Attualmente la radiazione solare viene utilizzata, per la maggior parte, per la generazione diretta di energia elettrica, mediante i collettori solari fotovoltaici, e per la conversione in energia termica ovvero il riscaldamento di un fluido destinato ad un impianto motore o ad usi domestici ed industriali, mediante i collettore solari termici.
I collettori solari possono essere statici o ad inseguimento solare, cioè dotati di sistemi meccanici in grado di modificarne orientazione ed inclinazione in modo da massimizzare la radiazione solare incidente. Solo i collettori solari termici possono essere a concentrazione: attualmente quelli fotovoltaici non sono a concentrazione in quanto soggetti a complicazioni tecniche ed economiche tali da sconsigliarne il loro utilizzo. Una possibile classificazione è riportata nella figura 1.4 [7].
1.3. Tecnologie per lo sfruttamento dell’energia solare 23
1.3.1 Collettori solari fotovoltaici
L’effetto fotovoltaico consiste nella formazione di una forza elettromotrice in un mezzo elettricamente eterogeneo investito da radiazioni solari elettromagnetiche. Questo fenomeno è tipico delle giunzioni semiconduttore-metallo o semiconduttore- semiconduttore: senza scendere troppo nel dettaglio, la barriera localizzata nella giunzione spinge le lacune verso le zone con poteziale elettrico minore e gli elettroni in verso opposto creando, in questo modo, una forza elettromotrice dell’ordine del decimo di V olt; se la giunzione fa parte di un circuito chiuso si il passaggio di una corrente elettrica.
Tale effetto trova applicazione nella conversione diretta di energia solare in energia elettrica mediante le ben note celle fotovoltaiche: un modulo fotovoltaico tipo è formato da 36 celle, ha una superficie di circa mezzo metro quadrato e in condizioni ottimale fornisce circa 50 W . L’energia media prodotta da un metro quadrato di moduli è stimata in 0.4 ÷ 0.6 kW h e dipende dall’efficienza di conversione, dalle condizioni ambientali e dalla radiazione solare.
Gli impianti fotovoltaici possono essere distinti in: • sistemi isolati (stand-alone)
• sistemi connessi alla rete (grid-connected)
Nel caso di sistemi stand-alone, l’unica energia disponibile all’utilizzatore è quella prodotta dal modulo fotovoltaico. Devono essere predisposti, pertanto, sistemi di accumulo dato che il pannello funziona unicamente durante le ore diurne e che la maggior richiesta di elettricità si concentra in quelle serali (illuminazione pubblica e privata, etc. . .). Inoltre se gli apparecchi dell’utilizzatore funzionano in corrente alternata, è necessario introdurre nell’impianto un inverter dal momento che i moduli fotovoltaici forniscono energia elettrica sotto forma di corrente continua.
Negli impianti grid-connected, l’inverter è sempre presente dato che l’impianto è collegato alla rete nazionale e non sono previsti sistemi di accumulo: l’energia prodotta durante le ore diurne viene immessa nella rete mentre in quelle notturne il carico locale è alimentato dalla rete stessa. Lo schema di un possibile impianto grid-connected è riportato nella figura 1.5.
24 1. Fonti di energia
L’energia elettrica prodotta dai moduli fotovoltaici, detta anche elettricità solare, ha molti aspetti positivi: è a basso impatto ambientale in quanto non produce emissioni di inquinanti; è modulare; può essere prodotta in siti prossimi alle utenze; risulta affidabile e non richiede eccessiva manutenzione.
Di contro, è una fonte di energia costosa, intermittente e caratterizzata da basse efficienze di conversione della radiazione solare in energia elettrica (attualmente i rendimenti tipici sono dell’ordine del15%): questo significa che per ottenere elevate potenze è necessario coprire grandi superfici.
Nel 2013, la produzione italiana di energia elettrica da impianti fotovoltaici è stata di21 000 GW h pari a circa 7.5% di quella totale [4].
1.3.2 Collettori solari termici
I collettori solari termici sono degli scambiatori di calore: trasformano la radiazione solare incidente in energia termica riscaldando un fluido che scorre al suo interno (solitamente aria, acqua o sali fusi) e che può essere impiegato negli impianti di condi- zionameno e riscaldamento delle abitazioni private, negli impianti di trasformazione industriali e in quelli motori per la generazione dell’energia elettrica, come avviene nella centrale termoelettrica Archimede di Priolo Gargallo (Siracusa), di cui si parlerà nel paragrafo 2.4.4.
I collettori solari termici possono essere suddivisi in sistemi a o senza concetrazione. Nei sistemi a concetrazione, tramite apposite soluzioni ottiche (approfondite nel seguito), la radiazione solare è concentrata sull’elemento assorbente, al cui interno scorre il fluido e la cui superficie esterna è più piccola rispetto a quella esposta al Sole e sulla quale incide direttamente la radiazione solare stessa.
Il capitolo 2 offre una panoramica dettagliata sulle soluzioni tecniche attualmente impiegate: si ricorda che l’oggetto del presente lavoro è lo studio e la caratterizzazione della fluidodinamica interna di un collettore solare termico a bassa concentrazione e nello specifico di un CPC (Compound Parobolic Concentrator) cioè di un collettore con concentratore di forma parabolica composta.
Capitolo 2
Collettori solari termici
I collettori solari termici costituiscono l’oggetto di studio principale di questo secondo capitolo e dell’intero lavoro. Il primo paragrafo si concentra sull’evoluzione storica di tali tecnologie; nel secondo paragrafo vengono descritti in dettaglio i sistemi solari senza concentrazione ovvero i collettori solari piani e quelli a tubi evacuati mentre nel terzo sono analizzati i collettori solari a concentrazione. Il capitolo si conclude con una panoramica sulle tipiche applicazioni dei collettori solari termici.
2.1
Storia del solare termico
É interessante ripercorrere l’evoluzione storica che ha portato alle odierne tecnologie per lo sfruttamento della radiazione solare ai fini termici [7, 10]
L’energia solare è la fonte energetica più antica che l’uomo abbia mai sfruttato: inizialmente veniva impiegata direttamente per l’essicazione delle derrate alimentari o il riscaldamento delle abitazioni mentre successivamente anche per applicazioni indirette. In particolare, la proprietà delle superfici concave, esposte al sole, di causare la combustione di molti materiali era nota ai popoli del Medio Oriente e del Mediterraneo; si narra che Archimede, il celebre matematico e filosofo siracusano, abbia usato delle superfici concave1 per incendiare a distanza la flotta romana che minacciava la natia città.
Pare che il primo sistema per il riscaldamento dell’acqua mediante radiazione solare sia stato ideato, nel diciottesimo secolo, dallo svizzero Horace Benedict de Saussare: si trattava di una scatola di legno con un vetro nella parte esposta al Sole e con la base di colore nero capace di assorbire la radiazione solare incidente, consentendo all’acqua che scorreva al suo interno di raggiungere la temperatura di circa 90◦C [15].
Sorprendemente, le prime applicazioni di energia solare si riferiscono all’utilizzo di collettori a concentrazione, che di per sè sono più complessi: richiedono, infatti, una maggiore attenzione e precisione nella costruzione e nel montaggio, soprattutto per il concentratore di forma molto complessa. Nel XVII secolo, in Europa e in tutto il Medio Oriente erano diffusi forni solari a concentrazione capaci di portare a fusione materiali quali ferro e rame.
1
Gli storici ritengono che Archimede abbia utilizzato gli scudi dei soldati, disposti a mò di parabola, per focalizzare i raggi solari in un punto provocando l’incendio della nave nemica.
26 2. Collettori solari termici
Una delle prime applicazione su larga scala è stata la fornace solare ideata dal chimico francese Antoine Lavoisier e costruita attorno al 1772: utilizzando un sistema a doppia concentrazione ovvero una prima lente da 1.32 m e una seconda da 0.2 m, si riuscì a raggiungere la temperatura di 1 750◦C. La figura 2.1 riporta uno schizzo della fornace.
Figura 2.1: Schizzo della fornace solare di A. Lavoisier
Nel XVIII secolo l’avvento della macchina a vapore, alimentata a carbone (allora presente in abbandonanza), frenò lo sviluppo delle tecnologie per lo sfruttamento dell’energia solare; successivamente, quando iniziò a porsi il problema sul possibile esaurimento delle scorte di carbone, prese nuova ninfa la ricerca di tecnologie capaci di convertire l’energia solare in termica e permettere la generazione di vapore a bassa pressione per il funzionamento dei motori a vapore. Pionere in questo settore fu il francese A. Mouchout che presentò all’Esposizione Universale di Parigi del 1878, il primo motore solare: tramite un riflettore a disco parabolico di estensione di circa20 m2 era possibile concentrare la radiazione solare incidente su un recipiente
di acqua e generare il vapore necessario per azionare una macchina da stampa. Il collettore di Mouchout è riportato nella figura 2.2.
Figura 2.2: Collettore solare di A. Mouchout del 1878
Da quel momento si diffusero le prime applicazioni di impianti di pompaggio, di dissalazione dell’acqua e di cottura dei cibi nelle zone più assolate del Pianeta,