Concentratori solari

I principali sistemi utilizzati per concentrare la radiazione solare sono [43]:  Parabolic trough (concentratore parabolico cilindrico a fuoco lineare);  Solar tower (impianto a torre centrale);

 Parabolic dish (concentratore parabolico a fuoco puntiforme);  Linear Fresnel reflector (concentratore lineare di Fresnel).

I sistemi parabolic trough, sono la configurazione tecnologica più utilizzata e matura grazie alla maggior esperienza in termini di ricerca e di prodotti industriali commercializzati [44]. Il concentratore ha una forma parabolica cilindrica, costituito da moduli ricoperti di materiale altamente riflettente come argento o alluminio anodizzato. I concentratori sono allineati in file parallele con direzione nord-sud e tramite ad un sistema d’inseguimento monoassiale insegue la posizione del sole secondo la direzione est-ovest. Questo comporta un sistema d’inseguimento più semplice e meno costoso, però causa una perdita di energia captabile del 15-20% rispetto a sistema d’inseguimento a doppio asse. Il concentratore riflette e concentra i raggi solari su di un ricevitore posizionato nel fuoco del collettore stesso.

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Figura 70: Parabolic trough

Il ricevitore è costituito da un tubo in acciaio inossidabile sulla cui superficie esterna viene depositato un rivestimento selettivo di materiale composito metallo-ceramico, tale rivestimento permette di avere un’elevata assorbenza della radiazione solare e una bassa emissività di calore nell’infrarosso. Il tubo d’acciaio viene incapsulato in un tubo esterno di vetro borosilicato che ha la funzione di proteggere il rivestimento selettivo e di ridurre al minimo le dispersioni termiche verso l’esterno. Tra il tubo in acciaio ed il vetro viene realizzato il vuoto, inoltre sul tubo in vetro viene applicato un trattamento antiriflesso che ha il compito di ridurre al minimo l’energia riflessa.

Figura 71: Ricevitore parabolic trough

I fluidi termovettori principalmente utilizzati sono olio diatermico, sali fusi o vapore che può essere utilizzato direttamente in turbina.

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Tali impianti riescono a raggiungere, dato l’inseguimento monoassiale, un fattore di concentrazione compreso tra i 70 e 100 soli e sono in grado di raggiungere temperature nell’ordine dei 300 – 600 °C.

I sistemi solar tower, è la tipologia d’impianto più diffusa dopo i sistemi parabolic trough, e rappresentano l’alternativa ai sistemi parabolici quando sono necessarie temperature di esercizio più elevate [44]. I sistemi solar tower sono composti da una serie di eliostati che hanno il compito di riflettere la radiazione solare su di un ricevitore posto sulla sommità di una torre. Gli eliostati possono circondare completamente la torre su cui è posizionato il ricevitore oppure possono essere disposti ad emiciclo verso nord nel emisfero boreale (verso sud nel emisfero australe).

Figura 72: Sistema solar tower

Gli eliostati, di forma piana e piatta, sono ricoperti con materiali altamente riflettente (lo stesso utilizzato nei sistemi parabolic trough), con efficienza di riflessione del 90-97%. Gli eliostati sono dotati di un sistema d’inseguimento a doppio asse del tipo azimut-elevazione. A causa dell’elevato costo del sistema d’inseguimento gli eliostati hanno notevoli dimensioni; da esempio il più grande impianto solare a torre centrale, Ivanpah Solar Power Facility situato nel deserto nel Mojave (Stati Uniti), è composto da tre generatori per una potenza complessiva di 392 MW ed utilizza degli eliostati che hanno un’area di 14 m2_.

Tali impianto raggiungono fattori di concentrazione compresi tra i 700 e i 1000 soli e temperature nel ordine dei 600 – 1000°C a seconda del tipo di ricevitore utilizzato.

Esistono diverse tipologie di ricevitori:

 Ricevitore esterno, di forma cilindrica, formato da serpentine al cui interno scorre il fluido termovettore. Le serpentine sono realizzate in lega di nichel o acciai speciali e vengono

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trattate con dei coating per incrementare l’assorbimento della radiazione solare e minimizzare le perdite per re-irraggiamento. Con questa soluzione si riesce a raggiungere una temperatura di 600°C, non possono essere utilizzati i sali come fluido termovettore perché potrebbero solidificare. Durante la progettazione è necessario trovare un compromesso per le dimensioni del ricevitore in quanto un ricevitore di piccole dimensioni riduce le perdite termiche ma comporta una ridotta superficie di scambio.

 Ricevitore a cavità, riduce le dispersioni termiche che si hanno con il ricevitore esterno, in quanto la radiazione solare viene concentrata su le superficie assorbenti collocate all’interno di una cavità la quale può essere chiusa quando non c’è irraggiamento.

 Ricevitore volumetrico, è composto da una superficie di scambio a nido d’ape con struttura in materiale ceramico o in acciaio. Come fluido termovettore primario viene utilizzata l’aria che viene fatta passare attraverso la struttura, dopo di che l’aria trasferisce il calore ad un fluido termovettore secondario che viene mandato al generatore.

 Ricevitore a diretto assorbimento, il fluido termovettore scende sulle pareti inclinate e viene irraggiato direttamente, il fluido può trovarsi sia in una cavità interna che in pareti esterne. Di solito come fluido termovettore vengono utilizzati Sali fusi anneriti per migliorare l’assorbimento. Con questo ricevitore è possibile raggiungere temperature di circa 1000°C. I sistemi solar tower hanno un elevato rendimento termodinamico legato alle elevate temperature di funzionamento. L’impiego di diversi tipi di fluidi termovettore consente il funzionamento in un ampio range di condizioni operative. Impianti di grande scala hanno dimensioni molto grandi sia per quando riguarda l’altezza della torre sia per quanto riguarda il suolo occupato dagli eliostati.

I sistemi parabolic dish è composto da un concentratore a forma di paraboloide ricoperto di materiale altamente riflettente, che ha il compito di concentrare la radiazione solare in un unico punto (fuoco della parabola), dove viene posizionato il ricevitore. Tali impianti possono raggiungere fattori di concentrazione pari ai 2000 soli e sono in grado di raggiungere temperature dell’ordine dei 750 – 1000 °C ma riescono a fornire basse potenze nel ordine dei 5-100 kW elettrici.

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Figura 73: Sistema parabolic dish

Il materiale riflettente utilizzato è lo stesso di quello visto nei concentratori parabolic trough. I concentratori possono assumere diverse forme da cui si originano diverse configurazioni:

 Tiles, il paraboloide è realizzato mediante una struttura a spicchi o a settori sui quali viene incollato il materiale riflettente aventi diverse concavità;

 Stretced membranes, il concentratore è composto da membrane di piccole dimensioni accoste in modo da creare spazi vuoti. Con tale configurazione si ha un aumento del ingombro del paraboloide dovuto all’aumento degli spazi vuoti, tra una membrana e l’atra, comporta un aumento di peso e di dimensioni della struttura portante e quindi si avrà un maggior impatto visivo. Tuttavia il sistema è molto competitivo per quanto riguarda il costo e la manutenzione;

 Foils, il concentratore è formato da lamelle di materiale altamente riflettente incollato su di una struttura di supporto.

Figura 74. Sistemi parabolic dish tlies, stretced membranes e foils

L’inseguimento della posizione apparente del sole viene effettuato tramite un meccanismo d’inseguimento a doppio asse; in questo modo è possibile sfruttare la radiazione diretta per l’intero

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arco della giornata. Le modalità d’inseguimento solare maggiormente utilizzate sono: inseguimento azimutale-elevazione o inseguimento polare.

Nel ricevitore, di un sistema solar dish, solitamente è integrato un motore Stirling; quindi in questo caso il ricevitore deve assorbire la radiazione solare concentrata e traferirla al fluido di lavoro del motore termico. Il ricevitore è posizionato nel fuoco del concentratore. Per ridurre le perdite di irraggiamento verso l’esterno e di convezione è utilizzato un ricevitore a cavità. I ricevitori più utilizzati sono:

 A scambio diretto (directly illuminated tube receiver), la superficie esposta alla radiazione solare concentrata è composta da una serie di tubi nel quale circola direttamente il fluido di lavoro del motore, con tale tipologia si possono raggiungere temperature del ordine dei 800 °C,

 A fluido intermedio (indirectly illuminated tube receiver), l’assorbitore utilizza un fluido termovettore che evapora e ricondensa su una mesh di tubi al cui interno circola il fluido di lavoro del motore. Anche se ci sono due scambi termici, questa soluzione permette di avere una migliore omogeneità di riscaldamento del fluido di lavoro grazie allo scambio termico in cambiamento di fase,

 Ricevitori ibridi, sono in grado di assorbire sia l’energia solare sia l’energia termica prodotta dai combustibili,

 Altri cicli, gli impianti possono utilizzare anche cicli Brayton o ORC, nel quale il generatore è esterno e non integrato nel ricevitore del sistema. In questo caso il ricevitore è una serpentina nel quale scorre il fluido termovettore che viene inviato al generatore ORC o ad uno scambiatore secondario (ciclo Brayton).

I sistemi parabolic dish, rispetto ai sistemi visti precedentemente, sono maggiormente adatti per la generazione distribuita in quanto hanno un ingombro inferiore e potenze più limitate.

I sistemi Linear Fresnel reflector sono considerati una soluzione promettente grazie alla capacità di superare vincoli tecnico-economici associati ad impianti a concentrazione più convenzionali per applicazioni termiche che richiedono temperature medio-alte [45][46]. Tali sistemi sono formati da file di specchi piani che concentrano la radiazione solare su di un tubo ricevitore lineare posto al di sopra degli spechi stessi. Tali sistemi sfruttano il principio delle lenti Fresnel, le quali rifraggono la radiazione solare per concentrarla in un unico punto. Ogni fila di specchi può essere movimentata separatamente.

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Figura 75: Linear Fresnel reflector

Sopra al ricevitore può essere applicato un riflettore secondario che ha lo scopo, sia di aumentare ulteriormente il fattore di concentrazione, sia quello di correggere eventuali errori di posizionamento degli specchi.

I fattori di concentrazione vanno dai 25 soli fino a 100 soli e si raggiungono temperature comprese tra i 200 e 450 °C. Come fluido termovettore può essere utilizzata acqua pressurizzata o olio diatermico a seconda delle temperature raggiunte. Tale tipologia di sistema ha prestazioni molto inferiori rispetto ai sistemi visti precedentemente ma compensa con costi di realizzazione e gestione notevolmente inferiori.