Feb 082012
 

Il Sole fornisce quotidianamente una quantità immensa di energia gratuita, pulita e inesauribile. Si è misurato che irraggia ogni metro quadro di superficie del nostro pianeta con 1Kw di energia al giorno. Il Sole, inoltre, determina l’esistenza anche di altre forme di energia sulla Terra; si pensi all’acqua e al vento per citarne qualcuna. Le uniche fonti di energia non influenzate direttamente dal Sole sono la geotermica e la nucleare. Esistono diversi modi per sfruttare e impiegare l’energia solare. Tra questi abbiamo il riscaldamento, la produzione di acqua calda e la produzione di energia elettrica. Il processo che consente di sfruttare l’energia del Sole, è come negli altri casi complesso e richiede diversi passaggi di stato.

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Quale forma di ENERGIA sfruttiamo in una centrale solare?

Una centrale solare è costituita essenzialmente da specchi o altri strumenti che fungono da captatori per l’Energia Radiante del Sole. Questi concentrano i raggi catturati in un punto chiamato ricevitore che viene fortemente riscaldato trasformando l’energia catturata in Energia Termica. Questa consente di far evaporare dell’acqua che diventa vapore surriscaldato ad alta temperatura, in grado di far ruotare una turbina a vapore; l’energia termica viene così trasformata in Energia Meccanica e infine, attraverso un generatore collegato alla turbina, questa diventa Energia Elettrica.

Com’è fatta una CENTRALE SOLARE?

Innanzitutto bisogna sapere che esistono diversi sistemi oggi in uso per sfruttare l’energia solare. Questi sistemi vengono comunemente chiamati a “concentrazione solare” e sono distinti in:

  • Impianti parabolici lineari;
  • Impianti a torre;
  • Impianti lineari Fresnel;
  • Impianti a disco parabolico.
IMPIANTI PARABOLICI LINEARI

Schema di Centrale Parabolica Lineare

Sono in assoluto quelli più diffusi. Per ottenere la trasformazione energetica descritta, questo tipo di centrali è costituita da specchi che hanno una forma parabolica, tale da riflettere i raggi solari tutti su di un punto (il fuoco della parabola) dove si trova il tubo assorbitore.

Schema di funzionamento

Per comprendere il principio di funzionamento basta pensare ad una lente di ingrandimento puntata su un foglio: essa raccoglie i raggi solari concentrandoli in un unico punto (che corrisponde al nostro assorbitore). Dopo qualche istante, quel punto raggiunge temperature talmente elevate da far incendiare il foglio. Nello specchio parabolico l’assorbitore è un tubo che attraversa per lungo tutti gli specchi che vengono messi in serie. E’ possibile cambiare l’orientamento degli specchi ma unicamente ruotandoli su se stessi (un grado di libertà). Gli elementi costituenti una centrale parabolica lineare sono:

  1. pannelli solari (riflettore);
  2. tubo ricevitore (captatore);
  3. generatore di vapore;
  4. turbina a vapore;
  5. generatore;
  6. trasformatore.
PANNELLI SOLARI – sono specchi dalla forma curva (parabola) progettati per concentrare i raggi solari in un unico punto (fuoco). Sono realizzati in un particolare vetro in grado di concentrare una elevatissima quantità di raggi solari e sono montati su di una struttura in alluminio comandata da un computer in grado di farli ruotare in una direzione per seguire il Sole. Questi pannelli di vetro vengono montati in file parallele lunghe alcune centinaia di metri che formano un campo solare.

TUBO RICEVITORE – è costituito da un tubo di acciaio inox, ricoperto con vari strati di materiali altamente assorbenti e inguainato in un tubo di vetro Pirex sottovuoto. Grazie alla presenza del vetro, il fluido termovettore (normalmente un olio minerale) può raggiungere anche temperature di 400°C e oltre a seconda del tipo di rivestimenti. Il vetro è trattato con strati antiriflettenti sia internamente che esternamente ed è dotato di soffietti alle estremità che consentono di chiudere ermeticamente il fluido e di essere connessi con facilità agli altri tubi per realizzare un percorso continuo.

GENERATORE DI VAPORE – si tratta di un apparecchio che trasferisce calore ad un liquido (generalmente acqua) in modo da generare vapore. Il calore in questo caso è quello sviluppato dall’azione irraggiante del Sole sul tubo ricevitore e quindi, sull’olio minerale contenuto al suo interno.

TURBINA A VAPORE – è il componente di una centrale termoelettrica dove l’energia termodinamica del vapore viene convertita in lavoro meccanico. Il vapore, infatti, esercita un lavoro sulle pareti dei condotti, man mano che diminuisce la sua pressione, cioè man mano che si espande. Questo lavoro, mette in rotazione un albero motore collegato ad un generatore elettrico.
CONDENSATORE – è un dispositivo per il trattamento dei vapori caldi e contaminati che sfrutta il fenomeno della condensazione per rimuovere gli elementi inquinanti da un flusso d’aria. La condensazione può essere ottenuta attraverso un aumento della pressione o con una riduzione di temperatura o combinando i due processi.
GENERATORE – L’alternatore e’ un generatore di corrente elettrica. È costituito da due parti fondamentali, una fissa e l’altra rotante, dette rispettivamente statore e rotore, su cui sono disposti avvolgimenti di rame isolati. Normalmente l’alternatore lo ritroviamo in tutti i tipi di centrali per la produzione di energia elettrica perché riesce a trasformare l’energia meccanica di una turbina (idraulica, eolica, a vapore, ecc.) in energia elettrica.

Alternatore (generatore)

TRASFORMATORE – è una macchina elettrica che serve a trasferire, energia elettrica a corrente alternata da un circuito ad un altro modificandone le caratteristiche. E’ formato da un nucleo di ferro a cui sono avvolte spire di rame in due diversi avvolgimenti, dei quali uno riceve energia dalla linea di alimentazione, mentre l’altro è collegato ai circuiti di utilizzazione.

PRO e CONTRO di una Centrale Parabolica Lineare

I vantaggi di questo tipo di centrale derivano dal fatto che si tratta di una tecnologia ormai matura e collaudata, gli svantaggi sono però molteplici. Innanzitutto la temperatura operativa raggiunta dal fluido termovettore non è sufficientemente alta, gli specchi curvi sono molto costosi e difficili da sostituire e da mantenere, il fluido termovettore è altamente infiammabile e tossico, per cui si pone l’ulteriore problema dello stoccaggio. Infine, questo tipo di centrale risulta poco conveniente da un punto di vista dei costi di gestione.

IMPIANTI A TORRE

Schema di Centrale a Torre

Il sistema a torre centrale è una evoluzione di quello lineare, del quale cerca di superare tutti i limiti. E’ costituto da un campo di eliostati che riflettono e concentrano la radiazione solare su un ricevitore posto alla sommità di una torre. Nel ricevitore fluisce un fluido che riscaldandosi ad alta temperatura è in grado di produrre energia o di immagazzinarla sotto forma di calore. Se il fluido è acqua si ha produzione di vapore ad alta pressione direttamente nel ricevitore, se nel ricevitore circolano aria o sali fusi, il vapore viene prodotto in un generatore di vapore nel blocco energetico dell’impianto. Gli elementi fondamentali di un impianto di questo tipo sono:

  1. eliostati (riflettore);
  2. torre (captatore);
  3. serbatoi accumulo sali caldi e freddi;
  4. generatore di vapore;
  5. torre di raffreddamento;
  6. turbina a vapore;
  7. generatore;
  8. trasformatore.

ELIOSTATI – sono grandi specchi, piani o leggermente concavi, in grado di concentrare fino a 30 volte la radiazione solare a grande distanza, attualmente fino a 1Km. Vengono disposti radialmente attorno alla torre secondo una configurazione a scacchiera in modo da permettere la riflessione della radiazione solare sul ricevitore della torre durante il movimento del Sole. Ogni eliostato si muove in modo diverso dagli altri per effetto della sua posizione relativa rispetto alla torre.

Al crescere delle dimensioni cambia la distribuzione degli eliostati, da ventaglio a campo circolare; l’efficenza è funzione della disposizione degli specchi sul campo. Questa efficienza può essere ridotta a causa di alcuni fattori errati di progettazione; questi sono:

  • Shadowing (proiezione dell’ombra di un eliostato su quello posteriore);
  • Blocking (intercettazione della radiazione riflessa da un eliostato posto anteriormente);
  • Spillage (frazione di radiazione riflessa da un eliostato che esce dal bersaglio del ricevitore).

TORRE – struttura a torre posta al centro dell’impianto. In questo caso si parla di impianto a torre centrale o centrale solare a torre. Nel ricevitore al vertice della torre scorre il fluido termovettore che trasferisce il calore a un generatore di vapore, che alimenta un turboalternatore. Con questo sistema si possono raggiungere fattori di concentrazione, e quindi temperature, superiori rispetto ai collettori parabolici lineari.

SERBATOI DI ACCUMULO – nelle centrali a torreil fluido termoconvettore è costituito da sali fusi, una miscela di nitrati di sodio e potassio, che consentono temperature operative più elevate (500-550°C), rispetto all’olio diatermico, con migliore rendimento nella trasformazione in energia elettrica. I sali fusi, hanno inoltre, una discreta capacità di accumulo e conservazione del calore, consentendo di ovviare alla variabilità giornaliera della radiazione solare e alla sua assenza notturna. Presentano però l’inconveniente di solidificare a temperature tra 142 e 238°C, è necessario perciò mantenerli sempre in circolazione a temperature maggiori, per evitarne la solidificazione.

Le centrali di questo tipo funzionano prelevando con una pompa dal serbatoio freddo, i sali in esso depositati e facendoli circolare nel collettore solare, fino a raggiungere la temperatura di 550°C; a questo punto i sali così riscaldati vengono inviati in un serbatoio caldo dove vengono accumulati. Dal serbatoio caldo i sali passano nel generatore di vapore, cedono calore all’acqua contenuta in esso, la trasformano in vapore surriscaldato e ritornano nel serbatoio freddo. Il vapore surriscaldato aziona la turbina della centrale elettrica. L’accumulo con sali fusi consente una limitata autonomia di funzionamento in assenza o insufficienza insolazione.

GENERATORE DI VAPORE – (vedi impianti parabolici lineari).

TORRE DI RAFFREDDAMENTO – è un’installazione che preleva calore dall’acqua tramite evaporazione e conduzione. L’acqua viene pompata in cima alla torre di raffreddamento e quindi fluisce giù attraverso involucri di plastica o di legno. Ciò causa la formazione di goccie. Mentre fluisce verso il basso, l’acqua emette calore che mescola con la corrente d’aria superiore, raffreddandosi di 10-20 °C. Parte dell’acqua evapora, emettendo più calore. Il vapore acqueo può a volte essere osservato sopra la torre di raffreddamento.

Torri di Raffreddamento

TURBINA A VAPORE – (vedi impianti parabolici lineari).

GENERATORE – (vedi impianti parabolici lineari).

TRASFORMATORE – (vedi impianti parabolici lineari).

PRO e CONTRO di una Centrale a Torre

Le centrali a torre risolvono molti dei problemi delle centrali paraboliche. Innanzitutto con gli eliostati piani che, hanno un costo notevolmente inferiore, consentono una più facile manutenzione e pulizia e sono più facilmente installabili.

I sali, usati al posto degli oli, consentono di accumulare il calore e di riutilizzarlo durante i periodi di scarso irraggiamento. Inoltre, operano a temperature più elevate e quindi sono più efficienti dal punto di vista energetico. Infine, i sali non sono tossici e una volta dismessi dalla centrale possono essere riutilizzati in agricoltura come concimi.

Queste centrali presentano però alcuni inconvenienti: il sistema caldo-freddo richiede un processo di distribuzione molto complesso, cosa che aumenta i costi di progettazione e costruzione. La disposizione degli specchi a semicerchio rende difficoltosa la loro collocazione per evitare che si influenzino negativamente reciprocamente e risulta più complessa la concentrazione dei raggi sul captatore man mano che aumenta la distanza da questo. Infine anche in questo caso la centrale crea un forte impatto sull’ambiente.

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IMPIANTI LINEARI FRESNEL

Schema specchi Fresnel

E’ un sistema di collettori abbastanza recente. Solo da poco tempo si stanno iniziando a realizzare impianti per la produzione di calore ad alta temperatura di questo tipo. E’ costituto da un campo di eliostati lineari che riflettono e concentrano la radiazione solare su un tubo ricevitore posto in posizione orizzontale fissa. Gli eliostati sono in grado di ruotare lungo l’asse longitudinale in modo da inseguire il moto del Sole e mantenere costantemente la radiazione solare riflessa sul tubo ricevitore.
Il tubo ricevitore è in genere costituito da un tubo in acciaio protetto da vetro; attualmente non è mantenuto sottovuoto, tuttavia sono in corso esperienze anche con tubi ricevitori del tipo usato per le parabole lineari.
Gli impianti finora realizzati prevedono la produzione di vapore in campo fino a 270°C, anche se sono state realizzate esperienze con produzione di vapore fino 400°C.

PRO e CONTRO di un Impianto FRESNEL
Questo tipo di impianti presenta alcune caratteristiche che li rendono competitivi nei riguardi di quelli più diffusi. Permettono, infatti, di risparmiare parecchio suolo rispetto a quelli parabolici lineari e hanno un costo di installazione di gran lunga inferiore dato il minor uso di materiali da impiegare.

Per contro, però, il loro rendimento è inferiore a causa della minore efficienza sia dei collettori (temperatura, ombreggiamenti, tubo ricevitore non isolato in vuoto) che del ciclo termodinamico.

Impianto solare Fresnel

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IMPIANTI A DISCO PARABOLICO

Schema impianto a Disco Parabolico

Detti anche sistemi Dish–Stirling sono generatori solari termoelettrici di piccole dimensioni. In questi sistemi un paraboloide di alcuni metri di diametro concentra la radiazione sul ricevitore di un motore Stirling di alcuni kW, in grado di azionare un alternatore collegato direttamente alla rete elettrica.
Sono in grado di funzionare in modo completamente automatico: si accendono al mattino, inseguono il Sole nel suo modo diurno e ritornano in posizione di alba a fine giornata, restando in condizioni di attesa durante la notte.

Questi sistemi possono funzionare o isolati, senza sorveglianza continua, oppure in cluster o solar farm da centinaia o migliaia di esemplari.


L’elevata efficienza di conversione, la facilità di installazione e la possibilità di riduzione dei costi con la produzione in grande serie, rendono questi sistemi applicabili alla generazione distribuita ed in prospettiva competitivi anche con i grandi impianti solari termodinamici.

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Schema di Impianto Solare a Concentrazione con Sistema di Accumulo del Calore