Centrali solari. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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La quantità totale di energia solare che raggiunge la superficie terrestre in una settimana supera l'energia di tutte le riserve mondiali di petrolio, gas, carbone e uranio. Il calore solare può essere immagazzinato in molti modi. Le moderne tecnologie includono concentratori parabolici, specchi parabolici solari e torri solari. Possono essere combinati con impianti di combustione di combustibili fossili e in alcuni casi adattati per l'accumulo di calore. Il vantaggio principale di tale ibridazione e accumulo termico è che tale tecnologia può fornire la programmazione della produzione di elettricità (ovvero, la generazione di elettricità può essere eseguita nei momenti in cui è necessario). L'ibridazione e l'accumulo di calore possono aumentare il valore economico dell'elettricità prodotta e ridurne il costo medio.

Concentratori parabolici solari

Queste installazioni utilizzano specchi parabolici (vassoi) che concentrano la luce solare su tubi riceventi contenenti un fluido termovettore. Questo liquido viene riscaldato a quasi 400°C e pompato attraverso una serie di scambiatori di calore; questo produce vapore surriscaldato, che aziona un generatore a turbina convenzionale per produrre elettricità. Per ridurre la perdita di calore, il tubo ricevente può essere circondato da un tubo di vetro trasparente posto lungo la linea focale del cilindro. Di norma, tali installazioni includono sistemi di inseguimento solare uniassiali o biassiali. In rari casi, sono stazionari.

Costruito negli anni '80 nel deserto della California meridionale da Luz International, nove di questi sistemi costituiscono oggi la più grande centrale solare termica del mondo. Queste centrali elettriche forniscono elettricità alla rete elettrica pubblica della California meridionale. Nel 1984, Luz International ha installato un sistema di generazione elettrica solare da 13,8 MW I (o SEGS I) a Deggett, nel sud della California. Nei tubi di ricezione, l'olio è stato riscaldato ad una temperatura di 343°C ed è stato generato vapore per generare elettricità. Il design "SEGS I" prevedeva 6 ore di accumulo di calore. Utilizzava forni a gas naturale, che venivano utilizzati in assenza di radiazione solare. La stessa società ha realizzato analoghe centrali elettriche "SEGS II - VII" con una potenza di 30 MW. Nel 1990, ad Harper Lake furono costruiti "SEGS VIII e IX", ciascuno con una capacità di 80 MW.

Le stime della tecnologia mostrano che è più costosa delle centrali solari del tipo a torre e piatto (vedi sotto), principalmente a causa della minore concentrazione di radiazione solare, e quindi delle temperature più basse e, di conseguenza, dell'efficienza. Tuttavia, con una maggiore esperienza operativa, una tecnologia migliorata e costi operativi ridotti, i concentratori parabolici potrebbero essere la tecnologia meno costosa e più affidabile del prossimo futuro.

Tipo di piastra solare

Questo tipo di impianto solare è una pila di specchi parabolici (di forma simile a una parabola satellitare) che concentrano l'energia solare su ricevitori situati nel punto focale di ciascuna parabola. Il liquido nel ricevitore viene riscaldato fino a 1000 gradi e viene utilizzato direttamente per generare elettricità in un piccolo motore e generatore collegato al ricevitore.

I motori Stirling e Brayton sono attualmente in fase di sviluppo. Negli Stati Uniti sono in funzione diversi sistemi pilota che vanno da 7 kW a 25 kW. L'elevata efficienza ottica e il basso costo iniziale rendono i sistemi a specchio/motore la più efficiente di tutte le tecnologie solari. Il motore Stirling e il sistema a specchio parabolico detengono il record mondiale per la conversione più efficiente dell'energia solare in elettricità. Nel 1984, il Rancho Mirage in California ha raggiunto un'efficienza pratica del 29%.

Inoltre, grazie al design modulare, tali sistemi rappresentano l'opzione migliore per soddisfare le esigenze di alimentazione sia dei consumatori stand-alone (nella gamma dei kilowatt) che ibridi (nella gamma dei megawatt) collegati alle reti di pubblica utilità.

Questa tecnologia è stata implementata con successo in numerosi progetti. Uno di questi è il progetto STEP (Solar Total Energy Project) nello stato americano della Georgia. Questo è un grande sistema di specchi parabolici che ha funzionato nel 1982-1989. nello Shenandoah. Consisteva di 114 specchi, ciascuno di 7 metri di diametro. Il sistema produceva vapore ad alta pressione per la produzione di energia, vapore a media pressione per l'industria della maglieria e vapore a bassa pressione per il sistema di condizionamento dell'aria nello stesso maglificio.

Anche altre società si interessarono alla condivisione di specchi parabolici e motori Stirling. Ad esempio, Stirling Technology, Stirling Thermal Motors e Detroit Diesel, insieme a Science Applications International Corporation, hanno formato una joint venture da 36 milioni di dollari per sviluppare un sistema da 25 kilowatt basato sul motore Stirling.

Torri solari con ricevitore centrale

Questi sistemi utilizzano un campo rotante di riflettori eliostatici. Concentrano la luce solare su un ricevitore centrale costruito in cima alla torre, che assorbe l'energia termica e aziona un generatore a turbina. Un sistema di tracciamento biassiale controllato da computer posiziona gli eliostati in modo che i raggi solari riflessi siano stazionari e cadano sempre sul ricevitore. Il liquido circolante nel ricevitore cede calore all'accumulatore di calore sotto forma di vapore. Il vapore aziona una turbina per generare elettricità o viene utilizzato direttamente nei processi industriali. Le temperature del ricevitore vanno da 538 a 1482°C.

Il primo impianto a torre, chiamato "Solar One" vicino a Barstow, nel sud della California, ha dimostrato con successo l'applicazione di questa tecnologia alla generazione di energia. L'azienda ha operato a metà degli anni '1980. Utilizzava un sistema acqua-vapore della potenza di 10 MW. Nel 1992, un consorzio di società energetiche statunitensi ha deciso di aggiornare Solar One per dimostrare un ricevitore di sali fusi e un sistema di accumulo termico. Grazie all'accumulo di calore, le centrali elettriche a torre sono diventate una tecnologia solare unica che consente il dispacciamento dell'elettricità con un fattore di carico fino al 65%. In un tale sistema, il sale fuso viene pompato da un serbatoio "freddo" a 288°C e fatto passare attraverso un ricevitore dove viene riscaldato a 565°C e quindi riportato nel serbatoio "caldo". Ora il sale caldo può essere utilizzato per generare elettricità secondo necessità. Nei modelli moderni di tali impianti, il calore viene immagazzinato da 3 a 13 ore.

Solar Two, una torre elettrica da 10 MW in California, è il prototipo di grandi centrali elettriche industriali. Ha fornito elettricità per la prima volta nell'aprile 1996, segnando l'inizio di un periodo di 3 anni di test, valutazione e generazione pilota di energia per dimostrare la tecnologia del sale fuso. Il calore solare viene immagazzinato in sali fusi a una temperatura di 550°C, grazie ai quali la stazione può generare elettricità giorno e notte, con qualsiasi condizione atmosferica. Il completamento con successo del progetto "Solar Two" dovrebbe facilitare la costruzione di tali torri su base industriale nella gamma di capacità da 30 a 200 MW.

Confronto delle specifiche

Torri e concentratori parabolico-cilindrici funzionano in modo ottimale in grandi centrali connesse alla rete con una capacità di 30-200 MW, mentre i sistemi di tipo a disco sono costituiti da moduli e possono essere utilizzati sia in installazioni stand-alone che in gruppi con una capacità totale di diversi megawatt. Gli abbeveratoi parabolici sono di gran lunga la tecnologia di energia solare più avanzata e probabilmente verranno utilizzati nel prossimo futuro. Le centrali elettriche a torre, grazie alla loro efficiente capacità di accumulo di calore, possono diventare in un prossimo futuro anche centrali solari.

La natura modulare dei "vassoi" ne consente l'utilizzo in installazioni più piccole. Torri e "piatti" consentono di raggiungere valori di efficienza più elevati per convertire l'energia solare in energia elettrica a un costo inferiore rispetto ai concentratori parabolici. Tuttavia, non è chiaro se queste tecnologie possano ottenere la necessaria riduzione dei costi di capitale. I concentratori parabolici sono ora una tecnologia collaudata, in attesa di essere perfezionati. Le centrali elettriche a torre devono dimostrare l'efficienza e l'affidabilità operativa della tecnologia del sale fuso utilizzando eliostati economici. Per i sistemi a fungo, è necessario creare almeno un motore commerciale e sviluppare un concentratore economico.

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