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La conversione termodinamica della radiazione solare a bassa temperatura – Le basi tecniche e scientifiche – La storia in breve e alcuni contributi italiani Costante M. Invernizzi * 23 novembre 2014 * Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale, Universit` a di Brescia,Via Bran- ze 38, 25123 Brescia, Italy. E–mail address: [email protected], web site: http://www.costanteinvernizzi.it 1

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La conversione termodinamica della radiazionesolare a bassa temperatura – Le basi tecniche e

scientifiche – La storia in breve e alcunicontributi italiani

Costante M. Invernizzi ∗

23 novembre 2014

∗Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale, Universita di Brescia,Via Bran-ze 38, 25123 Brescia, Italy. E–mail address: [email protected], web site:http://www.costanteinvernizzi.it

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Indice

1 La conversione termodinamica della energia solare 3

2 I primi sistemi termodinamici a bassa temperatura 11

3 Il solare termodinamico alle basse temperature della primameta del Novecento in Italia 15

4 I moderni motori termodinamici solari a bassa temperatura 19

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1 La conversione termodinamica della ener-

gia solare

La radiazione solare Il sole e una sfera di gas molto caldi (la temperaturadella sua regione centrale e stimata a 10-40 milioni di gradi) e molto densi (ladensita del nucleo e stimata pari a 100 volte maggiore di quella dell’acqua).L’energia liberata dalle reazioni di fusione degli atomi di idrogeno che necostituiscono il nucleo viene irradiata nello spazio circostante sotto forma diradiazione elettromagnetica.

L’energia dal sole disponibile al di fuori della atmosfera terrestre, rac-colta da una superficie perpendicolare alla direzione di propagazione dellaradiazione, e pari a 1367 W/m2; l’atmosfera terrestre attenua la radiazionesolare e ne altera sensibilmente lo spettro a causa (i) degli assorbimenti, adopera delle molecole di ozono, azoto, vapore d’acqua e anidride carbonica;(ii) della diffusione (deviazione in tutte le direzioni) della radiazione quandoessa interagisce con le molecole dell’aria, con l’acqua (presente in atmosferasotto forma di vapore o sotto forma di gocciole di liquido) e con le polveri.

Conseguenza delle interazioni fra la radiazione solare, l’atmosfera e il suoloe che una superficie inclinata e comunque orientata posta sulla superficieterrestre raccoglie energia solare sotto forma di

radiazione diretta la radiazione solare che non subisce alcuna interazionecon l’atmosfera;

radiazione diffusa la radiazione solare la cui direzione viene modificata (inmodo casuale) in seguito alla sua interazione con l’atmosfera;

radiazione riflessa la radiazione solare riflessa dal suolo e dagli oggetticircostanti la superficie captante

La somma della componente diretta e delle componenti diffusa e riflessa con-corrono alla radiazione totale disponibile a livello del suolo. In Figura 1sono riportate le frazioni di energia della componente diretta rispetto allaenergia totale della radiazione in due localita italiane a diversa latitudine,nei differenti mesi dell’anno.

La conversione termodinamica della energia solare Per conversionetermodinamica della energia solare si intende:

(a) la raccolta della radiazione solare sotto forma di calore su superfici conelevato coefficiente di assorbimento, alla temperatura la piu elevata pos-sibile;

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Figura 1: Rapporto fra la componente diretta della radiazione solare e laradiazione totale in due citta italiane. Serie 1 – Brescia, Serie 2 – Ragusa. Ivalori della radiazione considerati sono i valori medi mensili su di un pianoorizzontale, [1, Appendice D].

(b) il trasferimento del calore cosı raccolto ad un “pozzo” a bassa temperatu-ra mediante un ciclo termodinamico motore (un motore termodinamico)che produce lavoro meccanico

Il collettore solare Per “superficie con elevato coefficiente di assorbimen-to” si intende un collettore solare (vedi la Figura 2).

L’utilita nell’avere il calore ad elevata temperatura fa sı che venganoconsiderati anche collettori a concentrazione. In questi collettori, a differenzadi quelli piani, la radiazione solare diretta viene concentrata in una zonafocale: lineare, come in Figura 3, oppure puntuale, come in Figura 4.

All’aumentare del rapporto di concentrazione, ovvero al ridursi della zonafocale rispetto alla superficie captante e riflettente, aumenta in generale latemperatura alla quale si rende disponibile il calore. Per esempio: 100-250◦Cper il collettore piano, 300-500◦C per il collettore parabolico, 800◦C per ilcollettore a disco.

I collettori solari piani, non richiedendo una particolare movimentazio-ne, sono da preferire laddove si privilegia la semplicita e l’affidabilita e perridurre al minimo la manutenzione. Inoltre, essi danno mediamente presta-zioni migliori dei sofisticati sistemi con concentrazione nelle regioni dove laradiazione diffusa rappresenta una significativa frazione della energia solaredisponibile.

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Figura 2: Esempio di collettori solari piani, fissi.

Figura 3: Un collettore solare parabolico a concentrazione, mobile su di unasse.

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Figura 4: Un collettore solare a concentrazione puntuale, mobile su due assi.

Un collettore e sempre costituito da un ricevitore (che assorbe la ra-diazione convertendola in calore, costituito dall’assorbitore, dalle necessariecoperture e dall’isolamento termico) e, se il collettore e a concentrazione, daun concentratore, un sistema ottico che dirige la radiazione incidente versoil ricevitore. Per rapporto di concentrazione si intende il rapporto fra l’a-rea dell’apertura attraverso la quale la radiazione raggiunge il concentratoree l’area del ricevitore. La temperatura alla quale opera il ricevitore di solitoaumenta con il rapporto di concentrazione: nel caso dei collettori piani il rap-porto di concentrazione e pressoche unitario e la temperatura mediamenteraggiunta e un centinaio di gradi superiore a quella dell’ambiente

La Figura 5 raduna gli schemi di alcune tipiche configurazioni di collettorisolari a concentrazione. I collettori di tipologia (a), (b) e (c), di tipo piano,hanno rapporti di concentrazione modesti (di qualche unita) e il ricevitoree in grado di assorbire anche parte della componente diffusa della radiazio-ne. I concentratori con la superficie del ricevitore molto piccola rispetto allaarea di apertura sfruttano solo la componente diretta della radiazionee richie-dono meccanismi di movimento e orientazione rispetto al sole. La Tabella1 classifica le tipologie di collettori in base al loro rapporto di concentrazione.

Ricorrendo alla ottica senza immagine, una tecnica messa principal-

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Tabella 1: Rapporti di concentrazione indicativi, tipo di movimentazione etipiche applicazioni di collettori solari.

Ca Applicazione1-4 collettore fisso riscaldamento, raffrescamento,

fotovoltaico ( 50-250 ◦C)4-150 inseguimento su un as-

se o movimento sta-gionale

generazione di energia elettri-ca, riscaldamento, raffrescamen-to, fotovoltaico a bassa concentra-zione ( 100-500 ◦C)

500-10000 inseguimento su dueassi (disco e torre)

generazione di energia elettrica( 500-800 ◦C)

20000-100000 inseguimento su dueassi

fornaci solari ( 3000-4000 ◦C)

a Rapporto di Concentrazione

Figura 5: Alcune possibili configurazioni di collettori solari a concentrazione.(a) ricevitori tubolari con riflettore sottostante; (b) ricevitori tubolari conriflettori speculari a cuspide; (c) ricevitore piano con riflettori piani laterali;(d) concentratore parabolico; (e) riflettore di Fresnel; (f) insieme di eliostaticon ricevitore centrale a torre, [2].

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Figura 6: Esempio di collettori composti parabolici (CPC, CompoundParabolic Collector) e loro sezione trasversale.

mente a punto da Ronald Winston della UCMERCED (Schools of Engi-neering and Natural Science, University of California, Merced) fra il 1966e il 1978, si realizzano collettori a concentrazione di progetto relativamentesemplice e che funzionano mediamente bene anche con una movimentazio-ne minima o nulla. Tutta la radiazione che cade all’interno di un angolo diaccettazione viene riflessa sul ricevitore, che puo anche raccogliere la com-ponente diffusa presente. L’ottica “senza immagini”, a differenza di quella“per immagini”, non ha l’obiettivo di realizzare una immagine la piu precisapossibile della sorgente, ma ottimizza il sistema ottico in modo da massimiz-zare (dato un angolo di accettazione) lo scambio radiativo e raccogliere alricevitore la quantita massima di radiazione. Tipici collettori basati sulla ot-tica “senza immagini” sono i concentratori composti parabolici con ricevitoritubolari, in Figura 6.

Il collettore, qualunque sia la sua tipologia, mette a disposizione una ener-gia termica (calore) inferiore in quantita a quella ricevuta (a causa di perditedi energia di varia natura) ed il suo rendimento (rapporto fra la quantita dienergia messa a disposizione e la quantita di energia ricevuta sotto forma diradiazione solare) e sempre inferiore alla unita e generalmente aumenta conil rapporto di concentrazione. In generale, dunque, la scelta del collettore ri-sulta strettamente correlata, nel caso della conversione termodinamica dellaradiazione solare, al motore termodinamico che si decide di utilizzare. Con

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l’evoluzione tecnologica la gamma delle temperature che si riescono ad otte-nere, anche con collettori piani, risulta piu ampia di quella ai tempi dei primipionieri della conversione termodinamica. Scelta una tipologia di collettori,l’ottimizzazione termodinamica e tecnica (tenendo ben presente anche i costicomplessivi) porta poi ad individuare una temperatura massima operativaottimale.

Il motore termodinamico Alla base del motore termodinamico e un ci-clo termodinamico, che produce lavoro meccanico trasferendo il calore rac-colto al collettore (ad elevata temperatura) ad un serbatoio a temperaturainferiore (il “pozzo freddo”, per esempio, l’ambiente, che generalmente sitrova ad una temperatura inferiore a quella alla quale opera il collettore).

Il ciclo termodinamico si realizza facendo percorrere a un opportuno flui-do di lavoro una serie di trasformazioni che, in accordo con i principi dellatermodinamica, hanno come effetto utile globale la produzione di lavoro mec-canico (convertibile poi in energia elettrica). A seconda della temperaturaraggiunta nel collettore, il fluido di lavoro conviene sia un liquido che, adelevata pressione, evapora, espande in una macchina, condensa alla pressioneminima e viene poi nuovamente compresso, oppure un gas, che mai cam-bia fase. Solitamente, nei motori che utilizzano concentratori solari simili aquello di Figura 4 il motore utilizza come fluido di lavoro un gas.

E’ il vapore a pressione elevata, o il gas ad alta pressione e ad elevatatemperatura, che, espandendo in una macchina opportunamente progettataproduce energia meccanica.

Il rapporto fra l’energia meccanica prodotta e l’energia termica (il ca-lore) assorbito dal motore e proveniente dal collettore solare rappresenta ilrendimento del motore (sempre inferiore alla unita).

La temperatura del collettore e le prestazioni del motore Il rendi-mento con il quale il motore termico converte il calore di origine solare inenergia meccanica dipende strettamente dalla differenza fra la temperaturaminima alla quale opera (correlata con quella dell’ambiente o comunque conquella di un corpo freddo) e la temperatura massima, correlata a quella allaquale la radiazione solare viene messa a disposizione sotto forma di calore nelcollettore. In Figura 9 sono riportati i valori massimi di rendimento al variaredella temperatura massima quando quella minima vale 30 ◦C e i rendimentinetti di alcuni motori a bassa temperatura realizzati in Italia.

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Figura 7: Vista di un moderno motore termodinamico con fluido di lavoroin cambiamento di fase. Il calore necessario al funzionamento del motore(fornito nei componenti 6 e 7) puo anche provenire dalla radiazione solare.

Figura 8: Collettore solare a concentrazione puntuale con il motoretermodinamico posto nel fuoco.

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Figura 9: Il rendimento massimo di un motore termodinamico al variaredella temperatura massima quando la temperatura minima vale 30 ◦C (lineacontinua).

2 I primi sistemi termodinamici a bassa tem-

peratura

I sistemi con collettori solari con concentrazione (come, per esempio, quel-lo in Figura 8) permettono il raggiungimento di temperature relativamenteelevate e di motori potenzialmente con elevati rendimenti, ma, utilizzandosolo la componente diretta della radiazione, debbono essere mobili e risultanoinefficaci quando elevata e la componente diffusa della radiazione (la Figura 1confronta l’energia della radiazione diretta con quella della radiazione totalein due localita italiane).

L’uso di collettori piani, con modeste temperature di collazione, puo ri-sultare dunque piu pratico, anche se il rendimento del motore termodinamiconecessariamente ne risulta penalizzato.

Louis Abel Charles Tellier (1828–1913) Charles Teller, ingegnere fran-cese, nato ad Amiens (nelle Somme), fu il primo che utilizzo una serie dicollettori piani per realizare una pompa solare di sua invenzione.

Nel 1856 inizio sue ricerche sulla liquefazione e nel 1865 costruı una mac-china a compressione meccanica per la refrigerazione. Nel 1879 la nave Frigo-rifique porto, partendo da Rouen, un carico di carne a Buenos Aires in buonostato di conservazione dopo 105 giorni di navigazione utilizzando un motorefrigorifero da Tellier progettato. I fluidi utilizzati da Tellier nei suoi studi

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Figura 10: Una immagine di Charles Tellier nel 1912.

furono ammoniaca, anidride solforosa e anidride carbonica. Mise a puntoanche il metodo della refrigerazione in cascata, per raggiungere temperaturemolto basse con piu motori ciascuno operante con differenti fluidi. Morı aParigi nella piu assoluta poverta.

Scrisse vari libri, fra i quali, nel 1860, La conquete pacifique de l’Afri-que Occidental par le soleil, in cui descrive anche una pompa solare di suainvenzione e da lui realizzata in prossimita del suo negozio vicino Parigi,utilizzando collettori piani e ammoniaca quale fluido motore, [5, p. 120-122].

Henry E. Willsie e John Boyle A partire dal 1892, H. E. Willsie e JohnBoyle, due ingegneri americani, partendo dai brevetti di Tellier, realizzaronouna serie di motori a bassa temperatura e nel 1908 costruirono una centralesolare a Needles (California, nel Deserto del Mojave). Il campo solare, di100 m2 con collettori piani, era diviso in due sezioni: la prima con collettoria singola copertura che riscaldava l’acqua sino a 66 ◦C; la seconda, concollettori con doppia copertura, che riscaldava l’acqua di ulteriori 17 ◦C.Nei collettori non avveniva evaporazione diretta, evitando cosı la circolazionedi un fluido ad alta pressione direttamente nei collettori, ma l’acqua caldatrasferiva (mediante uno scambiatore di calore) il calore assorbito a diossidodi zolfo, fluido di lavoro nel motore. L’impianto era dotato anche da unaccumulatore di calore ad acqua calda che garantiva il funzionamento del

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Figura 11: Una immagine dei collettori solari a concentrazione dell’impiantorealizzato da Schuman nel 1911 a Tacony (Pennsylvania). Gli specchi pianisui due lati riflettono parte della radiazione su di loro incidente sul collettorepiano centrale, [5].

sistema per 24 ore senza sole. La potenza massima di progetto era di 15 hp.L’impresa non ebbe gran successo commerciale ma Willsie e Boyle dimo-

strarono che effettivamente si puo produrre energia meccanica da radiazionesolare anche senza concentratori e furono i primi a proporre ed utilizzare unaccumulo termico, [5, p. 122-127].

Frank Shuman (1862–1918) Frank Schuman, un ingegnere americano,dopo aver accuratamente studiato i motori solari pre-esistenti, nel 1907 rea-lizzo un motore solare con collettori piani e etere dietilico (CH3CH2 − O − CH2CH3)quale fluido di lavoro. Nel 1910 partecipo alla fondazione della Sun PowerCompany e aggiungendo rudimentali riflettori ai collettori piani prima uti-lizzati (vedi la Figura 11) realizzo poi un motore a vapore d’acqua a bassatemperatura (temperatura di evaporazione inferiore a 100 ◦C). Il motore,dopo una nuova progettazione dei collettori, trasformati in collettori para-bolici lineari (vedi Figura 12 e Figura 13), venne trasferito nel 1912 in Afri-ca (a Meadi, una piccola comunita agricola sul Nilo, in Egitto), dove, nel1913, funziono con una potenza massima di 55 hp, sufficienti per pompare22.712 470 704 m3/min, sia pure richiedendo piu di 18.580 608 m2/hp conun rendimento dei collettori stimato del 40 percento, [5, p. 139-141].

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Figura 12: Un collettore parabolico lineare con il generatore di vaporedell’impianto di Meadi (Egitto), [5].

Figura 13: Il campo solare della centrale di Meadi (Egitto), [5].

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Figura 14: Un estratto del brevetto del 1930 di Tito Romagnoli, [6].

3 Il solare termodinamico alle basse tempe-

rature della prima meta del Novecento in

Italia

Tito Romagnoli Fra il 1923 e il 1930 Tito Romagnoli realizzo una seriedi motori solari. L’ultimo suo brevetto del 1930, vedi la Figura 14, descriveun motore solare che

converte il calore solare in forza motrice utilizzando un fluidointermedio che, alternativamente passando dallo stato liquido aquello di vapore agisce in un motore

Nei primi motori del 1923 il fluido utilizzato come fluido motore era anidri-de solforosa, a quel tempo largamente disponibile in quanto utilizzata negliimpianti frigoriferi; nel 1930 Romagnoli costruı un esemplare a cloruro dimetile, [7, p. 34]. Con acqua calda alla temperatura di 55 ◦C e con acquadi pozzo alla temperatura di 15 ◦C, il motore del Romagnoli, nelle ultimeversioni, aveva approssimativamente una potenza di 2 hp, [7, p. 35].

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Luigi D’Amelio (1893-1967) Nel 1935, Luigi d’Amelio, professore di“Macchine termiche e idrauliche” in quello che allora era il Regio IstitutoSuperiore d’Ingegneria di Napoli, propone e descrive dettagliatamente unmotore solare con cloruro di etile quale fluido di lavoro da utilizzare a scopodi irrigazione in Libia (Tripolitania settentrionale) quale sostituto dei motoria scoppio, [7]. Partendo da una analisi del motore di Romagnoli, il d’A-melio osservava che il basso rendimento all’espansore volumetrico, di piccolapotenza, compromettendone le prestazioni globali, rendeva il motore pocoattraente ed utile:

finora la macchina proposta per piccole potenze e stata sem-pre quella alternativa ... ora, una macchina alternativa di qualchecavallo e una formidabile mangiatrice di vapore, cosa che chiun-que abbia avuto pratica di simili piccole motrici ha potuto inrealta constatare. Le ragioni sono note: la prima in ordine prati-co e il basso rendimento volumetrico che si accentua naturalmen-te all’aumentare del salto di pressione (si considerano in generalemacchine a semplice espansione) ed al diminuire della velocitaangolare, [7, p. 34]

Egli propone dunque l’impiego di turbine anziche di espansori volumetrici.In particolare, nel motore da lui progettato, di una turbina monostadio adazione (vedi Figura 15) con fluido di lavoro di opportuna massa molare.

Il d’Amelio, dopo opportune valutazioni, concludendo che

nella pratica realizzazione di una macchina termica la sceltadel fluido operante nel ciclo non e del tutto indifferente

esclude, per la particolare applicazione considerata, fra le sostanze allora dilargo impiego, l’acqua, l’ammoniaca (per ragioni termodinamiche) e l’anidri-de solforosa (per ragioni chimiche e di sicurezza), concentrandosi sul clorurodi etile (o cloro-etano).

Daniele Gasperini (1895-1960) e Ferruccio Grassi (1897-1980), [3]Alla prima Fiera sull’Energia Solare tenuta negli Stati Uniti a Phoenix inArizona nel 1955 era, fra le altre numerose apparecchiature esposte, ancheuna “pompa solare SOMOR” (vedi la Figura 16 e la Figura 17).

Mario Dornig, allora professore di “Macchine a Fluido” al Politecnico diMilano, scrisse in un suo resoconto del convegno a Phoenix, nel 1956, che lasola elio-pompa SOMOR

ha funzionato regolarmente ed in modo automatico per tut-ta la durata della mostra richiamando l’attenzione generale delnumeroso pubblico dei visitatori

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Figura 15: Schema del motore progettato da Luigi D’Amelio nel 1935, [7]. 1caldaia, 2 turbina, 3 condensatore, 4 preriscaldatore, 5 pompa di circolazionedell’acqua nei radiatori, 6 guardia idraulica all’uscita dell’albero, 7 tenuta adanelli di carbone e valvola di chiusura nei lunghi periodi di riposo, 8 condottadell’acqua pompata dal pozzo, 9 uscita dell’acqua per irrigazione, 10 condot-ta dell’acqua ai radiatori, 11 condotta dell’acqua dai radiatori, 12 scarico delvapore. Dati di progetto: temperatura di evaporazione 40 ◦C, temperaturadi condensazione 23 ◦C, temperatura dell’acqua calda all’ingresso dell’eva-poratore 45 celsius, temperatura dell’acqua calda all’uscita dell’evaporato-re 42 ◦C, potenza all’albero della turbina 5.7 hp. La turbina, monostadio,parzializzata a 5000 rpm.

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Figura 16: Una vista frontale della pompa solare SOMOR, [4].

Il costruttore della pompa solare fu Daniele Gasperini, di Rovereto, cheideo, gia a partire dagli anni 1930, numerosi motori solari e, dal 1949, dopol’incontro con Ferruccio Grassi fondo la SOMOR (Societa Motori Recuperodel calore solare e del calore perduto) per commercializzare il suo motore.

Esemplari della pompa SOMOR furono esposti nel 1953 alla VI FieraQuinquennale di Lecco, poi nel Quarto Salone Internazionale della Tecnicadi Torino, nel 1954 e, via via, in altre importanti fiere.

Negli anni 1960 la societa produceva diversi tipi di pompe differenziateper portata e per prevalenza, da 900 a 60000 l/h con potenze dichiarate delmotore da 0.1 a 3.5 hp. Numerosi esemplari, una trentina, furono installatiin differenti localita, in Italia e all’estero. La SOMOR venne pero liquidatanel 1963.

Nel 1956 una pompa venne trasferita allo Stanford Research Institute(Menlo Park, California) per essere analizzata e sottoposta a prove di funzio-namento. Il motore studiato, ad evaporazione diretta, impiegava biossodo dizolfo (SO2) quale fluido di lavoro, un espansore volumetrico a 80-90 rpm erisulto, nelle condizioni di prova, avere un rendimento globale di circa l’unopercento, [4].

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Figura 17: Una vista posteriore della pompa solare SOMOR, [4].

4 I moderni motori termodinamici solari a

bassa temperatura

Gli studi e le realizzazioni di motori solari a bassa temperatura vennero maiabbandonati e anche nella seconda meta del secolo ventesimo furono realiz-zate significative applicazioni. Qui nel seguito se ne descrivono brevementealcune tutte italiane. Prima, pero, e doveroso citare anche quei sistemi chevanno sotto il nome di “stagni solari”.

Gli stagni solari Lo stagno solare e sostanzialmente un grande collettoresolare piano costituito da un corpo d’acqua con salinita controllata e varia-bile su tre strati. Lo strato superficiale (a bassa salinita) agisce come unacopertura trasparente alla radiazione e fa da isolante termico, lo strato piuprofondo (ad alta concentrazione di sale) agisce da assorbitore della radia-zione e da accumulo termico, lo strato intermedio fa da ulteriore isolante ede caratterizzato da salinita e temperatura variabili, dai relativamente elevativalori tipici dello strato piu profondo sino ai valori caratteristici di quellosuperficiale.

Le prime documentate esperienze con i laghi riscaldati dal sole risalgonoal 1902, quando in Transilvania, presso Szovata, in un lago alla profondita di1.3 m, alla fine dell’estate, furono raggiunti 70 ◦C. La salinita sul fondo eracirca il 26% in cloruro di sodio. Studi e ricerche vennero condotte in Israelenegli anni 1950 e 1970 nelle localita intorno al Mar Morto con lo scopo di

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Figura 18: Schema di principio per un impianto con stagno solare per laproduzione di energia elettrica, [9].

arrivare a produrre energia. Lo schema di principio oggi adottato in impiantidi questo tipo e in Figura 18 e un esempio di impianto e in Figura 19.

Un motore solare da 3.0 kW per il pompaggio dell’acqua Vi e sem-pre stato, come visto, l’interesse a disporre di piccole unita solari (con potenzaelettrica o meccanica di 3-10 kW per zone isolate, dove non siano facilmenteutilizzabili altre fonti di energia, [8]. Tuttavia e fondamentale che tali sistemipresentino semplicita costruttiva ed operativa, garantiscano elevata affidabi-lita e siano a basso costo. Due motori solari simili [10], [11] e [12] furonorealizzati per il pompaggio dell’acqua fra il 1977 e il 1978.

Nella primavera del 1978 un sistema solare di pompaggio venne installa-to sul tetto di un edificio della fabbrica Ansaldo (Genova) con l’intento distudiarne le prestazioni (vedi le Figure 21, 22 e 23). La temperatura mas-sima di evaporazione (ottenibile con collettori piani) del fluido di lavoro erapari a 80-120 ◦C. L’acqua pompata provvedeva anche alla refrigerazione delmotore, in quanto risulta fondamentale alle modeste temperature di evapora-zione realizzate avere un pozzo freddo alla temperatura la piu bassa possibile.Le condizioni di progetto del motore erano le seguenti: temperatura di eva-porazione 75 ◦C, temperatura di condensazione 30 ◦C, potenza meccanica4.0 kW, espansore a turbina.

il motore solare di Borj Cedria Nel 1984 a Borj Cedria (Tunisia) vennerealizzato un motore solare alimentato con calore di origine solare provenienteda un campo di collettori piani, [13]. Furono impiegati collettori piani a ve-tro singolo con una lastra captante di rame dotata di rivestimento selettivo.Il sistema era dotato di un accumulo di calore realizzato con un recipien-

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Figura 19: L’impianto di Bet Ha’arava (Mar Morto, Israele). Un sistema constagni solari da 5 MWe., [9]

te di acciaio al carbonio con isolamento in lana di vetro. I dati principalidell’impianto nelle condizioni di progetto sono in Tabella 2.

Il fluido di lavoro scelto per il motore era percloro-etilene (tetra-cloro-etilene, Cl2C = CCl2). Un fluido non infiammabile con temperatura criticaelevata (Tcr = 346.85 ◦C), pressione critica Pcr = 44.9 bar e un punto nor-male di ebollizione di 121.25 ◦C. La sua massa molare e 165.83, con unparametro di complessita molecolare σ = 4.0. Il percloro-etilene, grazie allesue eccellenti proprieta solventi e tuttora largamente usato per il lavaggio asecco nell’industria e per la pulitura e sgrassatura dei metalli.

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Figura 20: Il motore solare da 3.0 kW per il pompaggio di acqua realizzatonel 1977 a Milano, [10].

Figura 21: Il motore solare da 3.0 kW con il campo solare sul tetto deglistabilimenti Ansaldo, Genova, [12].

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Figura 22: Il motore solare da 3.0 kW: configurazione dell’impianto, [12].1 campo dei collettori solari, 2 evaporatore del fluido motore (tetra-cloro-etilene), 3 turbina, 4 condensatore, 5 serbatoio dell’olio idraulico, 6 pompadella trasmissione idraulica, 7 serbatoio di acqua sul tetto, 8 valvola di by-pass per l’avviamento, 9 serbatoio di acqua a terra, 10 pompa centrifuga peril pompaggio dell’acqua, 11 motore della trasmissione idraulica.

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Figura 23: Il motore solare da 3.0 kW:la configurazione del motore e ilciclo termodinamico, [12]. 1 evaporatore, 2 turbina (13800 rpm, 3 de-surriscaldatore, 4 condensatore, 5 riduttore di giri a cinghia, 6 condotto ver-ticale di alimentazione (pompa di alimento per gravita). Dimensioni: H =2300mm, K = 2400mm

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Tabella 2: Dati principali dell’impianto di Borj Cedria nelle condizioni diprogettoa, [13].

Superficie totale dei collettori 750 m2

Temperature di entrata/uscita per i collettori 85.4/100 ◦CTemperature di entrata/uscita nel motore 98.5/86.5 ◦CTemperatura dell’acqua di condensazione 20 ◦CPortata di acqua al condensatore 6 kg/sRendimento medio giornaliero del capo solare 0.33Energia elettrica netta giornaliera 80 kWhVolume di accumulo termico (acqua calda) 45 m3

Consumi giornalieri degli ausiliari del campo solare 13.8 kWhConsumi giornalieri degli ausiliari del motore 1.6 kWhPotenza netta del motore 12 kW

a insolazione giornaliera: 5 kWh/m2 d, corrispondente ad un giorno serenodi riferimento, prossimo all’equinozio.

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[11] Gaia M, Macchi E (1978) A comparison between Sun and Wind asEnergy Sources in Irrigation Plants. In: Proceedings of International So-lar Energy Society (ISES) Congress, Delhi (India), January 1978: Sun,Mankind’s Future Source of Energy. Pergamon Press, Vol I, pp 265-272

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[13] Gaia M, Angelino G, Macchi E, De Heering D, Fabry J P (1984) Risultatisperimentali del motore a fluido organico sviluppato per l’impianto sola-re di Borj Cedria. energie alternative HTE anno 6 no 27 gennaio-febbraio1984, 31–34

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