Un conveniente utilizzo dell’energia solare può essere rappresentato dalla microge- nerazione distribuita cioè una modalità di produzione decentralizzata dell’energia elettrica attuata per mezzo di piccole unità produttive, di potenza inferiore a 1 MW, disseminate sul territorio ed in prossimità del consumatore finale. Questo sistema rappresenta il concetto di produzione di energia elettrica in maniera dia- metralmente opposta a quello che ha caratterizzato lo sviluppo industriale fino ad
oggi. La concezione classica è basata infatti sul funzionamento di poche grandi centrali elettriche che producono in economie di scala e distribuiscono l’energia ai consumatori anche a grandi distanze.
La microgenerazione distribuita ribalta questo modello accentratore di produzione di energia elettrica, in mano alle grandi aziende del settore, utilizzando un’idea di produzione basata su una moltitudine di piccoli impianti di produzione di ener- gia dislocati sul territorio e calibrati in base alle esigenze del consumatore. In questo modo, con l’autoconsumo di energia, si elimininano i costi di trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica generando un immediato vantaggio economi- co. La microgenerazione distribuita può essere attuata in forme diverse, potendo comprendere sia tecnologie convenzionali quali generatori diesel, turbine a gas, microturbine, sia tecnologie avanzate quali celle a combustibile, sistemi impiegan- ti fonti rinnovabili (energia solare, energia eolica, mini e microidraulico, biomasse e rifiuti) nonché sistemi di accumulo (elettrochimico, elettromagnetico, idraulico). I progressi tecnologici degli ultimi anni, ed un’aumentata sensibilità verso i pro- blemi ambientali, hanno portato ad un discreto sviluppo della microgenerazione distribuita ad energia solare.
In questo ambito un’interessante soluzione è rappresentata dall’utilizzo di collet- tori solari CPC a bassa concentrazione per la conversione di energia solare in potenza elettrica mediante ciclo Rankine con fluido di lavoro organico ORC (Or- ganic Rankine Cycle). Gli impianti basati su Ciclo Rankine Organico utilizzati per la microgenerazione cogenerativa consentono di ottenere importanti vantag- gi in termini di rendimento, affidabilità, facilità di manutenzione ed economicità degli investimenti. Tutto ciò è possibile grazie alla flessibilità di tali impianti di operare con diversi fluidi di lavoro al fine di adattare le caratteristiche del fluido alla potenza termica e alle temperature e pressioni in gioco. I CPC impiegati in questo tipo di applicazioni, per raggiungere prestazioni accettabili in termini di rendimento, devono possedere un assorbitore a tubo evacuato, fattore che rap- presenta una grossa limitazione dal punto di vista economico-costruttivo. Una soluzione interessante potrebbe essere rappresentata dalla sostituzione del tubo evacuato con ricevitori metallici, eventualmente trattati superficialmente con rive- stimenti selettivi, abbinati a collettori di diverse forme tali da garantire prestazioni confrontabili con i CPC a tubo evacuato, ma con una maggiore economicità di funzionamento. Da queste considerazioni prende spunto il presente lavoro di tesi nel quale verranno esaminate diverse soluzioni al fine di ridurre le perdite termiche all’interno del collettore ed aumentare così l’efficienza del sistema. In particola- re, in riferimento alla pubblicazione scientifica di Ari Rabl, Comparison of Solar
Concentrators, verranno analizzate, mediante fluidodinamica computazionale, le prestazioni di collettori solari CPC di diverse forme al variare della temperatura del ricevitore e dell’angolo di inclinazione del collettore stesso.
Il collettore parabolico composto
Nel presente capitolo vengono analizzate le principali caratteristiche del collettore parabolico composto CPC che, come già anticipato nella Sezione 2.5.1, rappre- senta una tipologia di collettore solare a concentrazione basato sull’ottica senza immagini. Il principio di funzionamento è il seguente: la radiazione solare viene riflessa e concentrata sull’assorbitore posto in corrispondenza dei fuochi delle due parabole che compongono il concentratore e viene assorbita dal fluido che vi scorre all’interno.
3.1
Tipologia di ricevitore
Il ricevitore può assumere forme diverse, per ognuna delle quali corrispondono di- verse forme della parte inferiore del concentratore, realizzate in modo da riflettere sull’assorbitore la porzione di radiazione altrimenti persa sul fondo. In ogni caso, il ricevitore è posto in corrispondenza dei fuochi delle due parabole; la figura 3.1 ne riporta uno schema semplificato. Nei collettori CPC è necessario mantenere l’assorbitore e il riflettore ad una certa distanza, per evitare perdite di calore per conduzione tra i due componenti, ma allo stesso tempo cercando di non peggiora- re troppo l’efficienza ottica che diminuisce all’aumentare della distanza. Questo fenomeno è accentuato nel caso di assorbitori piani.
Figura 3.1: Esempi di collettori solari CPC simmetrici
Il ricevitore piano (Fig. 3.2) è costituito da un’aletta piana con rivestimento selettivo ad alta assorbanza, nella cui parte inferiore viene saldato un condotto in cui far circolare il fluido termo-vettore. La saldatura agisce da ponte termico tra l’aletta e il tubo stesso permettendo, tramite conduzione, lo scambio termico.
L’assorbitore cilindrico (Fig. 3.3) è attualmente il più diffuso per le buone pre- stazioni offerte e per la relativa semplicità costruttiva e di montaggio. Anche in questo caso il ricevitore è disposto in corrispondenza dei fuochi delle due parabole. Generalmente all’interno del ricevitore, il fluido viene fatto passare attraverso un condotto sagomato ad U sull’intera lunghezza del collettore in modo da riscaldarsi maggiormente (dato che percorre per due volte la lunghezza assiale del colletto- re); la pratica più diffusa consiste nell’impiegare tubi evacuati con rivestimento selettivo in modo da ridurre le perdite di calore. I condotti sono di rame e anche in questo caso la saldatura con la quale sono riportati lavora da ponte termico consentendo lo scambio termico.
Figura 3.3: Schema dettagliato di un ricevitore cilindrico per CPC
L’assorbitore a cuneo e a due facce, principalmente impiegati per minimizzare le perdite ottiche, ad oggi sono poco diffusi per delle oggettive difficoltà costruttive, specie per l’assorbitore a cuneo.