IT201600081828A1 - Dispositivo per riflettere la luce solare - Google Patents

Description

DISPOSITIVO PER RIFLETTERE LA LUCE SOLARE

Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo per riflettere la luce solare, e ad un eliostato comprendente tale dispositivo.

Stato della tecnica

Il sopravvenire delle energie rinnovabili per la mitigazione a breve e medio termine della produzione di gas con effetto serra impone come indispensabile la produzione, nel settore del CSP -Concentrated Solar Power-, di collettori solari a costi contenuti e ad alta efficienza. L’elemento chiave nelle tecnologie CSP -Solar Tower, ParabolicTrough e Fresnel- è costituito dal dispositivo riflettente (specchio), sia per quanto riguarda la durabilità sia per quanto concerne le prestazioni ottiche.

Il miglioramento della durabilità, negli ultimi decenni, è legato sia alla ottimizzazione delle caratteristiche dei supporti (metalli, vetri, supporti polimerici) che alla qualità della messa in opera e manutenzione. In genere, negli impianti commerciali CSP sopracitati per la produzione di energia, i dispositivi riceventi di varia tipologia inseguono, mediante controlli automatici, il movimento del sole, per ottimizzare l’invio della radiazione raccolta al collettore. Il dispositivo ricevente ha di solito un sensore di posizione che guida un sistema di controllo per ottimizzare la raccolta della radiazione.

Un problema dello stato dell’arte deriva dal fatto che i dispositivi riceventi, che sono collocati a distanze differenti fra loro, debbono avere curvature differenti per inviare efficacemente la radiazione sul collettore. Inoltre l’efficienza dei dispositivi riceventi varia in relazione al moto del sole. Con l’intento di superare uno o entrambe queste limitazioni sono stati proposti dispositivi in cui la superficie riflettente è una membrana, polimerica o metallica, che però non sono soddisfacenti. Uno svantaggio di tali sistemi è infatti dato dalla formazione di grinze soprattutto sui bordi esterni della membrana polimerica solo parzialmente recuperabili con elementi di rinforzo che modificano l’ottica del sistema e la durata nel tempo delle proprietà della membrana. Nel caso di membrane metalliche le sollecitazioni meccaniche portano ad una vita a fatica molto limitata.

Un’ altra tipologia di dispositivi interviene sulla struttura di supporto, che alloggia e sostiene lo specchio o il materiale di supporto della membrana riflettente, con accorgimenti meccanici che possono aggiustare la curvatura e trasmetterla allo specchio alloggiato e sostenuto. Secondo una soluzione, si confida su una serie di tiranti solidali alla struttura fissa e regolabili mediante perni e dadi per indurre una deformazione ai supporti degli specchi, suddivisi in strisce orizzontali, mediante interposizione di una struttura alveolare di carta che attenua e distribuisce gli sforzi. Tuttavia una controindicazione è data da una deformazione per punti dello specchio con conseguente peggioramento delle prestazioni ottiche. Un’altra soluzione fa ricorso a strutture portanti, che suddividono la superficie totale del collettore solare in aree parziali su cui una membrana viene “tensionata”. Su tali aree possono essere applicate membrane riflettenti. Le suddette aree parziali possono eventualmente essere sottoposte a campi magnetici che modificano favorevolmente la forma delle superfici riflettenti. Viene tuttavia messa in secondo piano l’efficienza degli specchi e le conseguenti variazioni termo-meccaniche dovute al riscaldamento delle strutture e/o le distorsioni ottiche dovute all’applicazione di forze puntuali.

Un’altra soluzione propone un dispositivo in grado di modificare il punto focale di una superficie riflettente curva, dotata di sensori, in tempo reale mediante l’applicazione di forze su punti della superficie. L’applicazione della sollecitazione alla superficie è ottenuta controllando e modulando, con un sistema di controllo, la temperatura di molle e dispositivi meccanici costituiti da materiali con memoria di forma dipendenti dalla temperatura. Uno svantaggio di tale soluzione risiede nel limitato numero di punti di applicazione della forza che non assicurano una geometria otticamente regolare alla superficie riflettente.

E' quindi sentita l'esigenza di un dispositivo per riflettere la luce solare migliore rispetto allo stato dell’arte.

Sommario dell’invenzione

Uno scopo della presente invenzione è fornire un dispositivo per riflettere la luce solare, che sia più efficiente rispetto allo stato dell’arte.

Un altro scopo della presente invenzione è di fornire un tale dispositivo che abbia prestazioni ottiche migliori rispetto allo stato dell’arte.

La presente invenzione raggiunge questi ed altri scopi che saranno evidenti alla luce della presente descrizione, fornendo un dispositivo per riflettere la luce solare comprendente:

- un supporto avente

una prima faccia comprendente una porzione centrale concava adiacente ad un bordo periferico, detta porzione centrale concava essendo provvista di almeno un’apertura per il passaggio di un fluido, - una piastra flessibile avente

una prima superficie avente una porzione periferica fissata ermeticamente al bordo periferico di detta prima faccia, e

una seconda superficie, opposta alla prima superficie, che è riflettente oppure che supporta uno strato riflettente, in modo da riflettere la luce solare,

- una camera delimitata da detta prima faccia e da detta prima superficie, - mezzi di regolazione, connessi alla almeno un’apertura, configurati per regolare la pressione interna Pint di detta camera, in modo che venga esercitato un campo di forze sulla piastra flessibile tale per cui quando la pressione interna Pint è uguale alla pressione esterna Pest all’esterno della camera, la seconda superficie ha una prima curvatura e una prima lunghezza focale L1, e

quando la pressione interna Pint è minore della pressione esterna Pest la seconda superficie ha una seconda curvatura, maggiore della prima curvatura, e una seconda lunghezza focale L2, inferiore alla prima lunghezza focale L1. Secondo un aspetto, l’invenzione fornisce anche un eliostato comprendente almeno un telaio di supporto a cui è fissato almeno un tale dispositivo.

Vantaggiosamente, il fuoco della superficie riflettente del dispositivo dell’invenzione è modulabile. In una forma di realizzazione, il fuoco della superficie riflettente è modulabile in relazione al movimento del sole.

Vantaggiosamente, è previsto di variare la curvatura della superficie riflettente per variare il suo fuoco, preferibilmente in relazione al moto del sole.

Secondo una forma di realizzazione, viene fornito un dispositivo controllabile comprendente: una piastra di materiale, metallico o non metallico, giustapposta e sigillata su un guscio, di materiale metallico o non metallico, in cui la pressione interna, modulata attraverso l’attivazione di una valvola modifica la curvatura della piastra in modo da fargli assumere forma lenticolare. La piastra può possedere proprietà riflettenti intrinseche o può costituire supporto per materiali riflettenti. Il dispositivo è dotato di un sistema di controllo in grado di far assumere all’elemento riflettente una posizione ed una curvatura tali da rendere possibile la focalizzazione dei raggi ad una distanza e su un’area limitate, al variare della posizione della sorgente e dei possibili disturbi, principalmente pressione atmosferica, vento e temperatura ambiente. La posizione dell’elemento riflettente è assicurata da un servomeccanismo feedback in grado di fare seguire la posizione richiesta dal movimento della sorgente attraverso una misura della posizione (mediante misuratori di spostamento a VLDT o laser), il confronto con la posizione di riferimento e l’azione mediante attuatori che determinano la rotazione dello specchio secondo due assi ortogonali. La curvatura dell’elemento riflettente viene ottenuta variando la pressione del gas nell’intercapedine tra la piastra con superficie riflettente e la calotta posteriore secondo una legge determinata dal variare della posizione della sorgente. La curvatura misurata con un misuratore di posizione viene confrontata con la curvatura desiderata e la pressione nell’intercapedine viene variata tramite una pompa aspirante o l’apertura di una valvola sul circuito di aspirazione. Il dispositivo mantiene tutti i vantaggi derivanti dalla applicazione della pressione, in quanto grandezza intensiva, su una piastra. Per definizione le piastre sono in grado di opporre resistenza alla loro deformazione flessionale, mentre nelle membrane le reazioni flessionali del materiale possono essere trascurate. In questo modo vengono superati sia i limiti dei sistemi a membrana, quali grinze sulle superfici e/o vita a fatica molto limitata sia le distorsioni superficiali conseguenti all’uso di una azione meccanica diretta puntuale.

Si precisa che, come è ben noto, sia la piastra che la membrana sono elementi con due dimensioni (lunghezza e larghezza) prevalenti rispetto alla terza (lo spessore). Tuttavia La membrana è una superficie flessibile la quale, per l'esiguità del proprio spessore, non è in grado di resistere a compressione e flessione, ma solo a trazione; essa è il corrispettivo superficiale dei fili. La piastra invece ha una combinazione di rigidezza del materiale e spessore tale da consentirle di mantenere la sua forma e di resistere sia a compressione che a flessione.

Le rivendicazioni dipendenti descrivono forme di realizzazione preferite dell'invenzione.

Breve descrizione delle figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, di un dispositivo in grado di modulare in tempo reale la distanza focale di una superficie riflettente. La descrizione viene fornita a titolo esemplificativo e non limitativo, facendo riferimento alle tavole di disegno allegate, anch’esse fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, in cui:

la Fig. 1 illustra un schematicamente alcuni componenti di base di un impianto solare termodinamico includente un eliostato conforme alla presente invenzione; le Fig. 2a, 2b, 2c illustrano rispettivamente una vista assonometrica, una vista laterale e una vista in sezione diametrale di un dispositivo conforme alla presente invenzione;

le Fig. 3a, 3b, 3c illustrano rispettivamente una vista frontale, una vista laterale e una vista in sezione diametrale di un componente del dispositivo delle Fig. 2; la Fig. 3d illustra un particolare della Fig. 3c;

le Fig. 4a, 4b, 4c illustrano rispettivamente una vista frontale, una vista laterale e una vista in sezione diametrale di un componente del dispositivo delle Fig. 2; la Fig. 4d illustra un particolare della Fig. 4c;

le Fig. 5a e 5b illustrano rispettivamente viste in sezione diametrale di una prima configurazione e di una seconda configurazione del dispositivo di Fig. 2;

la Fig. 6 illustra uno schema a blocchi di un sistema di controllo del dispositivo dell'invenzione.

Gli stessi riferimenti nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti.

Descrizione in dettaglio di una forma di realizzazione preferita dell’invenzione Con riferimento alle Figure, sono illustrati schematicamente alcuni componenti di base di un impianto solare termodinamico (Fig. 1). L’elemento ricevente 5 collocato sulla torre 6 riceve la radiazione emessa dalla sorgente mobile 4 (il sole) raccolta e concentrata mediante l’eliostato 7. L’eliostato 7 porta, sulla sua superficie orientabile biassialmente, un insieme coordinato ed orientato di dispositivi 3 conformi alla presente invenzione. A solo titolo esemplificativo e non limitativo, in Fig. 1 sono illustrati sei dispositivi 3. Ciascun dispositivo 3 è focalizzato sull’elemento ricevente 5.

Secondo una forma di realizzazione, il dispositivo 3 comprende un supporto 1 , formato da una calotta sferica 14, o porzione centrale, con bordo circolare periferico 16 lievemente inclinato rispetto alla porzione centrale 14. Più in dettaglio, il dispositivo ha una faccia 10 comprendente la porzione centrale concava 14 adiacente al bordo periferico 16. Il bordo periferico 16 forma un angolo a con la porzione centrale concava 14. Preferibilmente, l’angolo a è correlato al valor medio della distanza focale tra eliostato e ricevente.

Il supporto 1 può essere realizzato in materiale metallico o non metallico. Ad esempio materiali polimerici, compositi, etc..

Il dispositivo 3 comprende anche una piastra flessibile 2 di materiale metallico o non metallico. La piastra flessibile 2 è sostanzialmente piana e a geometria sostanzialmente circolare, di spessore, variabile in funzione del diametro, tale da assicurare un comportamento meccanico di tipo guscio e non di tipo membrana. La piastra 2 ha una superficie 24 (Fig. 5), o faccia, anteriore riflettente, ed una superfice 22, o faccia, posteriore giustapposta al supporto 1 , in particolare fissata al bordo 16 della faccia 10 del supporto 1. La superficie 24 è riflettente oppure può fungere da supporto per uno strato riflettente.

Preferibilmente, il supporto 1 e la piastra 2 hanno comparabile diametro. Preferibilmente, il supporto 1 e la piastra 2 sono unite mediante saldatura sul bordo periferico 16 o mediante una pasta adesiva sigillante non rigida, di solito a base di derivati diisocianici. Il supporto 1 e la piastra 2 delimitano una camera 20, o volume, a tenuta stagna.

Il supporto 1 è provvisto da un’apertura connessa ad una valvola, non rappresentata nelle figure, attraverso cui un fluido gassoso, ad es. aria, può essere immesso o sottratto in modo tale che al variare della differenza tra la pressione interna Pint e quella esterna Pest la forza risultante, o campo di forze risultante, che ne consegue induca la piastra 2 ad assumere una forma lenticolare concava. Sul supporto 1 sono assemblati uno o più dispositivi di controllo e misura e i supporti meccanici, anche questi ultimi non rappresentati nelle figure, che ne assicurano il posizionamento rigido su strutture tipo eliostato 7.

Nelle Fig. 3 è rappresentata la calotta sferica 1 in vista frontale e laterale (3a e 3b) e in sezione diametrale (3c). In Fig. 3c il dettaglio B evidenzia la forma del bordo 16. Il bordo della calotta è inclinato, con un valore dell’angolo di inclinazione tale che, quando il dispositivo 3 è messo in opera mediante saldatura o incollaggio della piastra riflettente 1 essa assume una forma lenticolare con un valore del fuoco della superficie riflettente 24 correlato al valore dell’angolo di inclinazione del bordo 16 della calotta 1.

Nelle Fig. 4 è rappresentata la piastra flessibile 2, anche detta piastra riflettente, in vista frontale e laterale (4a e 4b) e in sezione diametrale (4c). In (4c) il dettaglio C evidenzia la forma del bordo della piastra flessibile 2.

Come descritto precedentemente, la giunzione tra la calotta sferica 1 e la piastra riflettente 2 lungo il bordo 16 inclinato della calotta fa assumere una forma lenticolare alla piastra riflettente 2. Nelle Figure 4 la piastra riflettente 2 è rappresentata in questa sua configurazione deformata dove il bordo della piastra è inclinato, con un valore dell’angolo di inclinazione sostanzialmente pari a quello del bordo 16 della calotta sferica 1. Nella sua realizzazione costruttiva, prima della giunzione con la calotta sferica 1 , la piastra riflettente 2 è sostanzialmente piana, conformemente alla definizione di piastra. Come si può osservare dal dettaglio C della Fig. 4d, che riporta la vista in sezione del bordo della piastra riflettente 2, essa subisce sollecitazioni meccaniche nella zona libera contigua alla zona di contatto tra piastra 2 e calotta 1.

Le Fig. 5a e 5b illustrano il dispositivo 3 in due configurazioni, o assetti. Nella prima configurazione (Fig. 5a) il dispositivo 3 ha un valore fuoco L1 dipendente dall’angolo del bordo periferico 16, o corona esterna, della calotta 1 ; il valore della pressione interna della camera stagna 20 è sostanzialmente uguale alla pressione esterna, Pint = Pest. Nella seconda configurazione (Fig. 5b) il dispositivo 3 ha un valore fuoco L2 < L1. In questa seconda configurazione il valore della pressione interna è minore della pressione esterna (Pint < Pest). Ne consegue che il dispositivo è in grado di modulare il fuoco al variare della differenza tra la pressione interna ed esterna alla camera 20.

In Figura 6 è riportato il diagramma a blocchi del sistema di controllo della curvatura di una piastra flessibile riflettente 2 del dispositivo 3. La curvatura della piastra 2 rilevata mediante un sensore di spostamento viene confrontata con la curvatura desiderata e l’errore viene utilizzato da un controllore per modificare, mediante una pompa, la pressione all’interno della camera stagna 30 e riportare la curvatura al valore desiderato nonostante la presenza di disturbi quali il vento, la temperatura ambiente, la pressione atmosferica.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (3) per riflettere la luce solare comprendente: - un supporto (1) avente una prima faccia (10) comprendente una porzione centrale concava (14) adiacente ad un bordo periferico (16), detta porzione centrale concava (14) essendo provvista di almeno un’apertura per il passaggio di un fluido, - una piastra flessibile (2) avente una prima superficie (22) avente una porzione periferica fissata ermeticamente al bordo periferico (16) di detta prima faccia (10), e una seconda superficie (24), opposta alla prima superficie (22), che è riflettente oppure che supporta uno strato riflettente, in modo da riflettere la luce solare, - una camera (20) delimitata da detta prima faccia (10) e da detta prima superficie (22), - mezzi di regolazione, connessi alla almeno un’apertura, configurati per regolare la pressione interna Pint di detta camera (20), in modo che venga esercitato un campo di forze sulla piastra flessibile (2) tale per cui quando la pressione interna Pint è uguale alla pressione esterna Pest all’esterno della camera (20), la seconda superficie (24) ha una prima curvatura e una prima lunghezza focale L1 , e quando la pressione interna Pint è minore della pressione esterna Pest la seconda superficie (24) ha una seconda curvatura, maggiore della prima curvatura, e una seconda lunghezza focale L2, inferiore alla prima lunghezza focale L1.
2. 2. Dispositivo (3) secondo la rivendicazione 1 , in cui la piastra flessibile (2) è atta ad opporre resistenza alla deformazione flessionale quando è soggetta a detto campo di forze.
3. 3. Dispositivo (3) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto bordo periferico (16) forma un angolo a con la porzione centrale concava (14), e in cui detta prima curvatura è determinata dal valore di detto angolo a.
4. 4. Dispositivo (3) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta piastra flessibile (2) ha uno spessore variabile in funzione del valore del diametro e della rigidezza del materiale della piastra flessibile (2), tale da assicurare un comportamento meccanico di tipo guscio, ed è realizzata in materiale metallico o non metallico.
5. 5. Dispositivo (3) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di regolazione sono mezzi di aspirazione.
6. 6. Dispositivo (3) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un sistema di controllo elettronico configurato per azionare detti mezzi di regolazione sulla base della posizione del sole rilevata mediante almeno un primo sensore e della posizione effettivamente assunta da detta seconda superficie (24) rilevata mediante un sensore di posizione.
7. 7. Dispositivo (3) secondo la rivendicazione 6, in cui il sistema di controllo elettronico è configurato per azionare detti mezzi di regolazione anche sulla base di dati di pressione atmosferica e/o velocità del vento e/o temperatura ambiente rilevati mediante uno o più secondi sensori.
8. 8. Eliostato (7) comprendente almeno un telaio di supporto (72) a cui è fissato almeno un dispositivo (3) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
9. 9. Eliostato (7) secondo la rivendicazione 8, comprendente detti mezzi di regolazione e detto sistema di controllo elettronico.