Ing. Arturo de Risi 28/01/2004

Fonti di Energia Rinnovabili 1

Solare Termico

Arturo de Risi,Università degli Studi di Lecce

Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Meccanica

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Solare Termico

I sistemi ad energia solare termica convertono la radiazione solare in calore

Si dividono in due categorie reflettori/collettori; Entrambe le categorie possono:

fare uso di lenti di tipo convenzionale o Fresnel

pannelli piani

Pannelli con profilo parabolico/cilindrico

Paraboloidi

Sferici

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La Qualità del caloreEstrazione di calore a bassa temperatura ~20 °C - 30 °C Generazione di acqua calda per uso sanitario ~30 °C - 50 °C Generazione di acqua calda per usi industriali ~90 °C - 200 °C Impianti solari per la produzione di energia elettrica ~550 °C - 1000 °C

Arizona has clearer skies than Florida. Ref.: Innovative Power Systems

Solare Termico

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Circolazione spontanea di ariaGenerazione di acqua caldaEssiccatori per ciboEssiccatori masse vegetali

Solare Termico: pannelli piani

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I sistemi a circolazione spontanea di aria hanno una massa con grande inerzia termica posizionata dietro una parete di vetro esposta a Sud

L’aria è riscaldata e passa mossa per convezione negli ambienti confinanti

Nei periodi notturni, l’inerzia termica assicura una certa continuità nel riscaldamento

Circolazione spontanea di aria

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L’aria preriscaldata viene convogliata attraverso il cibo/materiale da essiccare favorendo il processo di essiccamento.

Essiccatori

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Una piccola pompa assicura la circolazione dell’acqua in un collettore esposto a radiazione solare ogni volta che esso è a temperatura superiore a quella del serbatoio.Il sistema può essere integrato con resistenze elettriche che entrano in funzione in mancanza di sufficiente radiazione solareQuesti sistemi possono essere facilmente integrati in impianti tradizionali

Generazione di acqua calda

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Spesso i pannelli solari sono dimensionati in modo da avere una circolazione a termosifone senza l’utilizzo di pompe di circolazione. L’acqua calda tende a risalire verso il serbatoio mentre l’acqua più fredda entra dalla parte bassa del pannello.

Generazione di acqua calda

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Utilizzano liquidi (acqua, olio, ecc.) o aria come fluido termovettoreRivestimento superficiale Vetratura:Trasmittanza nel visibile e vicino all’IR (λ<3µm)= 91%Trasmittanza per λ>3 µm ≅ 0filtra la radiazione (passa quella a bassa lunghezza d’onda) ed impedisce il reirraggiamento di quella ad alta lunghezza d’onda provenienti dalla superficie piana assorbente riduce le perdite di calore per convezione dal lato esterno della superficie assorbente.Materiali plastici: plexiglass, lucite (trasmittanza ≅92%), pur essendo infrangibili, sono facilmente graffiabili e tendono ad opacizzarsi e cristallizzare in presenza di radiazione UVMateriale assorbente

Rame: alta conducibilità termica, resistenza alla corrosione

Applicazioni a bassa temperatura (es. riscaldamento di piscine): frequentemente usato un materiale plastico chiamato polimero di etilene e propilene (EPDM, HCP) ⇒ basso costo ma scarsa conducibilità ⇒ alte superfici di scambio. Verniciature scure favoriscono l’assorbimento

Pannelli solari

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Collettori solari termici: sono composti da:• una superficie di assorbimento (scura e conduttiva);• dell’isolante dietro a detta superficie per limitare le perdite di calore;• una trappola per il reirraggiamento termico dalla superficie (trasmette la frazione di radiazione a

bassa lunghezza d’onda e blocca quella a lunghezza d’onda elevata proveniente dall’assorbitore• un vettore fluido per lo scambio termico che può essere acqua, aria ecc.

Collettori ad alta T (oltre 1000°C): richiedono riflettori di luce per concentrare la radiazione solare sull’assorbitore

Il progetto dipende da:•Range di Temperatura•Applicazione

Generazione di acqua calda

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Sistemi per il riscaldamento solare dell’acqua

E’ l'applicazione più comune dell’energia solare

Sistemi piccoli ⇒ acqua calda domesticaSistemi grandi ⇒ acqua e calore industriale

Sistemi a circolazione naturale(a termosifone o passivi)

non richiedono una pompa far circolare l‘acqua.L'acqua nel collettore è riscaldata, sale nel serbatoio, a causa del cambiamento di densità, provocando la circolazione dell’acqua

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piano con ali riflettenti concentratore parabolico composto

a canale parabolico

a ricevitore centrale

a piatto parabolico

I riflettori o lenti per concentrare la radiazione solare da un’area grande ad una più piccola (RC=rapporto di concentrazione), creano una zona ad alta temperatura >100°CConcentratori non traccianti (A, B)riflettori a pareti piane per concentrare la radiazione solare su un collettore piatto, RC=2 – 3. I concentratori parabolici composti (CPC) aumentano il rapporto di concentrazioneConcentratori traccianti (C, D, E)A canale parabolico: concentrano la radiazione solare su una linea (di fuoco) dove è localizzato l’assorbitore (temperature fino a 350 °C). Richiedono inseguitore solare su un asse (attivazione diurna) e un semplice aggiustamento stagionale sull’altro. Per T=250 – 500 °C richiesta cupola riflettente sferica o paraboloidaleinseguimento solare su due assiPer T elevate (500 – 1000 °C): un campo largo di specchi piani orientabili (eliostati) concentra la radiazione solare su un ricevitore alla sommità di una torre centrale (applicazioni termoelettriche)

Collettori solari a Concentrazione

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I collettori piani con ali riflettenti concentrano la radiazione solare su superfici ampie (bassi rapporti di concentrazione)

Sono economiche da realizzare

Indicate soprattutto per applicazioni a basse temperatura

Collettori solari a Concentrazione

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I collettori a profilo parabolico concentrano la radiazione solare in una linea

L’energia termica pertanto deve essere raccolta da un tubo non riflettente posizionato lungo la linea di fuoco.

Il tubo può essere isolato termicamente mediante uno strato di vetro a volte combinato con un’intercapedine in cui si crea il vuoto

Collettori solari a Concentrazione

I collettori parabolici hanno costi elevati e richeiedono un sistema di inseguimento ad un asse. Una soluzione di compromesso è utilizzare collettori cilindrici.

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http://www.eurotrough.com/downloads/EuroTroughPaperZurich2002_web.pdf

Collettori solari a Concentrazione

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Ogni coppia di tubi forma un anello coni condotti centrali

La centrale termica è posizionata in maniera baricentrica per minimizzare le dispersioni di calore

Collettori solari a Concentrazione

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Nell’immagine a lato è possibile osservare la distanza necessaria fra due file di collettori solari a profilo parabolico.

Da notare anche il collegamento con tubo flessibile per consentire al sistema di “inseguire il sole”.

Collettori solari a Concentrazione

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Il metano (NG) è utilizzato per aumentare la temperatura del vapore.

Collettori solari a Concentrazione

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Per realizzare rapporti di concentrazione più elevati è necessario far uso di paraboloidi

Tale geometria permette di concentrare l’intera radiazione intercettata in un unico punto.

Il costo di tali concentratori è il più elevato fra quelli fin’ora esaminati e richiede un sistema di inseguimento a due assi

Raccogliere in modo efficiente l’energia è più complesso.

Collettori solari a Concentrazione

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Rendimento termico dei collettori

IAQ

incidentesolareEnergiaaconcentratutileEnergia u /

==η

A = area collettoreI = radiazione solare incidente per unità di superficiem = portata fluido termovettorecp = calore specifico fluido termovettoreTi = temperatura ingresso fluido termovettoreTu = temperatura uscita fluido termovettore

)( iupu TTmcQ −=

Hotter – Whillier – Bliss

ITTUFF ambi

LReR)()( −

−= ταη

FR= fattore di rimozione del calore del collettore :

guadagno utile se l’intera superficie del collettore fosse alla Ti

guadagno effettivo di energia utile di un collettore piano

τ= trasmittanzaα= coefficiente di assorbimentoUL = coefficiente di perdita termica del collettore F R

(τα

) e

Pendenza=FR U

L

(Ti – Tamb)/I

dove

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Collettore + stoccaggio termico = unica unitàIl calore così concentrato può essere stoccato nel pozzo stesso creando uno strato stagnante, trasparente ed isolante nella parte alta del laghetto

Principio: La radiazione solare entrante nel laghetto percorre una certa distanza attraversol’acqua prima di essere totalmente assorbita, incrementandone quindi la temperatura a quella profondità

A gradiente salinoDensità più alta nella parte bassa

CONDIZIONE FONDAMENTALE:

creazione e mantenimento del gradiente salino

SZT

TZS

∂∂

∂∂

×∂∂

−>∂∂ ρρ14.1

Sali più comunemente utilizzati: NaCl ed MgCl2 (stabilità molto più facile col secondo)

S=concentrazione del sale [kg/m3]Z=profondità in m rispetto al pelo liberoρ=densità in kg/m3

T=temperatura in K

Pozzi Solari

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L’acqua dolce galleggia sull’acqua salata grazie alla minore densitàL’energia solare è utilizzata per riscaldare un fluido criogenico fino alla temperatura di 85°CIl fluido caldo viene quindi utilizzato in un impianto dimostrativo a ciclo Rankin in grado di produrre una potenza elettrica di circa 70 kW

Pozzi Solari

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Torri solari

Il primo impianto realizzato con torri solari è stato progettato e costruito dal Sandia, Albuquerque, New Mexico.Tale impianto utilizzava come vettore termico, viste le alte temperature, sali che fondevano grazie all’elevato rapporto di concentrazione realizzato.Tuttavia, in caso di copertura nuvolosa il sale solidificava all’interno dei condotti bloccando di fatto l’impianto.

Sulla base dell’esperienza fatta è stato realizzato un secondo impianto, Solar One, vicino Barstow, CA. Per evitare problemi di solidificazione dei Sali come vettore termico si è fatto uso di acqua.

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Ref.: http://www.boeing.com/assocproducts/energy/articles/Power_experience.pdf

Torri solari

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Specchi piani in modo da concentrare la radiazione solare per fondere i sali

Torri solari: Sandia CRTF

25 http://www.sandia.gov/Renewable_Energy/solarthermal/NSTTF/tower1.htm

L’impianto è stato progettato per una potenza nominale di 5 MW e un flusso termico di 280 W/cm2

Ogni specchio (heliostat) è comandato indipendentemente in modo da concentrare tutta la radiazione solare su un area limitata in corrispondenza del ricevitore.

Questa struttura è stata usata per verificare la resistenza alla temperatura dei materiali utilizzati nei veicoli da rientroL’impianto è stato predisposto per concentrare la radiazione ini più zone della torre.

Torri solari: Sandia CRTF

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26http://geoimages.berkeley.edu/GeoImages/BainCalif/CAL400/solarone.html

Torri solari: Solar One

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Degli spechi piatti sono orientati per focalizzare su una caldaia per la produzione di vapore

http://www.sandia.gov/Renewable_Energy/solarthermal/nsttf.html

Torri solari: Solar One

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Dischi in mylar alluminati sono risucchiati verso la base con una lieve depressione in modo da formare delle superfici assimilabili a paraboloidi. www.ecobuild.info/ renewable/solar/

Abbattimento dei costiSoluzioni Tecnologiche

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Fornaci Solari

Odellio, Francia si possono raggiungere 33,000°C

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Conversione Termoelettrica

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Solar Pancakes

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Solar Path vs. Collector Weight and Size

Il sole cambia posizione è quindi necessario utilizzare sistemi di orientamentoStrutture massicce richiedono potenze elevate per la loro movimentazioneStrutture leggere non garantiscono la stabilità del punto di focalizzazioneLe superfici in gioco sono rilevanti ed il carico vento non è trascurabile. Bisogna dimensionare opportunamente le strutture per evitare il loro danneggiamento

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Bilancio energetico

Nel bilancio energetico bisogna includere inefficienze dovute alla presenza dei seguenti componenti:

Scambiatori, boilersPompe di circolazionePerdite per cattivo isolamento dei serbatoi termiciControlli automaticiEventuali integrazioni con combustibiliCosti energetici di manutenzioneEcc.

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Osservazioni

I sistemi solari termici lavorano bene a basse temperature poiché collettori piani hanno bassi costi di impianto e gestioneI sistemi di riscaldamento dell’acqua sono vantaggiosi ma l’alto costo di impianto ne impedisce un ampia diffusioneI sistemi riflettenti per i concentratori devono essere dimensionati in modo da avere ampi angoli di ingresso in modo da ridurre il costo dei riflettoriI riflettori devono essere puliti periodicamenteIl costo dell’elettricità con torri solari è di $6/W peakLa potenza ottenibile da una torre solare è dell’ordine dei 10 MWe, mentre la taglia tipica delle centrali termoelettriche è di 300-500 MWe

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Link utili

www.me.washington.edu/~malte/engr342www.doe.govwww.sandia.orgwww.nrel.doe.gov__________________________________________________________

www.dieoff.orgwww.ferc.gov/ Federal Energy Regulatory Commissionsolstice.crest.org/dataweb.usbr.gov/html/powerplant_selection.html