Sistemi a concentrazione

Soprattutto negli ultimi 5-10 anni, i sistemi solari a concentrazione sono stati oggetto di profonde innovazioni che ne hanno migliorato le prospettive, rendendo superati quei luoghi comuni secondo i quali tali sistemi risulterebbero inadatti alle alte latitudini o inaffidabili a causa dei complicati sistemi di inseguimento del sole. I più recenti sistemi solari a concentrazione sono molto diversi da quelli prodotti appena qualche anno or sono.

Concentratore parabolico lineare

L’affidabilità sta aumentando e concentrazioni elevate della radiazione solare possono essere ottenute anche con sistemi completamente statici.
L’applicazione dell’ ottica senza immagini ha svolto un ruolo determinante nel migliorare la qualità delle tecnologie utilizzate. Questa disciplina scientifica ha aperto la strada alla realizzazione di sistemi a concentrazione sempre più versatili, più economici e più efficienti – fino a 3 o 4 volte – di quelli progettati e costruiti sulla base della più nota e tradizionale ottica con immagini. Con l’applicazione combinata dell’ottica con immagini e dell’ottica senza immagini, la radiazione solare può essere, attraverso fasi successive, intensificata fino e oltre a 10.000 soli anche in sistemi molto compatti.

Centrale solare a concentrazione parabolica lineare – Mohave Desert California

Anche la recente disponibilità di nuovi materiali (alcuni utilizzati finora solo nell’industria spaziale) ha consentito di migliorare le prestazioni dei sistemi a concentrazione: rivestimenti a film sottile, nuovi materiali riflettenti, metalli ultraleggeri, materiali resistenti alle elevate temperature (questi ultimi importanti per la costruzione di ricevitori capaci di operare a temperature dell’ordine di 1.000-2.000 °C e di alimentare sistemi per la produzione di energia elettrica e reattori chimici). Infine, innovazioni di rilievo riguardano le architetture degli impianti, studiate per ridurre al minimo le complicazioni impiantistiche e massimizzare le efficienze dei vari componenti. In Italia il tema del solare a concentrazione, dopo circa 15 anni, è tornato ad essere di grande attualità a seguito di un finanziamento di 200 miliardi di lire assegnato all’ENEA per un Piano strategico di sviluppo del solare termoelettrico su larga scala (www.enea.it).

Il solare termico a concentrazione

Il solare termico a concentrazione può vantare, rispetto al fotovoltaico a concentrazione, la realizzazione della più grande centrale solare termoelettrica al mondo. Nove impianti basati sulla tecnologia dei concentratori parabolici lineari, di taglie da 30 MW e 80 MW per complessivi 354 MW, sono stati progettati, costruiti e messi in esercizio tra il 1984 e il 1990 nel deserto del Mojave in California. 

Questi impianti costituiscono uno dei maggiori successi tecnologici e commerciali nel campo dell’energia solare, nonostante il fallimento finanziario che colpì nel ‘91 la società che li realizzò, l’israeliana Luz. Tale fallimento fu determinato da un brusco cambiamento delle politiche di incentivazione dello stato della California per questo tipo di impianti. In seguito vi furono anche difficoltà di gestione, superate poi con successo e con un recupero d’immagine.

Concentratore parabolico puntuale o a disco

L’esperienza fin qui maturata pone queste tecnologie al centro dell’attenzione dei programmi di elettrificazione nei paesi in via di sviluppo finanziati della Banca Mondiale e del Global Environmental Fund.
Dopo questa importante esperienza, il solare termico a concentrazione ha avuto una serie di importanti innovazioni, fra tutte il Concentratore Parabolico Composto Integrato (CPCI). Questo prodotto, progettato in base ai principi dell’ottica senza immagini, integra il concentratore e il relativo tubo assorbitore all’interno di un tubo di vetro sottovuoto; è ormai commercialmente maturo, permette di raggiungere temperature superiori a 100 °C: fino a 350 °C con sistemi statici ed oltre i 450 °C con sistemi di inseguimento del sole.
Il calore a queste temperature può essere utilizzato per far funzionare impianti di riscaldamento e di raffrescamento, di dissalazione, di produzione di sostanze chimiche e di combustibili puliti, per la generazione di energia elettrica, con taglie che vanno da qualche kW a centinaia di megawatt. Un’altra interessante evoluzione degli impianti a concentrazione lineari è il Riflettore Compatto Lineare Fresnel, in fase di sviluppo in Australia, dove è stato realizzato un impianto prototipo da 13 MW che affianca una centrale a carbone da 1.440 MW. L’impianto produrrà vapore o acqua a 265 °C da usare nella fase di preriscaldamento del ciclo. Si stima che questo impianto abbia un costo di 1.000 dollari per kW installato.
Importanti innovazioni, ancora in corso di sperimentazione, sono state realizzate anche per gli impianti solari a torre. Presso il Weismann Institute of Science, in Israele, è in fase sperimentale un impianto con un campo specchi che concentra la radiazione solare su un riflettore posto in cima alla torre che, a sua volta, la riflette alla base della stessa, dove viene ulteriormente concentrata da un Concentratore Parabolico Composto, ottenendo così temperature fino e oltre a 1.300 °C e quindi adatte per impianti di produzione elettrica a ciclo combinato gas/Rankine. Un’altra versione degli impianti a torre è in fase di sviluppo in Australia e prevede un Campo Solare Multitorre, nel quale la radiazione solare viene concentrata da più campi di specchi su più torri di dimensioni contenute nei 4-10 metri; questa tipologia di impianto può essere installata anche in ambiente urbano, per esempio sui tetti di grossi edifici industriali o di estese aree di parcheggio. Questi esempi non esauriscono tuttavia le molteplici prospettive di ricerca, sviluppo e applicazione del settore.

Cosa è l’ “Ottica Senza Immagini” ?

L’ottica senza immagini (in inglese “Non-imaging optics”) è una disciplina scientifica nata a metà degli anni ’60 a seguito degli studi condotti indipendentemente da tre scienziati, V.K. Baranov, Maring Ploke e Roland Winston. Essa tratta il modo ottimale di trasferire una radiazione luminosa da una sorgente a un target (ricevitore) e trova applicazione nella fisica delle alte energie, nell’astrofisica e nel settore dell’energia solare.
Nel 1965, presso l’Università di Chicago, Roland Winston costruì, nel corso di esperimenti di fisica delle alte energie, il primo “Non-imaging Concentrator” per misurare la debolissima radiazione nucleare associata all’effetto Cerenkov. Oggi questo tipo di concentratore e comunemente chiamato Concentratore Parabolico Composto o anche Concentratore non focalizzante. Si tratta di un componente che, nelle sue diverse versioni, sta rivoluzionando la progettazione e la realizzazione dei sistemi solari a concentrazione, sia termici che fotovoltaici.
I concentratori realizzati in base ai principi dell’ottica senza immagini concentrano la luce in modo molto più efficiente dei normali specchi e lenti, che formano immagini. Infatti un concentratore non focalizzante è come un imbuto: la luce che entra nel concentratore attraverso un’ampia sezione, viene riflessa in modo da uscirne attraversando una sezione molto più ridotta. Questo processo distrugge l’immagine della sorgente, ma in un «forno solare» non interessa ottenere un’immagine bensì concentrare al massimo l’intensità della radiazione solare per unità di superficie.

(Fonte Ises)

Per informazioni : ricerca@solesa.eu