ITUA20164648A1 - Plant for electrical / mechanical generation from renewable sources. - Google Patents
Plant for electrical / mechanical generation from renewable sources.Info
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Description
“Impianto per la generazione elettrica/meccanica da fonte rinnovabile ” "Plant for electrical / mechanical generation from renewable sources"
CAMPO DELL’ 1NVENZD NE FIELD OF 1NVENZD NE
La presente invenzbne concerne un imp fante per la generazio ne ele ttric a/me c c anic a da fonte rinnovabib. This invention relates to an impor tant for the electrical / mechanical generation from a renewable source.
TECNICA ANTERD RENOTA ANTERD TECHNIQUE BOOK
Secondo arte nota fa conveisbne deM’eneigfa solare in energia ebttrica può avvenire per via fotovoltaica oppure per via termodinamica, convertendo cbè l’energia solare in calo re ed utiMzzando quest’ultimo in un impianto che segue un opportuno cicb termodinamico . According to known art, the solar energy is conveisbne into ebttric energy can take place via photovoltaics or thermodynamically, converting solar energy into decline and using the latter in a system that follows an appropriate thermodynamic cycle.
Secondo tecnica nota mpiantitermodinamici produzbne di energia ebttrica da radiazio ne solare o da altra fonte di cabre da fonte rinnovabib sono costituiti da due distinti circuiti, uno teimovettore e l’altro difavoro. Iprimo trasferisce ileabre daipanneDi solari e l’altro inve c e c onverte fa suddetta energia termica in energia meccanica e quindi ebttric a. Idue circuiti sono percoisida due fluidi che generalmente sono di diversa natura e tra di essi non si realizza pertanto nessuno scambio di massa ma soltanto di cabre. 1 cicb termodinamico seguito daM’impfanto è generalmente un cicb chiuso a vapore, ovvero del tipo comunemente noto come cicb “Rankine”, che prevede cioè la vaporizzazione sotto pressione di una sostanza inizialmente allo stato liquido, la sua espansione in una o più macchine, la sua condensazione in un appaiato di c ondensazione (condensatore) e la sua pressurizzazione in una pompa così da chiudere il eie lo. Il fluido di lavoro può essere acqua oppure un’altra sostanza appartenente alla categoria dei cosiddetti “fluidi organici”. L’ e sp a nsio ne del vapore a vvie ne in una turib ina e devono e sse re p re si degli ac c oigimenti al fine di evitare o limitare la presenza di liquido a Π’ interno del vapore stesso che, se eccessiva, può comportare un funzionamento non ottimale della macchina o un suo danneggiamento . According to the known technique, thermodynamic plants producing ebttric energy from solar radiation or from other sources of cabre from renewable sources consist of two distinct circuits, one theimovector and the other for work. The first transfers ileabre from solar panels and the other inve c and converts the aforementioned thermal energy into mechanical energy and therefore ebttric a. The two circuits are due to two fluids which are generally of different nature and therefore no mass exchange takes place between them but only cabre. 1 thermodynamic cicb followed by M'impfanto is generally a closed vapor cicb, or of the type commonly known as "Rankine" cicb, which involves the vaporization under pressure of a substance initially in the liquid state, its expansion in one or more machines, its condensation in a condensation paired (condenser) and its pressurization in a pump so as to close the cell. The working fluid can be water or another substance belonging to the category of so-called "organic fluids". The e sp a nsion of the vapor starts in a turib ina and must be used for ac c oigations in order to avoid or limit the presence of liquid inside the vapor itself which, if excessive, it can lead to non-optimal operation of the machine or damage to it.
Al fine di ridune la complessità tecnologica di tali impianti di conversione deD'energia sono stati realizzati impianti che comprendono un circuito chiuso unico in c ui il fluido te imo ve tto re assume anche la funzione di fluido di lavoro. Tùie circuito chiuso c oDega fluid ic a mente tra b re i p a nne Di so la ri, o altre sorgenti di c ab re da fonte rinnovabfle, l’evaporatore, la turbina, D c ondensatore e la pompa dicircolazbne. Inpratica, dunque, fl fluido dilavoro non sob p a ssa p e r fl circuito c la ssic o compre nd e nte la turbina , fl condensatore e la pompa ricircolo anche perla sorgente di c abre , dunque evitando di utDizzare un ulteriore circuito chiuso specificatamente realizzato perse ambiare cabro con De ire uito principab deD’impbnto. Va comunque menzbnato che in questa tipobgia diimpiantida sola fonte rinnovabib b temperatura delfluido di lavoro non raggiungerà maiqueDa che si ottiene in un normale impianto a vapore alimentato da combustibDi fossili, o da una sorgente di cabro derivante ad esempb da gas di scarico ad alta temperatura di altro impianto, quab ad esempio b turibine a gas. ADa luce dicb D fluido di lavoro inizbra l’espansbne in condizbni di fluido saturo o debolmente surrisc aidato e nel pioseguo deffespa nsio ne a rrive m a c o nte ne re anche una piccola, ma sig nific a tiva , p e rc e ntua fa di fluido di lavoro allo stato liquido che, alla lunga, pregiudicherò il funzionamento delle palette della turò ina presente nell’impianto . In order to reduce the technological complexity of these energy conversion plants, plants have been built which include a single closed circuit in which the thermal fluid also assumes the function of working fluid. The closed circuit with fluid distribution between the p a nne di so la ri, or other sources of heat from a renewable source, the evaporator, the turbine, the condenser and the circulation pump. In practice, therefore, the working fluid is not supported by the circuit with the ssic or including the turbine, the condenser and the recirculation pump also for the source of abra, thus avoiding the use of an additional closed circuit specifically made to change cabro with De ire uito principab deD'impbnto. However, it should be remembered that in this type of plant from a renewable source only, the temperature of the working fluid will not reach a normal temperature, which is obtained in a normal steam plant fueled by fossil fuels, or from a cabro source deriving for example from exhaust gases at a high temperature of another plant, such as b gas turbines. The working fluid begins to expand in conditions of saturated or slightly overheated fluid and in the following deffe nsio n to rrrrrrrrrrrrrrrrrrrentially, even a small but sig nific a tive work in the liquid state which, in the long run, will jeopardize the functioning of the shroud vanes present in the plant.
A tale fine nella privativa cinese CN101126503A, che descrive proprio un impianto perla produzione di energia elettrica comprendente un unico circuito chiuso che collega fluidic amente tra loro i vari componenti di un comune impianto a vapore a cicb “Rankine”, viene descritto anche l’impiego di almeno una caldaia per il riscaldamento delfluido dilavoro cosìda integrare illavoro svolto dai p a nne Hi so fa ri ste ssi. Th fa so hizio ne, sebbene riesca ad e vita re le dannose conseguenze descritte più sopra, ovvero la rottura delle palette della turò ina presente nell’impianto, tuttavia aumenta considerevolmente la complessità d e Π’ impianto, oltre a rivelarsi altamente inefficiente da un punto divista energetico. To this end, in the Chinese patent CN101126503A, which describes a plant for the production of electricity comprising a single closed circuit that fluidically connects the various components of a common "Rankine" cycb steam plant, the use is also described. of at least one boiler for heating the working fluid so as to integrate the work carried out by the high-pressure p inne s. This fact, although it manages to eradicate the damaging consequences described above, that is the breaking of the blades of the plug present in the plant, nevertheless considerably increases the complexity of the plant, as well as being highly inefficient from one point of view. energy divider.
Ulteriormente, anche il documento US5671601 descrive un impianto perla produzione dienergia elettrica comprendente un sob circuito chiuso che collega fluidic amente tra loro i vari componenti di un comune impianto a vapore a cicb “Rankine” ed anche b sorgente di cabre da fonte rinnovabib. h US5671601 vbne descritto anche l’impbgo di una sorgente da fonte rinnovabib del tipo geotermica unitamente all’impiego , lungo il circuito chiuso dell’impianto , di due separatori di fase c o no se iuti a nc he coltermine di “separatori flash” o “dispositivi flash”, in grado diregolare in maniera più precisa risalto di pressbne delfluido di lavoro entro b turbina perb sua espansbne. fafatti, in modo noto, tafa separatore, o dispositivo flash, comprende un serbatoio entro cui si trova una valvola laminazio ne attraverso cui vbne fatto passare il fluido dibvoro in pressbne, ottenendo così una evaporazione parzhfa disob una parte deiliquido che attraversa tale valvola di laminazione . La restante parte del fluido di lavoro, in condizione liquida, viene reimmessa nel circuito chiuso, a valle d e D’ e sp a nso re . Anc he ta le so hizio ne, sebbene riesca ad e vita re le dannose conseguenze descritte più sopra, ovvero la rottura delle palette della turbina presente nell’impianto, tuttavia aumenta considerevolmente la complessità de D’impianto, oltre a rivelarsi altamente inefficiente da un punto divista energetico. Inoltre, tale impianto risulta comunque poco flessibile nel caso di repentine quanto non prevedibili variazioni delle condizioni di funzionamento della sorgente dicalore da fonte rinnovabile. Furthermore, document US5671601 also describes a plant for the production of electricity comprising a so-called closed circuit which fluidically connects the various components of a common “Rankine” cycb steam plant and also a source of cabre from a renewable source. h US5671601 also describes the use of a source from a renewable source of the geothermal type together with the use, along the closed circuit of the plant, of two phase separators, whether or not, if necessary, at the end of "flash separators" or " flash devices ”, able to more precisely regulate the pressure relief of the working fluid within the turbine by its expansion. made, in a known way, a separator, or flash device, comprises a tank inside which there is a lamination valve through which the working fluid is made to pass under pressure, thus obtaining an evaporation of a part of the liquid which passes through said lamination valve . The remaining part of the working fluid, in liquid condition, is reintroduced into the closed circuit, downstream of the D 'and sp a nso re. Even though this solution, although it manages to eradicate the damaging consequences described above, that is the breakage of the turbine blades present in the plant, it nevertheless considerably increases the complexity of the plant, as well as being highly inefficient by a energy point of view. Furthermore, this system is in any case not very flexible in the event of sudden and unpredictable variations in the operating conditions of the heat source from renewable sources.
Anche la privativa US3862545 descrive un impianto piuttosto simile a quello descritto neldocumento LJS5671601. The patent US3862545 also describes a system rather similar to that described in document LJS5671601.
È scopo dunque della presente invenzione quello di realizzare un impianto perla produzione di energia elettrica/meccanica da sola fonte rinnova bile , ad esempio da p a nne Di solari, il c ui funzionamento sia comunque più sicuro di queDo garantito dagD attuati impianti, evitando dunque possibDied impreviste rotture, o danneggiamenti, od usure premature de De palette della turbina. The purpose of the present invention is therefore to create a plant for the production of electrical / mechanical energy from a renewable source alone, for example from solar power plants, whose operation is in any case safer than that guaranteed by the implemented systems, thus avoiding the possibility of unforeseen breakage, damage, or premature wear of the turbine blades.
È ulteriore scopo della presente invenzione queDo di realizzare un impianto che abbia alcontempo una maggiore capacità diregolare la sua potenza in funzione deDa rie hie sta , o vve re diessere p iù ile ssib ile di quelli diarte nota, alvariare delle c ondizio ni della fonte rinnovabile, purmantenendo in o g ni situa zio ne un rendimento elevato. A further object of the present invention is to realize a plant which has at the same time a greater ability to regulate its power in function of the energy, or which is more ile ssib ile than those of the known art, to vary the conditions of the renewable source. while maintaining a high yield in each situation.
RIASSUNTO DELL’ INVENZIONE SUMMARY OF THE INVENTION
Questi ed ahi scopi sono raggiunti da un impianto perla produzione di energia elettrica/meccanica, comprendente un circuito chiuso entro c ui c ire ola un fluido di lavoro, detto circuito c hiuso c o De g andò fluidicamente tra loro lungo una linea principale almeno una sorgente di cabro da fonte rinnovabDe, almeno un evaporatore, almeno un espansore, almeno un condensatore, ed almeno una pompa di circolazione, caratterizzato dal fatto che detto espansore è di tipo vo lume tric o . These and other purposes are achieved by a plant for the production of electrical / mechanical energy, comprising a closed circuit within which there is a working fluid, said closed circuit which flows fluidically between them along a main line at least one source of cabro from a renewable source, at least one evaporator, at least one expander, at least one condenser, and at least one circulation pump, characterized in that said expander is of the three-volume volume type.
Grazie al fatto che l’espansore è del tipo volumetrico, dunque costituito da una o più camere a volume variabile, l’eventuale presenza ne Π’ e sp a nso re di fluido di lavoro contenente una percentuale minima in c ondizio ni liquide, piuttosto che gassose, non provoca in alcun modo danni o riduzioni di rendimento né a Π’ espanso re né a Π’ impianto stesso che b ospita, ho lire , Γ e sp a nso re di tipo volumetrico può essere regolato in modo molto più flessflbfle della turbina dal momento c he , sia c he la vori in c ondizbne di veb c ità di rota zb ne costante, sia che b vori a vebcità variabib, esso riesce sempre a mantenere, a parità di salto di pressione realizzato, un rendimento più ebvato di queDo ottenibib da una turbina di pari grado dipotenza svfluppabib . Inoltre Usuo rendimento dipende sob in minima parte delsalto dipressbne tra monte e vaDe dell’espansore e, pertanto, variazioni di p re ssio ne in ingresso all’espansore non compromettono il b uo n funzbna mento de D’intero impianto. Thanks to the fact that the expander is of the volumetric type, therefore consisting of one or more chambers with variable volume, the possible presence in Π 'and sp a nso of working fluid containing a minimum percentage of liquid conditions, rather which gaseous, does not in any way cause damage or reduction in efficiency either to the Π 'expander or to the plant itself which b houses, ho lire, Γ and sp a nso re of the volumetric type can be adjusted much more flexflbfle than turbine from the moment that, whether it works in a constant speed of rotation zb ne or b works at variable speed, it always manages to maintain, with the same pressure drop achieved, a lower efficiency this is obtained from a turbine of the same degree of power svfluppabib. Furthermore, the efficiency depends on a minimal part of the pressure gap between the mountain and the expander vaDe and, therefore, variations in pressure at the inlet to the expander do not compromise the good functioning of the entire plant.
Se c ondo una forma preferita dell’ invenzbne , detta sorgente di c ab re da fonte rinnovabib comprende uno o più panne Di so bri. If there is a preferred form of the invention, said source of cabre from renewable source includes one or more so bri cream.
Ulteriormente, detto almeno un evaporatore comprende almeno un dispositivo flash perseparare b fase liquida da queDa gassosa didetto fluido dibvoro . Furthermore, said at least one evaporator comprises at least one flash device for separating the liquid phase from that gas of said working fluid.
Secondo una forma reaDzzativa partìcobre d e D’ inve nzb ne , detto circuito chiuso comprende almeno un ramo ausDbrio percoDegare fluidic amente ed in modo controDato detto dispositivo flash a detta linea principab didetto circuito chiuso in una posizbne compresa tra detto almeno un condensatore e detta almeno una sorgente di c abre . According to a particular embodiment of the invention, said closed circuit comprises at least one auxiliary branch for fluidically and counter-binding said flash device to said main line, said closed circuit in a position comprised between said at least one capacitor and said at least one. source of c abre.
Sp e cific a temente, rimpianto può comprendere almeno una valvola motorizzata per il c o Bega mento controllato tra detto almeno un ramo ausiliario e detta linea principale di detto circuito chiuso in una posizione compresa tra detto condensatore e detta almeno una sorgente di calore. Tàle soluzione permette di controllare meglio le portate che affluiscono a B’ espanso re ed, al contempo, permette pure di recuperare il calore del fluido di lavoro che non attraversa l’espansore e che si miscela alfluido di lavoro “raffreddato” uscente d a 1 condensatore,avaBe deB’espa nso re . Specifically, the system can comprise at least one motorized valve for controlled heating between said at least one auxiliary branch and said main line of said closed circuit in a position comprised between said condenser and said at least one heat source. This solution allows to better control the flow rates that flow to the expander and, at the same time, also allows to recover the heat of the working fluid which does not pass through the expander and which mixes with the "cooled" working fluid exiting from 1 condenser. , avaBe deB'espa nso re.
Ancora, sempre secondo una forma reaBzzativa particolare, 1’impianto comprende una ulteriore pompa di c ire ola zio ne disposta lungo detta Bnea principale di detto circuito chiuso; detta almeno una valvola motorizzata è disposta tra detta almeno una pompa di circolazione e detta almeno una ulteriore pompa di ciré ola zio ne. Still, again according to a particular embodiment, the plant comprises a further circulating pump arranged along said main line of said closed circuit; said at least one motorized valve is arranged between said at least one circulation pump and said at least one further circulation pump.
Ulteriormente, 1’impianto comprende mezzi per variare la velocità di detto almeno un espansore volumetrico in funzione della potenza termica assorbita da detta almeno una sorgente di calore e/o deBa richiesta delle utenze servite da detto impianto, là le soluzione risulta notevolmente vantaggiosa dal momento che l’efficienza deB’espa nso re volumetrico non è influenzata in alcun modo dalla velocità dirotazione deB’albero motore deB’espansore volumetrico, a differenza diquello che invece avviene perespansorirotatividinamici quaK, le turbine a vapore . Furthermore, the plant comprises means for varying the speed of said at least one volumetric expander as a function of the thermal power absorbed by said at least one source of heat and / or the demand of the users served by said plant. that the efficiency of the volumetric expander is not influenced in any way by the rotation speed of the crankshaft of the volumetric expander, unlike that which instead occurs for dynamic rotational expansions such as steam turbines.
Nello spec ific o , detti mezzi di variazione della velocità comprendono almeno un dispositivo inve rte r a sso c ia to a vaBe di detto espansore volumetrico, in cui detto dispositivo inverter è selettivamente operabile per regolare la velocità di detto almeno un espansore vo lume tric o . Specifically, said means for varying the speed comprise at least one device in the direction of said volumetric expander, in which said inverter device is selectively operable to regulate the speed of said at least one volume expander. .
Secondo una ulteriore forma re a lizza riva d e Π’ inve nzio ne , Γ impianto può comprendere un ulteriore ramo ausiliario lungo cui è disposto almeno un dispositivo diaccumub termico; tale almeno un ulteriore ramo ausiliario collega fhiidic amente tra lo re la sezione di ingresso e quella di uscita di detta almeno una sorgente di calore da fonte rinnovabile e comprende almeno una valvola a tre vie per variare la portata in ingresso tra detto almeno un ramo ausiliario e detta linea principale di detto circuito chiuso, h questo modo, nel caso di surplus di energia termica è possibile accumulare il cab re in tali ac c umubtori ed impbgarb successivamente nel caso in cui dovesse essere necessario. Inoltre, variando b portata di fluido di lavoro introdotta e ntro Γ e sp a nso re è p o ssflb ib coàregolare anche b potè nza g e ne ra ta dall’ impbnto . According to a further form of the invention, the plant can comprise a further auxiliary branch along which at least one thermal storage device is arranged; such at least one further auxiliary branch physically connects between the inlet and outlet section of said at least one renewable source heat source and comprises at least one three-way valve to vary the inlet flow rate between said at least one auxiliary branch and said main line of said closed circuit, in this way, in the case of a surplus of thermal energy it is possible to accumulate the cab re in such accumulators and subsequently pack it up in case it should be necessary. Furthermore, by varying b flow rate of working fluid introduced and sp a nso re it is p o ssflb ib coàregular also b power g e ne ra ta from the impbnto.
L’impbnto c omp rende , inoltre , almeno una va Ivo b dibminazbne per variare b pressione in ingresso didetto fluido dibvoro a detto almeno un dispositivo flash; tab valvob di bminazione è disposta tra detta almeno una sorgente di cabro da fonte rinnovabib e detto almeno un evaporatore, h questo modo, a seconda defle esigenze, in partìcobre nel caso in cui si renda necessario diminuire b potenza erogata dall’espansore, è possflbDe variare b pressbne del liquido di bvoro prima defl’ingresso entro il dispositivo flash. Ciò ha come conseguenza queDa di permettere b regobzbne del salto di pressbne entro l’espansore volumetrico b cui efficbnza, a differenza deDa cbssba turbina, è sob in minima parte condizbnata da tab parametro, h maniera alternativa o combinata, grazie aDa valvob di bminazione interna presente ne Do stesso dispositivo flash, è possibib variare b pressione del fluido di bvoro entro detto almeno un dispositivo flash, diminuendo o aumentando risalto dipressbne entro Γ espanso re volumetrico, h pra tic a, Γ impbnto secondo b varie forme rea lizza tive della presente invenzione può comprendere o una valvola di laminazione prima deD’ingresso del dispositivo flash, o il sob dispositivo flash dotato di una valvola di laminazione interna, oppure sia la valvola di laminazione esterna al dispositivo flash che la valvola dilaminazione interna presente nel dispositivo flash. The c omp system also makes at least one valve b dibminazbne to vary b pressure at the inlet of said working fluid to said at least one flash device; tab valvob di bminazione is arranged between said at least one source of cabro from renewable source and said at least one evaporator, h this way, depending on the needs, in particular if it is necessary to decrease b power supplied by the expander, it is possible vary the pressure of the working liquid before it enters the flash device. This has the consequence of allowing b regobzbne of the pressure jump within the volumetric expander b which efficiency, unlike the cbssba turbine, is minimally conditioned by parameter tab, h alternative or combined way, thanks to internal bmination valve b present in the same flash device, it is possible to vary the pressure of the working fluid within said at least one flash device, decreasing or increasing the pressure prominence within The invention may comprise either a lamination valve prior to the flash device inlet, or the flash device provided with an internal lamination valve, or both the lamination valve external to the flash device and the internal lamination valve present in the flash device.
Anc ora , 1’impianto comprende almeno una unità dicontroDo che in funzione della tempera tuia e/o pressione delfluido dilavoro in uscita da detta sorgente di cabro da fonte rinnovabDe e/o della pressbne e/o del live Do delfluido di lavoro entro detto almeno un dispositivo evaporatore e/o della portata di fluido di lavoro circolante entro detto circuito chiuso comanda detti mezzi di variazione della vebcità per regolare la vebcità di detto almeno un espansore volumetrico e/o il live Do di apertura di detta almeno una valvola dilaminazbne perriduire la pressbne in ingresso a detto almeno un dispositivo flash e/o flliveDo di apertura della valvola dilaminazbne interna di detto almeno un dispositivo flash. Even now, the plant comprises at least one contrast unit which, depending on the temperature and / or pressure of the working fluid leaving said source of cabro from a renewable source and / or of the press and / or live Do of the working fluid within said at least an evaporator device and / or the flow rate of working fluid circulating within said closed circuit controls said speed variation means to adjust the speed of said at least one volumetric expander and / or the opening live Do of said at least one lamination valve to reduce the it presses at the inlet to said at least one flash device and / or valve for opening the internal lamination valve of said at least one flash device.
Infine, il fluido di lavoro è acqua, sebbene possano essere impiegati altri fluidi di lavoro, che sub beano un passaggb di stato in detto evaporatore e condensatore senza per questo uscire daD’ambito di tute la d e Da p re se nte inve nzb ne . Finally, the working fluid is water, although other working fluids can be used, which undergo a change of state in said evaporator and condenser without thereby going out of the scope of all of the above.
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Questied altria spettideDa presente invenzione verranno re si più chbri dalla seguente descrizbne dettagData di una forma di reaDzzazbne preferita, qui fornita a titob sob me nte e sempEfìc ativo e non limitativo , c on riferimento aDe figure aDegate , in c ui: These other aspects of the present invention will be further clarified by the following detailed description of a preferred embodiment, here provided in a simple and simple and non-limiting way, with reference to the accompanying figures, in which:
b figura 1 mostra una vbta schematica deD’impbnto secondo Γ inve nzb ne ; b Figure 1 shows a schematic view of the structure according to the invention;
b figura 2 mostra una vbta schematica di una seconda forma reaDzzativa deD’impbnto secondo Γ invenzione; b figure 2 shows a schematic view of a second embodiment of the structure according to the invention;
la figura 3 mostra una vista schematica di una ulteriore forma reaKzzativa de D’impianto secondo Γ invenzione; Figure 3 shows a schematic view of a further embodiment of the plant according to the invention;
DE3C RED NE DETTAGLIATA DI UNA FORMA DI REAL^AZD NE PREFERUA DELIA PRESENTE 1NVENZD NE DE3C RED NE DETAILED OF A FORM OF REAL ^ AZD NE PREFERUES OF THE PRESENT 1NVENZD NE
Con riferimento alla figura 1, viene illustrato un impianto 1 per la produzione dienergia elettric a/mec c anic a secondo una prima forma reaKzzativa d e H’ inve nzio ne . Thle impianto 1 comprende un circuito c hiuso 2 entro c ui c ire ola un fluido dilavoro c he, ne Ica so in e sa me, è acqua. Thle ciré uito c hiuso 2 c oDega fluid ic a mente tra loro lungo una linea principale P una sorgente dicalore da fonte rinnovabile 3, quale ad esempio un panne Do solare, un evaporatore 4 a laminazione, un espansore 5, un condensatore 6, ed una pompa dicircolazione 7. h pratic a, dunque, la sorgente di calore da fonte rinnovabDe non ha un proprio circuito che scambia calore con fl circuito del fluido di lavoro de D’impianto 1, ma è parte del circuito chiuso 2 de D’impianto stesso 1. La temperatura massima raggiungibile dalfluido dilavoro in questo tipo diimpianto è comunque inferiore ai250 C°. With reference to Figure 1, a plant 1 for the production of electrical / mechanical energy according to a first embodiment of the invention is illustrated. The plant 1 comprises a closed circuit 2 within which there is a working fluid which, in and of itself, is water. The closed circuit 2 c oDegates fluidly between them along a main line P a source of heat from a renewable source 3, such as for example a solar panel, a lamination evaporator 4, an expander 5, a condenser 6, and a circulation pump 7. h practically, therefore, the heat source from a renewable source does not have its own circuit that exchanges heat with the working fluid circuit of plant 1, but is part of the closed circuit 2 of plant same 1. The maximum temperature that can be reached by the working fluid in this type of system is in any case less than 250 ° C.
Secondo l’invenzione, vantaggiosamente, l’espansore 5 è di tipo volumetrie o . h pratic a, tale espansore volumetrie o , noto da un punto divista tecnologico aitecnico delsettore, che comprende una o più camere a volume variabile, evita tutti gK ine onve nienti de gK impianti noti dotati di turbina dal momento che anche nel caso di funzionamento con un fluido dilavoro in c ondizio ni sature , D c ui titolo tuttavia è inferiore al 100%, ovvero D c ui c o nte nuto in fase Kquida non è trasc urabDe , non è comunque soggetto ai problemi rise ontra ti negK espansori del tipo a turbina. Infatti, nel c a so di espansore volumetrie o l’eventuale presenza digocce delfluido dilavoro non comporta rischi perl’espansore , essendo quest’ultimo sprovvisto di palettatura rotante a ve beità molto ebvata e investita da un fluido anche sso ca ra tte rizza to da una velocità molto elevata e, comunque, funzionando con un principio totalmente differente. Inoltre la titolare ha sperimentato che l’espansore di tipo volumetrico 5 è in grado di essere regolato in modo molto piùfbssibfle della turbina dalmomento che sia che lavori in c ondizione di velocità di rotazione costante, sia che lavori a velocità di rotazione variabile, esso riesce sempre a mantenere, a parità disalto dipressione realizzato , un rendimento più elevato di quello ottenibile da una turbina di pari livello di potenza sviluppabile. Inoltre, a differenza delle turbine l’efficienza dell’espansore volumetrico 5 risente sob in minima parte deDe variazbni nel salto di pressbne del fluido di lavoro tra ingresso ed uscita dell’espansore 5. According to the invention, advantageously, the expander 5 is of the volumetric type or. In practice, such a volumetric expander, known from a technological point of view of the sector technician, which includes one or more variable volume chambers, avoids all the ine onve nients of known plants equipped with turbines since even in the case of operation with a working fluid in saturated conditions, whose titer is nevertheless less than 100%, or whose content in the liquid phase is not neglected, is not subject to the problems arising in the turbine-type expanders . In fact, in the case of expander volumes or the possible presence of drops of the working fluid does not entail risks for the expander, since the latter does not have a rotating blade with a very low veinity and is invested by a fluid, even if it is absorbed by a very high speed and, in any case, working with a totally different principle. Furthermore, the owner has experienced that the volumetric type expander 5 is able to be adjusted in a much more comfortable way than the turbine since, whether it works in constant rotation speed or works at variable rotation speed, it is able to always to maintain, with the same pressure drop achieved, a higher efficiency than that obtainable from a turbine of the same level of developable power. Furthermore, unlike turbines, the efficiency of the volumetric expander 5 is affected to a small extent by the variations in the pressure jump of the working fluid between the inlet and outlet of the expander 5.
Lespansore volumetrico qui descritto nella domanda è del tipo alternativo, ovvero costituito da cilindro e pistone ad una o più c amere, tuttavia un espansore volumetrie o deltipo rotativo , ovvero a vite, Scrollo dialtro tipo, quab ad esempb un espansore derivato da un motore Wankel, rientra comunque nell’ambito di tutela della p re se nte inve nzio ne . The volumetric expander described here in the application is of the alternative type, i.e. consisting of a cylinder and piston with one or more chambers, however a volume expander or rotary type, i.e. screw, Scrollo of another type, such as an expander derived from a Wankel engine , however, falls within the scope of protection of p re se nte inve ntion.
Con riferimento alla figura 2, viene illustrato un ulteriore impianto 1 per la produzbne di energia ebttrica/meccanica secondo l’invenzbne. Tà b imp ia nto 1 compre nd e un c ire uito c hiuso 2 e ntro c ui c ire o b un fluido dilavoro che, nelcaso in esame, è acqua. Tàb circuito chiuso 2 coDega fluidic amente tra bro lungo una linea principab P una sorgente di cabro da fonte rinnovabib 3, quab ad esempio un panne Do sob re, un evaporatore 4, un espansore 5, un condensatore 6, e due pompe dicircobzbne 7 e 7’. h pratica, dunque, come nel caso deDa forma realizza tiva difigura 1, b sorgente dicabre da fonte rinnovabib 3 non ha un proprio circuito che scambb cabre con fi circuito del fluido di bvoro defi’impbnto 1, ma è parte stessa del c irc uito c hiuso 2 dell’ impianto 1. Anc he in questo c a so la tempera tuia massima raggiungibile dalfluido dilavoio in questo tipo diimpianto è comunque inferiore ai250 C°. With reference to Figure 2, a further plant 1 is shown for the production of electrical / mechanical energy according to the invention. Tà b se nto 1 comprise a c ire uito c hiuso 2 e ntro c ui c ire o b a working fluid which, in the case in question, is water. Tàb closed circuit 2 coDegates fluidically between bro along a main lineb P a source of cabro from renewable source 3, such as for example a breaker Do sob re, an evaporator 4, an expander 5, a condenser 6, and two circulating pumps 7 and 7 '. h practical, therefore, as in the case of the embodiment of figure 1, b dicabre source from renewable source b 3 does not have its own circuit which exchanges with the circuit of the working fluid defined 1, but is part of the circuit itself c hiuse 2 of the plant 1. Even in this c a so the maximum tempera ture that can be reached by the drain fluid in this type of plant is in any case less than 250 ° C.
Secondo la forma reaEzzativa qui descritta, Evaporatore 4 comprende un dispositivo flash perseparaie la fase liquida da quella gassosa delfhiido dilavoio. Thle dispositivo flash 4, in maniera nota al tecnico del settore, comprende una valvola di laminazione interna attraverso cui viene fatto passare il fluido di lavoro in pressione, ottenendo così una evaporazione parziale di sob una parte del liquido che attraversa tab valvola dibminazione. La restante parte del fluido di b voro , in c ondizbne liquida, vbne reimme ssa nel c ire uito 2, c ome sarà spbgato piùinbasso. According to the embodiment described here, Evaporator 4 comprises a flash device for separating the liquid from the gaseous phase of the wastewater. The flash device 4, in a manner known to those skilled in the art, comprises an internal lamination valve through which the working fluid under pressure is made to pass, thus obtaining a partial evaporation of a part of the liquid which passes through the dispensing valve. The remainder of the working fluid, in liquid condizbne, is reimmed in the c ire uit 2, as it will be described lower.
Vantaggbsamente, anche in questa seconda forma realizzativa del trovato, l’espansore 5 è sempre di tipo volumetrico. I vantaggi derivanti d affuso di tab espansore volumetrico sono stati citati più sopra e consistono nel fatto che anche nel caso di funzbna mento con un fluido dilavoro in c ondizio ni sature ilcuititob non è totalmente al 100%, ovvero anche in minima parte contenete fluido di lavoro in fase liquida, esso non è comunque soggetto ai probbmi rise ontrati ne g li e sp a nso ri d e 1 tip o a turib ina . O lire a ta li va nta g g i vi è a nc he queDo deDa maggbre flessibilità rispetto affuso deDa turbina. Advantageously, even in this second embodiment of the invention, the expander 5 is always of the volumetric type. The advantages deriving from the use of the volumetric expander tab have been mentioned above and consist in the fact that even in the case of operation with a working fluid in saturated conditions, the product is not totally 100%, or even minimally containing work in the liquid phase, it is in any case not subject to the problems encountered in the g li and sp a nso ri d e 1 tip o a turib ina. O lire to such va nta g i there is a nc that this has greater flexibility than the taper of the turbine.
Come visibib in figura 2, il circuito chiuso 2 comprende un ramo ausiliario A per coDegare fluidic amente ed in modo controDato il dispositivo flash 4 al c irc uito c hiuso 2 in una po sizbne c ompre sa tra il condensatore C e b sorgente dicabie Pperilfluido dibvoro. As shown in Figure 2, the closed circuit 2 comprises an auxiliary branch A for connecting the flash device 4 to the closed circuit 2 fluidically and in a controlled manner in a position between the capacitor C and the source of cables for the working fluid. .
Ne Do specifico l’impbnto 1 comprende una va Ivo b motorizzata 10 per il c oDega mento controDato tra Diamo ausDbrio A e detto circuito chiuso 2, lungo b Enea p line ip ab P, in una po sizbne compresa tra D condensatore 6 e b sorgente dicabre 3. Tkb valvob motorizzata 10 viene comandata da un’unità di controllo (qui non mostrata) che in funzione dell’irraggiamento solare e, dunque, del rise aldamento del liquido, e della pressione di esercizio, può variare la portata M-X di fluido dilavoro che attraversa l’espansore 5, rispetto a quella totale M circolante entro il circuito 2. h questo modo, il fluido caldo con portata Xche fuoriesce dal pannello solare 3 e che non attraversa l’espansore 5, si viene a trovare a valle del condensatore 6, mise e landò si c on il fluido dilavoro raffreddatosi durante l’espansione entro l’espansore 5. Thle schema circuitale permette, dunque, di recuperare una parte delcalore che andrebbe perso , prerisc aldando il fluido di lavoro prima del suo nuovo ingresso entro il pannello solare 3. Tkle ree up ero dicalore c omporta un miglioramento nel rendimento globale dell’impianto 1 stesso. In specific Do, the circuit 1 includes a motorized va Ivo b 10 for the counterdegradation between D we ausDbrio A and said closed circuit 2, along b Enea p line ip ab P, in a position between D capacitor 6 and b source dicabre 3. Tkb motorized valve 10 is controlled by a control unit (not shown here) which, depending on the solar irradiation and, therefore, on the rise of the liquid, and on the operating pressure, can vary the flow rate M-X of fluid of the work that passes through the expander 5, with respect to the total one M circulating within the circuit 2. condenser 6, put and landò itself with the working fluid cooled during the expansion within the expander 5. The circuit diagram allows, therefore, to recover a part of the heat that would be lost, preheating the working fluid before its new input. xed within the solar panel 3. Tkle ree up er of heat involves an improvement in the overall performance of the system 1 itself.
Sempre secondo l’invenzione e come già menzionato più sopra, 1’impianto 1 comprende due pompe di circolazione 7 e 7’ disposte lungo il c ire uito 2. h partic ola re , la valvola motorizzata 10 è disposta tra le due pompe di c ire ola zio ne 7 e 7’. Va osservato che, sebbene la forma reaKzzativa qui descritta comprenda due pompe di c ire ola zio ne , tuttavia una forma reaKzzativa che comprenda una sola pompa di c ire ola zio ne rientra comunque nell’ambito di tutela della p re se nte inve nzio ne . Still according to the invention and as already mentioned above, the system 1 comprises two circulation pumps 7 and 7 'arranged along the flow path 2. In particular, the motorized valve 10 is arranged between the two circulation pumps ire ola tio n 7 and 7 '. It should be noted that, although the embodiment described herein comprises two c ire ntion pumps, nevertheless a embodiment comprising a single c ire ntion pump nevertheless falls within the scope of protection of the individual invention. .
Ulteriormente, 1’impianto 1 comprende un dispositivo inverter (qui non mostrato) per trasformare l’energia elettrica eventualmente accumulata in apposite batterie, ed ottenuta attraverso l’uso di un generatore accoppiato all’espansore 5, in energia elettrica disponibile in rete. L’uso d e Π’ inverter risulta essere associato all’impianto nel caso di funzionamento dell’espansore volumetrico in condizioni di velocità variabile. La titolare ha sperimentato che, nonostante il dispositivo inverter abbia un proprio rendimento, che deve comunque essere pesato nel calcolo del rendimento totale dell’impianto 1, tuttavia il rendimento globale dell’impianto risulta essere sempre superiore a quello ottenibile con l’uso di una classica turib ina , in tutte le c ondizio ni di funziona mento dell’impianto 1. Further, system 1 includes an inverter device (not shown here) to transform the electrical energy possibly accumulated in special batteries, and obtained through the use of a generator coupled to the expander 5, into electricity available on the network. The use of the inverter appears to be associated with the system in the case of operation of the volumetric expander in conditions of variable speed. The owner has experienced that, despite the inverter device having its own efficiency, which must in any case be weighted in the calculation of the total efficiency of the system 1, however the overall efficiency of the system is always higher than that obtainable with the use of a classic turib ina, in all operating conditions of the plant 1.
fa figura 3 vie ne mostrata una ulteriore fonna reaKzzativa del trovato, fa partic obre , si fa presente che i riferimenti utilizzati in figura 3 sono anche utilizzati nelle figure 1 e 2 per indicare identici componenti delTimpianto 1. Figure 3 shows a further embodiment of the invention, in particular, it should be noted that the references used in Figure 3 are also used in Figures 1 and 2 to indicate identical components of the system 1.
L’impianto 1 di figura 3 comprende un ulteriore ramo ausiliario A’ lungo cui è disposto un dispositivo di accumub termico 12. fa particolare, tale ulteriore ramo ausiliario A’ collega fluidic amente tra loro la sezione di ingresso 3a e quella di uscita 3b della sorgente di cab re da fonte rinnovabib 3 e comprende una va Ivo b a tre vb 13 per variare la portata in ingresso tra detto l’ulteriore ramo ausiliario A’ e b linea principab Pdelcircuito chiuso 2. Va osservato che, sebbene qui venga mostrato un sob accumubtore termico 12, tutta vb fimpbnto 1 può comprendere anche più accumubtori termici oppure, in maniera alternativa, tab accumub termbo può avvenire anche per integrazbni di c abre da sorgenti esterne aD’imphnto 1. Vantaggbsamente grazb aD’ac c umubtore termbo 12 sipuò sfruttare b capacità dell’espansore volumetrico 5 di ruotare a vebcità variabDe e ridotta rispetto alvabre massimo, co sì da utilizzare sob una parte de Da potenza termba captata daD’impbnto 1, accumubndo queDa nonimpbgata. The system 1 of Figure 3 comprises a further auxiliary branch A 'along which a heat storage device 12 is arranged. In particular, this further auxiliary branch A' fluidically connects the inlet section 3a and the outlet section 3b of the cab re source from renewable source b 3 and comprises a va Ivo b to three vb 13 to vary the inlet flow rate between said further auxiliary branch A 'and b main line P of the closed circuit 2. It should be noted that, although a sob accumulator is shown here thermal 12, all vb fimpbnto 1 can also include more thermal accumulators or, alternatively, tab accumub termbo can also take place for integration of c abre from external sources aD'imphnto 1. Advantageously thanks to aD'ac c umubtore termbo 12 it is possible to exploit b capacity of the volumetric expander 5 to rotate at a variable and reduced speed with respect to the maximum speed, so as to use a part of the termbase power captured by the unit 1, accumulating this not impbgata.
Ulteriormente, l’impbnto 1 mostrato in figura 3 comprende una valvob dibminazbne 11 pervariare b pressione in ingresso delfluido di bvoro al dispositivo flash 4, disposta tra b sorgente di cabre da fonte rinnovabib 3 e l’evaporatore 4. h questa forma reaDzzativa b valvob dibminazbne 11 è disposta in particobre tra b valvob a tre vie 13 per variare la portata in ingresso tra detto l’ulteriore ramo a usilia rio A’ e la line a p rinc ipale Pdelcirc uito c hiuso 2 e l’evaporatore 4. Va osservato che anche nella forma realizza tiva di figura 2 è possibile ipotizzare una soluzione in cui Γ impianto 1 comprende una valvola dilaminazione 11 pervadale la pressione in ingresso delfluido di lavoro al dispositivo flash 4, disposta tra la sorgente di cabro da fonte rinnovabDe 3 e l’evaporatore 4, senza per questo uscire dall’ambito ditutela della presente invenzione. Further, the unit 1 shown in Figure 3 comprises a dibminazbne valve 11 for varying b the inlet pressure of the working fluid to the flash device 4, arranged between b source of cabre from renewable source 3 and the evaporator 4. h this form of realization b valve b dibminazbne 11 is arranged in particular between b three-way valve 13 to vary the inlet flow rate between said further auxiliary branch A 'and the primary line P of the closed circuit 2 and the evaporator 4. It should be noted that also in the embodiment of figure 2 it is possible to hypothesize a solution in which the plant 1 comprises a lamination valve 11 pervading the inlet pressure of the working fluid to the flash device 4, arranged between the source of cabro from a renewable source 3 and the evaporator 4, without thereby departing from the scope of the present invention.
Nella forma reaDzzativa di figura 3, al contrario di quella mostrata in figura 2, non è presente la valvola motorizzata 10 compresa tra la pompa 7 e l’ulteriore pompa 7’. Ad ognimodo, una forma realizza tiva del tipo mostrata in figura 3 che comprenda anche una va Ivo la motorizzata 10 compresa tra la pompa 7 e l’ulteriore pompa 7’ rientra comunque nell’ambito ditutela della presente invenzbne. In the embodiment of figure 3, unlike that shown in figure 2, there is no motorized valve 10 between the pump 7 and the further pump 7 '. In any case, an embodiment of the type shown in figure 3 which also includes a motorized valve 10 between the pump 7 and the further pump 7 'still falls within the scope of this invention.
Anche nell’impianto 1 di figura 3 l’espansore 5 è deltipo volumetrico ed è coDegato ad un alternatore 20 ed ad un inverter 21 che è in grado divariare la vebcità dirotazbne dell’espansore 5. Also in the plant 1 of figure 3 the expander 5 is of the volumetric type and is connected to an alternator 20 and an inverter 21 which is able to vary the speed of rotation of the expander 5.
Sempre secondo la forma reaDzzativa qui descritta 1’impianto 1 comprende anche una unità di contro Do 22 che in funzbne della temperatura e/o p re ssio ne delfluido di lavoro in uscita dalpanneDo solare 3 e/o deDa pressbne e/o delDveDo delfluido di lavoro entro fl dispositivo evaporatore 4 e/o deDa portata di fluido di lavoro c ire olante entro D c ire uito c hiuso 2 comanda imezzidivariazbne della vebcità 21perregobre b vebcità de D’albero motore de D’espanso re volumetrico 5 e/o DHveDo di apertura deDa valvola di laminazione 11 perridurre b pressione in ingresso a detto almeno un dispositivo flash 4 e/o l’apertura deDa valvob di bminazbne interna deDo dispositivo flash 4. Always according to the embodiment described herein, the plant 1 also comprises a counter unit Do 22 which, depending on the temperature and / or pressure of the working fluid leaving the solar panel 3 and / or of the pressure and / or the working fluid within the evaporator device 4 and / or the flow rate of the working fluid c ire olante within the d c ire closed use 2 controls the varying amounts of the speed 21perregobre b speed of the motor shaft de of the volumetric expanse re 5 and / or the opening DHveDo the lamination valve 11 to reduce the inlet pressure to said at least one flash device 4 and / or the opening of the internal cylinder valve b of the flash device 4.
Oltre alla regolazione mediante il numero di giri, infatti, l’espansore 5 può essere regolato attraverso la variazione della pressione di ammissione, agendo sia sulla valvola a tre vie 13 che regola il passaggio difluido dalcircuito principale PaD’ulteriore ramo ausiliario A’ dove è presente il dispositivo di accumub termico 12 sia sulla valvola di laminazione 11 sia sulla valvola di laminazione interna del dispositivo flash 4. Anche questo tipo di regolazione è reso possibile dalla capacità dell’espansore volumetrico 5 di impiegare salti di pressione diversi dal nominale con variazioni limitate del proprio rendimento. In addition to the regulation by means of the number of revolutions, in fact, the expander 5 can be regulated by varying the inlet pressure, acting both on the three-way valve 13 which regulates the passage of fluid from the main circuit PaD and the further auxiliary branch A 'where it is the thermal accumulation device 12 is present both on the lamination valve 11 and on the internal lamination valve of the flash device 4. This type of adjustment is also made possible by the capacity of the volumetric expander 5 to use pressure jumps other than the nominal with limited variations of their performance.
La regolazione della frequenza di lavoro deD’altematore 20, e quindi della velocità di rotazione dell’espansore 5, può essere realizzata mediante un comune PLC 22, che abbia come va ria b Di osservate la pressione e la temperatura in uscita dal panne Do solare 3, grazie rispettivamente ad un misuratore di pressione 30 e di temperatura 31, la portata di acqua surrisc aidata, grazie ad un misuratore di portata 32, nonché fl livello di liquido nel dispositivo flash 4, grazie ad un sensore di liveDo 35, e la temperatura del dispositivo di accumub termico 12, grazb ad un ulteriore misuratore di temperatura 33. La regobzbne delnumero digiripuò avvenire in funzione deLa pressbne aD’intemo del dispositivo flash 4, secondo una bgge dipendente, caso percaso, daDa tipobgia diespansore 5 utilizzato e daisuoipunti ottimaD di funzbnamento . La regobzbne deDa portata di fluido destinata al dispositivo di accumub termico 12 può avvenire in base aDa differenza tra flvabre misurato ed flvabre di set-point se elto (che può essere anche variabib in funzbne deDe c ondizb ni ambientai -temperatura ed irraggiarne nto sobre) deDa temperatura del campo sobre, oppure anche in funzbne deDa richiesta di potenza ebttrica da parte della rete o de H’utiKzzato re, nel qual c a so il c ampo solare assorbe le fluttua zio ni di energia imposte daltipo diutilizzo . The adjustment of the working frequency of the alternator 20, and therefore of the rotation speed of the expander 5, can be carried out by means of a common PLC 22, which has as its variable b Di observe the pressure and the temperature at the output of the solar panel. 3, thanks to a pressure meter 30 and temperature 31 respectively, the overheated water flow rate, thanks to a flow meter 32, as well as the liquid level in the flash device 4, thanks to a liveDo sensor 35, and the temperature of the thermal storage device 12, thanks to an additional temperature gauge 33. The adjustment of the number of digits can take place according to the pressure inside the flash device 4, according to a law depending, in each case, on the type of expander 5 used and on its optimal points. of funzbnamento. The regulation of the flow rate of fluid destined for the thermal storage device 12 can take place on the basis of the difference between the measured flvabre and the set-point flvabre if elto (which can also be variable in functions of ambient temperature and irradiation) deDa temperature of the field is sober, or also in function of the demand for electrical power by the grid or by the user, in which the solar field absorbs the energy fluctuations imposed by the type of use.
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| ITUA2016A004648A ITUA20164648A1 (en) | 2016-06-24 | 2016-06-24 | Plant for electrical / mechanical generation from renewable sources. |
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