Dopo aver analizzato le caratteristiche dell’energia solare nel capitolo 1 e aver visto come fondamentalmente altre forme di energia derivino dalla stessa, è interessante ripercorrere l’evoluzione storica che ci ha condotto all’odierno impiego della radiazione solare.
L'uomo si rese conto dei benefici derivanti dall'impiego dell'energia solare fin dai tempi preistorici, utilizzandola in un primo momento, direttamente per scaldarsi ed essiccare cibi e successivamente anche indirettamente mediante strumenti per svariate applicazioni; in particolare, la proprietà delle superfici riflettenti concave, esposte ai raggi del Sole, di causare la combustione di molti materiali era nota ai popoli più antichi in oriente e nel bacino mediterraneo, e dava origine alla denominazione di specchi ustori. I primi usi documentati di tali specchi andavano dall’accensione del fuoco alla cottura di
45 cibi, al riscaldamento dell’acqua e delle abitazioni; ad esempio, nel secondo secolo a.C. si narra che Archimede, il celebre matematico siracusano, abbia usati i medesimi per incendiare a distanza la flotta romana comandata dal console Marcello, il quale assediava la città.
Il primo pannello solare pare sia stato costruito nel diciottesimo secolo dallo scienziato svizzero Horace Benedict de Saussure, e si trattava di una semplice "scatola" di legno con un vetro nella parte esposta al Sole e la base di colore nero; tale oggetto era capace di assorbire la radiazione solare termica intrappolata nello stesso grazie ad un locale "effetto serra" ed alla scarsa dispersione dovuta alle caratteristiche termiche isolanti del legno. Il pannello consentiva di raggiungere temperature del fluido vettore di circa 87º C.
Sorprendentemente, le primissime applicazioni dell’energia solare fanno riferimento all’uso di collettori a concentrazione, che per loro natura (complessità della forma del ricevitore e necessità di inseguimento solare), richiedono maggior attenzione; il primo significativo esperimento riguardò la fornace solare progettata dal chimico francese Antoine Lavoisier (1772) in due stadi di concentrazione: una prima lente di 1.32 m ed una secondaria di 0.2 m. Tale costruzione consentì alla fornace di raggiungere temperature (oltre 1˙000 °C) sufficienti a fondere metalli.
È importante evidenziare come la diffusione della macchina a vapore, che utilizzava come combustibile il carbone (allora disponibile in abbondanza), frenò le applicazioni dell’energia solare; solo cento anni dopo, si cominciò a porsi il problema dell’esaurimento delle scorte del carbone. Su queste basi, A. Mouchot, all’Esposizione Universale di Parigi del 1878, presentò il primo motore solare: un riflettore a disco parabolico da 20 m2 che, concentrando i raggi del Sole su un recipiente contenente 70 litri di acqua, in 30 minuti produceva energia termica sufficiente a generare vapore in grado di azionare un macchinario.
Da quel momento, si diffusero le prime applicazioni di impianti per il pompaggio, di dissalazione dell’acqua e di cottura dei cibi nelle zone più soleggiate, come l’Africa settentrionale, ed l’India (A Bombay), ove W. Adams, rappresentante della Corona britannica, riflettendo criticamente sul progetto di Mouchot e con lo scopo di ottenere temperature maggiori con costi minori e manutenzione più semplice, costruì una batteria di piccoli specchi da collimare sulla caldaia, posizionandoli a semicerchio e muovendoli opportunamente per seguire il percorso apparente del Sole; sul finire del 1878, tale soluzione tecnica fu definita a torre (come tuttora denominata), ed aggiungendo gradualmente specchi fino a raggiungere la temperatura di 800 °C, essa fu in grado di
46 produrre vapore con una pressione sufficiente a far girare un motore di media potenza. Inoltre, nel 1887, l’inventore svedese-americano J. Ericsson sperimentò impianti di irrigazione per le assolate coste del Pacifico, utilizzando il suo piccolo motore ad aria calda alimentato da un collettore con riflettore parabolico lineare, la cui caldaia era posta come un tubo, longitudinale al riflettore, nella linea del fuoco della parabola. In linea con tale costruzione, nel 1910 un ingegnere della Pennsylvania, F. Shuman, costruì una caldaia solare, alimentata da collettori parabolici lineari, capace di far girare un grande motore da 30 kW di potenza; in particolare, egli installò su una superficie di circa 4˙000 m2, a Meadi, a sud del Cairo (Egitto), cinque collettori di 4 m di apertura e 60 m di lunghezza, che rappresentano il primo impianto solare su scala industriale.
In quegli anni, gli eventi storici influirono sullo sviluppo delle tecnologie solari; difatti, iniziò la Prima Guerra Mondiale e nello stesso tempo la trivellazione massiccia dei grandi bacini petroliferi in Medio Oriente e nel continente americano. Ancora una volta, l’abbondante disponibilità di combustibile fossile frenò le applicazioni dell’energia solare a concentrazione; si dovrà attendere gli anni Ottanta del ventesimo secolo affinché venga riproposta quella tecnologia che, come dichiarava Shuman all’inizio del Novecento, utilizza “la più razionale fonte di energia”: causa di ciò fu la minaccia dell’esaurimento delle scorte petrolifere e della conflittualità permanente nelle aree di estrazione del greggio.
Un’altra area di interesse per l’uso dell’energia solare fu rappresentata dal riscaldamento dell’acqua per le abitazioni, che iniziò a manifestarsi nel 1930, ma acquistò interesse solo alla fine degli anni 40; fino ad allora, milioni di case erano riscaldate da caldaie a carbone, e quindi, l’idea fu quella di scaldare l’acqua mediante l’energia solare e mandarla nelle tubazioni del riscaldamento già esistenti. Così, la produzione di caldaie per abitazioni, iniziata nei primi anni 60, si espanse velocemente e si adottò come tipica soluzione l’utilizzo di un collettore piano collegato ad un serbatoio di accumulo e di un circuito di pompaggio dell’acqua.
È interesse notare anche come a metà degli anni Ottanta, nel Deserto californiano del Mojave (Stati Uniti), fu costruito un impianto solare a collettori parabolici lineari per la produzione di vapore, che, utilizzato in un ciclo termodinamico, forniva una potenza elettrica di 14 MW. Nella medesima zona, furono realizzati in seguito altri impianti della stessa filiera per complessivi 354 MW di potenza elettrica, tuttora funzionanti, ed un altro impianto solare con tecnologia a torre centrale (Solar One); questo impianto pilota, con una potenza elettrica di 10 MW, utilizzava un’area pari a circa 160˙000 m2, era connesso alla
47 rete della California meridionale e rimase attivo dal 1981 al 1988. In seguito, venne realizzato un secondo impianto a torre (Solar Two), in funzione dal 1996 al 1999, che utilizzava come fluido termovettore, non più acqua, ma una miscela di sali fusi.
Per quanto riguarda l’Europa, è stata l’Italia ad ospitare la prima grande centrale europea dimostrativa nell’ambito del solare ad alta temperatura, realizzata ad Adrano in Sicilia. L’impianto Eurelios del tipo a torre, costruito a partire dal settembre del 1979 da un consorzio italo-franco-tedesco nell’ambito di un programma di ricerca della Comunità Europea, aveva una potenza di progetto di 1 MW e rimase in funzione fino al 1986. Si consideri che dall’inizio degli anni Ottanta, in Spagna, presso la cittadina di Almeria, è attivo il più importante centro di ricerca europeo sulle tecnologie solari a concentrazione, noto come Piattaforma Solare di Almeria (PSA); nel medesimo centro, nel corso degli anni sono stati realizzati numerosi impianti sperimentali, in gran parte finanziati dalla Comunità Europea, per lo studio delle varie filiere tecnologiche: in particolare, i sistemi a torre centrale e i sistemi a collettore parabolico lineare.