Tipologie di centrali solari: a torre, a disco, a concentratore parabolico-cilindrico, solare-vuoto, combinate

Per convertire l'energia della radiazione solare o in altre parole — calore solare e luce, in energia elettrica, da molti anni molti paesi in tutto il mondo utilizzano impianti solari. Si tratta di strutture ingegneristiche con un design diverso, che lavorano su principi diversi, a seconda del tipo di centrale elettrica.

Se qualcuno, sentendo la combinazione "centrale solare", immagina un'enorme area coperta di pannelli solari, ciò non sorprende, perché questo tipo di centrali, chiamate fotovoltaiche, è oggi molto diffuso in molte famiglie. Ma questo non è l'unico tipo di impianto solare.

Tutti gli impianti solari oggi conosciuti che producono energia elettrica su scala industriale si dividono in sei tipologie: a torre, a piastre, fotovoltaici, a concentrazione parabolico-cilindrica, solare-vuoto e combinati.Diamo uno sguardo dettagliato a ciascun tipo di centrale solare e prestiamo attenzione a strutture specifiche in diversi paesi del mondo.

Centrali elettriche a torre

Centrale solare — Una centrale solare in cui la radiazione proveniente da un sistema ottico a concentrazione formato da un campo di eliostati è diretta a un ricevitore solare montato su una torre.

Le centrali elettriche a torre erano originariamente basate sul principio dell'evaporazione dell'acqua sotto l'influenza della radiazione solare. Qui il vapore acqueo viene utilizzato come fluido di lavoro. Situata al centro di tale stazione, la torre ha un serbatoio d'acqua in cima dipinto di nero per assorbire al meglio sia la radiazione visibile che il calore. Inoltre, la torre dispone di un gruppo di pompaggio la cui funzione è quella di fornire acqua al serbatoio. Il vapore, la cui temperatura supera i 500 ° C, fa girare un generatore a turbina situato sul territorio della stazione.

Al fine di concentrare la massima quantità possibile di radiazione solare nella parte superiore della torre, attorno ad essa sono installati centinaia di eliostati, la cui funzione è quella di dirigere la radiazione solare riflessa direttamente al serbatoio dell'acqua. Gli eliostati sono specchi, la cui area può raggiungere decine di metri quadrati.

Eliostato [eliostato] — Elemento a specchio piano o focalizzante di un sistema di concentrazione ottico dotato di un dispositivo di orientamento individuale per dirigere la radiazione solare diretta riflessa verso un ricevitore di radiazione solare.

Montati su supporti dotati di un sistema di messa a fuoco automatica, tutti gli eliostati dirigono la radiazione solare riflessa direttamente sulla sommità della torre, verso il serbatoio, in quanto il posizionamento funziona in base al movimento del sole durante il giorno.

Nelle giornate più calde, la temperatura del vapore prodotto può salire fino a 700 °C, valore più che sufficiente per il normale funzionamento della turbina.

Ad esempio, in Israele, nel deserto del Negev, entro la fine del 2017 sarà completata la costruzione di una centrale elettrica con una torre con una capacità di oltre 121 MW, l'altezza della torre sarà di 240 metri (la torre solare più alta del mondo al momento della costruzione), e attorno ad essa ci sarà un pavimento di centinaia di migliaia di eliostati che saranno posizionati tramite controllo Wi-Fi. La temperatura del vapore nel serbatoio raggiungerà i 540°C. Il progetto da 773 milioni di dollari coprirà l'1% del fabbisogno elettrico di Israele.

L'acqua non è l'unica cosa che può essere riscaldata dalla radiazione solare nella torre. Ad esempio, in Spagna, nel 2011, è stata messa in funzione la centrale solare a torre Gemasolar, in cui viene riscaldato un refrigerante salino. Questa soluzione ha permesso di riscaldare anche di notte.

Il sale, riscaldato a 565°C, entra in un apposito serbatoio, dopodiché trasmette il calore al generatore di vapore, che fa girare la turbina. L'intero impianto ha una potenza nominale di 19,9 MW ed è in grado di fornire 110 GWh di energia elettrica (media annua) per alimentare una rete di 27.500 abitazioni funzionanti a pieno regime 24 ore su 24 per 9 mesi.

Lotto centrali elettriche

In linea di principio, gli impianti di questo tipo sono simili agli impianti a torre, ma sono strutturalmente diversi. Utilizza moduli separati, ciascuno dei quali genera elettricità. Il modulo include sia un riflettore che un ricevitore. Sul supporto è montato un insieme parabolico di specchi formanti un riflettore.

Mirror Amplifier — Un concentratore di radiazione solare con rivestimento a specchio.Concentratore sfaccettato speculare — Un concentratore speculare di radiazione solare costituito da singoli specchi di forma piatta o curva che formano una superficie riflettente comune.

Il ricevitore si trova al centro del paraboloide. Il riflettore è composto da dozzine di specchi, ciascuno personalizzato individualmente. Il ricevitore può essere un motore Stirling combinato con un generatore o un serbatoio d'acqua che viene convertito in vapore e il vapore fa girare la turbina.

Ad esempio, nel 2015 Ripasso, in Svezia, ha testato un'unità elotermica parabolica con motore Stirling in Sudafrica. Il riflettore dell'installazione è uno specchio parabolico composto da 96 parti e una superficie totale di 104 metri quadrati.

L'attenzione si è concentrata su un motore a idrogeno Stirling dotato di volano e collegato a un generatore. Il piatto girava lentamente per seguire il sole durante il giorno. Di conseguenza, il fattore di efficienza era del 34% e ciascuna di queste "piastre" era in grado di fornire all'utente 85 MWh di elettricità all'anno.

In tutta onestà, notiamo che al fuoco del "piatto" di un impianto solare di questo tipo può essere posizionato un contenitore di olio, il cui calore può essere trasferito al generatore di vapore, che a sua volta fa ruotare il turbina del generatore elettrico.

Impianti solari a tubi parabolici

Anche in questo caso il mezzo riscaldante viene riscaldato mediante radiazione riflessa concentrata. Lo specchio ha la forma di un cilindro parabolico lungo fino a 50 metri, posizionato in direzione nord-sud e ruota seguendo il movimento del sole. Al centro dello specchio c'è un tubo fisso lungo il quale si muove l'agente di raffreddamento liquido.Una volta che il refrigerante è abbastanza caldo, il calore viene trasferito all'acqua nello scambiatore di calore, dove il vapore fa girare nuovamente il generatore.

Concentratore a corridoio parabolico — Un concentratore a specchio della radiazione solare, la cui forma è formata da una parabola che si muove parallelamente a se stessa.

Negli anni '80 in California, Luz International ha costruito 9 di queste centrali elettriche, con una capacità totale di 354 MW. Tuttavia, dopo diversi anni di pratica, gli esperti sono giunti alla conclusione che oggi le centrali elettriche paraboliche sono inferiori sia in termini di redditività che di efficienza rispetto alle centrali solari a torre ea piastre.

Tuttavia, nel 2016, è stata scoperta una centrale elettrica nel deserto del Sahara vicino a Casablanca. concentratori solari, con una potenza di 500 MW. Mezzo milione di specchi di 12 metri riscaldano il liquido di raffreddamento a 393 ° C per trasformare l'acqua in vapore per far girare le turbine dei generatori. Di notte, l'energia termica continua a funzionare essendo immagazzinata nel sale fuso. In questo modo, lo stato del Marocco intende risolvere gradualmente il problema di una fonte di energia rispettosa dell'ambiente.

Centrali fotovoltaiche

Stazioni basate su moduli fotovoltaici, pannelli solari. Sono molto popolari e diffusi nel mondo moderno. I moduli basati su celle di silicio sono ampiamente utilizzati per alimentare piccoli siti, come sanatori, ville private e altri edifici, dove una stazione con la potenza richiesta viene assemblata da parti separate e installata sul tetto o su un terreno di un'area adatta. Gli impianti fotovoltaici industriali sono in grado di fornire elettricità ai piccoli centri.

Solar Power Plant (SES) [centrale solare] — Una centrale elettrica progettata per convertire l'energia della radiazione solare in elettricità.

Ad esempio, in Russia, nel 2015 è stata avviata la più grande centrale fotovoltaica del paese. La centrale solare "Alexander Vlazhnev", composta da 100.000 pannelli solari, con una capacità totale di 25 MW, si trova su un'area di 80 ettari tra le città di Orsk e Gai. La capacità della stazione è sufficiente per fornire elettricità a metà della città di Orsk, compresi gli edifici commerciali e residenziali.

Il principio di funzionamento di tali stazioni è semplice. L'energia dei fotoni di luce viene convertita in corrente in un wafer di silicio; l'effetto fotoelettrico intrinseco in questo semiconduttore è stato a lungo studiato e accettato dai produttori di celle solari. Ma il silicio cristallino, che offre un'efficienza del 24%, non è l'unica opzione. La tecnologia è in costante miglioramento. Quindi, nel 2013, gli ingegneri Sharp hanno ottenuto un'efficienza del 44,4% da un elemento indio-gallio-arseniuro e l'uso di lenti di messa a fuoco consente di ottenere tutto il 46%.

Centrali solari sottovuoto

Tipo assolutamente ecologico di stazioni solari. In linea di principio, viene utilizzato il flusso d'aria naturale, che si verifica a causa della differenza di temperatura (l'aria sulla superficie terrestre viene riscaldata e si precipita verso l'alto). Nel 1929, questa idea fu brevettata in Francia.

Si sta costruendo una serra, che è un pezzo di terra coperto di vetro. Dal centro della serra sporge una torre, un alto tubo in cui è montata una turbina del generatore. Il sole riscalda la serra e l'aria che sale attraverso il tubo fa girare la turbina.Il tiraggio rimane costante finché il sole riscalda l'aria in un volume di vetro chiuso e anche di notte finché la superficie della terra trattiene il calore.

Una stazione sperimentale di questo tipo è stata costruita nel 1982, 150 chilometri a sud di Madrid, in Spagna. La serra aveva un diametro di 244 metri e il tubo era alto 195 metri. La potenza massima sviluppata è di soli 50 kW. Tuttavia, la turbina ha funzionato per 8 anni fino a quando non si è guastata a causa della ruggine e dei forti venti. Nel 2010, la Cina ha completato la costruzione di una stazione solare a vuoto in grado di fornire 200 kW. Occupa un'area di 277 ettari.

Impianti solari combinati

Queste sono le stazioni in cui le comunicazioni di acqua calda e riscaldamento sono collegate agli scambiatori di calore, in generale riscaldano l'acqua per varie esigenze. Le stazioni combinate comprendono anche soluzioni combinate quando i concentratori lavorano in parallelo con i pannelli solari. Gli impianti fotovoltaici combinati sono spesso l'unica soluzione per l'alimentazione alternativa e il riscaldamento delle abitazioni private.