ITUB20150365A1

ITUB20150365A1 - Dispositivo di raccolta di energia solare mediante un concentratore del tipo senza immagine.

Info

Publication number: ITUB20150365A1
Application number: ITUB2015A000365A
Authority: IT
Inventors: Riccardis Andrea De; Tobias Koch; Yousef Yousef M Al
Original assignee: Balderrie Energies Gmbh; King Abdulaziz City For Science & Tech
Priority date: 2015-04-21
Filing date: 2015-04-21
Publication date: 2016-10-21
Also published as: EP3286505B1; EP3286505A1; ES2745258T3; US20180119993A1; WO2016170485A1; CA2983238A1; AU2016252472A1

Description

Dispositivo di raccolta di energia solare mediante un concentratore del tipo senza immagine

La presente invenzione concerne un dispositivo di raccolta di energia solare mediante un concentratore del tipo senza immagine.

L?invenzione si riferisce al campo dei dispositivi di concentrazione solare del tipo senza immagine o nonImaging (NIO), come i CPC (Coumpond Parabolic Concentrator), ed in particolare ad una nuova modalit? di funzionamento ed utilizzo degli stessi. ? noto che la radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre presenta valori medi di flusso termico attorno ad 1 kWh/m<2>: tale valore ? troppo basso ed economicamente non conveniente per essere sfruttato negli impianti di produzione di energia elettrica.

Di conseguenza, dall?esigenza di concentrare in una superficie ridotta elevati flussi di energia, hanno avuto inizio i primi studi sui sistemi ottici di concentrazione e, in particolare, quelli condotti da sull?ottica senza immagine o nonimaging optics (NIO). Tali dispositivi di concentrazione presentano, infatti, il vantaggio di ottimizzare la trasmissione di energia da una sorgente ad un ricevitore, a scapito della formazione dell?immagine tipica dei sistemi ottici (IO) e di nessuna rilevanza nel campo del trasferimento di energia.

Il CPC (Compound Parabolic Concentrator), evoluzione del concentratore a cono, appartiene appunto alla classe dei concentratori senza immagine: raggiungendo valori di concentrazione molto vicini a quelli del concentratore ideale, ed ? in grado di concentrare e trasferire verso la sua sezione d?uscita quasi interamente l?energia dei fasci di raggi che incidono sull?apertura, con un angolo inferiore o uguale all?angolo di accettazione ? per il quale il concentratore ? stato progettato.

Il ricevitore, dispositivo progettato per assorbire la radiazione solare, ? rappresentato generalmente come un?unit? a parte e, nelle sue varie forme e realizzazioni, se posto a livello del suolo, ? generalmente sormontato proprio da un concentratore nonimaging (molto frequentemente un CPC) avente il compito di aumentare da densit? di concentrazione.. Il ricevitore, non ha alcuna interazione con il sistema di concentrazione, non modificandone, in alcun modo, il funzionamento.

Nella situazione reale, i sistemi nonimaging hanno un comportamento diverso da quello ideale. Da rilievi sperimentali risulta, infatti, che una parte di raggi con angolo di incidenza molto prossimo all?angolo di accettazione ? hanno un comportamento inverso rispetto a quello atteso e generano delle curve di trasmissione con punti di flesso pi? o meno accentuati.

Inoltre, tutti i fasci di raggi con angolo superiore all?angolo di accettazione ? vengono respinti e riattraversano la sezione di ingresso abbandonando il CPC.

Il convogliamento dei raggi solari nell?ottica NIOentro i limiti dell?angolo di accettazione comporta la necessit? di sistemi di puntamento della radiazione solare estremamente costosi, con conseguente aggravio dei costi del sistema.

Esiste quindi la necessit? di migliorare il comportamento dei sistemi NIO , alla trasmissione della radiazione solare su un ricevitore, quando i fasci di raggi incidano con un angolo superiore o prossimo a quello di accettazione.

In questo contesto viene ad inserirsi la soluzione secondo la presente invenzione, che si propone di fornire un nuovo metodo e sistema per ottimizzare la raccolta dell?energia in un sistema NIO.

Questi ed altri risultati sono ottenuti secondo la presente invenzione proponendo di immettere all?interno del volume delimitato dal sistema NIO, come ad esempio un CPC, , nella direzione opposta a quella di concentrazione, un discreto numero di particelle solide, in modo che queste ultime possano intercettare ed assorbire, fino all?equilibrio termodinamico e durante le molteplici e casuali posizioni occupate nelle fasi di caduta o risalita, la radiazione solare che entra nel CPC.

Scopo della presente invenzione ? quindi quello di fornire un dispositivo di raccolta di energia solare mediante un concentratore del tipo senza immagine NIO opportunamente accoppiato con un ricevitore, che permetta di superare i limiti dei sistemi NIOsecondo la tecnologia nota e di ottenere i risultati tecnici precedentemente descritti.

Ulteriore scopo dell?invenzione ? che detto dispositivo di raccolta di energia solare mediante un concentratore del tipo senza immagine possa essere realizzato con costi sostanzialmente contenuti, sia per quanto riguarda i costi di produzione che per quanto concerne i costi di gestione.

Non ultimo scopo dell?invenzione ? quello di proporre un dispositivo di raccolta di energia solare mediante un concentratore del tipo senza immagine che sia semplice, sicuro ed affidabile.

Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un dispositivo di raccolta di energia solare mediante un concentratore del tipo senza immagine e un ricevitore per il trasferimento dell?energia mediante scambio termico con fluido che opera, autonomamente, un ciclo termodinamico per lo sfruttamento energetico, detto concentratore comprendendo un?area di ingresso, un?area di uscita sottostante e uno spazio interno compreso tra detta area di ingresso e detta area di uscita; detto ricevitore essendo posizionato sotto a detto concentratore e detto spazio interno del concentratore e detto ricevitore essendo collegati da detta area di uscita, in cui detto dispositivo di raccolta di energia solare comprende una pluralit? di particelle solide, alloggiate all?interno di detto ricevitore, e mezzi atti a prelevare dette particelle solide da detto ricevitore e ad immetterle dal basso all?interno di detto spazio interno di detto concentratore, finch? dette particelle solide non tornano, per gravit?, in detto ricevitore, attraversando detta area di uscita.

In particolare, secondo l?invenzione, detti mezzi atti a prelevare dette particelle solide da detto ricevitore e ad immetterle dal basso all?interno di detto spazio interno di detto concentratore comprendono un dispositivo di immissione.

Preferibilmente, secondo l?invenzione, detti mezzi atti a prelevare dette particelle solide da detto ricevitore e ad immetterle dal basso all?interno di detto spazio interno di detto concentratore sono costituiti da correnti di gas, vapori, o da una combinazione degli stessi, atte a sollevare dette particelle solide fino ad un?altezza compresa tra detta area di ingresso e detta area di uscita del concentratore.

Pi? preferibilmente, secondo l?invenzione, detto ricevitore e detti mezzi atti a prelevare dette particelle solide da detto ricevitore e ad immetterle dal basso all?interno di detto spazio interno di detto concentratore sono costituiti da uno spouted bed.

In particolare, secondo la presente invenzione, detto concentratore ? un concentratore CPC (Compound Parabolic Concentrator).

Infine, sempre secondo l?invenzione, dette particelle solide sono costituite da materiali ad alto assorbimento solare e bassa emissivit?, come gli ossidi di tipo metallico e, preferibilmente, cromite

Risulta evidente l?efficacia del dispositivo della presente invenzione, che consente di intercettare ed assorbire, mediante le particelle solide immesse all?interno del volume delimitato dal sistema nonimaging, la radiazione solare che entra nello stesso. Modificando la quantit?, l?altezza e la frequenza del getto di particelle, ? possibile fare in modo che le stesse particelle raggiungano il ricevitore aumentando progressivamente la loro temperatura, fino ad un livello tale da rendere efficiente lo scambio termico con altro fluido che opera, autonomamente, un ciclo termodinamico per lo sfruttamento energetico.

Poich?, staticamente, le particelle possono trovarsi in alcune posizioni occupate dai fasci di raggi che, dopo una serie di riflessioni interne al sistema nonimaging, verrebbero rigettati verso l?esterno, appare chiaro che il nuovo dispositivo ? in grado di modificare le prestazioni energetiche di un tradizionale concentratore CPC o, pi? in generale, di qualsiasi concentratore senza immagine.

La presente invenzione verr? ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo una sua forma preferita di realizzazione, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

- la figura 1 mostra una vista in sezione di un concentratore CPC secondo la tecnica nota, e

- la figura 2 mostra una vista in sezione di un dispositivo di raccolta di energia solare mediante un concentratore del tipo senza immagine secondo la presente invenzione, applicato ad un concentratore CPC.

Facendo riferimento preliminarmente alla figura 1, in un sistema di concentrazione solare CPC, complessivamente indicato con il riferimento numerico 12, con area di ingresso 1, area di uscita 2 ed angolo di accettazione ?, i raggi solari che incidono la sezione di ingresso con un angolo inferiore a ?, come ad esempio il raggio indicato con il riferimento numerico 5, raggiungono la sezione di uscita 2 e il ricevitore 3; al contrario, il raggio 4, che presenta un angolo di ingresso superiore a quello di accettazione, dopo un certo numero di riflessioni sulle pareti del concentratore 12, viene respinto e non raggiunger? mai la sezione di uscita 2 e, di conseguenza, il ricevitore 3.

Nella figura 2, un dispositivo di raccolta di energia solare mediante un concentratore del tipo senza immagine secondo la presente invenzione, applicato al concentratore CPC 12 gi? mostrato con riferimento alla figura 1, prevede, ferma restando la geometria del CPC 12 e del ricevitore 3, un dispositivo di immissione 6 che immette in maniera casuale all?interno del CPC 12 alcune particelle solide 11 prelevate dall?interno del ricevitore 3.

Le particelle solide 11 prelevate dall?interno del ricevitore 3 ed immesse all?interno del CPC 12 vengono quindi ad occupare parte dello spazio vuoto delimitato dal CPC 12. Ad esempio, la particella 8, lanciata dal dispositivo di immissione 6, seguendo la traiettoria 7, intercetta il raggio 4, con angolo di ingresso superiore a quello di accettazione, assorbendone tutta o parte dell?energia termica e trasportandola, ricadendo, verso il ricevitore 3. Se non fosse stata intercettata dalla particella 8, tale energia sarebbe stata persa, secondo quanto gi? esposto con riferimento alla figura 1 esplicativa del funzionamento dei CPC secondo la tecnica nota.

Allo stesso modo, anche la particella 10, lanciata dal dispositivo di immissione 6, seguendo la traiettoria 9, intercetta il raggio 5, con angolo di ingresso inferiore a quello di accettazione, assorbendone tutta o parte dell?energia termica e trasportandola, ricadendo, verso il ricevitore 3, in maniera per? del tutto difforme da quanto sarebbe accaduto in un CPC secondo la tecnica nota.

Appare evidente che, in un dispositivo di raccolta di energia solare mediante un concentratore del tipo senza immagine secondo la presente invenzione, il funzionamento di un concentratore CPC 12 viene profondamente alterato dalla presenza delle particelle solide e che, come conseguenza, ? possibile un netto miglioramento delle prestazioni del sistema, dal momento che tali particelle rendono possibile assorbire parte dell?energia che, in un concentratore CPC secondo la tecnica nota, andrebbe inesorabilmente dispersa.

Appare altres? evidente che le particelle solide, durante la loro traiettoria di salita e discesa all?interno del CPC 12, incontrano un elevatissimo numero di raggi e che le stesse particelle, interagendo tra loro, possono modificare la traiettoria loro imposta dal dispositivo di immissione 6. Conseguentemente, il dispositivo di immissione 6 ? preferibilmente scelto tra quelli in grado di assicurare una circolazione pi? possibile uniforme delle particelle 11 prelevate dal ricevitore 3.

Le particelle solide 11, secondo l?invenzione, saranno preferibilmente costituite da materiali ad alto assorbimento solare e bassa emissivit?, ma saranno comunque scelte in base alle reali condizioni operative del sistema richieste dal ricevitore 3 per il recupero energetico.

L?immissione delle particelle potr? essere effettuata secondo diverse modalit?. Una preferita forma di realizzazione prevede l?uso di uno ?spouted bed? che, fungendo esso stesso da ricevitore, consente di utilizzare la ?fontana di particelle? che si viene a creare sulla sommit? come un vero e proprio eiettore.

Sono tuttavia possibili sistemi meccanici, fluidodinamici o combinati progettati in modo che le particelle non fuoriescano dalla sommit? del CPC 12 o da altro sistema nonimaging e coprano, per quanto possibile, tutto il volume a disposizione.

Il processo di immissione potr? essere continuo e discontinuo e quindi programmato per operare con una certa frequenza.

Attraverso il dispositivo di raccolta di energia solare mediante un concentratore del tipo senza immagine secondo la presente invenzione viene quindi a crearsi un sistema multi fuoco, in grado di raccogliere diversamente l?energia termica trasmessa e concentrata da un tradizionale sistema NIO o, in particolare, da un CPC.

In conclusione, l?invenzione pu? essere riassunta come un sistema nonimaging il cui volume interno ? parzialmente occupato da una serie di particelle solide, immesse dalla sezione di uscita del sistema NIO, in grado di assorbire la radiazione solare in ingresso nel sistema NIO, indipendentemente dall?angolo di accettazione.

La presente invenzione ? stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma ? da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Dispositivo di raccolta di energia solare mediante un concentratore (12) del tipo senza immagine e un ricevitore (3) per il trasferimento dell?energia mediante scambio termico con fluido che opera, autonomamente, un ciclo termodinamico per lo sfruttamento energetico, detto concentratore (12) comprendendo un?area di ingresso (1), un?area di uscita (2) sottostante e uno spazio interno compreso tra detta area di ingresso (1) e detta area di uscita (2); detto ricevitore (3) essendo posizionato sotto a detto concentratore (12) e detto spazio interno del concentratore (12) e detto ricevitore (3) essendo collegati da detta area di uscita (2), caratterizzato dal fatto che comprende una pluralit? di particelle solide (11), alloggiate all?interno di detto ricevitore (3), e mezzi (6) atti a prelevare dette particelle solide (11) da detto ricevitore (3) e ad immetterle dal basso all?interno di detto spazio interno di detto concentratore (12), finch? dette particelle solide (11) non tornano, per gravit?, in detto ricevitore (3), attraversando detta area di uscita (2).
2) Dispositivo di raccolta di energia solare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi (6) atti a prelevare dette particelle solide (11) da detto ricevitore (3) e ad immetterle dal basso all?interno di detto spazio interno di detto concentratore (12) comprendono un dispositivo di immissione.
3) Dispositivo di raccolta di energia solare secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi (6) atti a prelevare dette particelle solide (11) da detto ricevitore (3) e ad immetterle dal basso all?interno di detto spazio interno di detto concentratore (12) sono costituiti da correnti di gas, vapori, o da una combinazione degli stessi, atte a sollevare dette particelle solide (11) fino ad un?altezza compresa tra detta area di ingresso (1) e detta area di uscita (2) del concentratore (12).
4) Dispositivo di raccolta di energia solare secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto ricevitore (3) e detti mezzi (6) atti a prelevare dette particelle solide (11) da detto ricevitore (3) e a immetterle all?interno di detto spazio interno di detto concentratore (12) sono costituiti da uno spouted bed.
5) Dispositivo di raccolta di energia solare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto concentratore (12) ? un concentratore CPC (Compound Parabolic Concentrator).
6) Dispositivo di raccolta di energia solare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette particelle solide (11) sono costituite da materiali ad alto assorbimento solare e bassa emissivit?.
7) Dispositivo di raccolta di energia solare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette particelle solide (11) sono costituite da ossidi di tipo metallico.
8) Dispositivo di raccolta di energia solare secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che dette particelle solide (11) sono costituite da cromite