LA TECNOLOGIA DEL SOLARE TERMIDINAMICO A CONCENTRAZIONE

Introduzione Le tematiche ambientali continuano ad assumere un rilievo sempre più marcato, anche per effetto dei cambiamenti climatici che preoccupano sempre più l’opinione pubblica

Le energie rinnovabili La definizione di energia rinnovabile è spesso legata al termine ecologia. Ci sono diversi tipi di energia rinnovabile, più o meno sfruttate o sfruttabili, che cercano comunque di ridurre sempre l’impatto ambientale. I tipi di energia rinnovabili sono: biomasse, eolica, idroelettrica, idrogeno, geotermica e solare. Le energie rinnovabili sono attualmente argomento di dibattito e discussione, in quanto sono soluzioni efficaci al problema dell’ inquinamento e trovano sempre più ampia approvazione da parte degli stati e della popolazione.

Biomasse Biomasse sono sostanze di origine biologica : materiali e residui di origine agricola e forestale, prodotti secondari e scarti dell'industria agro alimentare, i reflui di origine zootecnica, ma anche i rifiuti urbani, le alghe e molte specie vegetali perla depurazione di liquami organici.

Eolica L’energia eolica è l’energia che sfrutta la forza del vento per produrre corrente elettrica. Un impianto eolico è un impianto di produzione di energia elettrica che utilizza l'energia cinetica delle particelle d'aria.

Idroelettrica È l'energia posseduta dalle masse di acqua. Tale energia è prima di tutto potenziale, associata alla quota più o meno alta sul livello del mare. Si cerca di sfruttare questa energia deviando e canalizzando fiumi, costringendo la loro acqua in percorsi obbligati con dislivelli di quota. E' proprio grazie alla presenza di dislivelli che siamo in grado di estrarre energia dall'acqua.

Idrogeno Le fuel cell sono dei dispositivi che convertono direttamente l'energia chimica di un combustibile in energia elettrica. Uno dei combustibili possibili è l'idrogeno. Il processo è elettrochimico, come nelle batterie, con la differenza che mentre in queste si “immagazzina” l'energia grazie ai prodotti chimici internamente presenti, in una fuel cell (cella a combustibile) si produce energia rifornendosi da una fonte esterna, ad esempio il serbatoio d'idrogeno.

Geotermica L’energia geotermica è il calore interno della Terra e può essere sfruttata sia direttamente per il riscaldamento,per impianti termali o serre sia in modo indiretto per produrre elettricità. La temperatura interna della Terra aumenta a mano a mano che si scende in profondità. L’acqua piovana infiltrandosi nel sottosuolo quando trova strati rocciosi impermeabili forma dei depositi che si riscaldano a contatto di queste rocce. Quando l’acqua trova uno sbocco verso l’alto, risale in superficie sotto forma di acqua calda e di vapore. Il calore interno della Terra può raggiungere la superficie naturalmente, con i geyser o artificialmente con un pozzo perforato.

Solare 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. L’energia solare viene sfruttata: direttamente nelle serre e nei dissalatori, che trasformano l’acqua marina in acqua dolce, indirettamente coi pannelli solari, nelle centrali solari a specchio e nelle centrali fotovoltaiche.

La tecnologia solare a concentrazione La storia ci insegna che la tecnologia a concentrazione nacque in Italia oltre 2000 anni fa, come piano difensivo. Il primo fu Archimede che la utilizzo per difendere la città di Siracusa dall’attacco del Console Romano Marcello (212 A.C.)

La tecnologia solare a concentrazione In Italia operano imprese industriali e centri di ricerca, che hanno creato una filiera tutta italiana nel campo dell’energia solare termodinamica ENEA (Gruppo Enel), Archimede Solar Energy (ASE - Gruppo Angelantoni Industrie S.p.a) e BFR Group

Diverse tecnologie di impianti solari a concentrazione: Dischi parabolici Torri solari Collettori parabolici lineari Collettori lineari Fresnel

I collettori parabolici Il concentratore ha un profilo parabolico lineare, con superfici riflettenti che inseguono il sole, attraverso un meccanismo di rotazione su un solo asse I primi impianti compaiono in America negli anni ’80

La tecnologia dei collettori parabolici lineari

La tecnologia dei collettori parabolici lineari I collettori parabolici lineari sono costituiti da file di specchi a forma parabolica che concentrano la luce solare su tubazioni, sviluppate linearmente e posizionate nel suo fuoco, percorse da un fluido termo-vettore, composto di sali, che raccolto in appositi serbatoi può essere utilizzato per alimentare un generatore di vapore In presenza del sole, il fluido termico prelevato dal serbatoio freddo (290°)viene fatto circolare attraverso la rete dei collettori parabolici, viene riscaldato attraverso una temperatura di 550° e immesso nel serbatoio caldo. L’energia viene così accumulata Dal serbatoio caldo viene prelevata per produrre vapore ad alta pressione e temperatura, che viene inviato alla vicina centrale a ciclo combinato, dove contribuisce alla generazione elettrica La centrale può produrre energia elettrica in qualsiasi momento e in qualsiasi condizione meteorologica, fino all’esaurimento dell’energia immagazzinata

I Collettori parabolici lineari Sono costituiti da 2 parti: Un Campo Solare in cui file di specchi concentrano l’energia del sole sui tubi ricevitori, i quali convertono l’energia in calore ad alte temperature Una Centrale termo-elettrica che produce elettricità in modo convenzionale

Il Tubo ricevitore Connessione tra vetro e metallo Contenitore di vetro (boro silicato), p<1 Pa Rivestimento anti-riflesso Soffietti compensatori di dilatazione Rivestimento ad assorbimento selettivo Tubo ricevitore Siemens Tubo ricevitore Scott Solar

Coating Selettivo Composito ceramico-metallico (CERMET in Mo e Si02) assorbanza a=0.93 ed emittanza e=0.065 a 580°C (elevatissime prestazioni) Resistente ad alte temperature (a differenza del Black Chrome) Temperatura massima circa 600 °C

Il sistema di concentrazione Tubo Ricevitore Asse di rotazione Pilone di sostegno Basamento in cemento

Struttura del sistema di supporto degli specchi

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

Alternatore 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

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.

Principali limitazioni Sale fuso: solidificazione a 221 °C (cristallizza a 238 °C) Coating selettivo: degenera a circa 600 °C Problemi di controllo della temperatura SOLUZIONI: Sistema di riscaldamento a traccia (effetto joule) Messa fuori fuoco del collettore (elevata velocità di azionamento)

Il progetto Archimede – Centrale Enel di Priolo Gargallo (SR) Potenza nominale impianto solare = 20 MWe 53 loop da 600 m di collettori: tot=31,800 m (area tot = 183,000m2) Rendimento medio sole/fluido= 67% CO2 non emessa in atmosfera = 39,000 t/anno.

Il Progetto Archimede Vantaggi L’energia prodotta è “pulita” Minore dipendenza dall’estero del nostro paese per l’importazione di energia o di greggio Il “Solare Archimede” potrà dare una spinta occupazionale nel Sud Italia e, più in generale, nelle fasce tropicali del mondo, dove sono concentrate le zone a maggiore esposizione solare e dove i “campi di luce” potranno generare una maggiore quantità di energia elettrica “pulita e rinnovabile”

Il progetto Archimede Svantaggi La centrale richiede un’ampia superficie per collocare gli specchi a concentrazione Come tutte le energie rinnovabili non è continua, nel caso dell’energia solare a causa dell’alternarsi del giorno e della notte. Un aspetto parzialmente mitigato dalla possibilità di accumulare il calore in speciali serbatoi La capacità produttiva è ancora troppo bassa rispetto alle altre fonti di energia fossili Il solare di Archimede è una tecnologia sperimentale. I costi tecnologici sono ancora alti

Esercitazione di laboratorio per gli studenti

Kit pannello solare per cancello elettrico Il kit fotovoltaico 25W - 24V consente di far funzionare il motore elettrico di un cancello automatico, un portone elettrico, una  serranda elettrica, barriere stradali, ecc., tramite 2 batterie 12V in serie ricaricate con energia solare da un pannello solare fotovoltaico a 24V. Il kit funziona senza la necessità di portare sul posto una linea elettrica tradizionale a 230V, in modo totalmente automatico e facendo risparmiare tanti soldi sulla bolletta elettrica. Il kit da 25W è idoneo per alimentare un motore di potenza massima pari a 90W.

Funzionamento e vantaggi del sistema di alimentazione solare Il kit fotovoltaico per l'automazione del cancello garantisce minimo 20 aperture/chiusure al giorno e permette il funzionamento del cancello anche in caso di black-out elettrico. Le batterie sono dimensionate in modo da consentire il funzionamento del sistema con una autonomia di 3-4 giorni in caso di prolungato maltempo (situazione questa in cui il pannello solare funziona a regimi ridotti). Volendo aumentare i giorni di autonomia è possibile inserire nel kit delle batterie di capacità superiore (Ah) o scegliere un kit di potenza superiore. Il kit fotovoltaico per l’automazione di cancelli, portoni, barriere a 24V consente di utilizzare i suddetti sistemi senza essere costretti a portare la linea elettrica 230V di alimentazione dal quadro generale fino al punto in cui è installato il cancello; posizionando il kit solare vicino al cancello lo si potrà alimentare evitando tutti i lavori edili ed impiantistici ed i relativi costi. Per alimentare un cancello elettrico è spesso necessario effettuare lunghi scavi, anche superiori ai 100m, posizionare lungo il percorso numerosi pozzetti di ispezione e inoltre, per evitare le cadute di tensione lungo la linea, i cavi elettrici che vengono utilizzati devono essere di grossa sezione. Queste caratteristiche rendono l’alimentazione di tali sistemi enormemente costosa. Con il sistema solare a 24V tali costi sono completamente evitati realizzando un’alimentazione solare fotovoltaica "ad isola" a 24V, che consente il funzionamento del cancello in modo efficiente e gratuito con energia fornita dal sole, senza spese in bolletta.

Installazione del kit solare a 24V L'installazione del sistema è molto semplice e consiste nel montaggio del pannello solare in posizione ben esposta (senza ombreggiamenti), preferibilmente rivolto a SUD con inclinazione di 45-50° rispetto al suolo (per aumentare la ricarica nella stagione invernale). Quindi seguendo lo schema elettrico fornito si passa al collegamento delle 2 batterie e del regolatore di carica (da alloggiarsi in una nicchia o una scatola plastica per componenti elettrici).

Dimensionamento del kit fotovoltaico Motori di potenza fino a 90W:   Kit da 25W con 2 batterie da 7,2Ah Motori di potenza da 90W a 180W:   Kit da 50W con 2 batterie da 12Ah Motori di potenza da 180W a 300W:   Kit da 70W con 2 batterie da 17Ah

Il kit fotovoltaico Il kit 25W comprende i seguenti dispositivi: - 1 Pannello solare fotovoltaico 25W a 24V - 2 Batteria AG M 12 V da 7.2 Ah - 1 Regolatore di carica da 5 A