivo di protezione in accordo con le rivendicazioni 5 e 6, in cui gli elementi captatori comprendono ciascuno una cuffia di protezione accoppiata ad una estremità superiore dell’involucro tubolare, detto dispositivo essendo caratterizzato da ciò che comprende un distanziale accoppiato ad una estremità inferiore del rispettivo involucro tubolare e adiacente alla struttura di base, in cui ciascun tegolo è montato fra un anello inferiore ed un anello superiore, ed in cui l’anello superiore è adiacente a detta cuffia, mentre l’anello inferiore è adiacente e contrastato dal suddetto distanziale.
8. 8. Dispositivo di protezione in accordo con una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da ciò che comprende un organo motore unico ed elementi di trasmissione fra l’organo motore ed i tegoli di schermatura.
9. 9. Dispositivo di protezione in accordo con le rivendicazioni 6 o 7 e 8 caratterizzato da ciò che gli elementi di trasmissione comprendono rispettivi elementi dentati solidali nella rotazione con detti anelli.
10. 10. Dispositivo di protezione in accordo con la rivendicazione 9 caratterizzato da ciò che gli elementi dentati sono costituiti da corone dentate ed in cui gli elementi di trasmissione comprendono una catena o cinghia dentata in impegno con le corone dentate ed un pignone del suddetto organo motore in impegno con detta catena o cinghia dentata.
11. 11. Dispositivo di protezione in accordo con una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti elementi tubolari hanno un condotto termico ed un bulbo evaporatore collegato termicamente ad un collettore di scambio termico, a sua volta attraversato dal fluido da scaldare, detto dispositivo essendo caratterizzato da ciò che i tegoli sono attuabili in risposta ad informazioni di temperatura associati alla temperatura del collettore di scambio termico.
12. 12. Dispositivo di protezione in accordo con una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da ciò che i tegoli sono attuabili in risposta ad informazioni di presenza grandine.
13. 13. Dispositivo di protezione in accordo con una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato da ciò che i tegoli sono attuabili in risposta a comandi manuali o a tempo.
14. 14. Dispositivo di protezione in accordo con una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da ciò che detti tegoli hanno funzione di riflettore, nella loro posizione inoperativa.
15. 15. Dispositivo in accordo con una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da ciò che è associato ad un generatore di energia elettrica a celle fotovoltaiche, in cui dette celle sono distribuite lungo una superficie esterne di tegoli sostanzialmente uguali ai suddetti tegoli di schermatura.
16. 16. Dispositivo in accordo con la rivendicazione 15 caratterizzato da ciò che i supporti delle suddette celle posizionabili, tramite servomotore, in modo da essere soggette al massimo irraggiamento.
17. 17. Dispositivo di protezione da sovratemperatura per collettori solari, in particolare per collettori ad elementi captatori con involucri tubolari in vetro sottovuoto e comprendente sensori di temperatura per il fluido da scaldare, il suddetto dispositivo essendo caratterizzato da ciò che comprende, come componenti: tegoli associati a detti elementi captatori e suscettibili di schermatura per gli elementi captatori; anelli di montaggio per detti tegoli supportabili nella rotazione dai suddetti involucri; un gruppo di attuazione includente un organo motore ed elementi di trasmissione fra l’organo motore e gli anelli di montaggio; e un gruppo di controllo e comando collegato con detti sensori per il controllo dell’organo motore; detti tegoli ruotando attorno agli involucri tubolari da una posizione inoperativa per il massimo irraggiamento degli elementi captatori ad una posizione di schermatura dei suddetti elementi captatori.
18. 18 Dispositivo in accordo con la rivendicazione 17 per collettori assiemabili sul posto insieme con i relativi elementi captatori, caratterizzato da ciò che detti componenti sono forniti separatamente per essere assiemati, congiuntamente all’assiematura degli elementi captatori.
19. 19. Dispositivo di protezione per collettori solari sostanzialmente come descritto e con riferimento agli annessi disegni.