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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Centrali solari termiche. Concentratori solari. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative Tali centrali elettriche concentrano l'energia solare utilizzando lenti e riflettori. Poiché questo calore può essere immagazzinato, tali impianti possono generare elettricità secondo necessità, di giorno o di notte, con qualsiasi condizione atmosferica. Grandi specchi, sia puntiformi che lineari, concentrano i raggi del sole a tal punto che l'acqua si trasforma in vapore, rilasciando energia sufficiente per far girare una turbina. Azienda "Luz Corp." installato enormi campi di tali specchi nel deserto californiano. Producono 354 MW di elettricità. Questi sistemi possono convertire l'energia solare in energia elettrica con un'efficienza di circa il 15%. Tutte le tecnologie descritte, ad eccezione degli stagni solari, utilizzano concentratori per raggiungere temperature elevate, che riflettono la luce del Sole da una superficie maggiore a una superficie minore del ricevitore. Tipicamente, tale sistema è costituito da un concentratore, un ricevitore, un refrigerante, un sistema di accumulo e un sistema di trasmissione dell'energia.
Il calore solare può essere risparmiato in diversi modi. Le moderne tecnologie includono concentratori parabolici, specchi parabolici solari e torri di energia solare. Possono essere combinati con impianti di combustione di combustibili fossili e, in alcuni casi, adattati per l’accumulo termico. Il vantaggio principale di tale ibridazione e accumulo termico è che tale tecnologia può fornire una produzione di elettricità dispacciabile (ovvero, la generazione di elettricità può essere effettuata nei momenti in cui è necessaria). L’ibridazione e l’accumulo termico possono aumentare il valore economico dell’elettricità prodotta e ridurne il costo medio. Sistema parabolico (vassoio). Queste installazioni utilizzano specchi parabolici (vassoi) che concentrano la luce solare su tubi riceventi contenenti un fluido refrigerante. Questo liquido viene riscaldato fino a quasi 400°C e pompato attraverso una serie di scambiatori di calore; questo produce vapore surriscaldato che aziona un turbogeneratore 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. Tipicamente, tali installazioni includono sistemi di inseguimento solare a asse singolo o doppio. In rari casi sono stazionari.
Le stime della tecnologia mostrano un costo più elevato rispetto agli impianti solari a torre e a parabola, principalmente a causa delle minori concentrazioni di radiazione solare e quindi delle temperature più basse e, quindi, dell’efficienza. Tuttavia, con una maggiore esperienza operativa, una tecnologia migliorata e costi operativi inferiori, i concentratori parabolici potrebbero diventare la tecnologia meno costosa e più affidabile del prossimo futuro. Costruiti negli anni '80 nel deserto della California meridionale da Luz International, nove di questi sistemi costituiscono il più grande impianto di generazione di elettricità solare termica fino ad oggi. Queste centrali elettriche forniscono elettricità alla rete pubblica della California meridionale. Nel 1984, Luz International ha installato a Daggette (California meridionale) il sistema di generazione di energia solare Solar Electric Generating System I (o SEGS I) con una capacità di 13,8 MW. Nei tubi riceventi l'olio veniva riscaldato ad una temperatura di 343°C e veniva generato vapore per produrre 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 costruito centrali elettriche simili "SEGS II - VII" con una capacità di 30 MW. Nel 1990 ad Harper Lake furono costruiti i "SEGS VIII e IX", ciascuno con una capacità di 80 MW. A causa di numerose difficoltà legislative e politiche, Luz International e le sue affiliate dichiararono fallimento il 25 novembre 1991. Le stazioni SEGS I - IX sono ora gestite da altre società in base al vecchio contratto con Southern California Edison. I progetti per la costruzione di "SEGS X, XI, XII" hanno dovuto essere abbandonati, il che significa la perdita di ulteriori 240 MW di capacità prevista.
Tipo di piastra solare Questo tipo di sistema solare è costituito da una batteria di specchi parabolici (di forma simile a un'antenna parabolica) che focalizzano l'energia solare su ricevitori situati nel punto focale di ciascuna parabola. Il liquido nel ricevitore viene riscaldato a 1000°C e viene utilizzato direttamente per produrre elettricità in un piccolo motore e generatore collegato al ricevitore.
Inoltre, grazie al loro design modulare, tali sistemi rappresentano l’opzione ottimale per soddisfare il fabbisogno elettrico sia dei consumatori autonomi (kilowatt) che ibridi (megawatt) collegati alle reti pubbliche. 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. Si tratta di un grande sistema di specchi parabolici in funzione dal 1982 al 1989. a Shenandoah. Consisteva di 114 specchi, ciascuno di 7 metri di diametro. L'impianto produceva vapore ad alta pressione per la produzione di energia elettrica, vapore a media pressione per la produzione di maglieria e vapore a bassa pressione per il sistema di condizionamento dell'aria nello stesso maglificio. Nell'ottobre 1989 l'azienda chiuse l'impianto a causa di danni alla turbina principale e mancanza di fondi per riparare l'impianto. 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%.
Una joint venture tra Sandia National Lab e Cummins Power Generation sta attualmente tentando di commercializzare il sistema da 7,5 kW. Cummins spera di vendere 10 unità all'anno entro il 000. Altre aziende si sono interessate a utilizzare insieme specchi parabolici e motori Stirling. Pertanto, Stirling Technology, Stirling Thermal Motors e Detroit Diesel, insieme a Science Applications International Corporation, hanno creato una joint venture con un capitale di 2004 milioni di dollari per sviluppare un sistema da 36 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 energia termica e aziona un turbogeneratore. Il sistema di inseguimento biassiale controllato dal computer posiziona gli eliostati in modo che i raggi riflessi del sole siano stazionari e cadano sempre sul ricevitore. Il liquido circolante nel ricevitore cede calore all'accumulatore di calore sotto forma di vapore. Il vapore fa girare una turbina per generare elettricità o viene utilizzato direttamente nei processi industriali. La temperatura del ricevitore varia da 538 a 1482 °C.
La prima centrale elettrica a torre, chiamata Solar One, vicino a Barstow, nel sud della California, ha dimostrato con successo l’uso di questa tecnologia per generare elettricità. L'azienda operava a metà degli anni '1980. Utilizzava un sistema acqua-vapore da 10 MWe. Nel 1992, un consorzio di aziende energetiche statunitensi decise di aggiornare Solar One per dimostrare un ricevitore di sali fusi e un sistema di accumulo termico. Grazie allo stoccaggio del calore, le centrali elettriche a torre sono diventate una tecnologia solare unica che consente il dispacciamento di elettricità con fattori di carico fino al 65%. In un tale sistema, il sale fuso viene pompato da un serbatoio “freddo” ad una temperatura di 288°C e passa attraverso un ricevitore, dove viene riscaldato a 565°C, per poi essere restituito al serbatoio “caldo”. Ora il sale caldo può essere utilizzato per generare elettricità secondo necessità. Nei modelli moderni di tali installazioni, il calore viene immagazzinato per 3-13 ore.
Solar Two, una centrale elettrica a torre da 10 MW in California, è un prototipo di grandi centrali elettriche industriali. Ha prodotto elettricità per la prima volta nell'aprile 1996, segnando l'inizio di un periodo di 3 anni di test, valutazione e generazione pilota per dimostrare la tecnologia del sale fuso. Il calore solare viene immagazzinato nel sale fuso a una temperatura di 550°C, quindi la stazione può generare elettricità giorno e notte, con qualsiasi condizione atmosferica. La conclusione positiva del progetto Solar Two dovrebbe facilitare la costruzione di tali torri su base industriale nella fascia di potenza compresa tra 30 e 200 MW. Confronto delle specifiche La tabella riassume le caratteristiche principali delle tre opzioni di generazione di energia solare termica. Torri e concentratori parabolici funzionano in modo ottimale in grandi centrali elettriche connesse alla rete con una capacità di 30-200 MW, mentre i sistemi a piastre sono costituiti da moduli e possono essere utilizzati sia in installazioni autonome che in gruppi con una capacità totale di più megawatt. Gli impianti cilindrici parabolici sono oggi la tecnologia di energia solare più sviluppata e sono quelli che probabilmente verranno utilizzati nel prossimo futuro. Le centrali elettriche a torre, grazie alla loro efficiente capacità di accumulo termico, possono diventare anche centrali solari del prossimo futuro. 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. Caratteristiche degli impianti solari termici
(p) = previsione; (d) = fatto Confronto tra le principali tecnologie solari termiche
Alcuni problemi economici e progettuali degli impianti solari termici Il costo dell’elettricità prodotta dagli impianti solari termici dipende da molti fattori. Questi includono i costi di capitale, i costi operativi e di manutenzione e le prestazioni del sistema. Tuttavia, è importante notare che il costo della tecnologia e il costo finale dell’elettricità generata sono soggetti a un’influenza significativa di fattori esterni non direttamente correlati a questa tecnologia. Ad esempio, i concentratori parabolici e le torri sotto forma di piccole installazioni autonome possono essere piuttosto costosi. Per ridurre i loro costi e renderli competitivi con le moderne centrali elettriche alimentate a combustibili fossili, è necessario aumentare gradualmente la loro potenza e costruire centri di energia solare, dove diversi impianti energetici sono ubicati in un unico sito. Inoltre, poiché queste tecnologie sostituiscono i combustibili tradizionali, le normative fiscali possono avere un impatto significativo sulla loro competitività. Costo contro valore Attraverso l’accumulo termico e l’ibridazione, gli impianti solari termici possono diventare una fonte di elettricità sostenibile e flessibile. È affidabile e in grado di produrre elettricità quando necessario. Di conseguenza, l’energia dispacciata ha un valore elevato per l’azienda perché compensa la necessità di costruire e gestire nuove centrali elettriche. Ciò significa che, sebbene un impianto solare termico possa costare più di un impianto tradizionale, il valore può essere maggiore. Vantaggi degli impianti solari Le centrali solari termiche creano due volte e mezzo più posti di lavoro qualificati e altamente retribuiti rispetto alle tradizionali centrali elettriche a combustione di combustibili fossili. La California Energy Commission ha condotto uno studio da cui è emerso che, anche con i crediti d’imposta esistenti, un impianto solare termico pagherebbe circa 1,7 volte di più in tasse federali e locali rispetto a un impianto a ciclo combinato di capacità equivalente. Se a queste centrali elettriche venissero pagate le stesse tasse, il costo dell’elettricità da esse prodotta sarebbe più o meno lo stesso. Potenziale Se solo l’1% dei deserti della terra venisse utilizzato per produrre elettricità solare termica pulita, si genererebbe più elettricità di quella attualmente generata dalla combustione di combustibili fossili in tutto il mondo. risultati Le tecnologie per la generazione di elettricità solare termica basate sulla concentrazione della luce solare si trovano in diverse fasi di sviluppo. I concentratori parabolici sono già utilizzati su scala industriale: nel deserto del Mojave (California) la capacità installata è di 354 MW. Le centrali solari a torre stanno attraversando la fase di progetto dimostrativo. A Barstow (USA) viene testato un progetto pilota denominato "Solar Two" con una capacità di 10 MW. I sistemi a parabola stanno attraversando la fase di progetti dimostrativi. Diversi progetti sono in fase di sviluppo del design. A Golden (USA) è in funzione una stazione prototipo da 25 kilowatt. Le centrali solari termiche hanno una serie di caratteristiche che le rendono una tecnologia molto interessante nel mercato globale in espansione delle energie rinnovabili. In Ucraina, sotto il dominio sovietico, negli anni '80, vicino alla città di Shchelkino, distretto Leninsky della Repubblica Autonoma di Crimea, fu costruito un impianto solare sperimentale con una capacità di 5 MW. Durante la perestrojka, quando la centrale solare perse il sostegno finanziario dello Stato, la centrale solare non fu in grado di recuperare i propri costi operativi. La centrale solare è stata spenta e rubata. Nel 2005, la centrale solare è stata finalmente smantellata in conformità con la decisione del Ministero del Carburante e dell'Energia dell'Ucraina. Negli ultimi decenni gli impianti solari termici hanno attraversato un percorso difficile. Il continuo lavoro di sviluppo dovrebbe rendere questi sistemi più competitivi rispetto ai combustibili fossili, aumentarne l’affidabilità e fornire una seria alternativa alla sempre crescente domanda di elettricità.
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Commenti sull'articolo: Sergei Mikhailovich Dovbush, rocosov@yandex.ru C'è abbastanza sole dappertutto per tutti in estate e per i freddi mesi invernali sono necessarie riserve di enormi accumulatori di calore, attrezzati in profondità nel sottosuolo, per questo è conveniente utilizzare pozzi di carbone esauriti fornitura di acqua calda.
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