ENERGIA SOLARE Il sole lo abbiamo già ricordato, è la principale fonte energetica: i combustibili fossili (carbone,petrolio,metano), l energia dell acqua e del vento, la crescita delle piante e la conseguente disponibilità di legna, rappresentano tutte forme trasformate di energia solare. Ma l energia solare può anche essere utilizzata direttamente: è un energia pulita e inesorabile, che non inquina e non contamina, distribuita, anche se non in modo uniforme, su tutto il globo. La potenza irraggiamento dei raggi solare è, in media, di circa 1 kilowatt per ogni m m 2 di superficie. Questa potenza rappresenta, in un anno, da 5 a 10 volte le riserve conosciute di combustibili fossili, compresi i combustibili nucleari. L'energia solare presenta però anche degli inconvenienti: è una fonte intermittente e variabile, in quanto legata all'alternarsi del giorno e della notte, al variare delle stagioni e al mutare delle condizioni climatiche; inoltre; pur essendo diffusa ovunque, alcune zone della Terra; sono più favorite, rispetto ad altre, perché maggiormente colpite dall'irraggiamento solare (si pensi, ad esempio] al deserto del Sahara, o a quello dell'arizona). Ne deriva che gli impieghi dell'energia solare, anche se molteplici, sono, in qualche misura, tutti condizionai da queste caratteristiche. Le principali tecnologie che utilizzano l'energia solare riguardano i seguenti campi di applicazione: produzione di calore a bassa temperatura; produzione di calore ad alta temperatura; a conversione fotovoltaica. Produzione di calore a bassa temperatura. È il settore più collaudato e che offre, ormai da tempo buoni risultati. Vengono utilizzati pannelli solari piani o collettori solari che funzionano sfruttando il principio dell effetto serra. I settori di applicazione riguardano: La produzione di acqua calda nelle abitazioni per usi salutari ; Il riscaldamento di case, uffici, scuole: in questo campo di problemi sono maggiori perché spesso, nella stagione invernale il calore solare non è sufficiente allo scopo ed è necessario integrare l impianto ad energia solare con un altro tipo convenzionale a combustibile, che entra in funzione in caso di necessità ; La produzione di aria calda per usi agricoli e industriali, ad esempio in alcuni processi di essiccazione. Pannello solare a tegolo 1 Piastra captante metallica Di alluminio o rame, verniciata generalmente in nero, che ha lo scopo di assorbire. Le radiazioni. All interno circolano aria o acqua che raccolgono il calore prodotto e si riscaldano. 2 Vetro di isolamento Posto anteriormente, che impedisce alle radiazioni riflesse della piastra di disperdersi. All esterno, ma le riflette nuovamente sulla piastra stessa. Questo fenomeno è detto effetto serra perché è il medesimo principio utilizzato Per il riscaldamento delle serre. 3 Strato isolante posteriore (lana di roccia o simili) per rendere minime le dispersioni di calore.
Produzione di calore ad alta temperatura Sistemi di collettori parabolici lineari La tecnologia attualmente più matura per la produzione di energia elettrica dal sole è quella che utilizza i collettori parabolici lineari: da circa 20 anni sono in esercizio a Kramen Juction, in California, nel deserto del Mojave, nove grandi impianti termoelettrici solari di questo tipo (SEGS, solar eletric generating systems), per una potenza elettrica complessiva di oltre 350 MW. In tali impianti, il capo solare ha una struttura modulare ed è costituito da collettori parabolici lineari collegati in serie e disposti in file parallele della lunghezza di alcune centinaia di metri. Ciascun collettore è costituito da un riflettore di forma parabolica (formato da specchi di vetro) che concentra i raggi solari su un tubo assorbite (recivitore) disposto sul fuoco della parabola. Un fluido portatore di calore, un olio minerale, pompato attraverso i tubi ricevitori, alimenta una stazione di potenza localizzata al centro del capo solare. Il calore così prodotto viene trasformato in vapore allo scopo di far funzionare un gruppo turbo-generatore elettrico. La temperatura tipica di operazione è di 390. Questa tecnologia, tuttavia, presenta alcune serie limitazioni, che non hanno impedito la diffusione più ampia. I principali riguardano: La dipendenza della produzione di energia elettrica dall intermittenza e dalla variabilità della fonte solare che costringe all utilizzo di combustibili fossili per integrare la produzione di energia termica. Essi sono quindi degli impianti ibridi solare - combustibile fossile. La bassa efficienza di conversione degli impianti, dovuta alla limitata efficienza di raccolta dell energia solare e alla bassa temperatura di lavoro del fluido portatore di calore (< 400 C) Il costo elevato dell energia elettrica prodotta, conseguenza della bassa efficienza e dell elevato costo di costruzione degli impianti. L alta pericolosità del fluido di lavoro: tossico e altamente infiammabile alla temperatura di esercizio.
Sistemi a torre Questa tecnologia ha superato la fase dimostrativa a livello di prototipo industriale (impianto americano Solar Two da 10 MW), ma non è ancora giunta alla fase di maturità commerciale. Negli impianti a torre il campo solare è costituito da specchi piani (eliostati) che inseguono il moto del sole, concentrando i raggi solari su di un ricevitore montato in cima ad una torre posizionata al centro dell'impianto. All'interno del ricevitore viene fatta circolare una miscela di sali fusi che assorbe il calore e lo accumula in appositi serbatoi. Con il calore accumulato ad alta temperatura (565 C), si produce vapore per alimentare un turbogeneratore. I principali miglioramenti introdotti in questo tipo di impianti rispetto a quelli a collettori parabolici lineari sono: La sicurezza del liquido trasportatore di calore, che è un nitrato di sodio e potassio, noto concime di origine naturale, non infiammabile e non tossico; Il miglioramento del rendimento del ciclo termodinamico, legato all innalzamento della temperatura di operazione da 390º a 565 C; La possibilità di introdurre un accumulo termico per ovviare alle variazioni giornaliere dell'intensità solare. Ciò comporta importanti vantaggi di continuità per il gruppo turò inaalternatore ed evita il ricorso all'integrazione con combustibili fossili. La riduzione del costo degli specchi, ottenuta con l'adozione di una nuova tecnologia basata su materiali compositi, più leggeri ed economici rispetto alla lastra dì vetro usata nei sistemi a collettori parabolici. Gli impianti a torre solare con accumulo di energia consentono, pertanto, efficienze di conversione superiori e investimenti iniziali inferiori rispetto ai sistemi a collettori parabolici lineari. Ma essi presentano ancora degli svantaggi che rendono difficile l'applicabilità su grande scala e per elevate potenze. I principali svantaggi sono: Le dimensioni eccessive della torre solare (l'altezza dipende dall'estensione del campo specchi che è proporzionale alla potenza dell'impianto). La difficoltà nella concenti-azione della radiazione solare sul ricevitore posto a centinaia di metri di distanza, mentre la distanza focale dei sistemi a collettori parabolici lineari è invece inferiore a due metri.
Il progetto Archimede Il progetto Archimede, sviluppato dall ENEA in collaborazione con l ENEL, sulla base di un progetto ideato dal prof. Rubbia(Premio Nobel per la Fisica), andrà ad incrementare di 20Megawatt la potenza dell impianto termoelettrico di Priolo Garagallo (Siracusa). Questo aumento di potenza, ottenuto interamente da energia solare, coprirà il fabbisogno annuo di una cittadina di 20.000 abitanti. -Nell impianto ENEA i raggi del Sole vengono raccolti e concentrati da un sistema di specchi parabolici e lineari in grado di catturare in modo continuativo la radiazione solare grazie ad un sistema di controllo che ne modica l inclinazione in direzione del Sole. Il campo solare occupa un area di 40 ettari, ha 360 coleotteri per una superficie attiva di 200.000 m quadrati la radiazione solare è concentrata su un tubo ricevitore, posto sul fuoco della parabola, al cui interno scorre un fluido termovettore, che si riscalda, aggiungendo temperature molto elevate (550 ).il fluido utilizzato nel circuito per la asportazione del calore solare è costituito da una miscela di Sali(nitrati di sodio e di potassio), alla base dei comuni fertilizzanti. Questa miscela di sali permette di raggiungere temperature molto più elevate rispetto all olio minerale finora utilizzato per questo tipo di impianti e, a differenza di questo, è innocuo per l ambiente e non è infiammabile. Il fluido riscaldato viene inviato ad un serbatoio caldo, dove va a costituire l accumulo di calore ad alta temperatura. L accumulo termico consente di immagazzinare l energia solare e di renderla disponibile con continuità, anche di notte e in caso di nuvolosità. Il serbatoio è dimensionato per mantenere costante la temperatura dei sali per alcuni giorni. Dal serbatoio caldo il fluido è inviato ad uno scambiatore a cui cede una parte di calore. Con questo calore viene generato il vapore che alimenta un sistema convenzionale di energia elettrica (turbina-generatore). Il fluido conclude la sua corsa nel serbatoio freddo, a 290 C, da dove viene prelevato e rimesso in ciclo. Il sito di Priolo Gargallo è stato scelto perché gode di un alta insolazione a livello medio annuale e di condizioni meteorologiche favorevoli per nuvolosità e ventosità. Il nome del progetto vuole ricordare l impresa con cui Archimede incendiò la flotta romana grazie alla sua invenzione degli specchi ustori, avvenuta nel ΙΙ secolo a.c., proprio nel tratto di costa compreso tra Siracusa e l odierna Priolo Gargallo.
Conversione fotovoltaica Le celle fotovoltaiche, dette anche pile salari, trasformano direttamente l energia luminosa dei raggi solari in energia elettrica. In esse si sfrutta l effetto fotoelettrico, per il quale una piastra metallica, esposta alla luce, emette cariche elettriche (elettroni); la piastra è formata da speciali materiali come silicio o l arseniuro di gallio, detti semiconduttori. Le comuni celle al silicio, di forma quadrata e di 10 cm di lato, possono fornire una potenza di 1,5 watt alla tensione di circa 0,6 volt. Per ottenere un modulo fotovoltaico con una potenza di 50-100 watt è necessario collegare più celle tra loro. Più moduli collegati opportunamente formano un pannello, più pannelli una stringa, più stringhe un campo, in modo da fornire la potenza richiesta dalle varie applicazioni. L alternanza giorno/notte, il ciclo delle stagioni, le variazioni delle condizioni meteorologiche fanno sì che la quantità di energia elettrica prodotta da un sistema fotovoltaico non sia costante. Ciò significa che, nel caso in cui si voglia dare completa autonomia all utente, occorrerà o collegare gli impianti alla rete elettrica di distribuzione nazionale, o utilizzare dei sistemi di accumulo dell energia elettrica che la rendano disponibile nelle ore di soleggiamento insufficiente. Cella fotovoltaica La cella fotovoltaica è la componente elementare del sistema ed è costituita da una sottile fetta di un materiale semiconduttore,quasi sempre silicio,di spessore pari a circa 0.3 mm. Può essere rotonda o quadrata e può avere una superficie compresa tra i 100 e i 225 cmq. Il silicio che costituisce la fetta viene drogato mediante l inserimento su una faccia di atomi di boro (drogaggio p) e sull altra faccia con piccole quantità di fosforo (drogaggio n). Nella zona di contatto tra i due strati a diverso drogaggio si determina un campo elettrico;quando la cella è esposta la luce,per effetto fotovoltaica, si generano delle cariche elettriche e,se le due facce della cella sono collegate ad un utilizzatore, si avrà un flusso di elettroni sotto forma di corrente elettrica continua
Sistemi isolati Gli impianti fotovoltaici sono in grado di risolvere efficacemente i problemi relativi all'alimentazione elettrica di utenze particolari, come quelle in località distanti dalla rete di distribuzione e quelle diffìcilmente raggiungibili. Tipici esempi sono le abitazioni poste sulle ìsole minori, quelle situate in zone rurali, montane e nelle riserve naturali, oppure gli usi speciali legati alle telecomunicazioni e ai dispositivi di segnalazione o rilevamento. E necessario dotare questi impianti isolati di un sistema di accumulo che possa fornire energia elettrica nelle ore notturne o con basso irraggiamento. Normalmente il sistema di accumulo è costituito da una batteria di accumulatori ai piombo. Sistemi collegati alla rete Sono impianti stabilmente collegati alla rete. Nelle ore in cui il generatore fotovoltaico non è in grado di produrre l energia necessaria a coprire la domanda di elettricità la rete fornisce l energia richiesta. Viceversa,se il sistema fotovoltaico produce energia eletricita in più, la parte eccedente viene trasferita alla rete. Un dispositivo, detto inverter,trasforma l energia elettrica da corrente continua prodotta dal sistema fotovoltaico,in corrente alternata presente sulla rete. Negli impianti integrati negli edifici vengono installati due contatori per contabilizzare gli scambi tra l utente e la rete.