Tecnologie – Solare Termodinamico e TermicoTecnologie – Solare Termodinamico e Termico 1. Principi 2. Tipologie a) parabole lineari b) torri solari c) concentratori parabolici

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Tecnologie – Solare Termodinamico e Termico

1.  Principi 2.  Tipologie

a)  parabole lineari b)  torri solari c)  concentratori parabolici

3.  Accoppiamento Solare Termodinamico – Dissalatori

4.  Solare Termico

IV - 0

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Quadro generale

IV - 1

Solare Geotermica Gravitazionale

solare termodin.

foto- voltaico

fluidi caldi

vento maree

biomassa

osmosi salina

idro- elettrico

moto ondoso

gradienti temperat.

correnti marine

calore

luce

energia cinetica

materia

Energia naturale

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Principi

IV - 2

temperatura alla superficie del Sole

Efficienza: con:

η = ηrecettore × ηCarnot

ηrecettore =Qassorbito −Qperso

Qsolare

ηCarnot = 1− T0

TH

Qsolare = ηotticaICA

Qassorbito = αQsolare

Qperso = A�σT 4H

I = intensità del calore solare (W/m2) C = fattore di concentrazione A = area di raccolta della luce solare

ηottica = efficienza dell’ottica α = assorbanza collettore ε = emittanza collettore

(legge di Stefan-Boltzmann)

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Principi

IV - 3

Efficienza: con:

η = ηrecettore × ηCarnot

ηrecettore =Qassorbito −Qperso

Qsolare

ηCarnot = 1− T0

TH

Qsolare = ηotticaICA

Qassorbito = αQsolare

Qperso = A�σT 4H

(legge di Stefan-Boltzmann)

Ponendo, per semplicità, ηottica=1, α=1, ε=1:

η =

�1− σT 4

H

IC

��1− T 0

TH

�

TH [K]

η

C=10 30 100 300 1000

5000

curva di massima efficienza

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Situazione reale

IV - 4

ηottica=0.75, α=0.95, ε=0.2

TH [K]

η

C=10 30 100

300

1000 5000

curva di massima efficienza

TH=450°C÷600°C concentratori lineari

TH=800°C÷1200°C concentratori puntuali

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Concetti

IV - 5

Concentratori parabolici lineari

Concentratori a lenti di Fresnel

Concentratori parabolici

Torri solari

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IV - 6

ENEA

Struttura (35% del costo): • rigidità • resistenza al vento • precisione geometrica elevata (mm) • basso costo e semplicità di montaggio su dimensioni tipiche di 5 m × 100 m Specchi (25% del costo): • autoportanti • alta riflettività Tubi collettori (25% del costo): • rivestimento ceramico-metallico ad elevata assorbanza della radiazione solare e bassa emissività di calore nell’infrarosso • rivestimento in vetro sotto vuoto (per ridurre lo scambio termico per convezione) • in grado di compensare le variazioni termiche Sistema di movimentazione (15% del costo): • precisione direzionale elevata (<1 mrad) • in grado di portare il collettore in posizione di sicurezza in caso di vento forte (>15 m/s)

Fluido di lavoro: olio a 300÷400°C

A.

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IV - 7

In funzione: 582 MW in Spagna 507 MW in USA

In progetto: 8 GW in USA 4.5 GW in Spagna 2.5 GW in Cina

ε=16%

IEA Tecnology Roadmap – Concentrating Solar Power

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Esempio

Fonte: http://www.enea.it/com/solar/doc/documenti.html IV - 8

Esempio: Progetto Archimede (ENEA)

Innovazione: uso di sali fusi in un sistema a concentratori parabolici per avere una migliore conservazione del calore per gestire l’intermittenza.

A.

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Torri solari

Fonte: Abengoa Solar, Spagna IV - 9

Vantaggi: • Alte temperature (550°C con sali fusi) • Migliore conservazione dell’energia termica

Svantaggi: • Gestione dei sali fusi ad alta temperatura (congelamento a 220°C) • Problemi di copertura ed efficienza di riflessione

A.

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Torri solari - Ivanpah

Fonte: www.brightsourceenergy.com IV - 10

Location: Ivanpah Dry Lake, CA Size: Approx. 14 km2 Power Production: 377 MW (Net) / 392 MW (Gross)

A.

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Concentratori parabolici indipendenti


Vantaggi: • Utile quando manca la connessione in rete

Svantaggi: • Alto costo • Impossibile gestire l’intermittenza • Potenza limitata (<10÷20 kW)

Può essere accoppiato direttamente ad un motore di tipo Stirling, senza necessità di far circolare un fluido.

A.

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Concentratori a lenti di Fresnel


Vantaggi: • semplicità meccanica • migliore uso del suolo

Svantaggi: • bassa temperatura (vapore) • tecnologia ancora non matura

elementi mobili in una direzione

A.

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Utilizzo del calore - motori

IV - 13 Fonte: William B. Stine and Michael Geyer, “Power From The Sun”, 2001

ciclo standard per un generatore a vapore

turbina a gas (motore a reazione)

ciclo Stirling (motore alternato a combustione esterna)

A.

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Utilizzo del calore – ciclo Rankine


Sistema standard per la produzione di elettricità da calore. Il fluido per il ciclo Rankine è prodotto per scambio di calore con il fluido collettore. Il tipo di fluido dipende dalla temperatura del fluido collettore.

A.

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Utilizzo del calore – ciclo Stirling


rigen

eraz

ione

cal

ore

Sostituisce il ciclo Rankine quando il sistema è a piccola scala (10÷20 kW). Fluido: elio (grande conducibilità termica) Alta efficienza: approssima il ciclo di Carnot con il rigeneratore.

A.

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Operazioni


1.  Preriscaldamento al mattino (EP=energia spesa per il preriscaldamento).

2.  Produzione di energia (QC) inferiore alla richiesta di rete.

3.  Produzione di energia (QC=QL+QS) superiore alla richiesta di rete. L’eccesso viene stoccato (+QS).

4.  Produzione di energia (QC=QL+QD) superiore alla richiesta di rete. L’eccesso viene buttato se il sistema di stoccaggio è saturo (QD).

5.  Produzione di energia (QC) inferiore alla richiesta di rete.

6.  Produzione di energia dallo stoccaggio (-QS).

7.  Produzione di energia dal sistema ausiliario (QA).

A.

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Stoccaggio calore


Vasche isolate Stoccaggio chimico

Batterie Problemi: • costo • vita utile (numero di cicli di carica/scarica)

Problemi: • nessun processo attualmente provato in situazione commerciale

Processo Zolfo-Iodio (ENEA)

Sistema attualmente utilizzato in situazione commerciale

A.

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Collettori non focalizzanti


Vantaggi: • costo • alta accettanza angolare

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Accoppiamento Solare Termodinamico/

Dissalatori

IV - 19

Principio: utilizzare concentratori solari per produrre elettricità e calore con cui dissalare acqua (scarsa dove c’è una grande insolazione).

RO=Reverse Osmosis MED=MultiEffect Desalination

Fonte: Progetto AQUA-CSP, German Aerospace Center

Problema: la desalinizzazione richiede una fornitura continua di energia

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Collettore solare termico

IV - 20

Il sole scalda la piastra e quindi il fluido che, mediante tubi, viene portato all’esterno fino all’apparecchio utilizzatore (serbatoio di acqua).

Elementi: •  lastra di vetro che fa passare le

radiazioni •  Assorbitore - piastra di rame (buon

conduttore) in cui sono ricavati molti canali dove circola un fluido (acqua o aria)

•  isolante termico, che impedisce la dispersione del calore

•  contenitore che è semplicemente una scatola contenente tutti gli elementi precedenti

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Collettore solare termico

IV - 21

Il sole scalda la piastra e quindi il fluido che, mediante tubi, viene portato all’esterno fino all’apparecchio utilizzatore (serbatoio di acqua).

Elementi: •  lastra di vetro che fa passare le

radiazioni •  Assorbitore - piastra di rame (buon

conduttore) in cui sono ricavati molti canali dove circola un fluido (acqua o aria)

•  isolante termico, che impedisce la dispersione del calore

•  contenitore che è semplicemente una scatola contenente tutti gli elementi precedenti

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Un po’ di conti …

IV - 22

Iinc = intensità solare (∼1 kW/m2)

τ = coefficiente di trasmissione del vetro (∼0,9) α = coefficiente di assorbimento (∼0,9) Tass

= temperatura dell’assorbitore (∼100°C) Tamb

= temperatura dell’ambiente (∼20°C) Ueff

= coefficiente di trasmissione termica del collettore (∼4x10-3 kW/m2K) Iperd

= Ueff(Tass - Tamb) = perdite del collettore per trasmissione (∼0,32 kW/m2) Icoll = Iinc

τ α - Iperd = intensità del collettore (∼0,49 kW/m2) A = area collettore (∼1 m2) m = massa d’acqua del serbatoio (∼100 litri = 100 kg) c = calore specifico dell’acqua ( = 4,186 kJ/kg K) ΔTserb = aumento di temperatura dell’acqua del serbatoio (∼40°C) Δt = (mcΔTserb )/(Icoll A) = 9.5 ore

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

0 20 40 60 80 100 120 140

η=I co

ll/I in

c (%

)

ΔTcoll/Iinc (K/kW/m2)

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Solare termico installato

IV - 23

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

MW

p cu

mul

ativ

o

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