ITTO20090410A1 - SOLAR CONCENTRATION SYSTEM FOR THE PRODUCTION OF ELECTRICITY. - Google Patents

SOLAR CONCENTRATION SYSTEM FOR THE PRODUCTION OF ELECTRICITY. Download PDF

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Description

“SISTEMA DI CONCENTRAZIONE SOLARE PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA†⠀ œSOLAR CONCENTRATION SYSTEM FOR ELECTRICITY PRODUCTIONâ €

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione si riferisce ad un sistema di concentrazione solare per la produzione di energia elettrica. The present invention refers to a solar concentration system for the production of electrical energy.

Come noto, la tecnica propone diverse tipologie di dispositivi solari che consentono la conversione dell’irraggiamento solare in energia termica per mezzo di componenti preposti alla captazione della radiazione solare. In generale, il funzionamento di tali dispositivi prevede che la radiazione solare, una volta giunta al dispositivo di captazione, venga assorbita da un dispositivo assorbitore e trasferita ad un fluido termovettore, che può essere acqua, aria o un fluido diatermico. As is known, the technique proposes different types of solar devices that allow the conversion of solar radiation into thermal energy by means of components designed to capture solar radiation. In general, the operation of these devices provides that the solar radiation, once it reaches the collection device, is absorbed by an absorber device and transferred to a heat-carrying fluid, which can be water, air or a diathermic fluid.

In particolare, i concentratori solari termici noti sono composti da uno specchio o da lenti ottiche che convergono e concentrano i raggi solari verso il dispositivo assorbitore attraverso il quale scorre il fluido termovettore. Questa tipologia di concentratori non sono realizzati in modo tale da generare direttamente energia elettrica. In particular, known solar thermal concentrators are composed of a mirror or optical lenses which converge and concentrate the sun's rays towards the absorber device through which the heat-carrying fluid flows. This type of concentrators are not made in such a way as to directly generate electricity.

Sono altresì noti i concentratori solari per la produzione di energia elettrica che, a differenza di quelli termici, concentrano i raggi solari riflessi verso una termocoppia ad effetto Seebeck che sostituisce il dispositivo assorbitore tradizionale: infatti, come noto, la termocoppia ad effetto Seebeck à ̈ un circuito costituito da conduttori metallici o semiconduttori nel quale una differenza di temperatura genera energia elettrica. Esempi di tali concentratori sono descritti nei brevetti anteriori nn. WO2008063474A2, WO2008148435, US4257823, FR2658363, DE102007010642, US2008053514, US2007289622A1, WO2007087343, DE102005032764, WO2008009375, DE19519978A1. Tali concentratori presentano però l’inconveniente di funzionare con un rendimento apprezzabile solo con un sufficiente livello di irraggiamento solare risultando, di conseguenza, inefficienti di notte o in caso di insufficiente irraggiamento, come per esempio in caso di cielo nuvoloso. Solar concentrators for the production of electricity are also known which, unlike the thermal ones, concentrate the solar rays reflected towards a Seebeck effect thermocouple which replaces the traditional absorber device: in fact, as known, the Seebeck effect thermocouple is ̈ a circuit consisting of metallic conductors or semiconductors in which a difference in temperature generates electrical energy. Examples of such concentrators are described in prior patents nos. WO2008063474A2, WO2008148435, US4257823, FR2658363, DE102007010642, US2008053514, US2007289622A1, WO2007087343, DE102005032764, WO2008009375, DE19519978A1. However, these concentrators have the drawback of operating with an appreciable efficiency only with a sufficient level of solar irradiation resulting, consequently, inefficient at night or in the event of insufficient irradiation, such as for example in the event of a cloudy sky.

Scopo quindi della presente invenzione à ̈ quello di risolvere i suddetti problemi della tecnica anteriore fornendo un sistema di concentrazione solare per la produzione di energia elettrica in modo termoelettrico che permetta un funzionamento continuato, anche di notti o in presenza di scarso irraggiamento solare. Therefore, the object of the present invention is to solve the aforementioned problems of the prior art by providing a solar concentration system for the production of electrical energy in a thermoelectric way that allows continuous operation, even during nights or in the presence of low solar radiation.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un sistema di concentrazione solare per la produzione di energia elettrica in modo elettrochimico utilizzando un processo elettrochimico disponendo almeno una pila ad effetto Hall in sostituzione della tradizionale termocoppia ad effetto Seebeck dei concentratori noti. Another object of the present invention is to provide a solar concentration system for the production of electrical energy in an electrochemical way using an electrochemical process by arranging at least one Hall effect cell to replace the traditional Seebeck effect thermocouple of known concentrators.

I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell’invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un sistema di concentrazione solare per la produzione di energia elettrica come quello descritto nella rivendicazione 1. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l’oggetto delle rivendicazioni dipendenti. The above and other objects and advantages of the invention, as will emerge from the following description, are achieved with a solar concentration system for the production of electrical energy such as that described in claim 1. Preferred embodiments and non-trivial variants of the present invention form the subject of the dependent claims.

Risulterà immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalità equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell'invenzione come appare dalle rivendicazioni allegate. It will be immediately obvious that innumerable variations and modifications (for example relating to shape, dimensions, arrangements and parts with equivalent functionality) can be made to what has been described without departing from the field of protection of the invention as shown in the attached claims.

La presente invenzione verrà meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali: The present invention will be better described by some preferred embodiments, provided by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings, in which:

- la FIG. 1 mostra una vista in sezione laterale di una realizzazione preferita del sistema di concentrazione solare per la produzione di energia elettrica secondo la presente invenzione; - FIG. 1 shows a side sectional view of a preferred embodiment of the solar concentration system for the production of electrical energy according to the present invention;

- la FIG. 2 mostra una vista in sezione laterale di un’altra realizzazione preferita del sistema di concentrazione solare per la produzione di energia elettrica secondo la presente invenzione; - FIG. 2 shows a side sectional view of another preferred embodiment of the solar concentration system for the production of electrical energy according to the present invention;

- la FIG. 3 mostra una vista in sezione laterale di un’ulteriore realizzazione preferita del sistema di concentrazione solare per la produzione di energia elettrica secondo la presente invenzione; e - la FIG. 4 mostra una vista in sezione laterale di ancora un’altra realizzazione preferita del sistema di concentrazione solare per la produzione di energia elettrica secondo la presente invenzione. - FIG. 3 shows a side sectional view of a further preferred embodiment of the solar concentration system for the production of electrical energy according to the present invention; and - FIG. 4 shows a side sectional view of yet another preferred embodiment of the solar concentration system for the production of electricity according to the present invention.

Facendo riferimento alle Figure, Ã ̈ possibile notare che il sistema 1 di concentrazione solare per la produzione di energia elettrica secondo la presente invenzione comprende mezzi concentratori 3 di raggi solari, atti a raccogliere raggi solari R1, ed a rifletterli e concentrarli R2verso mezzi di conversione di energia termica in energia elettrica 5. With reference to the Figures, it is possible to note that the solar concentration system 1 for the production of electrical energy according to the present invention comprises concentrator means 3 of solar rays, suitable for collecting solar rays R1, and for reflecting and concentrating them R2 through conversion means of thermal energy into electrical energy 5.

Preferibilmente, i mezzi concentratori 3 sono realizzati come almeno un concentratore parabolico 7 rispetto al quale i mezzi di conversione di energia termica in energia elettrica 5 sono posti nella zona focale della superficie riflettente parabolica del concentratore 7 stesso. Preferably, the concentrator means 3 are realized as at least one parabolic concentrator 7 with respect to which the means for converting thermal energy into electrical energy 5 are placed in the focal zone of the parabolic reflecting surface of the concentrator 7 itself.

Vantaggiosamente, il sistema 1 secondo la presente invenzione comprende inoltre almeno un circuito di canalizzazione 9 all’interno del quale fluisce almeno un fluido termovettore secondo un primo verso F1o secondo un secondo verso F2opposto al primo verso F1, e tali mezzi di conversione di energia termica in energia elettrica 5 comprendono almeno una prima superficie 5a sulla quale i raggi R2sono concentrati dai mezzi concentratori 3 ed una seconda superficie 5b, preferibilmente parallela ed opposta alla prima superficie 5a, lambita da tale fluido termovettore, preferibilmente in corrispondenza di una camera di scambio termico 11 tra il fluido termovettore ed i mezzi di conversione di energia termica in energia elettrica 5. Il sistema 1 secondo la presente invenzione comprende inoltre mezzi accumulatori 13 del calore raccolto da tale fluido termovettore nella camera di scambio termico 11. Così come si può notare in particolare nelle FIGG. 1 e 4, i mezzi accumulatori 13 possono comprendere, preferibilmente, almeno un serbatoio isolato termicamente e suddiviso in almeno due porzioni, una prima porzione 14 atta a raccogliere il fluido termovettore riscaldato dai mezzi di conversione di energia termica in energia elettrica 5 ed una seconda porzione 16 atta a raccogliere il fluido termovettore raffreddato una volta ceduto calore ai mezzi di conversione di energia termica in energia elettrica 5 stessi: ciascuna di tali porzioni 14, 16 comunicante ovviamente con una rispettiva estremità del circuito di canalizzazione 9. In alternativa, così come si può notare in particolare nelle FIGG. 2 e 3, i mezzi accumulatori 13 possono comprendere almeno uno scambiatore di calore liquido/liquido a più stadi (per esempio tre, rispettivamente 13a, 13b e 13c in funzione di differenti livelli di temperatura) attraversato da una porzione a serpentina 15 del circuito di canalizzazione 9. Advantageously, the system 1 according to the present invention also comprises at least one ducting circuit 9 inside which at least one heat-carrying fluid flows according to a first direction F1 or according to a second direction F2 opposite to the first direction F1, and such energy conversion means thermal in electrical energy 5 comprise at least a first surface 5a on which the rays R2 are concentrated by the concentrator means 3 and a second surface 5b, preferably parallel and opposite to the first surface 5a, lapped by this heat-carrying fluid, preferably in correspondence with an exchange chamber 11 between the heat transfer fluid and the means for converting thermal energy into electrical energy 5. The system 1 according to the present invention also comprises accumulating means 13 for the heat collected by this heat transfer fluid in the heat exchange chamber 11. As can be seen from note in particular in FIGS. 1 and 4, the accumulator means 13 can preferably comprise at least one thermally insulated tank divided into at least two portions, a first portion 14 suitable for collecting the heat-carrying fluid heated by the means for converting thermal energy into electrical energy 5 and a second portion 16 adapted to collect the cooled heat carrier fluid once heat has been transferred to the means for converting thermal energy into electrical energy 5 themselves: each of these portions 14, 16 obviously communicating with a respective end of the ducting circuit 9. Alternatively, thus as can be noted in particular in FIGS. 2 and 3, the storage means 13 can comprise at least one multi-stage liquid / liquid heat exchanger (for example three, respectively 13a, 13b and 13c as a function of different temperature levels) crossed by a coil portion 15 of the channeling 9.

Così come mostrato esemplificativamente nelle FIGG. 1, 2 e 3, i mezzi di conversione di energia termica in energia elettrica 5 possono essere composti da almeno una termocoppia ad effetto Seebeck 6 e la prima superficie 5a e la seconda superficie 5b dei mezzi di conversione di energia termica in energia elettrica 5 stessi corrispondono rispettivamente alla prima giunzione ed alla seconda giunzione di tale termocoppia 6. In questo caso, in particolare, detta T1una prima temperatura alla quale à ̈ esposta la prima superficie 5a e detta T2una seconda temperatura alla quale à ̈ esposta la seconda superficie 5b, il fluido termovettore sarà fatto fluire, per esempio mediante comuni mezzi di pompaggio (non mostrati), all’interno del circuito di canalizzazione 9 secondo il primo verso F1o secondo il secondo verso F2in modo tale che sia sempre ∆T = T2- T1≠ 0 per creare il differenziale di temperatura necessario al funzionamento della termocoppia ad effetto Seebeck 6 per la creazione di energia elettrica. In condizioni quindi di sufficiente irraggiamento solare, i mezzi concentratori 3, ed in particolare il concentratore parabolico 7, concentrano i raggi solari R2verso la termocoppia ad effetto Seebeck 6, ed in particolare verso la propria prima superficie 5a, determinando la prima temperatura T1alla quale la prima giunzione della termocoppia stessa à ̈ esposta: facendo quindi fluire il fluido termovettore all’intero del circuito di canalizzazione 9 secondo il primo verso F1, tale fluido sottrae calore alla termocoppia ad effetto Seebeck 6 all’interno della camera di scambio termico 11 ed attraverso la seconda superficie 5b, determinando la seconda temperatura T2alla quale la seconda giunzione della termocoppia stessa à ̈ esposta ed il ∆T = T2- T1≠ 0, essendo T1> T2, che permette alla termocoppia stessa di generare corrente elettrica. Il calore sottratto dal fluido termovettore viene quindi immagazzinato nei mezzi accumulatori 13. Per incrementare la capacità di concentrazione dei mezzi concentratori 3, il sistema 1 secondo la presente invenzione può comprendere almeno una lente convergente 17 (così come mostrato, per esempio, nella FIG. 3) interposta tra il concentratore parabolico 7 e la prima superficie 5a dei mezzi di conversione di energia termica in energia elettrica 5: in questo modo à ̈ possibile realizzare mezzi di conversione di energia termica in energia elettrica 5, ed in particolare una termocoppia ad effetto Seebeck 6, aventi una prima superficie 5a di dimensioni inferiori ottenendo, nel contempo, un valore di ∆T maggiore e, di conseguenza, maggiore corrente elettrica prodotta dalla termocoppia stessa. As shown by way of example in FIGS. 1, 2 and 3, the means for converting thermal energy into electrical energy 5 can be composed of at least one Seebeck effect thermocouple 6 and the first surface 5a and the second surface 5b of the means for converting thermal energy into electrical energy 5 themselves correspond respectively to the first junction and to the second junction of this thermocouple 6. In this case, in particular, called T1 a first temperature to which the first surface 5a is exposed and called T2 a second temperature to which the second surface 5b is exposed, the heat transfer fluid will be made to flow, for example by common pumping means (not shown), inside the ducting circuit 9 according to the first direction F1 or according to the second direction F2 so that it is always ∠† T = T2- T1â ‰ 0 to create the temperature differential necessary for the operation of the Seebeck effect thermocouple 6 for the creation of electrical energy. Therefore, in conditions of sufficient solar radiation, the concentrator means 3, and in particular the parabolic concentrator 7, concentrate the solar rays R2 towards the Seebeck effect thermocouple 6, and in particular towards its first surface 5a, determining the first temperature T1 at which the the first junction of the thermocouple itself is exposed: thus making the heat transfer fluid flow throughout the ducting circuit 9 according to the first direction F1, this fluid extracts heat from the Seebeck effect thermocouple 6 inside the heat exchange chamber 11 and through the second surface 5b, determining the second temperature T2 to which the second junction of the thermocouple itself is exposed and the ∠† T = T2-T1â ‰ 0, being T1> T2, which allows the thermocouple itself to generate electric current. The heat subtracted from the heat transfer fluid is then stored in the accumulator means 13. To increase the concentration capacity of the concentrator means 3, the system 1 according to the present invention can comprise at least one converging lens 17 (as shown, for example, in FIG . 3) interposed between the parabolic concentrator 7 and the first surface 5a of the means for converting thermal energy into electrical energy 5: in this way it is possible to realize means for converting thermal energy into electrical energy 5, and in particular a thermocouple with Seebeck effect 6, having a first surface 5a of smaller dimensions, obtaining, at the same time, a greater ∠† T value and, consequently, greater electric current produced by the thermocouple itself.

In caso invece di insufficiente irraggiamento solare, come di notte o con cielo coperto, à ̈ possibile vantaggiosamente invertire la direzione del flusso del fluido termovettore, facendo fluire il fluido termovettore stesso all’intero del circuito di canalizzazione 9 secondo il secondo verso F2: in questo caso quindi, il fluido utilizza il calore precedentemente sottratto alla termocoppia ad effetto Seebeck 6 ed immagazzinato nei mezzi accumulatori 13 per cederlo, all’interno della camera di scambio termico 11 ed attraverso la seconda superficie 5b, alla termocoppia stessa determinando la seconda temperatura T2alla quale la seconda giunzione della termocoppia stessa à ̈ esposta: essendo assente irraggiamento sulla prima superficie 5a, si determina una T1< T2e, nuovamente, il ∆T = T2- T1≠ 0 che permette alla termocoppia di generare corrente elettrica a polarità invertita. In the event of insufficient solar radiation, such as at night or with an overcast sky, it is possible to advantageously reverse the direction of the flow of the heat carrier fluid, making the heat carrier fluid flow throughout the ducting circuit 9 according to the second direction F2: in this case, therefore, the fluid uses the heat previously subtracted from the Seebeck effect thermocouple 6 and stored in the accumulator means 13 to transfer it, inside the heat exchange chamber 11 and through the second surface 5b, to the thermocouple itself, determining the second temperature T2 to which the second junction of the thermocouple itself is exposed: since there is no radiation on the first surface 5a, a T1 <T2 is determined and, again, the ∠† T = T2-T1â ‰ 0 which allows the thermocouple to generate electric current with polarity inverted.

Così come mostrato invece in particolare nella FIG. 4, i mezzi di conversione di energia termica in energia elettrica 5 possono essere composti da almeno una pila ad effetto Hall 19. As shown instead in particular in FIG. 4, the means for converting thermal energy into electrical energy 5 can be composed of at least one Hall effect cell 19.

Si sono descritte alcune forme preferite di attuazione dell’invenzione, ma naturalmente esse sono suscettibili di ulteriori modifiche e varianti nell’ambito della medesima idea inventiva. In particolare, agli esperti nel ramo risulteranno immediatamente evidenti numerose varianti e modifiche, funzionalmente equivalenti alle precedenti, che ricadono nel campo di protezione dell'invenzione come evidenziato nelle rivendicazioni allegate. Some preferred embodiments of the invention have been described, but of course they are susceptible of further modifications and variations within the scope of the same inventive idea. In particular, numerous variants and modifications, functionally equivalent to the preceding ones, which fall within the scope of the invention as highlighted in the attached claims, will be immediately apparent to those skilled in the art.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI 1. Sistema (1) di concentrazione solare per la produzione di energia elettrica comprendente mezzi concentratori (3) di raggi solari, atti a raccogliere raggi solari (R1) ed a rifletterli e concentrarli (R2) verso mezzi di conversione di energia termica in energia elettrica (5), caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un circuito di canalizzazione (9) all’interno del quale fluisce almeno un fluido termovettore secondo un primo verso (F1) o secondo un secondo verso (F2) opposto a detto primo verso (F1), detti mezzi di conversione di energia termica in energia elettrica (5) comprendenti almeno una prima superficie (5a) sulla quale detti raggi (R2) sono concentrati da detti mezzi concentratori (3) ed una seconda superficie (5b) lambita da detto fluido termovettore per realizzare uno scambio termico tra detto fluido termovettore e detti mezzi di conversione di energia termica in energia elettrica (5). CLAIMS 1. Solar concentration system (1) for the production of electrical energy comprising concentrator means (3) of solar rays, suitable for collecting solar rays (R1) and for reflecting and concentrating them (R2) towards means of converting thermal energy into energy electric (5), characterized by the fact that it comprises at least one ducting circuit (9) inside which at least one heat-carrying fluid flows according to a first direction (F1) or according to a second direction (F2) opposite to said first direction ( F1), said means for converting thermal energy into electrical energy (5) comprising at least a first surface (5a) on which said rays (R2) are concentrated by said concentrator means (3) and a second surface (5b) lapped by said heat-carrying fluid for carrying out a heat exchange between said heat-carrying fluid and said means for converting heat energy into electrical energy (5). 2. Sistema (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi concentratori (3) sono almeno un concentratore parabolico (7) e detti mezzi di conversione di energia termica in energia elettrica (5) sono posti in una zona focale di una superficie riflettente parabolica di detto concentratore (7). 2. System (1) according to claim 1, characterized in that said concentrator means (3) are at least one parabolic concentrator (7) and said means for converting thermal energy into electrical energy (5) are placed in a focal zone of a parabolic reflecting surface of said concentrator (7). 3. Sistema (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno una lente convergente (17) interposta tra detto concentratore parabolico (7) e detta prima superficie (5a) di detti mezzi di conversione di energia termica in energia elettrica (5). System (1) according to claim 2, characterized in that it comprises at least one converging lens (17) interposed between said parabolic concentrator (7) and said first surface (5a) of said means for converting thermal energy into electrical energy ( 5). 4. Sistema (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta seconda superficie (5a) à ̈ lambita da detto fluido termovettore in corrispondenza di una camera di scambio termico (11) tra detto fluido termovettore e detti mezzi di conversione di energia termica in energia elettrica (5). 4. System (1) according to claim 1, characterized in that said second surface (5a) is lapped by said heat-carrying fluid in correspondence with a heat exchange chamber (11) between said heat-carrying fluid and said energy conversion means thermal into electrical energy (5). 5. Sistema (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi accumulatori (13) di un calore raccolto da detto fluido termovettore. 5. System (1) according to claim 1, characterized in that it comprises accumulating means (13) for a heat collected by said heat-carrying fluid. 6. Sistema (1) secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detti mezzi accumulatori (13) comprendono almeno un serbatoio isolato termicamente e comunicante con detto circuito di canalizzazione (9). 6. System (1) according to claim 5, characterized in that said accumulator means (13) comprise at least one tank which is thermally insulated and communicates with said ducting circuit (9). 7. Sistema (1) secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto serbatoio à ̈ suddiviso in almeno una prima porzione (14) atta a raccogliere detto fluido termovettore riscaldato ed una seconda porzione (16) atta a raccogliere detto fluido termovettore raffreddato, ciascuna di dette porzioni (14, 16) comunicante con una rispettiva estremità di detto circuito di canalizzazione (9). 7. System (1) according to claim 6, characterized in that said tank is divided into at least a first portion (14) suitable for collecting said heated heat transfer fluid and a second portion (16) suitable for collecting said cooled heat transfer fluid, each of said portions (14, 16) communicating with a respective end of said channeling circuit (9). 8. Sistema (1) secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detti mezzi accumulatori (13) comprendono almeno uno scambiatore di calore liquido/liquido a più stadi (13a, 13b, 13c) attraversato da una porzione a serpentina (15) di detto circuito di canalizzazione (9). 8. System (1) according to claim 5, characterized in that said accumulator means (13) comprise at least one multi-stage liquid / liquid heat exchanger (13a, 13b, 13c) crossed by a coil portion (15) of said ducting circuit (9). 9. Sistema (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di conversione di energia termica in energia elettrica (5) sono composti da almeno una termocoppia ad effetto Seebeck (6) essendo detta prima superficie (5a) e detta seconda superficie (5b) corrispondenti rispettivamente con una prima giunzione ed una seconda giunzione di detta termocoppia (6). 9. System (1) according to claim 1, characterized in that said means for converting thermal energy into electrical energy (5) are composed of at least one Seebeck effect thermocouple (6) being said first surface (5a) and said second surfaces (5b) corresponding respectively with a first junction and a second junction of said thermocouple (6). 10. Sistema (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di conversione di energia termica in energia elettrica (5) sono composti da almeno una pila ad effetto Hall (19).System (1) according to claim 1, characterized in that said means for converting thermal energy into electrical energy (5) are composed of at least one Hall effect cell (19).
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