3.3 Collettore parabolico 3.3.1 Principio di funzionamento

3.3 Collettore parabolico

3.3.1 Principio di funzionamento

Il collettore solare è il componente principale dei dispositivi che trasformano l’energia solare radiante che giunge al suolo in energia termica utile. Il collettore solare differisce per molti aspetti dagli scambiatori di calore convenzionali. Questi ultimi di solito realizzano uno scambio termico da fluido a fluido con elevata efficienza di trasferimento, mentre la radiazione termica è un fenomeno secondario. Nel collettore solare il trasferimento di energia avviene tra una sorgente di energia radiante ed un fluido.

Senza concentrazione ottica il flusso di radiazione solare incidente su una superficie orizzontale è al più 900 - 1000 W/m2 ed è variabile con i parametri geografici, stagionali ed orari; i collettori piani senza concentrazione hanno il vantaggio di usare sia la radiazione solare diretta che diffusa, presentano scarsa necessità di orientamento e sono più semplici ed economici dei collettori a concentrazione.

I collettori a concentrazione (a focheggiamento) hanno normalmente dei riflettori concavi o dei campi di specchi che concentrano la radiazione incidente sull’area totale del riflettore su uno scambiatore di calore di area minore e pertanto investito da un flusso di energia maggiore pertanto consentono il raggiungimento di altissime temperature, anche fino a 3000 °C come per esempio nelle fornaci solari..

Con il termine “collettore”, nei sistemi a concentrazione, si intenderà il sistema completo, comprendente il concentratore ed il dispositivo ricevitore di raccolta. Il concentratore, o sistema ottico, è la parte del collettore che dirige la radiazione diretta sul ricevitore; il ricevitore è quell’elemento del sistema dove viene assorbita la radiazione e convertita in qualche altra forma di energia utile. L’assorbitore sarà una parte, assieme ad eventuali sistemi di copertura ed isolamento, del ricevitore.

Per impieghi in impianti industriali di potenza, come centrali elettriche solari o reattori solari chimici, sono giunte a maturità configurazioni di specchi basate su forme paraboliche, sia sviluppate longitudinalmente come risultato della traslazione di una parabola (geometricamente un cilindro con sezione trasversale a forma di parabola, con focheggiamento su una linea), sia come solido di rivoluzione nei paraboloidi a fuoco puntiforme.

L’aumento di flusso termico ottenuto è messo in luce dal principale parametro dei collettori di cui stiamo trattando: il rapporto di concentrazione C.

C = A / Ar

A è l’area di apertura del concentratore, cioè dello specchio, misurata sul piano normale all’asse della parabola o del paraboloide; essa rende conto dell’energia solare ricevuta.

Ar è l’area del ricevitore che intercetti il 100% dei raggi riflessi ed è da tenere in conto per il

calcolo delle perdite (fra le principali il reirraggiamento dovuto alla temperatura di esercizio del ricevitore).

Nel caso di un collettore a paraboloide (chiamato anche “solar dish”) l’area A sarà l’area del cerchio massimo di troncamento del solido di rivoluzione secondo un piano normale all’asse, ed Ar rappresenta la superficie del ricevitore ideale captante al meglio tutti i raggi solari

riflessi. Il ricevitore potrà essere un disco piano, una sfera, od un qualunque altro solido geometrico.

Se il collettore è esteso solo in due dimensioni (collettori cilindrici parabolici), avendosi la stessa lunghezza per lo specchio e per il ricevitore, le due aree sono sostituite da una parte dall’apertura della parabola alla sua sommità, e dall’altra dalla larghezza del corpo ricevitore, o dalla circonferenza dell’eventuale tubo in posizione focale.

Dalla precedente definizione si capisce come lo stesso concetto di rapporto di concentrazione porti a valori notevolmente diversi fra il caso tridimensionale del paraboloide e bidimensionale del cilindro parabolico: nel primo caso, a parità di parabola generatrice, si ha un rapporto di concentrazione che segue la legge del quadrato del rapporto delle lunghezze mentre nel secondo caso una legge di potenza unitaria.

A rigore dal computo della superficie A andrebbe detratta la proiezione di Ar che

ombreggiando il concentratore riduce la radiazione solare raccolta. In effetti è lecito, visti i rapporti di dimensioni in gioco, trascurare questo effetto di ombreggiamneto, anche perché la sottostima dell’energia solare raccolta (e trasmessa al ricevitore) è compensata dal fatto che lo stesso ricevitore, almeno in parte, è normalmente esposto alla radiazione diretta solare intercettata direttamente prima di essere concentrata dagli specchi.

Bilancio energetico

Con le ipotesi di un conceratore solare che sfrutti al massimo la radiazione diretta solare, cioè con angolo di incidenza nullo (inseguimento solare su due assi), la potenza termica in ingresso al dispositivo sarà la DNI (Direct Normal Irradiance) in W/m2 di apertura (A) del collettore. Non considerando altresì perdite per ombreggiamenti reciproci fra le varie schiere di specchi, né le cosiddette “perdite di estremità”, cioè le perdite che nei collettori lineari sono una

conseguenza dei raggi terminali che vanno longitudinalmente oltre la fine del ricevitore, si ha il seguente bilancio termico:

A DNI = P utile + P ottiche + P irraggiamento + P conv / conduz

P utile è la potenza utile ricavata dal dispositivo = A ηth DNI dove ηth è il rendimento

termico globale del collettore, con riferimento alla potenza in ingresso A DNI.

P ottiche sono le perdite dovute ai seguenti fattori di cui si tiene conto attraverso la seguente

espressione : P ottiche = A (1 - S ρ τ α) DNI

• S – Spillage – è il fattore di intercettazione, inteso come frazione di energia specularmente riflessa che viene intercettata dalla superficie del ricevitore, conseguenza della geometria del riflettore e del ricevitore, degli errori di montaggio, di movimenti reciproci fra le varie parti del collettore (dilatazioni, ingobbamenti, vento, etc.). Può essere compreso nel coefficiente di Spillage anche la riduzione di energia per errori del sistema di inseguimento solare

• ρ è la riflettanza del concentratore, dovuta al tipo di materiale (specchio su vetro, su metallo, etc.) alla sua lavorazione ed alle imperfezioni superficiali, nonché al suo grado di pulizia

• τ è la trasmittanza (nel campo delle lunghezze d’onda relative allo spettro solare) dell’eventuale sistema di copertura in vetro del ricevitore

• α è l’assorbanza (nel campo delle lunghezze d’onda solari) della superficie del ricevitore. E’ da tenere in conto la sua variabilità, oltre che con la lunghezza d’onda, con l’angolo di incidenza fra radiazione e superficie.

P irraggiamento è la potenza perduta per irraggiamento del ricevitore a seguito della sua

temperatura di esercizio T. E’ funzione della superficie Ar e del coefficiente di emissività (ε)

relativo alle lunghezze d’onda dell’energia irraggiata alla temperatura T.) (P irraggiamento = Ar ε σ T4)

P conv / conduz è la potenza termica perduta per conduzione attraverso le tubazioni, e

con l’aria ambiente. E’ di importanza notevolmente diversa fra il caso di ricevitore nudo e di ricevitore ricoperto da vetro sotto il quale sia stato fatto il vuoto. Complessivamente tutte queste perdite termiche si considerano con un unico coefficiente (h) funzione della geometria, della ventosità, etc.

P conv / conduz = Ar h (T – Ta)

Fra i suddetti parametri i più difficili da valutare sono da una parte l’assorbanza e l’emittenza (per la loro variabilità con il tipo di superficie, con la distribuzione spettrale dell’energia e con il loro angolo di incidenza), dall’altra il coeffficiente convettivo/conduttivo che spesso è frutto di rilievi sperimentali.

Volendo comunque effettuare un bilancio termico di massima per un collettore a concentrazione di apertura A, di rapporto di concentrazione C (e quindi Ar = A/C), al fine di

valutare la temperatura alla quale si porta il fluido termovettore, si assumono orientativamente per i seguenti coefficienti un campo di variazione come sotto riportato:

DNI = 800 – 900 W/m2 (tipico max irraggiamento nelle ore centrali estive con cielo sereno di un sito italiano meridionale)

α = 0,75 – 0,85 (valore medio per il campo dello spettro solare 0,1 – 3 µ) ε = 0,15 – 0,25 (valore medio per temperature inferiori a circa 1200 °C) S ρ = 0,8 – 0,85

τ = 1 (ipotizzando un ricevitore esposto all’atmosfera) ηth = 0,4 – 0,6 (come valore atteso da parte del dispositivo)

h = 10 – 20 W/m2 K

Ta = 20 °C

Tali valori si riferiscono a tecnologie non attualmente innovative e prescindo dalle innovazioni del Progetto Archimede.

Con le ipotesi precedenti si ha il seguente andamento qualitativo delle temperature di esercizio normalmente raggiungibili da parte di un concentratore solare dotato di rapporto di concentrazione C.

Andamento qualitativo Concentrazione / Temperatura 1 10 100 1000 10000 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Temp.esercizio Ricevitore (°C) R appor to di C onc . ( A /A r) Rendimento termico 0,6 Rendimento termico 0,4

Rendimento termico nullo Caso limite di max temp.

CI L INDR IC I P ARAB O L O IDI

Figura 3.7 : Andamento qualitativo delle temperature in un collettore solare a concentrazione

Collettore proposto da ENEA

Il collettore solare è configurato come una superficie riflettente cilindroparabolica con un tubo ricevitore centrale, in prima approssimazione coassiale con la retta unione dei fuochi delle singole sezioni paraboliche. Detta superficie deve essere in grado di ruotare attorno ad un asse parallelo all’asse del tubo ricevitore in modo da realizzare costantemente la condizione di parallelismo tra la radiazione incidente ed il piano che contiene gli assi delle sezioni paraboliche. In tal modo la luce solare incidente sulle superfici riflettenti e da queste concentrata viene costantemente intercettata dal tubo ricevitore, in qualsiasi posizione assunta dal sole durante il suo moto apparente la quale varia, com’è noto, in funzione dell’ora e del giorno dell’anno.

Il collettore solare è suddiviso in due “rami” posti simmetricamente ai lati di un unico “sistema di movimentazione”, posto al centro del collettore stesso e che li fa ruotare simultaneamente. I due rami sono composti da 4 “moduli” ciascuno, fra loro uguali, collegati meccanicamente in serie.

Ciascun modulo è costituito da una struttura portante, dai pannelli riflettenti, dai piloni di appoggio al suolo e dalla linea di tubi ricevitori con relativi supporti. La lunghezza del modulo viene definita dal numero di tubi ricevitori supportati, fissato in 3 unità per ciascun

modulo, per uno sviluppo complessivo di circa 12 m. Poiché ciascuno dei due rami è composto da 4 moduli, la lunghezza complessiva del collettore risulta essere di circa 100 m, tenuto conto anche dell’ingombro dei supporti terminali e del pilone centrale che contiene il sistema di movimentazione.

Il sistema “collettore solare” è concepito come un apparato indipendente in grado di realizzare la funzione di puntamento del disco solare con la necessaria precisione, collegabile in serie ad altre unità simili a formare delle “stringhe”, a loro volta collegate in parallelo a costituire il “campo solare” dell’impianto.

Il sistema collettore solare deve essere collegato ad una rete di alimentazione elettrica per il funzionamento dei suoi organi attivi, e ad un sistema di gestione centrale dell’impianto che ne definisce costantemente lo stato operativo e ne imposta i parametri di funzionamento.

12 000 mm T u b o assor b ito re (H CU) 4 060 m m

La

y ou

t del

col

lett

ore

3.3.2 Sistema di concentrazione

La parte riflettente del sistema di concentrazione è costituita da una serie di pannelli che realizzano una superficie cilindro-parabolica la cui sezione retta è una parabola di apertura 5900 mm e fuoco posto a 1810 mm dal vertice. Si intende per superficie “cilindroparabolica” una superficie generata dalla traslazione di un arco di parabola lungo una linea retta perpendicolare al piano della parabola stessa.

L’arco di parabola con tale profilo presenta un raggio di curvatura variabile tra un minimo di 3620 mm in corrispondenza dell’asse (x = 0) ed un massimo di 7770 mm in corrispondenza degli estremi, cioè per x = ± 2950 mm.

La superficie riflettente del collettore non ha origine in corrispondenza dell’asse della parabola, ma bensì è spostata di 50 mm (coordinata x = 50 per le x positive, ovvero x = -50 per le x negative) in quanto la fascia sotto il fuoco della parabola è in ombra al tubo ricevitore e quindi improduttiva. In tal modo lo sviluppo in piano della superficie per 50 < x <2950 è di 3200 mm e viene a corrispondere esattamente al doppio di due specchi standard di lunghezza 1600 mm.

Il pannello riflettente è costituito da uno specchio in vetro sottile piano accoppiato ad un vetro spesso, con funzione di supporto, opportunamente curvato. La forma geometrica che deve assumere lo strato riflettente viene ottenuta facendo aderire la lastra piana alla lastra di supporto, dello spessore di 5 mm, formata, con la necessaria precisione, con un processo di curvatura a caldo da una lastra di vetro “float” sodo-calcico. La resistenza meccanica del vetro di supporto viene migliorata durante la fase di formatura attraverso un ciclo di raffreddamento rapido che consente l’ottenimento di un vetro nello stato “indurito” o “temprato”. L’accoppiamento tra la lastra riflettente piana ed il vetro di supporto curvo avviene su stampo tramite uno strato di adesivo con processo che può essere sia “a caldo” che “a freddo”.

Lo strato riflettente è realizzato con specchi di vetro sottile del tipo sodo-calcico “float” in lastra unica di spessore nominale 0,85 mm o inferiore e riflettività diretta, integrata sull’intero spettro della radiazione solare, non inferiore al 94%.

Lo sviluppo longitudinale (larghezza dell’elemento riflettente) della parte riflettente de pannello è nominalmente di 1200 mm. A questa misura si aggiunge un sovraspessore di protezione del bordo dello specchio sottile di 2 mm su ciascun lato. La tolleranza sulle dimensioni del pannello dovrà garantire che gli elementi riflettenti possano essere montati sulla struttura di supporto con interasse di 1210 mm senza interferenza o contatto reciproco. Gli elementi riflettenti vengono montati sulla struttura non perfettamente contigui, ma presentano tra l’uno e l’altro delle aperture limitate per evitare interferenza reciproca durante

l’esercizio o per esigenze di montaggio. L’estensione di tali discontinuità della superficie riflettente dovrà essere contenuta entro il limite del 2% della superficie totale.

3.3.3 Tubo ricevitore

Il tubo ricevitore (vedi figura 3.9) è alloggiato lungo la linea focale dello specchio parabolico lineare. Esso è l’elemento di raccolta del calore: la radiazione solare, concentrata dallo specchio parabolico, viene assorbita sulla superficie del tubo di acciaio ed il calore viene ceduto al fluido di scambio che circola nel tubo ricevitore. Affinché tutto ciò avvenga con un’alta efficienza di conversione foto-termica, sono necessari i seguenti accorgimenti :

• Il tubo di acciaio deve essere rivestito con un materiale spettralmente selettivo, cioè con un materiale in grado sia di assorbire la quasi totalità della radiazione solare (alta assorbanza) sia di impedire la perdita di calore per re-irraggiamento (bassa emissività).

• Il tubo di acciaio deve essere contenuto all’interno di un tubo di vetro e nell’intercapedine deve essere realizzato un buon grado di vuoto (10-4 mbar) al fine di limitare al massimo lo scambio di calore verso l’esterno per conduzione e convezione. Per compensare le dilatazioni differenziali tra il tubo di acciaio rivestito ed il tubo di vetro, devono essere montati, attraverso saldature speciali vetro-acciaio, dei soffietti metallici per garantire la massima affidabilità rispetto alle escursioni termiche dell’intero tubo ricevitore. L’utilizzo di materiale getter nell’intercapedine serve a conservare un buon vuoto in presenza di piccoli rientri di gas.

• Il tubo di vetro deve essere rivestito, internamene ed esternamente, con uno strato di materiale antiriflesso al fine di massimizzare la quantità di radiazione solare trasmessa, e quindi incidente sul tubo di acciaio.

fig.3.9 : 1) soffietto in acciaio, 2) tubo esterno in vetro con rivestimento antiriflesso, 3) tubo interno in acciaio con rivestimento spettralmente selettivo 4) getter-mantrnitore di vuoto 5) getter bridge-indicatore di vuoto.

3.3.4 Rivestimento selettivo

Per ottenere efficienze spinte sia per avere elementi stabili nel tempo, chiunque produca un progetto di impianto solare termodinamico a media-alta temperatura, non può prescindere da un tubo ricevitore che utilizzi un materiale assorbente ed otticamente selettivo a base di strati CERMET.

Il Progetto ENEA, utilizzando come fluido di scambio una miscela di sali fusi, prevede una temperatura massima operativa molto alta (550 °C). A queste condizioni estreme si prevede che la superficie del tubo ricevitore raggiunga una temperatura massima di 580 °C. Di conseguenza, il materiale assorbente ed otticamente selettivo da utilizzare in questo tipo di impianto deve possedere le seguenti caratteristiche :

• alta efficienza foto-termica, cioè alta assorbanza solare (> 94 %) e bassa emissività (< 14 %) in tutto l’intervallo di temperatura operativa, da 300 °C a 580 °C;

• alta stabilità chimico-strutturale fino alla temperatura di 580 °C.

Le specifiche stringenti su riportate fanno sì che non tutti i materiali assorbenti ed otticamente selettivi a base di strati CERMET siano adatti all’utilizzo in un impianto solare di Progetto ENEA. In questo quadro, cioè in un mercato limitato che presenta solo due potenziali fornitori di tubo ricevitore ed in presenza di prodotti che, comunque, mal si adattano alle specifiche tecniche previste nel Progetto Archimede, risulta chiaro come l’ENEA abbia dovuto sviluppare una sua strategia per arrivare all’approvvigionamento di tubi ricevitori con coating selettivo adatto ad un impiego in condizioni più spinte (alta temperatura) di quelle che oggi determinano il mercato attuale.

Il rivestimento superficiale da depositare su tubo deve essere costituito da una struttura multistrato a film sottili comprendente uno strato inferiore di metallo (Tungsteno) riflettente nell’infrarosso ed uno strato superiore di materiale ceramico antiriflesso (Silice), tra i quali sono predisposti due strati inferiore e superiore di materiale composito ceramico-metallico o CERMET (Tungsteno-Silice) a diversa frazione volumetrica di metallo di cui quello inferiore ha una frazione volumetrica di metallo più alta di quella presente nello strato di CERMET superiore. Il tubo da ricoprire con il suddetto rivestimento otticamente selettivo è un elettrosaldato costituito da acciaio AISI 321H, con sperficie esterna lappata ed elettrolucidata, ed ha le seguenti dimensioni : lunghezza pari a 4060 mm, diametro pari a 70 mm e spessore pari 3 mm ( figura 3.10 ).

Figura 3.11 : Riflettenza ed emissività del coating selettivo

Dalla figura 3.11 si nota che il CERMET ideato dall’ENEA è in grado di assorbire quasi interamente la radiazione solare ( 94% ), avendo un riflettenza, per le relative lunghezze d’onda, prossima a zero, comportandosi quasi da corpo nero, e come, possedendo una bassa emissività alle temperature di processo, sia in grado di garantire una elevata efficienza termica ( > 80% ).