IT201800007965A1 - Solar concentrator - Google Patents
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Description
Titolo: “Concentratore solare” Title: "Solar concentrator"
Descrizione Description
Forma oggetto della presente invenzione un concentratore solare per illuminare una sospensione algale che comprende: The object of the present invention is a solar concentrator for illuminating an algal suspension which comprises:
- almeno un elemento ottico (1) atto a ricevere la radiazione solare; - at least one optical element (1) adapted to receive solar radiation;
- almeno una fibra ottica (3), avente una faccia di ingresso (11) e una faccia di uscita (12); - at least one optical fiber (3), having an input face (11) and an output face (12);
- almeno un filtro ottico spettralmente selettivo (9), interposto lungo il percorso tra detta radiazione solare e detta faccia di ingresso (11) di detta almeno una fibra ottica (3); - at least one spectrally selective optical filter (9), interposed along the path between said solar radiation and said input face (11) of said at least one optical fiber (3);
caratterizzato dal fatto che detto filtro ottico (9) trasmette solo la porzione spettrale massimamente attiva ai fini fotosintetici, riflettendo e/o assorbendo la porzione spettrale scarsamente utile ai fini fotosintetici. characterized in that said optical filter (9) transmits only the spectral portion which is most active for photosynthetic purposes, reflecting and / or absorbing the spectral portion which is scarcely useful for photosynthetic purposes.
Stato dell’arte State of the art
Le colture di alghe necessitano una certa quantità di radiazione luminosa per promuovere il processo di fotosintesi e metabolizzare CO2 liberando O2. La proliferazione algale è favorita da particolari regimi di nutrimento ed illuminazione, proliferazione che consente lo sfruttamento per l’estrazione di sostanze chimiche da utilizzare, ad esempio, per la sintesi di combustibili e di fertilizzanti. Algae crops need a certain amount of light radiation to promote the photosynthesis process and metabolize CO2 by releasing O2. Algal proliferation is favored by particular feeding and lighting regimes, proliferation that allows the exploitation for the extraction of chemical substances to be used, for example, for the synthesis of fuels and fertilizers.
La radiazione luminosa con cui viene promossa la crescita algale viene comunemente fornita dal sole. La coltura algale può essere esposta direttamente alla radiazione solare oppure indirettamente. In quest’ultimo caso la radiazione luminosa viene concentrata attraverso dispositivi ottici, specchi o lenti, ed eventualmente convogliata attraverso fibre ottiche o tubi di luce verso il terreno di coltura. The light radiation with which algal growth is promoted is commonly provided by the sun. The algal culture can be exposed directly to solar radiation or indirectly. In the latter case, the light radiation is concentrated through optical devices, mirrors or lenses, and possibly conveyed through optical fibers or light tubes to the culture medium.
L’utilizzo dell’illuminazione indiretta presenta diversi vantaggi, tra cui la possibilità di fornire un livello di intensità della radiazione luminosa ottimale per la crescita algale, senza dover filtrare o assorbire parte della radiazione luminosa in eccesso. The use of indirect lighting has several advantages, including the ability to provide an optimal level of light radiation intensity for algal growth, without having to filter or absorb part of the excess light radiation.
I metodi di illuminazione indiretta hanno la flessibilità di poter essere progettati in modo da convogliare verso il terreno di coltura il flusso luminoso necessario ad assicurare il più elevato rateo di proliferazione algale. Indirect lighting methods have the flexibility of being able to be designed in such a way as to convey the luminous flux necessary to ensure the highest rate of algal proliferation towards the culture medium.
WO2015192159A1 descrive un elemento ottico di concentrazione della luce solare che è un parquet di lenti di Fresnel, dove sul piano focale di tali lenti sono posti elementi di accoppiamento con fibre ottiche. Tali fibre ottiche trasportano la luce focalizzata dalle lenti di Fresnel verso il terreno di coltura, posto tipicamente in un contenitore remoto mantenuto in condizioni di temperatura controllate. WO2015192159A1 discloses an optical element for concentrating the sunlight which is a parquet of Fresnel lenses, where coupling elements with optical fibers are placed on the focal plane of these lenses. These optical fibers carry the focused light from the Fresnel lenses towards the culture medium, typically placed in a remote container maintained under controlled temperature conditions.
Le fibre ottiche sfruttano il principio della riflessione totale interna per intrappolare i raggi luminosi e guidarli lungo il percorso della fibra stessa. Solamente la porzione di luce che incide sulla superficie di ingresso della fibra ottica con un angolo inferiore ad un angolo critico detto “angolo di accettanza” viene rifratta dal materiale ottico della fibra stessa e subisce il fenomeno della riflessione totale interna. La radiazione luminosa che entra all’interno della fibra con un angolo superiore all’angolo di accettanza viene rapidamente diffusa o assorbita dal cladding della fibra stessa e non viene guidata lungo il percorso ottico. Optical fibers exploit the principle of total internal reflection to trap light rays and guide them along the path of the fiber itself. Only the portion of light that hits the input surface of the optical fiber with an angle lower than a critical angle called the "acceptance angle" is refracted by the optical material of the fiber itself and undergoes the phenomenon of total internal reflection. The light radiation that enters the fiber with an angle greater than the acceptance angle is rapidly diffused or absorbed by the cladding of the fiber itself and is not guided along the optical path.
Solamente la radiazione luminosa all’interno dell’angolo di accettanza viene efficacemente guidata dalla fibra ottica verso il terreno di coltura e, per effetto del fenomeno di rifrazione che avviene all’interfaccia tra la superficie di uscita della fibra e il mezzo esterno, diverge in un fascio noto come “cono di illuminazione”, la cui ampiezza è superiore rispetto alla accettanza angolare. L’ampiezza del cono di illuminazione è tipicamente inferiore a 40° e tipicamente di circa 35°. La focalizzazione della radiazione solare all’interno di fibre ottiche permette un efficiente trasporto della radiazione luminosa concentrata (ad elevata intensità) per una sua successiva diffusione all’interno del fotobioreattore. Only the light radiation within the acceptance angle is effectively guided by the optical fiber towards the culture medium and, due to the effect of the refraction phenomenon that occurs at the interface between the output surface of the fiber and the external medium, diverges in a beam known as a "cone of illumination", whose amplitude is greater than the angular acceptance. The amplitude of the illumination cone is typically less than 40 ° and typically about 35 °. The focusing of solar radiation within optical fibers allows an efficient transport of concentrated light radiation (at high intensity) for its subsequent diffusion inside the photobioreactor.
Le fibre ottiche utilizzate per trasportare la radiazione solare verso il terreno di coltura costituiscono una importante voce di costo dell’intero sistema. L’incremento del fattore di concentrazione solare permette di trasportare un maggiore flusso radiante per ciascuna fibra e quindi costituisce una soluzione preferenziale per ridurre il costo complessivo del sistema. Fattori di concentrazione tipici vanno da 100x a 1000x, ma in alcuni casi possono arrivare fino a 2500x. The optical fibers used to transport solar radiation to the growing medium constitute an important cost item for the entire system. The increase in the solar concentration factor allows to transport a greater radiant flux for each fiber and therefore constitutes a preferential solution to reduce the overall cost of the system. Typical concentration factors range from 100x to 1000x, but in some cases they can be as high as 2500x.
Il limite principale all’utilizzo di sistemi ottici ad elevatissima concentrazione è costituito dalla stabilità ottica e termica delle fibre ottiche. L’assorbimento della radiazione luminosa da parte del materiale stesso o da parte di eventuali impurità presenti all’interno del nucleo della fibra può provocare un riscaldamento localizzato che porta ad una modifica delle caratteristiche ottiche e meccaniche della fibra stessa. Il materiale tipicamente utilizzato nelle fibre ottiche è PMMA, la cui temperatura di rammollimento è circa 84°C. Appare evidente che maggiore è il fattore di concentrazione, e più è alta la probabilità che l’assorbimento di una porzione dello spettro della radiazione incidente provochi un surriscaldamento della fibra. Alternativamente alle fibre ottiche con nucleo in materiale plastico è possibile utilizzare fibre ottiche con nucleo in silice fusa. Tale materiale è caratterizzato da un’ottima trasparenza ma ha un costo intrinseco significativamente maggiore di quello del PMMA e per questo motivo le fibre ottiche in silice fusa normalmente non vengono utilizzate per sistemi di illuminazione come quello oggetto della presente invenzione. The main limit to the use of very high concentration optical systems is the optical and thermal stability of the optical fibers. The absorption of light radiation by the material itself or by any impurities present within the core of the fiber can cause localized heating which leads to a change in the optical and mechanical characteristics of the fiber itself. The material typically used in optical fibers is PMMA, whose softening temperature is about 84 ° C. It is clear that the higher the concentration factor, the higher the probability that the absorption of a portion of the spectrum of the incident radiation causes the fiber to overheat. As an alternative to optical fibers with a plastic core, it is possible to use optical fibers with a fused silica core. This material is characterized by excellent transparency but has an intrinsic cost significantly higher than that of PMMA and for this reason the fused silica optical fibers are not normally used for lighting systems such as the one object of the present invention.
L’utilizzo di fibre ottiche con nucleo in materiale plastico appare quindi l’unica soluzione economicamente valida per la realizzazione di sistemi solari a concentrazione per la coltivazione di alghe. The use of optical fibers with a plastic core therefore appears to be the only economically viable solution for the construction of concentrated solar systems for the cultivation of algae.
E’ fortemente avvertita l’esigenza di un sistema in grado di superare i limiti imposti dal materiale utilizzato per le fibre ottiche che impediscono di sfruttare sistemi ottici ad elevatissima concentrazione imponendo quindi un vincolo alla numerosità delle fibre e quindi al costo complessivo del sistema. There is a strong need for a system capable of overcoming the limits imposed by the material used for optical fibers which prevent the exploitation of highly concentrated optical systems, thus imposing a constraint on the number of fibers and therefore on the overall cost of the system.
Descrizione dettagliata dell’invenzione Detailed description of the invention
Oggetto della presente invenzione è un concentratore solare che fa uso di dispositivi ottici per concentrare la radiazione solare su una pluralità di fibre ottiche aventi la superficie di ingresso posta sostanzialmente sul piano focale di detti dispositivi ottici. Tali fibre ottiche sono adatte a trasportare la radiazione solare concentrata verso un reattore all’interno del quale è presente una coltura algale in sospensione. The object of the present invention is a solar concentrator which makes use of optical devices to concentrate the solar radiation on a plurality of optical fibers having the input surface substantially placed on the focal plane of said optical devices. These optical fibers are suitable for transporting concentrated solar radiation to a reactor inside which there is an algal culture in suspension.
Descrizione delle figure: Description of the figures:
FIGURA 1: Schema di due tipologie di concentratore solare in fibra ottica note al tecnico del ramo (scopo comparativo). FIGURE 1: Diagram of two types of optical fiber solar concentrator known to those skilled in the art (comparative purpose).
FIGURA 2: Schema di una forma di realizzazione del concentratore solare in fibra ottica secondo la presente invenzione. FIGURE 2: Diagram of an embodiment of the optical fiber solar concentrator according to the present invention.
FIGURA 3: Particolare della struttura che sorregge i supporti delle fibre ottiche sul piano focale delle lenti. FIGURE 3: Detail of the structure that supports the optical fiber supports on the focal plane of the lenses.
FIGURA 4: Dettaglio del supporto delle fibre ottiche e del filtro. FIGURE 4: Detail of the optical fiber support and the filter.
FIGURA 5: Grafico della densità spettrale di potenza dell’emissione solare diretta. FIGURE 5: Graph of the power spectral density of direct solar emission.
FIGURA 6: Grafico dell’attività fotosintetica della clorofilla A. FIGURE 6: Graph of the photosynthetic activity of chlorophyll A.
FIGURA 7: Grafico del flusso di fotoni della sorgente solare in funzione della lunghezza, comparato con il flusso di fotoni attivi ai fini fotosintetici. FIGURE 7: Graph of the photon flux of the solar source as a function of length, compared with the flux of photons active for photosynthetic purposes.
FIGURA 8: Grafico della trasmittanza di un filtro per la reiezione della radiazione luminosa scarsamente utile ai fini fotosintetici. FIGURE 8: Graph of the transmittance of a filter for the rejection of light radiation not very useful for photosynthetic purposes.
FIGURA 9: Schema di un’ulteriore forma di realizzazione secondo la presente invenzione, in cui il filtro interferenziale è posto a contatto con il vetro frontale del concentratore. FIGURE 9: Diagram of a further embodiment according to the present invention, in which the interference filter is placed in contact with the front glass of the concentrator.
FIGURA 10: Sezione frontale di una forma di realizzazione del concentratore solare oggetto della presente invenzione in cui sono stati evidenziati: un primo piano (100), di giacitura delle lenti (1), un secondo piano (101), di giacitura dei filtri spettralmente selettivi (9), un terzo piano (102) che è il piano focale. FIGURE 10: Front section of an embodiment of the solar concentrator object of the present invention in which the following have been highlighted: a foreground (100), of the arrangement of the lenses (1), a second plane (101), of the arrangement of the spectrally selective (9), a third plane (102) which is the focal plane.
FIGURA 11: Sezione frontale di una forma di realizzazione del concentratore solare oggetto della presente invenzione in cui sono stati evidenziati: un primo piano (100), di giacitura delle lenti (1), un secondo piano (101), di giacitura dei filtri spettralmente selettivi (9), un terzo piano (102) che è il piano focale. FIGURE 11: Front section of an embodiment of the solar concentrator object of the present invention in which the following have been highlighted: a first plane (100), of the arrangement of the lenses (1), a second plane (101), of the arrangement of the spectrally selective (9), a third plane (102) which is the focal plane.
Il concentratore solare descritto in questa domanda di brevetto si differenzia da quelli noti al tecnico del ramo per una serie di particolari costruttivi che conferiscono un sorprendente vantaggio, particolari meglio evidenziati dalla descrizione dettagliata delle immagini che segue. The solar concentrator described in this patent application differs from those known to the person skilled in the art for a series of construction details which give a surprising advantage, details better highlighted by the detailed description of the following images.
La figura 1, a scopo comparativo, mostra un tipico concentratore. Esso è composto da degli elementi ottici di focalizzazione, lenti (1) che focalizzano la radiazione solare incidente (7) in una serie di regioni focali (4) in prossimità delle quali sono posizionate fibre ottiche (3) che hanno la funzione di trasportare la radiazione solare concentrata alla soluzione algale. Le fibre ottiche (3) sono mantenute in posizione da un supporto forato (2), mantenuto da mezzi meccanici (5) ad una distanza tale da permettere la formazione del fuoco delle lenti (1) su dette fibre ottiche (3). L’intero sistema ottico, composto da lenti, fibre ottiche, supporti meccanici, filtri spettralmente selettivi e omogeneizzatori secondari è racchiuso all’interno di un contenitore chiuso (15) che ha la finalità di proteggere detti componenti ottici dagli agenti atmosferici. Detto contenitore chiuso è realizzato preferibilmente in materiale metallico. Detto contenitore è preferibilmente a forma di parallelepipedo e ha sei facce. La faccia superiore (16) è rivolta verso la sorgente solare ed è sostanzialmente trasparente, ad esempio è un vetro frontale (6), preferibilmente detto vetro frontale è una lastra di vetro temprato. Figure 1, for comparison purposes, shows a typical concentrator. It is composed of optical focusing elements, lenses (1) that focus the incident solar radiation (7) in a series of focal regions (4) near which optical fibers (3) are positioned which have the function of transporting the concentrated solar radiation to the algal solution. The optical fibers (3) are kept in position by a perforated support (2), kept by mechanical means (5) at a distance such as to allow the formation of the focus of the lenses (1) on said optical fibers (3). The entire optical system, consisting of lenses, optical fibers, mechanical supports, spectrally selective filters and secondary homogenizers is enclosed within a closed container (15) which has the purpose of protecting said optical components from atmospheric agents. Said closed container is preferably made of metallic material. Said container is preferably in the shape of a parallelepiped and has six faces. The upper face (16) faces the solar source and is substantially transparent, for example it is a front glass (6), preferably said front glass is a sheet of tempered glass.
In una forma preferita, detti elementi ottici di focalizzazione (1) sono lenti di Fresnel in silicone su vetro, direttamente depositate su detto vetro frontale Come evidente dalla figura 1, nei concentratori solari noti nello stato dell’arte la radiazione solare incidente (7) attraversa una serie di interfacce tra aria e mezzo ottico prima di raggiungere la soluzione algale. Dette interfacce sono: (i) Aria - vetro frontale (6); (ii) vetro frontale (6) – aria; (iii) aria – lente (1); (iv) lente (1) – aria; (v) aria – supporto (2); (vi) supporto (2) – fibra ottica (interfaccia che incide poco, laddove l’indice di rifrazione di detto supporto e della fibra ottica è pressoché uguale); (vii) fibra ottica – aria. Ad ogni interfaccia viene riflessa una porzione della intensità stimabile in circa il 4%. Inoltre, l’elevata densità di potenza incidente sulla faccia di ingresso delle fibre (3) è tale da provocarne l’ingiallimento ed eventualmente la fusione, precludendo la possibilità di utilizzare fattori di concentrazione ottica molto elevati. In a preferred form, said optical focusing elements (1) are Fresnel lenses made of silicone on glass, directly deposited on said front glass. it passes through a series of interfaces between air and optical medium before reaching the algal solution. These interfaces are: (i) Air - front glass (6); (ii) front glass (6) - air; (iii) air - lens (1); (iv) lens (1) - air; (v) air - support (2); (vi) support (2) - optical fiber (interface that affects little, where the refractive index of said support and the optical fiber is almost equal); (vii) optical fiber - air. At each interface a portion of the intensity estimated to be about 4% is reflected. Furthermore, the high power density incident on the input face of the fibers (3) is such as to cause yellowing and possibly fusion, precluding the possibility of using very high optical concentration factors.
La figura 2 mostra schematicamente il concentratore solare oggetto della presente invenzione. Figure 2 schematically shows the solar concentrator object of the present invention.
Detto concentratore solare (10) comprende: Said solar concentrator (10) includes:
almeno un elemento ottico (1) atto a ricevere la radiazione solare; at least one optical element (1) adapted to receive solar radiation;
almeno una fibra ottica (3), avente una faccia di ingresso (11) e una faccia di uscita (12); at least one optical fiber (3), having an input face (11) and an output face (12);
almeno un filtro ottico spettralmente selettivo (9), interposto lungo il percorso tra detta radiazione solare e detta faccia di ingresso (11) di detta almeno una fibra ottica (3). In una forma di realizzazione, di cui un esempio è schematizzato in figura 10, detto filtro ottico (9) è interposto lungo il percorso tra detto almeno un elemento ottico (1) e detta faccia di ingresso (11) di detta almeno una fibra ottica (3). In un’ulteriore forma di realizzazione, di cui un esempio è schematizzato in figura 11, detto filtro ottico (9) è interposto lungo il percorso tra detta radiazione solare e detto elemento ottico (1). at least one spectrally selective optical filter (9), interposed along the path between said solar radiation and said input face (11) of said at least one optical fiber (3). In an embodiment, of which an example is schematized in Figure 10, said optical filter (9) is interposed along the path between said at least one optical element (1) and said input face (11) of said at least one optical fiber (3). In a further embodiment, of which an example is schematized in Figure 11, said optical filter (9) is interposed along the path between said solar radiation and said optical element (1).
Detto filtro ottico spettralmente selettivo (9) trasmette solo la porzione spettrale massimamente attiva ai fini fotosintetici, riflettendo e/o assorbendo la porzione spettrale scarsamente utile ai fini fotosintetici. Said spectrally selective optical filter (9) transmits only the spectral portion which is most active for photosynthetic purposes, reflecting and / or absorbing the spectral portion which is scarcely useful for photosynthetic purposes.
In una forma preferita, detto filtro ottico spettralmente selettivo (9) trasmette la porzione spettrale nella regione compresa tra 400 e 700 nm. Ancor più preferibilmente, nella regione compresa tra 400 a 460 nme/o tra 610 a 700 nm. In a preferred form, said spectrally selective optical filter (9) transmits the spectral portion in the region between 400 and 700 nm. Even more preferably, in the region from 400 to 460 nm and / or from 610 to 700 nm.
Ciascuna fibra ottica (3) è mantenuta in posizione da un supporto meccanico (8), ove detto supporto meccanico (8) è solidale e coassiale rispetto a detta fibra ottica (3). Come schematizzato in figura 10 e in figura 11, ciascun elemento ottico (1) definisce un asse ottico (99) e la fibra ottica (3) che corrisponde a detto elemento ottico (1) e il supporto meccanico (8) che sorregge detta fibra ottica (3) hanno lo stesso asse di simmetria (99). Each optical fiber (3) is kept in position by a mechanical support (8), where said mechanical support (8) is integral and coaxial with respect to said optical fiber (3). As schematized in figure 10 and in figure 11, each optical element (1) defines an optical axis (99) and the optical fiber (3) which corresponds to said optical element (1) and the mechanical support (8) that supports said fiber optics (3) have the same axis of symmetry (99).
Detto concentratore solare comprende un primo piano (100), un secondo piano (101) e un terzo piano (102), piano focale, detti piani essendo sostanzialmente paralleli tra loro. Said solar concentrator comprises a first plane (100), a second plane (101) and a third plane (102), focal plane, said planes being substantially parallel to each other.
Una pluralità di detti elementi ottici (1) sostanzialmente identici sono disposti su detto primo piano (100), perpendicolare all’asse ottico (99) di ciascuno di detti elementi ottici (1); detto filtro ottico spettralmente selettivo (9) è disposto su detto secondo piano (101); una pluralità di dette fibre ottiche (3) sono disposte così da avere detta faccia di ingresso (11) posizionata sostanzialmente su detto terzo piano (102). A plurality of said substantially identical optical elements (1) are arranged on said first plane (100), perpendicular to the optical axis (99) of each of said optical elements (1); said spectrally selective optical filter (9) is arranged on said second plane (101); a plurality of said optical fibers (3) are arranged so as to have said inlet face (11) substantially positioned on said third plane (102).
Nella forma di realizzazione schematizzata in figura 10, dove detto secondo piano (101) dista da detto primo piano (100) di una distanza pari alla distanza focale di detti elementi ottici (1) e detti piani sono disposti come segue, dall’esterno verso l’interno di detto contenitore (15): primo piano (100), secondo piano (101), terzo piano (103). In the embodiment schematized in Figure 10, where said second plane (101) is distant from said first plane (100) by a distance equal to the focal distance of said optical elements (1) and said planes are arranged as follows, from the outside towards the interior of said container (15): first floor (100), second floor (101), third floor (103).
In un’ulteriore forma di realizzazione, schematizzata in figura 11, detto secondo piano (101) è all’esterno di detto contenitore (15), e detti piani sono nella sequenza che segue, dall’esterno verso l’interno di detto contenitore (15): secondo piano (101), primo piano (100), terzo piano (102). In a further embodiment, schematized in figure 11, said second plane (101) is outside of said container (15), and said planes are in the following sequence, from the outside towards the inside of said container ( 15): second floor (101), first floor (100), third floor (102).
Detto supporto meccanico (8) è inserito in una struttura (2) con la quale è in contatto termico. Detta struttura (2) mantiene ciascun supporto meccanico (8) in posizione tale da essere allineato e coassiale con l’asse ottico (99) di ciascun elemento ottico (1). Said mechanical support (8) is inserted in a structure (2) with which it is in thermal contact. Said structure (2) keeps each mechanical support (8) in such a position as to be aligned and coaxial with the optical axis (99) of each optical element (1).
Vantaggiosamente, detto supporto meccanico (8) è realizzato in metallo, così da incrementare la capacità di dissipazione termica della fibra ottica (3). Advantageously, said mechanical support (8) is made of metal, so as to increase the thermal dissipation capacity of the optical fiber (3).
Nel concentratore solare (10) secondo la presente invenzione, la radiazione solare incidente (7) è focalizzata da detto almeno un elemento ottico (1) in prossimità della superficie di ingresso di detta almeno una fibra ottica (3). In the solar concentrator (10) according to the present invention, the incident solar radiation (7) is focused by said at least one optical element (1) in proximity to the inlet surface of said at least one optical fiber (3).
In una ulteriore forma di realizzazione, detto elemento ottico (1) è una lente e detto filtro ottico spettralmente selettivo (9) è un film posto a diretto contatto con il vetro frontale (6) su cui eventualmente può essere depositata con tecnica SOG (Silicon On Glass) la lente (1). Detto filmè preferenzialmente un filtro dicroico polimerico adesivo, incollato sulla superficie di ingresso del pannello (vetro frontale) e quindi è a diretto contatto con la superficie piana della lente SOG. In a further embodiment, said optical element (1) is a lens and said spectrally selective optical filter (9) is a film placed in direct contact with the front glass (6) on which it can possibly be deposited with the SOG (Silicon On Glass) the lens (1). Said film is preferably an adhesive polymeric dichroic filter, glued to the inlet surface of the panel (front glass) and therefore is in direct contact with the flat surface of the SOG lens.
In questa forma di realizzazione, poiché detto filtro ottico (9) è posto sulla superficie di ingresso della radiazione luminosa, lo stesso viene colpito da luce diretta, non concentrata. Questo fa sì che detto filtro ottico (9), essendo colpito da una radiazione luminosa a ridotta densità di potenza, può essere vantaggiosamente realizzato per sputtering o altra tecnica nota su un filmpolimerico. In this embodiment, since said optical filter (9) is placed on the inlet surface of the light radiation, it is hit by direct, non-concentrated light. This means that said optical filter (9), being hit by a light radiation with a reduced power density, can be advantageously made by sputtering or other known technique on a filmpolymer.
In una ulteriore forma di realizzazione, detti elementi ottici (1) che sono lenti sono realizzate in un materiale ottico avente una curva di trasmittanza spettrale che consente la trasmissione e la focalizzazione della radiazione luminosa massimamente utile ai fini fotosintetici e riflette o assorbe la porzione spettrale scarsamente utile ai fini fotosintetici. A titolo di esempio, detto materiale è selezionato tra le plastiche comunemente utilizzate per lo stampaggio ad iniezione quali Poli-metil-metacrilato PMMA, policarbonato PC, polistirene PS, opportunamente additivati con coloranti ad assorbimento spettrale selettivo, così da evitare che la porzione indesiderata dello spettro solare raggiunga le fibre. In a further embodiment, said optical elements (1) which are lenses are made of an optical material having a spectral transmittance curve which allows the transmission and focusing of the light radiation which is most useful for photosynthetic purposes and reflects or absorbs the spectral portion scarcely useful for photosynthetic purposes. By way of example, said material is selected among the plastics commonly used for injection molding such as Poly-methyl-methacrylate PMMA, polycarbonate PC, polystyrene PS, suitably added with selective spectral absorption dyes, so as to avoid the unwanted portion of the solar spectrum reaches the fibers.
Detta struttura (2), nella forma di realizzazione di cui in figura 3, è vantaggiosamente dotata di fori sagomati (10), dove detti supporti meccanici (8) si inseriscono. Detti fori sagomati (10) presentano preferibilmente una sagomatura che presenta una serie di denti (14), cosìda incrementare l’interferenza meccanica con i supporti (8), dove l’inserimento di detti supporti meccanici (8) porta a una deformazione di detta serie di denti (14) ricavati nella struttura dei fori stessi (10). Said structure (2), in the embodiment shown in figure 3, is advantageously provided with shaped holes (10), where said mechanical supports (8) are inserted. Said shaped holes (10) preferably have a shape that has a series of teeth (14), so as to increase the mechanical interference with the supports (8), where the insertion of said mechanical supports (8) leads to a deformation of said series of teeth (14) obtained in the structure of the holes themselves (10).
Detta struttura (2) è vantaggiosamente realizzata attraverso il taglio laser di una lastra in metallo. Al fine di alleggerire la struttura (2), detta struttura (2) è altresì dotata di aperture (11) di forma arbitraria, preferibilmente non intersecanti. Dette aperture (11) lasciano dei percorsi conduttivi che permettono al calore raccolto dal supporto meccanico (8) di essere dissipato verso l’esterno, cosìda evitarne il surriscaldamento. Said structure (2) is advantageously made by laser cutting a metal plate. In order to lighten the structure (2), said structure (2) is also provided with openings (11) of arbitrary shape, preferably not intersecting. These openings (11) leave conductive paths that allow the heat collected by the mechanical support (8) to be dissipated to the outside, so as to avoid overheating.
In una forma di realizzazione, detta struttura (2) è nello stesso metallo con cui è realizzato detto contenitore chiuso (15) che contiene il concentratore solare in modo da garantire che non vi siano effetti di deformazione meccanica indotti dalla dilatazione termica differenziale dei componenti. In one embodiment, said structure (2) is in the same metal with which said closed container (15) containing the solar concentrator is made so as to ensure that there are no mechanical deformation effects induced by the differential thermal expansion of the components.
La figura 4 mostra un dettaglio del supporto meccanico (8) coassiale e solidale alla fibra ottica (3). Detto supporto meccanico (8) comprende una faccia superiore (81) e una faccia superiore (82), dove detta faccia superiore (81) è esposta verso detto elemento ottico (1) e da detta faccia inferiore (82) fuoriesce detta fibra ottica (3). In una forma di realizzazione, detta faccia superiore (81) è lucidata a specchio e presenta un’apertura sagomata (12). In questa forma di realizzazione, detto supporto meccanico (3) svolge altresì la funzione di concentratore secondario od omogeneizzatore, ovvero detta faccia superiore (82) in questa forma di realizzazione, grazie all’apertura sagomata e al fatto di essere lucidata a specchio, riflette all’interno della fibra ottica (3) la radiazione luminosa eventualmente focalizzata all’esterno di essa. Vantaggiosamente, la sezione dell’apertura sagomata (12) è rastremata verso l’interno di detto supporto meccanico (8), al fine di creare un effetto di concentrazione ottica ulteriore. In una forma preferita, detta apertura sagomata (12) è a tronco di cono, tronco di piramide o a concentratore parabolico composto (cono di Winston). Il supporto meccanico (8) può essere altresì vantaggiosamente dotato di una sede (13) nella quale viene alloggiato detto filtro ottico spettralmente selettivo (9) che trasmette alle fibre ottiche (3) solamente la porzione spettrale massimamente utile per la azione fotosintetica e riflette o assorbe la porzione spettrale scarsamente utile ai fini fotosintetici. Figure 4 shows a detail of the mechanical support (8) coaxial and integral with the optical fiber (3). Said mechanical support (8) comprises an upper face (81) and an upper face (82), where said upper face (81) is exposed towards said optical element (1) and said optical fiber (82) exits from said lower face (82) 3). In one embodiment, said upper face (81) is mirror polished and has a shaped opening (12). In this embodiment, said mechanical support (3) also performs the function of secondary concentrator or homogenizer, or said upper face (82) in this embodiment, thanks to the shaped opening and the fact that it is mirror polished, reflects inside the optical fiber (3) the light radiation possibly focused outside it. Advantageously, the section of the shaped opening (12) is tapered towards the inside of said mechanical support (8), in order to create a further optical concentration effect. In a preferred form, said shaped opening (12) has a truncated cone, truncated pyramid or compound parabolic concentrator (Winston cone). The mechanical support (8) can also be advantageously provided with a seat (13) in which said spectrally selective optical filter (9) is housed which transmits to the optical fibers (3) only the spectral portion most useful for the photosynthetic action and reflects or it absorbs the spectral portion scarcely useful for photosynthetic purposes.
Un filtro ottico interferenziale utilizza una serie di film sottili sovrapposti, ciascuno realizzato in un diverso materiale così da avere un diverso indice di rifrazione, tale da trasmettere alcune bande spettrali e rifletterne altre. Tipicamente, lo spessore di ciascuno strato è di pochi nm e lo spessore complessivo del filtro raramente eccede il micron. I singoli strati vengono sequenzialmente depositati su un substrato rigido, tipicamente per evaporazione sotto vuoto. Allo scopo della presente invenzione il filtro ottico spettralmente selettivo (9) è realizzato su un supporto rigido che è vetro borosilicato, di quarzo o di altro materiale trasparente che ha anche un’ottima resistenza alle alte temperature. Detto filtro è del tipo passa lungo, ovvero trasmette le lunghezze d’onda più lunghe, oppure passa corto, trasmette le lunghezze d’onda più corte o passa banda, ovvero trasmette soltanto una banda definita. An interferential optical filter uses a series of superimposed thin films, each made of a different material so as to have a different refractive index, such as to transmit some spectral bands and reflect others. Typically, the thickness of each layer is a few nm and the overall thickness of the filter rarely exceeds one micron. The individual layers are sequentially deposited on a rigid substrate, typically by evaporation under vacuum. For the purpose of the present invention, the spectrally selective optical filter (9) is made on a rigid support which is borosilicate glass, quartz or other transparent material which also has excellent resistance to high temperatures. Said filter is of the long pass type, that is, it transmits the longest wavelengths, or short passes, it transmits the shortest wavelengths or band pass, or it transmits only a defined band.
Alternativamente il filtro ottico (9) è realizzato in un materiale in grado di assorbire selettivamente la radiazione luminosa nella regione spettrale scarsamente utili ai fini fotosintetici. Filtri ottici con queste caratteristiche si sono rivelati particolarmente vantaggiosi quando applicati nella forma di realizzazione di cui alle figure 2, 4, 9 e 10. Alternatively, the optical filter (9) is made of a material capable of selectively absorbing the light radiation in the spectral region which is scarcely useful for photosynthetic purposes. Optical filters with these characteristics have proved to be particularly advantageous when applied in the embodiment of figures 2, 4, 9 and 10.
Un’ulteriore forma di realizzazione è schematizzata in figura 9. Detto elemento ottico (1) è una lente, realizzata a diretto contatto con detto vetro frontale (6) che costituisce la superficie superiore (16) del contenitore (15). Utilizzando tecnologie note al tecnico del ramo è possibile realizzare componenti ottici rifrattivi in silicone direttamente depositati su vetro temprato. Questo riduce di due unità il numero di interfacce ottiche che la radiazione luminosa deve attraversare prima di arrivare alle fibre (3). Vantaggiosamente il filtro spettralmente selettivo (9) è accoppiato al vetro frontale (6) tramite un film biadesivo (17) otticamente trasparente. Il filtro ottico spettralmente selettivo (9) è preferibilmente ricoperto di ulteriori strati trasparenti resistenti al graffio o aventi una composizione chimica tale da minimizzare i fenomeni di imbrattamento della superficie del filtro stesso. A further embodiment is schematized in figure 9. Said optical element (1) is a lens, made in direct contact with said front glass (6) which constitutes the upper surface (16) of the container (15). Using technologies known to those skilled in the art, it is possible to produce refractive optical components in silicone directly deposited on tempered glass. This reduces by two units the number of optical interfaces that the light radiation has to pass through before reaching the fibers (3). Advantageously, the spectrally selective filter (9) is coupled to the front glass (6) by means of an optically transparent double-sided adhesive film (17). The spectrally selective optical filter (9) is preferably covered with further transparent layers resistant to scratches or having a chemical composition such as to minimize the contamination phenomena of the surface of the filter itself.
L’azione fotosintetica non sfrutta tutto lo spettro solare ma solamente alcune bande specifiche. La figura 5 mostra il grafico della densità spettrale di potenza dell’emissione solare diretta. Il grafico si estende da circa 300 nm a più di 1000 nm, la regione fotosinteticamente attiva (PAR) è limitata alla banda 400-700 nm. Anche all’interno della banda PAR, vi sono regioni spettrali scarsamente utili ai fini fotosintetici e quindi si fa di solito riferimento ad una curva che descrive l’efficacia fotosintetica in funzione della lunghezza d’onda (action spectrum). The photosynthetic action does not exploit the entire solar spectrum but only some specific bands. Figure 5 shows the graph of the power spectral density of direct solar emission. The graph extends from about 300 nm to more than 1000 nm, the photosynthetically active region (PAR) is limited to the 400-700 nm band. Even within the PAR band, there are spectral regions that are scarcely useful for photosynthetic purposes and therefore reference is usually made to a curve that describes the photosynthetic efficacy as a function of the wavelength (action spectrum).
In figura 6 viene mostrato il grafico dell’attività fotosintetica (action spectrum) della clorofilla A, spesso presente nelle microalghe. Come è possibile notare dal grafico sono presenti due bande distinte di assorbimento, una nella regione blu (400-460 nm) e l’altra nella regione rossa (640-700 nm). Figure 6 shows the graph of the photosynthetic activity (action spectrum) of chlorophyll A, often present in microalgae. As can be seen from the graph, there are two distinct absorption bands, one in the blue region (400-460 nm) and the other in the red region (640-700 nm).
La figura 7 mostra il grafico del flusso di fotoni della sorgente solare in funzione della lunghezza d’onda (linea continua), comparato con il flusso di fotoni attivi ai fini fotosintetici nel caso di clorofilla di tipo A (linea tratteggiata). Da questo grafico appare evidente che la porzione di fotoni da 460 nma 640 nm, che costituiscono la maggioranza dei fotoni della radiazione solare naturale, sono scarsamente utilizzati ai fini fotosintetici. Questa porzione di fotoni tra 460 nm a 640 nm contribuisce in maniera significativa al riscaldamento indesiderato delle fibre ottiche. La soluzione secondo la presente invenzione, rimuovendo questa componente spettrale, permette una notevole riduzione del riscaldamento con un impatto del tutto trascurabile sull’azione fotosintetica ottenuta, a parità di radiazione luminosa incidente sul sistema. Figure 7 shows the graph of the photon flux of the solar source as a function of the wavelength (solid line), compared with the flux of active photons for photosynthetic purposes in the case of type A chlorophyll (dashed line). From this graph it is evident that the portion of photons from 460 nm to 640 nm, which constitute the majority of the photons of natural solar radiation, are scarcely used for photosynthetic purposes. This portion of photons between 460 nm to 640 nm contributes significantly to unwanted heating of the optical fibers. The solution according to the present invention, by removing this spectral component, allows a significant reduction in heating with a completely negligible impact on the photosynthetic action obtained, with the same light radiation incident on the system.
In figura 8 viene mostrato lo spettro di trasmittanza di un filtro interferenziale passabanda per la reiezione della radiazione luminosa scarsamente utile ai fini fotosintetici, nel caso di Clorofilla di tipo A, applicabile al concentratore secondo la presente invenzione. La banda spettrale che viene rigettata va da 460 a 620 nm mentre la radiazione complementare viene trasmessa verso la sospensione algale. Figure 8 shows the transmittance spectrum of a band-pass interference filter for the rejection of light radiation which is scarcely useful for photosynthetic purposes, in the case of type A Chlorophyll, applicable to the concentrator according to the present invention. The spectral band that is rejected goes from 460 to 620 nm while the complementary radiation is transmitted towards the algal suspension.
Forma ulteriore oggetto della presente invenzione un sistema per la coltivazione di alghe che comprende un concentratore solare secondo la presente invenzione. In una forma di realizzazione preferita, detto sistema comprende una sospensione algale nel quale sono immersi tubi di luce, illuminati dalle fibre ottiche (3) del concentratore solare secondo la presente invenzione. A further object of the present invention is a system for the cultivation of algae which comprises a solar concentrator according to the present invention. In a preferred embodiment, said system comprises an algal suspension in which light tubes are immersed, illuminated by the optical fibers (3) of the solar concentrator according to the present invention.
Uno dei vantaggi legati alla invenzione oggetto di questa domanda di brevetto è quello di incrementare significativamente il flusso di fotoni utili all’azione fotosintetica rispetto a quanto noto al tecnico del ramo. L’effetto di questo incremento è la possibilità di ridurre la numerosità delle fibre ottiche necessarie per ciascun pannello solare a concentrazione e quindi ridurre il costo complessivo del sistema senza inficiare l’attività fotosintetica One of the advantages related to the invention object of this patent application is to significantly increase the flow of photons useful for photosynthetic action compared to what is known to the skilled in the art. The effect of this increase is the possibility of reducing the number of optical fibers required for each concentrated solar panel and thus reducing the overall cost of the system without affecting the photosynthetic activity
La soluzione secondo la presente invenzione contribuisce inoltre a migliorare l’efficienza ottica che, per un sistema solare a concentrazione come quello descritto, è un parametro adimensionale che dipende dal rapporto tra la potenza in uscita dalle fibre e quella incidente sulla superficie esposta del sistema stesso. Maggiore è l’efficienza ottica di ciascun pannello solare a concentrazione e minore sarà il numero di pannelli necessari per ciascun impianto, in ragione della incrementata intensità radiante trasportata verso la coltura algale. L’efficienza ottica è influenzata da diversi fattori, tra cui la trasmittanza delle fibre ottiche, la trasmittanza del materiale di cui sono costituite l’elemento ottico (1) e il vetro frontale (6), e il numero di interfacce che la radiazione luminosa deve attraversare prima di raggiungere la superficie di uscita delle fibre. The solution according to the present invention also contributes to improving the optical efficiency which, for a concentrating solar system such as the one described, is a dimensionless parameter that depends on the ratio between the output power of the fibers and that incident on the exposed surface of the system itself. . The higher the optical efficiency of each concentrated solar panel, the lower the number of panels required for each plant, due to the increased radiant intensity transported to the algal culture. The optical efficiency is influenced by several factors, including the transmittance of the optical fibers, the transmittance of the material of which the optical element (1) and the front glass (6) are made, and the number of interfaces that the light radiation it must cross before reaching the exit surface of the fibers.
Sorprendentemente, la soluzione qui descritta mostra un’incrementata efficienza ottica rispetto a quella ottenuta con i sistemi dello stato dell’arte, laddove la soluzione della presente invenzione ha consentito di intervenire sul numero di interfacce. Le soluzioni dello stato dell’arte descrivevano l’utilizzo di trattamenti antiriflesso, così da ridurre l’impatto all’interfaccia dal 4% a circa lo 0.5%. Questa soluzione, ampiamente praticata negli obiettivi fotografici e nelle lenti oftalmiche, ha tuttavia un costo estremamente elevato e non è realizzabile su superfici ampie. La soluzione qui proposta, nella forma di realizzazione che accoppia i componenti, ovvero laddove la lente è depositata direttamente sul vetro, le interfacce tra materiale ottico e aria vengono limitate a due, con un significativo miglioramento dell’efficienza, laddove l’interfaccia tra il materiale della lente e quello del vetro porta ad un calo di efficienza trascurabile, avendo i due materiali lente e vetro un indice di rifrazione molto simile. Surprisingly, the solution described here shows an increased optical efficiency compared to that obtained with the systems of the state of the art, where the solution of the present invention has allowed to intervene on the number of interfaces. The state of the art solutions described the use of anti-reflective treatments, so as to reduce the impact at the interface from 4% to about 0.5%. This solution, widely practiced in photographic and ophthalmic lenses, however, has an extremely high cost and is not feasible on large surfaces. The solution proposed here, in the embodiment that couples the components, i.e. where the lens is deposited directly on the glass, the interfaces between optical material and air are limited to two, with a significant improvement in efficiency, where the interface between the material of the lens and that of the glass leads to a negligible decrease in efficiency, since the two materials lens and glass have a very similar refractive index.
Sorprendentemente, è stata osservata una riduzione di almeno l’8% le perdite per riflessione applicando la soluzione oggetto della presente invenzione rispetto alle soluzioni note al tecnico del ramo e descritte, ad esempio, nel brevetto WO2015192159A1. Surprisingly, a reduction of at least 8% in the reflection losses was observed by applying the solution object of the present invention compared to the solutions known to the skilled in the art and described, for example, in the patent WO2015192159A1.
Gli stessi autori della presente invenzione hanno infatti dimostrato che il livello di intensità luminosa ottimale per la proliferazione delle alghe è tipicamente compreso tra 10 µmol/m<2>s e 250 µmol/m<2>s, e preferibilmente compreso tra 50 µmol/m<2>s e 150 µmol/m<2>s. La radiazione luminosa diretta ha tipicamente una intensità di 2500 µmol/m<2>s, quindi di gran lunga superiore rispetto all’intensità luminosa ottimale. La soluzione secondo la presente invenzione permette vantaggiosamente di operare con un’intensità luminosa che ricade nel range ottimale per la crescita algale. Indeed, the same authors of the present invention have shown that the optimum light intensity level for algae proliferation is typically between 10 µmol / m <2> s and 250 µmol / m <2> s, and preferably between 50 µmol / m <2> s and 150 µmol / m <2> s. The direct light radiation typically has an intensity of 2500 µmol / m <2> s, therefore much higher than the optimal light intensity. The solution according to the present invention advantageously allows to operate with a light intensity that falls within the optimal range for algal growth.
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