Concentratori solari

Fondamentalmente, i concentratori solari sono molto diversi da convertitori fotovoltaici… Inoltre, gli impianti solari di tipo termico sono molto più efficienti del fotovoltaico per una serie di caratteristiche.

Il compito del concentratore solare è quello di focalizzare i raggi del sole su un contenitore di liquido refrigerante, che può essere ad esempio olio o acqua, che assorbono bene l'energia solare. I metodi di concentrazione sono diversi: concentratori cilindrici parabolici, specchi parabolici o torri eliocentriche.

In alcuni concentratori, la radiazione solare è focalizzata lungo la linea focale, in altri nel punto focale in cui si trova il ricevitore. Quando la radiazione solare viene riflessa da una superficie più grande a una superficie più piccola (la superficie del ricevitore), viene raggiunta una temperatura elevata, il refrigerante assorbe il calore, spostandosi attraverso il ricevitore. Il sistema nel suo insieme contiene anche una parte di accumulo e un sistema di trasferimento di energia.

L'efficienza dei concentratori è significativamente ridotta durante i periodi nuvolosi, poiché viene focalizzata solo la radiazione solare diretta.Per questo motivo questi sistemi raggiungono la massima efficienza nelle regioni dove il livello di insolazione è particolarmente elevato: nei deserti, nella regione equatoriale. Al fine di aumentare l'efficienza dell'uso della radiazione solare, i concentratori sono dotati di speciali tracker, sistemi di tracciamento che assicurano l'orientamento più accurato dei concentratori nella direzione del sole.

Poiché il costo dei concentratori solari è elevato ei sistemi di inseguimento richiedono una manutenzione periodica, il loro utilizzo è principalmente limitato ai sistemi di generazione di energia industriale.

Tali impianti possono essere utilizzati in sistemi ibridi insieme, ad esempio, con combustibile a idrocarburi, quindi il sistema di stoccaggio ridurrà il costo dell'elettricità prodotta. Ciò diventerà possibile poiché la generazione verrà eseguita 24 ore su 24.

I concentratori solari a tubi parabolici sono lunghi fino a 50 metri e assomigliano a una parabola a specchio allungata. Tale concentratore è costituito da un insieme di specchi concavi, ognuno dei quali raccoglie i raggi paralleli del sole e li focalizza su un punto specifico. Lungo tale parabola si trova un tubo con un liquido di raffreddamento, in modo che tutti i raggi riflessi dagli specchi siano focalizzati su di esso. Per ridurre la dispersione termica, il tubo è circondato da un tubo di vetro che si estende lungo la linea focale del cilindro.

Questi hub sono disposti in file in direzione nord-sud e sono sicuramente dotati di sistemi di inseguimento solare. La radiazione focalizzata nella linea riscalda il liquido di raffreddamento a quasi 400 gradi, passa attraverso gli scambiatori di calore, generando vapore che fa girare la turbina del generatore.

Per correttezza, va notato che al posto del tubo può essere posizionata anche una fotocellula. Tuttavia, nonostante le dimensioni del concentratore possano essere inferiori con le celle fotovoltaiche, ciò è irto di una diminuzione dell'efficienza e del problema del surriscaldamento, che richiede lo sviluppo di un sistema di raffreddamento di alta qualità.

Nel deserto della California negli anni '80 sono state costruite 9 centrali elettriche a concentratori cilindrici parabolici per una potenza totale di 354 MW. Quindi la stessa società (Luz International) ha anche costruito un impianto ibrido SEGS I a Deget, con una capacità di 13,8 MW, che comprendeva anche forni a gas naturale.In generale, nel 1990, la società aveva costruito centrali elettriche ibride con una capacità totale di 80 MW.

Lo sviluppo della produzione di energia solare in centrali elettriche paraboliche è in corso in Marocco, Messico, Algeria e altri paesi in via di sviluppo con finanziamenti della Banca mondiale.

Di conseguenza, gli esperti concludono che oggi le centrali elettriche paraboliche sono in ritardo rispetto alle centrali solari a torre ea disco in termini di redditività ed efficienza.

Installazioni solari a disco — queste sono, come antenne paraboliche, specchi parabolici che focalizzano i raggi del sole su un ricevitore situato al centro di ciascuna di queste antenne. Allo stesso tempo, la temperatura del liquido di raffreddamento con questa tecnologia di riscaldamento raggiunge i 1000 gradi. Il fluido termovettore viene immediatamente inviato ad un generatore o motore che è abbinato ad un ricevitore. Qui, ad esempio, vengono utilizzati i motori Stirling e Brighton, che possono aumentare notevolmente le prestazioni di tali sistemi, poiché l'efficienza ottica è elevata ei costi iniziali bassi.

Il record mondiale di efficienza di un'installazione solare parabolica è del 29% di efficienza termica-elettrica ottenuta da un'installazione parabolica combinata con un motore Stirling a Rancho Mirage.

Grazie al design modulare, i sistemi solari di tipo match sono molto promettenti, consentono di raggiungere facilmente i livelli di potenza richiesti sia per gli utenti ibridi collegati alle reti elettriche pubbliche che indipendenti. Un esempio è il progetto STEP, che consiste in 114 specchi parabolici con un diametro di 7 metri situati nello stato della Georgia.

Il sistema produce vapore a media, bassa e alta pressione. Il vapore a bassa pressione viene fornito al sistema di condizionamento dell'impianto di maglieria, il vapore a media pressione viene fornito all'industria della maglieria stessa e il vapore ad alta pressione viene fornito direttamente per generare elettricità.

Naturalmente, i concentratori a disco solare combinati con un motore Stirling interessano i proprietari di grandi compagnie energetiche. Così, Science Applications International Corporation, in collaborazione con tre società energetiche, sta sviluppando un sistema che utilizza un motore Stirling e specchi parabolici che sarà in grado di produrre 25 kW di elettricità.

Negli impianti solari a torre con ricevitore centrale, la radiazione solare è focalizzata sul ricevitore, che si trova nella parte superiore della torre…. Un gran numero di riflettori-eliostati sono posizionati attorno alle torri... Gli eliostati sono dotati di un sistema di inseguimento solare a due assi, grazie al quale ruotano sempre in modo che i raggi siano fermi, concentrati sul ricevitore di calore.

Il ricevitore assorbe energia termica, che poi fa girare la turbina del generatore.

Il liquido refrigerante che circola nel ricevitore porta il vapore all'accumulatore di calore. Di solito le opere sono vapore acqueo con una temperatura di 550 gradi, aria e altre sostanze gassose con una temperatura fino a 1000 gradi, liquidi organici con un basso punto di ebollizione - inferiore a 100 gradi, nonché metallo liquido - fino a 800 gradi.

A seconda dello scopo della stazione, il vapore può far girare una turbina per generare elettricità o essere utilizzato direttamente in qualche tipo di produzione. La temperatura nel ricevitore varia da 538 a 1482 gradi.

La torre di potenza Solar One nel sud della California, una delle prime nel suo genere, originariamente produceva elettricità attraverso un sistema vapore-acqua che produceva 10 MW. Successivamente è stato modernizzato e il ricevitore migliorato, ora funzionante con sali fusi e il sistema di accumulo del calore, è diventato notevolmente più efficiente.

Ciò ha portato a una svolta nella tecnologia dei concentratori solari per le centrali elettriche a batteria: l'energia in una centrale di questo tipo può essere prodotta su richiesta, poiché il sistema di accumulo del calore può immagazzinare il calore fino a 13 ore.

La tecnologia del sale fuso consente di immagazzinare il calore solare a 550 gradi e ora è possibile produrre elettricità in qualsiasi momento della giornata e con qualsiasi condizione atmosferica. La stazione a torre "Solar Two" con una capacità di 10 MW è diventata un prototipo di centrali elettriche industriali di questo tipo. In futuro — la costruzione di imprese industriali con una capacità da 30 a 200 MW per grandi imprese industriali.

Le prospettive sono colossali, ma lo sviluppo è ostacolato dalla necessità di grandi aree e dai costi significativi per la costruzione di stazioni torre su scala industriale. Ad esempio, per posizionare una stazione a torre da 100 megawatt sono necessari 200 ettari, mentre una centrale nucleare in grado di produrre 1.000 megawatt di elettricità richiede solo 50 ettari. Le stazioni parabolico-cilindriche (di tipo modulare) per piccole portate sono invece più economiche di quelle a torre.

Pertanto, i concentratori a torre e parabolici sono adatti per centrali elettriche da 30 MW a 200 MW collegate alla rete. Gli hub per dischi modulari sono adatti per l'alimentazione autonoma di reti che richiedono solo pochi megawatt. Entrambi i sistemi a torre ea soletta sono costosi da produrre ma offrono un'efficienza molto elevata.

Come puoi vedere, i concentratori parabolici occupano una posizione ottimale come la tecnologia di concentrazione solare più promettente per i prossimi anni.

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