Understanding solar concentrators/Comprendere i concentratori solari

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DOCUMENTO TECNICO N. 30: COMPRENDERE I CONCENTRATORI SOLARI di George M. Kaplan

Revisori tecnici:
Dr. Thomas E. Bowman,
Dr. Maurice Raiford,
Jesse Ribot

Illustrazioni di Rick Jali

Pubblicato da

VITA
1600 Wilson Boulevard, Suite 500
Arlington, Virginia 22209 USA
Tel: 703/276-1800 * Fax: 703/243-1865
Internet: pr-info@vita.org

Comprensione dei concentratori solari
ISBN: 0-86619-239-5
[C] 1985, Volontari nell'assistenza tecnica

Questo documento fa parte di una serie pubblicata da Volontari per l'Assistenza Tecnica (VITA) con l'obiettivo di fornire un'introduzione a specifiche tecnologie all'avanguardia di interesse per le popolazioni dei paesi in via di sviluppo. I documenti sono pensati come linee guida per aiutare le persone a scegliere le tecnologie più adatte alle loro esigenze. Non intendono fornire dettagli costruttivi o di implementazione. Si raccomanda a chiunque ritenga che una particolare tecnologia possa soddisfare le proprie necessità di contattare VITA o un'organizzazione simile per ulteriori informazioni e assistenza tecnica.

Gli articoli della collana sono stati scritti, revisionati e illustrati quasi interamente da esperti tecnici volontari di VITA, su base puramente volontaria. Circa 500 volontari sono stati coinvolti nella produzione dei primi 100 titoli pubblicati, contribuendo con circa 5.000 ore del loro tempo. Lo staff di VITA comprendeva Maria Giannuzzi come redattrice, Suzanne Brooks responsabile della composizione tipografica e dell'impaginazione e Margaret Crouch come responsabile del progetto.

L'autore di questo articolo, il volontario VITA George M. Kaplan, è il presidente di KAPL Associates, una società di consulenza specializzata in gestione di programmi e progetti, ricerca e sviluppo, pianificazione, valutazione, energia e ambiente. Anche i revisori sono volontari VITA. Il Dott. Thomas E. Bowman è professore e direttore del Dipartimento di Ingegneria Meccanica presso il Florida Institute of Technology di Melbourne, in Florida. Il Dott. Maurice Raiford è un consulente nel settore dell'energia solare a Greensboro, nella Carolina del Nord. Jesse Ribot è un analista e consulente energetico e ha collaborato alla preparazione della Valutazione Energetica Nazionale di Gibuti per VITA/USAID.

VITA è un'organizzazione privata senza scopo di lucro che supporta le persone impegnate nella risoluzione di problemi tecnici nei paesi in via di sviluppo. VITA offre informazioni e assistenza volte ad aiutare individui e gruppi a selezionare e implementare tecnologie appropriate alle loro esigenze. VITA gestisce un servizio di consulenza internazionale, un centro di documentazione specializzato e un elenco informatizzato di consulenti tecnici volontari; gestisce progetti sul campo a lungo termine; e pubblica una varietà di manuali e articoli tecnici.

Sebbene la ricerca, lo sviluppo e la sperimentazione di sistemi per l'energia solare fossero già in corso tra la fine del XIX e l'inizio del XX secolo, fu il forte aumento del prezzo del petrolio nel 1974, causato dall'embargo petrolifero mediorientale dell'anno precedente, a dare un forte impulso agli investimenti nazionali e internazionali nel settore solare. Negli Stati Uniti e in altri paesi industrializzati, gli strumenti e i progressi tecnologici sviluppati durante la Seconda Guerra Mondiale, la ricostruzione e la prosperità del dopoguerra, i programmi nucleari e spaziali statunitensi e altri successi tecnologici furono applicati alla ricerca e allo sviluppo dell'energia solare. Di conseguenza, la ricerca, fino ad allora limitata a semplici appassionati e piccole aziende specializzate, si diffuse a università, laboratori nazionali e industria. Il budget federale per l'energia solare passò da meno di 1 milione di dollari all'inizio degli anni '70 a oltre 1 miliardo di dollari all'inizio degli anni '80; attualmente si aggira intorno ai 200 milioni di dollari, di cui circa 50 milioni destinati alla tecnologia solare termica.

La tecnologia solare termica si occupa principalmente dell'utilizzo dell'energia solare convertendola in calore. Nei collettori solari a concentrazione, l'energia solare viene raccolta e concentrata in modo da poter ottenere temperature più elevate; il limite è rappresentato dalla temperatura superficiale del sole. Tuttavia, i materiali da costruzione impongono un limite inferiore, più pratico, alla temperatura raggiungibile. Analogamente, l'efficienza complessiva della raccolta, concentrazione e ritenzione dell'energia, in relazione al costo energetico, impone un limite pratico alla temperatura raggiungibile.

Se l'energia solare fosse concentrata in un volume minuscolo, il risultato sarebbe simile a un sole in miniatura. Se la stessa energia fosse distribuita lungo una linea sottile, questa risulterebbe più fredda del sole in miniatura, ma comunque calda. Se distribuita su una superficie ampia, la superficie risulterebbe meno calda della linea. Esistono concentratori solari che focalizzano la luce solare in un punto o in una linea. Esistono anche concentratori non focalizzanti. Ogni tipo ha applicazioni preferenziali in base alla temperatura.

La quantità di energia per unità di superficie che può essere raccolta annualmente da un concentratore dipende dal suo posizionamento rispetto al sole. Alcuni tipi di collettori funzionano in modo adeguato (economicamente vantaggioso) se lasciati in posizione fissa. Questi collettori hanno generalmente una capacità di temperatura limitata e forniscono una concentrazione minima o nulla della luce solare incidente. La maggior parte dei concentratori raccoglierebbe così poca energia in posizione fissa che, per essere economicamente vantaggiosi, devono essere in grado di seguire quotidianamente il sole dall'alba (est) al tramonto (ovest). Alcuni concentratori possono essere economicamente vantaggiosi solo seguendo sia il percorso giornaliero del sole sia la sua inclinazione annuale (che fa sì che il sole sembri spostarsi in declinazione di 47 gradi nel corso dell'anno). Pertanto, i concentratori possono essere non inseguitori, inseguitori monoassiali (che seguono il sole da est a ovest) o inseguitori biassiali (che seguono il sole sia da est a ovest che da nord a sud). L'inseguimento biassiale offre la massima raccolta di energia solare, ma non è economicamente vantaggioso per la maggior parte delle applicazioni o dei progetti di collettori.

Il programma nazionale statunitense di ricerca sull'energia solare è stato all'avanguardia a livello mondiale sia per investimenti che per ampiezza del programma. Data la vastità del potenziale mercato statunitense, il programma nazionale era orientato al mercato interno e non specificamente concepito per l'esportazione. Pertanto, l'esperienza statunitense è principalmente applicabile agli Stati Uniti e potrebbe non essere rilevante per altri Paesi senza opportune modifiche.

Negli Stati Uniti, ad esempio, i concentratori a specchio risultano più convenienti rispetto a quelli a lente per impianti di piccole, medie e grandi dimensioni destinati alla generazione e all'utilizzo del calore. I sistemi di inseguimento solare sembrano essere più efficaci per applicazioni ad alta temperatura. Tuttavia, l'efficacia riscontrata negli Stati Uniti potrebbe essere dovuta alla sofisticatezza della tecnologia, alla disponibilità di personale di manutenzione qualificato e di pezzi di ricambio, nonché a un'eccellente infrastruttura di supporto, piuttosto che a un vantaggio intrinseco dei sistemi a specchio o di inseguimento solare. In un contesto meno industrializzato, i concentratori a lente potrebbero rivelarsi più appropriati.

Sebbene in questo documento i termini "collettore" e "concentratore" siano usati in modo intercambiabile, essi sono distinti. Un collettore potrebbe non concentrare la radiazione solare, mentre i concentratori sono considerati collettori. In questo documento non verrà fatta alcuna distinzione se non strettamente necessario.

Il concetto di concentrare i raggi solari per riscaldare un'area specifica è noto da almeno 4.000 anni. Nel periodo delle tavolette d'argilla in Mesopotamia, si narra che vasi d'oro lucidato venissero utilizzati per accendere i fuochi degli altari. Si dice che Archimede abbia salvato Siracusa dall'invasione bruciando la flotta romana con i raggi solari concentrati riflessi da un metallo lucidato.

Nel XVII secolo, esperimenti volti a verificare la storia di Archimede furono condotti utilizzando lastre di metallo lucidato. Sempre nel XVII secolo, si iniziò a utilizzare lenti di vetro per fondere ferro, rame, mercurio e altri materiali dai loro minerali. Il XVIII secolo portò alla nascita di forni e fornaci solari. I progressi tecnologici del XIX secolo permisero la realizzazione di motori a vapore e motori ad aria calda alimentati a energia solare. All'inizio del XX secolo furono costruiti numerosi motori e fornaci solari. La sperimentazione continuò fino agli anni '30, prima di arrestarsi con la diffusione dei combustibili fossili a basso costo, in particolare il gas naturale.

Il programma statunitense per l'energia solare è stato avviato nel 1970 nell'ambito del programma Research Applied to National Needs (RANN) della National Science Foundation statunitense. Questo programma si è espanso enormemente a seguito dell'embargo petrolifero del 1974 e dell'aumento dei prezzi del petrolio e di altri combustibili fossili. Con il passaggio degli obiettivi del programma dalla ricerca e sviluppo alla commercializzazione, la responsabilità del programma è stata trasferita ad altre agenzie federali. Ora il programma fa parte del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti; l'attenzione è nuovamente focalizzata sulla ricerca e sviluppo a lungo termine, ad alto costo e ad alto rischio, difficilmente intraprendebili dall'industria; la responsabilità della commercializzazione è stata riassegnata all'industria.

I concentratori solari forniscono una radiazione solare ad alta densità energetica a un bersaglio ricevente, aumentandone così la temperatura. A seconda del grado di concentrazione, delle proprietà ottiche (assorbimento e radiazione solare) della superficie del bersaglio e della velocità di raffreddamento del bersaglio stesso, possono verificarsi i seguenti fenomeni:

• Il bersaglio si scioglierà (alta concentrazione);
• il bersaglio raggiungerà una temperatura di equilibrio con raffreddamento naturale (concentrazione moderata); oppure
• Il bersaglio raggiungerà una temperatura di equilibrio con un refrigerante forzato (circolante) (a concentrazione intermedia).

Il primo esempio è quello di una fornace solare. Il secondo può essere considerato un fornello solare o un forno solare. Nel terzo caso, il fluido refrigerante riscaldato viene utilizzato direttamente, ad esempio, come acqua calda o vapore in applicazioni domestiche o industriali, oppure indirettamente, come vapore per generare elettricità. Nel caso della produzione di elettricità, i comuni dispositivi di conversione energetica forniscono una fase intermedia – la rotazione di un albero – tra il fluido riscaldato e la sua conversione in elettricità.

Se l'obiettivo della luce solare concentrata è una cella fotovoltaica, o un insieme di celle, l'elettricità verrà prodotta direttamente. Il grado di concentrazione solare, l'efficienza di conversione della cella, la progettazione dell'assemblaggio delle celle e il materiale di cui sono composte determinano se è necessario un raffreddamento a circolazione naturale o forzata per un funzionamento efficiente della cella. Attualmente, il costo per unità di superficie di un concentratore è inferiore al costo per unità di superficie di una cella. Di conseguenza, i concentratori vengono utilizzati per ridurre la superficie occupata dalle celle. Se il costo per unità di superficie diventasse inferiore al costo per unità di superficie del concentratore, questi ultimi non verrebbero più utilizzati.

Questo articolo tratta principalmente di concentratori per applicazioni termiche, piuttosto che per applicazioni con celle fotovoltaiche. L'attenzione è focalizzata sulle applicazioni nei paesi in via di sviluppo.

Prima di parlare dei concentratori, è opportuno spendere qualche parola sul sole. Oltre l'atmosfera terrestre, l'intensità della luce solare è di circa 1.350 watt per metro quadrato (429 unità termiche britanniche [Btu] all'ora per piede quadrato). Il passaggio attraverso l'atmosfera riduce l'intensità a causa dell'assorbimento da parte dei vari gas e vapori presenti nell'aria e della diffusione da parte di questi gas e vapori, nonché da parte di particelle di polvere e ghiaccio anch'esse presenti nell'aria. Pertanto, la luce solare che raggiunge la Terra è una miscela di radiazione diretta (non diffusa) e diffusa (diffusa). Al livello del mare, l'intensità si riduce a circa 1.000 watt/metro quadrato (295 Btu/ora/piede quadrato) in una giornata limpida e soleggiata. L'intensità si riduce ulteriormente nelle giornate nuvolose.

La maggior parte dei concentratori utilizza solo la radiazione diretta. Questi concentratori funzionano bene nelle giornate limpide e luminose, male in quelle nebbiose e per niente nelle giornate grigie e uggiose, quando l'intensità della luce solare è ridotta e la luce è costituita principalmente da radiazione diffusa. Un altro fattore limitante è che il sole non è un punto, ma ha un diametro equivalente a circa mezzo grado di arco. La progettazione del concentratore deve tenere conto di questo arco.

Sebbene la discussione che segue tratti dei concentratori come entità a sé stanti, questi rappresentano solo una parte di un sistema di raccolta di energia. Per essere utili, i raggi concentrati devono essere diretti verso un bersaglio chiamato ricevitore, che li converte in un'altra forma di energia, il calore. Il concentratore e il ricevitore devono essere compatibili per ottenere prestazioni ottimali. Spesso, il ricevitore ha il compito di cedere calore a un fluido affinché questo venga utilizzato o dissipato. Quando lo scopo principale del concentratore è quello di ottenere calore in modo efficiente, la combinazione di concentratore e ricevitore deve essere progettata con cura per ridurre al minimo le perdite di energia sia dal concentratore che dal ricevitore.

Esistono molti modi per caratterizzare i concentratori. Tra questi:

• Mezzi di concentrazione: riflessione o rifrazione
• Punto, linea o non focalizzato
• concentratore fisso o di inseguimento
• Ricevitore fisso o di tracciamento

La concentrazione della luce si ottiene con specchi (riflessione) o con lenti trasparenti (rifrazione). Le macchine fotografiche e i piccoli telescopi utilizzano lenti; i grandi telescopi utilizzano specchi. Uno specchio riflette la luce incidente in modo che l'angolo del raggio riflesso sia uguale all'angolo del raggio incidente (Figura 1). Questa relazione anche

si mantiene quando lo specchio è inclinato (Figura 2). Un singolo specchio piano

Non si concentra, ma la concentrazione può essere ottenuta sovrapponendo i riflessi di molti specchi. In alternativa, la concentrazione può essere ottenuta curvando lo specchio in una forma predeterminata e sfruttando le proprietà ottiche della superficie curva risultante.

La lente si basa sulla deviazione (rifrazione) della luce in entrata in modo da farla convergere in un fuoco comune (Figura 3). Poiché le dimensioni della lente

aumenta, aumenta anche lo spessore della lente. Una lente di Fresnel (Figura 4)

Mantiene le caratteristiche ottiche della lente standard conservando la stessa curvatura in ogni suo tratto. Ciò consente una significativa riduzione dello spessore e del peso della lente con una penalizzazione minima in termini di prestazioni.

Ogni metodo di concentrazione presenta degli svantaggi. Lo specchio richiede una superficie riflettente pulita e liscia: pulita poiché le particelle di polvere potrebbero disperdere la luce lontano dal ricevitore o la luce potrebbe essere parzialmente assorbita da una sottile pellicola sporca; liscia perché anche l'errore di contorno può comportare la mancata ricezione. Il materiale riflettente può essere posizionato sulla superficie dello specchio (prima superficie, Figura 5), ​​oppure dietro una superficie trasparente (seconda superficie,

Figura 6). L'argento è il materiale riflettore preferito con

L'alluminio è il secondo materiale più indicato. L'argento è molto suscettibile al degrado causato dall'umidità e dagli agenti contaminanti presenti nell'aria. I rivestimenti protettivi attualmente disponibili non si sono dimostrati efficaci per l'argento nelle applicazioni di superficie primaria. L'alluminio è più resistente ma meno riflettente. Gli specchi a superficie primaria presentano una certa perdita di energia dovuta all'assorbimento della luce da parte della superficie trasparente, solitamente vetro o plastica, sia all'impatto che alla riflessione attraverso il materiale. Il vetro a basso contenuto di ferro è preferibile al vetro ad alto contenuto di ferro per via del ridotto assorbimento di luce. Se si utilizza la plastica, questa deve essere stabilizzata contro il degrado causato dai raggi ultravioletti del sole.

Grazie al maggiore spessore della lente, il grado di assorbimento di energia è superiore a quello del secondo specchio di superficie. La lente di Fresnel, che può essere realizzata con uno spessore molto inferiore rispetto a una lente standard, presenta una minore perdita di energia per assorbimento rispetto a quest'ultima.

Anche la superficie della lente deve essere pulita e liscia per le stesse ragioni che valgono per lo specchio. Le prestazioni di una lente di Fresnel sono migliorate quando la porzione verticale presenta un errore di inclinazione minimo o nullo. È possibile realizzare lenti di Fresnel di qualità superiore e a costi inferiori rispetto a quelle in vetro utilizzando materiali plastici. Tuttavia, le lenti in plastica tendono a deteriorarsi sotto la luce ultravioletta e devono essere stabilizzate.

Uno dei criteri per la scelta di un concentratore specifico è il grado di concentrazione e quindi la temperatura che si desidera raggiungere. In genere, la concentrazione di energia in un punto produce temperature da elevate a molto elevate; la concentrazione in linea, invece, produce temperature da moderate ad elevate. I concentratori non focalizzanti producono temperature da basse a moderate.

Il riflettore parabolico (Figura 7) sfrutta le proprietà ottiche della superficie curva parabolica per concentrare la luce diretta sul punto focale. La geometria a disco è ben nota e viene utilizzata nei fari delle automobili, nei proiettori, nei radar e per la ricezione di trasmissioni da satelliti radiotelevisivi.

Anche le lenti circolari e di Fresnel standard sono concentratori a fuoco puntiforme. La lente di Fresnel è stata utilizzata in combinazione con celle fotovoltaiche in diverse installazioni di prova negli Stati Uniti e all'estero.

Le immagini sovrapposte provenienti da molti specchi piani possono essere considerate l'equivalente della messa a fuoco puntiforme. La forma focale non è un punto, bensì l'immagine finita del sole, ulteriormente allargata dalle caratteristiche del materiale riflettente e da vari errori di fabbricazione e di precisione nella sovrapposizione delle immagini. Figura 8

Illustra il concetto di ricevitore centrale, in cui gli eliostati (specchi piani o leggermente curvi montati su dispositivi di inseguimento) reindirizzano i raggi solari verso un ricevitore posto in cima a una torre. Una centrale elettrica da 10 megawatt che impiega questo principio è in funzione con successo in California dal 1982.

Linea. La depressione parabolica (Figura 9) è un esempio di fuoco di linea.

Ottica. La radiazione diretta incidente viene riflessa dal collettore verso la linea focale lungo la sua lunghezza. Per massimizzare la raccolta di energia, il collettore è progettato per seguire il sole. Il collettore può essere orientato con la linea focale in direzione est-ovest, nord-sud o nord-sud con inclinazione simultanea verso il sole (montatura polare).

Ogni orientamento ha le proprie caratteristiche di raccolta stagionali e annuali. Non esiste un orientamento universalmente preferito (ovvero, più conveniente in termini di costi).

Le lenti standard e di Fresnel possono essere fabbricate in forma lineare (Figura 10) con la stessa sezione trasversale della lente circolare ma

Ora si ottiene una linea focale anziché un punto focale. Le lenti di Fresnel lineari in plastica di buona qualità possono essere facilmente prodotte mediante estrusione.

La ciotola emisferica (Figura 11) è un altro esempio di forma lineare

Ottica focale. A differenza del parabola o della lente, il tracciamento su due assi è obbligatorio. La calotta emisferica è sempre fissa e il ricevitore si occupa del tracciamento. La linea focale cade sulla linea che collega il centro della sfera con il sole. La linea focale è limitata alla metà inferiore del raggio dalle proprietà ottiche della calotta. Poiché alcuni raggi raggiungono la linea focale con una sola riflessione e altri richiedono riflessioni multiple, l'intensità non è uniforme lungo la lunghezza della linea focale. La Figura 12 mostra una calotta sperimentale di 65 piedi (19,7 metri) di diametro.

che opera con successo in Texas da molti anni. La raccolta energetica annua è inferiore rispetto ad altri sistemi ottici di raccolta e non sembrano esserci vantaggi compensativi, se non che è molto più facile per un piccolo ricevitore seguire l'immagine del sole rispetto a un concentratore più grande e molto più pesante.

Non focalizzato. La conca emisferica (Figura 13) e la superficie piatta

I collettori a piastra con specchi di potenziamento sono esempi di concentratori non focalizzanti. I concentratori non focalizzanti non focalizzano la luce solare in una forma geometrica specifica, ma la riflettono su un ricevitore, aumentando così la quantità totale di luce solare ricevuta. La categoria dei concentratori non focalizzanti comprende anche i concentratori in cui la messa a fuoco è di scarsa qualità. Il collettore cilindrico (Figura 14), una variante del

La vasca emisferica è interessante perché l'intero cilindro può essere realizzato con plastica gonfiabile a basso costo.

Un metodo semplice per ottenere un modesto aumento della concentrazione su una vasta area è quello di utilizzare specchi booster in combinazione con un collettore a piastra piana (Figura 15). Prima di mezzogiorno gli specchi sono rivolti

est; dopo mezzogiorno si rivolgono a ovest. Il vantaggio in termini di raccolta di energia dei booster per un collettore a piastra piana è illustrato nella Figura 16.

Per massimizzare la raccolta di energia su base giornaliera o annuale è necessario inseguire il sole (o la sua immagine riflessa), poiché i concentratori, in particolare quelli ad alta concentrazione, utilizzano solo la radiazione diretta. Pertanto, un'antenna parabolica, quando puntata verso il sole, riceve raggi riflessi che passano attraverso il fuoco. Man mano che il sole si sposta, alcuni dei raggi riflessi non colpiranno il fuoco e, col tempo, tutti lo mancheranno. L'antenna deve quindi essere spostata per mantenere i raggi riflessi sul fuoco. Il ricevitore centrale, l'antenna parabolica, il concentratore parabolico a canale, la lente standard e la lente di Fresnel sono esempi di sistemi di concentrazione a inseguimento.

Anche la calotta emisferica deve seguire continuamente il sole. Le calotte di grandi dimensioni sono troppo ingombranti da spostare. Pertanto, è il ricevitore a essere spostato continuamente. Esso segue la linea focale della sfera (l'immagine riflessa del sole) durante tutto il giorno.

Come la coppa emisferica, il concentratore Russell è fisso e il ricevitore deve seguire l'immagine del sole (Figura 17). Questo

Il concentratore è costituito da specchi lunghi e stretti i cui centri si trovano tutti sul perimetro di un cerchio. Gli specchi sono orientati in modo che tutte le immagini riflesse si concentrino su un punto sullo stesso perimetro. Man mano che il sole si muove, il fuoco si sposta lungo il perimetro. Il collettore Winston è generalmente considerato un concentratore non inseguitore. La sua raccolta di energia può essere aumentata tramite inseguimento. Come collettore a canale (Figura 18), è costituito da una parabola

Superficie il cui asse è orizzontale e il cui punto focale è vicino alla superficie. Il collettore ha spesso una forma parabolica, ma può anche essere a canale. Il collettore accetta sia la radiazione diretta che quella diffusa. L'angolo di accettazione (angolo di ricezione della luce solare) dipende dall'altezza della parabola. Minore è l'altezza, maggiore è l'angolo di accettazione e il periodo di funzionamento giornaliero, ma minore è la concentrazione e la temperatura massima raggiungibile. Il collettore è stato utilizzato come collettore fisso ad alta efficienza, in grado di raggiungere temperature più elevate rispetto a un tipico collettore a piastra piana.

Il ricevitore centrale e il collettore parabolico hanno ricevitori fissi, a causa delle caratteristiche ottiche dei sistemi. Il ricevitore del disco parabolico è solitamente posizionato nel fuoco in modo da muoversi con il disco mentre questo segue il sole. Né il collettore a ciotola né il collettore Russell seguono il sole, quindi i loro ricevitori devono seguire l'immagine del sole. Il collettore Winston, il collettore cilindrico e il collettore a piastra piana con specchi di rinforzo sono normalmente utilizzati in posizione fissa e con ricevitori fissi. La piastra piana funge, ovviamente, sia da collettore che da ricevitore.

Esistono molti concentratori ingegnosi che funzionano abbastanza bene e possono essere convenienti in alcune applicazioni. Il collettore a cuspide (Figura 19), la cui geometria della superficie è il luogo della posizione

dell'estremità di una corda mentre viene srotolata da un tubo può fornire una modesta concentrazione adatta per l'acqua calda. Un collettore conico (Figura 20) può essere sostituito al paraboloide di Winston,

Si ottiene una maggiore semplicità di produzione a scapito di alcune prestazioni. Allo stesso modo, i riflettori piani possono sostituire i lati parabolici del collettore a canale Winston.

La Tabella 1 riassume le caratteristiche e i potenziali utilizzi dei concentratori sopra descritti.

Tipo di concentratore: Parabolico
Tipo di fuoco: Puntiforme
Lente o specchio: Specchio
Concentrazione solare: > 1000
Inseguimento: Sì
Ricevitore di inseguimento: Sì
Temperatura (°C): >2638
Temperatura (°F): >3000
Applicazione tipica: Elettricità
Commenti: Applicazioni su piccola scala

Tipo di concentratore: ricevitore centrale
Tipo di messa a fuoco: puntiforme
Lente o specchio: specchio
Concentrazione solare: > 1000
Inseguimento: sì
Ricevitore di inseguimento: no
Temperatura (°C): >2638
Temperatura (°F): >3000
Applicazione tipica: elettricità
Commenti: applicazioni su larga scala

Tipo di concentratore: Lente (rotonda)
Tipo di messa a fuoco: Punto
Lente o specchio: Lente
Concentrazione solare: > 1000
Inseguimento: Sì
Ricevitore di inseguimento: No
Temperatura (°C): >2638
Temperatura (°F): >3000
Applicazione tipica: Elettricità
Commenti: Celle fotovoltaiche

Tipo di concentratore: Parabolico
Tipo di messa a fuoco: Linea
Lente o specchio: Specchio
Concentrazione solare: 100
Inseguimento: Sì
Ricevitore di inseguimento: No
Temperatura (°C): 538
Temperatura (°F): 1000
Applicazione tipica: Elettricità, Calore
Commenti: Sistemi piccoli o grandi

Tipo di concentratore: specchio fisso, fuoco mobile
Tipo di fuoco: linea
Lente o specchio: specchio
Concentrazione solare: 100
Inseguimento: no
Ricevitore di inseguimento: sì
Temperatura (°C): 538
Temperatura (°F): 1000
Applicazione tipica: elettricità, calore
Commenti: piccoli o grandi sistemi. Non economico secondo l'esperienza statunitense

Tipo di concentratore: Lente (lineare)
Tipo di messa a fuoco: Linea
Lente o specchio: Specchio
Concentrazione solare: 100
Inseguimento: Sì
Ricevitore di inseguimento: Sì
Temperatura (°C): 538
Temperatura (°F): 1000
Applicazione tipica: Elettricità, Calore
Commenti: Sistemi piccoli o grandi. Poca esperienza negli Stati Uniti

Tipo di concentratore: Sfera
Tipo di messa a fuoco: Linea
Lente o specchio: Specchio
Concentrazione solare: 80
Inseguimento: No
Ricevitore di inseguimento: Sì
Temperatura (°C): 538
Temperatura (°F): 1000
Applicazione tipica: Elettricità
Commenti: Scomodo su larga scala

Tipo di concentratore: Cilindrico
Tipo di messa a fuoco: Linea
Lente o specchio: Specchio
Concentrazione solare: 2
Inseguimento: No
Ricevitore di inseguimento: No
Temperatura (°C): 121
Temperatura (°F): 250
Applicazione tipica: Calore
Commenti:

Tipo di concentratore: Cusp
Tipo di messa a fuoco: Linea
Lente o specchio: Specchio
Concentrazione solare: 1,5-2,5
Inseguimento: No
Ricevitore di inseguimento: No
Temperatura (°C): 121
Temperatura (°F): 250
Applicazione tipica: Calore
Commenti:

Tipo di concentratore: Winston
Tipo di messa a fuoco: Linea
Lente o specchio: Specchio
Concentrazione solare: 3-6
Inseguimento: No
Ricevitore di inseguimento: No
Temperatura (°C): 121
Temperatura (°F): 250
Applicazione tipica: Calore
Commenti: La concentrazione diminuisce all'aumentare dell'angolo di accettazione

Tipo di concentratore: Piastra piana con booster
Tipo di messa a fuoco: Area
Lente o specchio: Specchio
Concentrazione solare: Tra 1 e 2
Inseguimento: Nessun
inseguimento Ricevitore: No
Temperatura (°C): 121
Temperatura (°F): 250
Applicazione tipica: Calore
Commenti:

I collettori che mantengono le loro superfici rivolte verso il sole (ad angolo retto per la maggior parte dei collettori) hanno la massima efficienza di raccolta annuale. Il riflettore parabolico e altri collettori a inseguimento a due assi ne sono un esempio. Il ricevitore centrale, pur essendo un sistema di inseguimento a due assi, non orienta i riflettori dell'eliostato verso il sole, ma li mantiene inclinati in modo che l'immagine venga riflessa verso il ricevitore. Come prevedibile, la sua efficienza di raccolta è inferiore a quella del riflettore parabolico. Il collettore parabolico a canale è un sistema di inseguimento a singolo asse; pertanto, la sua superficie è solo occasionalmente ad angolo retto rispetto al sole e ha un'efficienza di raccolta annuale inferiore a quella del ricevitore centrale.

I collettori fissi con ricevitori a inseguimento, come il collettore a ciotola e il collettore Russell, presentano un'efficienza di raccolta ancora inferiore. L'efficienza più bassa è riscontrabile nei collettori e ricevitori fissi di Winston e di altri modelli simili.

L'efficienza teorica annua dei tre principali collettori a concentrazione utilizzati negli Stati Uniti è dell'80% per il collettore parabolico, del 60% per il ricevitore centrale e del 43% per il collettore parabolico a concentrazione. L'efficienza del collettore viene determinata per il periodo che va dall'inizio del tracciamento, quando il sole sale a 15 gradi sopra l'orizzonte, fino all'arresto del tracciamento, quando il sole scende al di sotto dei 15 gradi alla fine della giornata. L'efficienza dipende dalla radiazione solare diretta e dall'ottica del sistema.

L'efficienza effettiva dipende dalla precisione della superficie dello specchio o della lente, dalla presenza di polvere e pellicole superficiali, dall'assorbimento di energia da parte della lente o dello specchio, dalle proprietà del materiale riflettente, dalla precisione di puntamento, dagli effetti delle variazioni di temperatura su questi fattori, dalle condizioni meteorologiche (tra cui nuvole, polvere e foschia) e così via. L'efficienza è ulteriormente ridotta dalle prestazioni del ricevitore e dalla progettazione del sottosistema del ricevitore, compresa l'attenzione prestata alla riduzione della perdita di calore per conduzione, convezione e irraggiamento.

Un recente documento sul disco parabolico preparato dal Jet Propulsion Laboratory(*) descrive nove progetti sponsorizzati dagli Stati Uniti

(*) VC Truscello, "Status of the Parabolic Dish Concentrator, Proceedings of the Energy Research and Development Agency Conference on Concentrating Solar Collectors, Georgia Institute of Technology, September 26-28, 1977 (Washington, DC: US ​​Department of Energy, undata, circa 1982-1983).

Dipartimento dell'Energia, otto progetti statunitensi finanziati da privati ​​e 10 piatti sviluppati da altri paesi. Sebbene nessun piatto sia identico all'altro, si possono suddividere in quattro categorie:

1. Riflettore rigido. La superficie riflettente è fissata a una struttura rigida curva. Questa è la struttura standard (tipo radar) (Figura 21).

2. Membrana stabilizzata a pressione. La superficie riflettente è fissata a una membrana flessibile, che assume la forma di una struttura di supporto rigida e curva grazie alla creazione di un vuoto tra la membrana e la struttura. L'obiettivo è ridurre i costi diminuendo il peso dei materiali di costruzione (Figura 22).

3. Lente di Fresnel o specchio di Fresnel. La lente è costituita da diverse parti concentriche strette; lo specchio è una serie di superfici riflettenti concentriche. L'obiettivo è ridurre i costi semplificando la curvatura composta del paraboloide (Figura 23).

4. Riflettore secondario. Un secondo specchio, che può essere iperbolico (*) (Cassegrain) o ellittico (**) (gregoriano), riflette i raggi provenienti dal riflettore parabolico verso un ricevitore posto dietro la parabola. L'obiettivo è eliminare l'ingombro strutturale del ricevitore sulla parabola e anche facilitare l'accesso al ricevitore per la manutenzione (Figura 24).

Il riflettore rigido è stato il più diffuso poiché somiglia all'attuale tecnologia radar. Il progetto Shenandoah, un progetto dimostrativo del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti vicino ad Atlanta, in Georgia, ha installato 114 parabole di 7 metri di diametro rivestite con una pellicola riflettente per produrre vapore a 399 °C (750 °F). Il vapore è stato utilizzato per generare 400 kilowatt di elettricità e vapore di processo a 9,70 chilogrammi per centimetro quadrato (138 libbre per pollice quadrato manometrico [psig]) per una fabbrica di maglieria adiacente. Dopo alcuni problemi iniziali, il sistema ora funziona in modo soddisfacente. Il progetto è uno sforzo congiunto del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, della compagnia elettrica locale e della fabbrica di maglieria. Il suo obiettivo era dimostrare la fattibilità dei collettori a riflettore rigido, non essere un prototipo commerciale.

(*) Una curva formata dalla sezione di un cono tagliata da un piano che forma un angolo maggiore con la base rispetto all'angolo formato dalla faccia del cono.

(**) Di forma ovale.

Il miglior esempio statunitense di ricevitore centrale è Solar One, un progetto congiunto del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e di due società di servizi pubblici della California meridionale. Questo impianto pilota da 10 megawatt utilizza 1.818 eliostati (o riflettori), ciascuno con 41,8 metri quadrati (450 piedi quadrati) di specchi in vetro a seconda superficie. Gli eliostati circondano una torre sulla quale è situato il ricevitore. La maggior parte degli eliostati si trova a sud della torre. L'impianto ha superato le specifiche e sta operando con grande successo. Il progetto è stato inizialmente concepito per un impianto da 100 megawatt e successivamente ridotto a 10 megawatt. Un impianto ottimizzato da 10 megawatt avrebbe probabilmente una configurazione del campo di eliostati diversa.

Una versione da 100 megawatt (Solar 100) con tecnologia simile è al vaglio delle aziende elettriche, a condizione che vengano concessi incentivi finanziari governativi. Senza questi incentivi, l'impianto non sarebbe economicamente vantaggioso negli Stati Uniti a causa del calo dei prezzi del petrolio. Tuttavia, un impianto di questo tipo potrebbe risultare economicamente conveniente in altri Paesi con costi energetici elevati.

Gli eliostati si sono evoluti attraverso una serie di progetti che hanno ridotto il peso iniziale di oltre 97,6 chilogrammi/metro quadrato (20 libbre/piede quadrato) a circa 39 chilogrammi/metro quadrato (8 libbre/piede quadrato). Sono stati costruiti e testati oltre 20 modelli di eliostati. Attualmente si preferisce un secondo specchio in vetro su un supporto in vetro. Il Solar Energy Research Institute del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti sta sviluppando un riflettore leggero (plastica/argento/plastica) che promette di ridurre drasticamente il costo degli eliostati. Una volta sviluppato, questo materiale potrebbe essere di interesse per l'utilizzo nei paesi meno industrializzati.

Le dimensioni degli eliostati sono determinate dai requisiti di rigidità e di resistenza al carico del vento. A causa degli attuali costi degli eliostati (influenzati dal fatto che ogni eliostato necessita di un proprio sistema di inseguimento solare), negli Stati Uniti la progettazione degli impianti privilegia eliostati di grandi dimensioni. La distribuzione dei costi può variare in altri Paesi. Mentre negli Stati Uniti solo i ricevitori centrali di grandi dimensioni risultano probabilmente economicamente vantaggiosi, alcuni Paesi in via di sviluppo più avanzati potrebbero essere in grado di utilizzare economicamente la tecnologia Solar One, di dimensioni più ridotte.

Le lenti circolari, siano esse standard o di Fresnel, tendono ad avere dimensioni limitate, proprio come le parabole. Le dimensioni sono inoltre limitate dalle attuali capacità di fabbricazione. Sono disponibili piccole lenti in vetro per fotocamere e faretti, così come lenti in plastica di dimensioni maggiori. Tuttavia, una lente di 7 metri di diametro (una dimensione paragonabile a quella della parabola di Shenandoah) non è certamente ampiamente disponibile né in vetro né in plastica. In grandi dimensioni, una lente in vetro risulterebbe molto pesante; la plastica, probabilmente con un design di Fresnel, è probabilmente l'unica lente pratica, se disponibile. Le lenti di Fresnel lineari potrebbero offrire il vantaggio di essere realizzabili sia in piccole che in grandi larghezze e lunghezze.

A significant number of parabolic troughs have been designed,built, and tested, primarily with private funds. Many types areavailable on the market. Troughs differ in their reflectivematerials, structural materials, receiver concepts, etc. Theattainable temperature reaches about 540 [degrees] C (1000 [degrees] F). The designsvary with intended temperature application, since surface error,tracking error, and receiver losses assume considerable importancefor a high temperature design.

Troughs have been utilized by many federal demonstration projectsto provide process heat for industrial applications and to supplyvapor for suitable small engines (e.g., irrigation pump devices).All designs had initial problems, usually with materials and nonsolarhardware. After repair or modification, operation was reliableand successful. Many federally-funded projects tended tobe shut down when they ended and rarely restarted because of lackof sustained interest by the user. An excellent source of informationon private trough manufacturers is the Solar Energy IndustriesAssociation (SEIA) in Washington, D.C.

Troughs may be attractive because of their relative simplicity.Because their surface curvature is singular, not compound as fordishes, troughs are more easily fabricated. A second-surfacereflective plastic with adhesive backing can be easily placed onthe curved substrate. A simple pipe or tube will serve adequatelyas the receiver although various simple techniques, such as aglass vacuum jacket around the receiver tube, will enhance performance.Single-axis tracking is less complex than two-axistracking.

The concentrated sunlight must be converted to a useful form ofenergy, usually heat. If desired, heat can be converted to electricityby means of an engine and generator. The receiver shouldbe designed to minimize heat loss. Heat loss occurs throughradiation to a cooler object; through convection currents createdby heating air in contact with the hot receiver surface; andthrough conduction from the hot parts of the receiver to colderparts and to attached structural members and insulation.Heat retention by the receiver is enhanced by covering the receiverwith a selective coating which will absorb virtually allthe concentrated radiation but will reradiate comparativelylittle energy. Furthermore, since the total energy radiateddepends directly on the radiating area, the receiver surface areashould be minimized. Convection can be reduced by preventing thebuild-up of air currents that remove air heated by the receiverand provide the receiver with colder air for continued heat loss.A transparent window (glass or plastic depending on temperature)can reduce air currents.

The window introduces other heat loss and heat gain effects.Some energy will be reflected from the front surface and rearsurface of the window and never reach the receiver. Additionalenergy will be absorbed by the window and not reach the receiver.The inner surface of the window may be coated with a heat mirrorsuch as tin oxide, which reduces the radiation loss by reflectingradiated energy back to the receiver. Etching of the outer surfaceof a glass window reduces the reflection from the surface.

Insulation serves to reduce convection and radiation losses fromparts of the receiver outside the path of the incoming radiation.Conduction loss is reduced by decreasing the cross-section ofstructures in direct contact with the receiver, and using poorheat conductors for these structures where possible. Creating avacuum between the window and the receiver will further reduceconvection and conduction losses.

Figure 25 shows the reflectivity of several mirror systems. Note

not only the differences in reflectivity but also that for somematerials the reflected energy falls within a small solid angle*(Figure 26). These materials allow a small target area for

receipt of the reflected rays. If a larger solid angle is requiredto enclose the reflection, then a compromise betweentarget size and loss of reflected rays must be made. Energy whichis not reflected is converted to heat at the reflecting surface.This may require positive cooling efforts to ease or eliminatethermal stress.

Concentrator cost represents only one portion of the cost of asystem. The cost of the quantity of heat delivered at the requiredtemperature is the preferred method of determining cost.For a given system, the cost per million kilowatt-hours, or kWh(per million Btu) usually decreases as the total number of kWh(Btu) delivered increases, i.e., as system size increases. Similarly,the cost per million kWh (per million Btu) is likely to beless at lower temperatures than at higher temperatures. In general,the higher the concentration and complexity, the higher thecost.

(*) If you have an angle, one side of which is vertical and theother side not vertical, and that side is rotated around the vertical(maintaining the same angle), the angle created is calledthe solid angle.

Cost is frequently represented by purchase price but not always.Sellers may reduce selling price to penetrate a market, to expandmarket share, to anticipate future manufacturing economies andcost reductions, and to limit or exclude potential competition.Sellers with a monopoly or a preferred position may sell athigher than reasonable rates. Sellers faced with unknown orindeterminate risks and liabilities for the product will try totransfer the risk to the purchaser through higher prices or othermeans.

In the United States, many solar energy systems are cost effectiveonly because of federal and state tax policies to aid thesolar energy industry. These systems cost two to five times morethan competing energy systems. However, energy costs in manyless-developed countries are several times greater than in theUnited States, and therefore solar systems may be cost effectivein those countries.

In the United States, the cost of a solar thermal electric systemutilizing relatively new technology and incorporating researchand development costs would range from $10 to about $30 per watt.The central receiver experiment in California (Solar One) costabout $15 per watt; a proposed 100-megawatt plant incorporatingthe lessons of Solar One and the economies of a ten-fold increasein size is anticipated to cost about $4 per watt. Heliostats wereabout one-third of the total cost of Solar One, and are expectedto be about one-half the cost of the large plant. (A coal-firedelectric plant costs about $1.00-$1.40 per watt of installedcapacity.)

Studies of dish technologies indicate costs ranging to $50 perwatt for the system, with dish costs of one-third to one-half ofthe system cost. Dish technology is well behind heliostat experience.Parabolic troughs appear to cost about $538 per squaremeter ($50 per square foot) at present with possible reduction toabout $270 per square meter ($25 per square foot) with a largermarket. Again, these costs reflect only one-third to one-half thesystem cost.

Of possible interest to developing countries is the class ofcollectors using transparent plastic in cylindrical form with thereflector film partially located in the lower arc and a "black"tube located at the focus. This type of collector appears tooffer low cost. Some versions using an evacuated glass tube withan inner blackened copper tube in "once through" (straight tube)or bayonet style are commercially available in the United States(Figures 27, 28, and 29).

The hemispherical bowl has been tested in Crosbyton, Texas, bythe U.S. Department of Energy. The unit, 20 meters in diameter,produced high temperatures and high pressure steam suitable formodern steam turbines. The compound curvature is difficult tobuild, as is the two-axis tracking required of the receiver.However, a tracking receiver is simpler than a tracking concentrator.The concentrator may be more acceptable in smaller sizeand lower concentration (temperature). The reduction in concentrationwill decrease temperature, which increases the number ofmaterials that can be used for the receiver, and may ease fabricationof the sphere.

To compare solar thermal technologies, costs should be reduced tocommon bases such as cost per watt electric or per kWh (Btu). Thebase should distinguish between average and peak capacity; theamount of storage incorporated; temperature, if heat is thedesired end product; and the yearly energy delivered. Othertechnologies have their own bases; photovoltaics use cost perpeak watt, and installed cost per annual kilowatt-hour produced.Electricity from wind energy, as well as from other solar electrictechnologies, may have different value to the user dependingon the time of generation. These considerations should be includedin any evaluation methodology for selection of cost-effectivesystems.

Simple flat plate collectors are the most widely used and mostcost-effective solar collectors. Their primary use is for domesticand commercial (e.g., hospitals, restaurants, etc.) hot waterapplications; however they may also be used in preheat systemsfor higher temperature applications. They can achieve a temperatureof about 38 [degrees] C (100 [degrees] F) above the ambient by capturing sunlight,converting sunlight to heat, and carefully minimizingunwanted heat loss from the collector.

Flat plate (usually non-tracking) collectors are the simplest tofabricate. Simple, unsophisticated, functioning collectors caneasily be built with simple tools. Care must be taken to enhancesolar collection and prevent thermal losses. Careful use of localmaterials to the maximum extent possible can reduce cost. Whileselective absorbers enhance performance and yield higher temperature,almost any "black" surface will perform adequately. Somesimple, low-cost flat plate collectors may be better than concentratorsfor temperatures below 93 [degrees] C (200 [degrees] F), particularly inless-industrialized countries. Expectations of better performancefor flat plate (non-concentrating) collectors over concentratingcollectors, for the same temperature application, have not beenverified in practice. The expectations were based on utilizationof both direct and diffuse radiation by flat plate collectors anduse of only direct radiation by concentrators.

Reports and Conference Proceedings

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Ufficio Stampa del Governo
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Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti,
Ufficio dei Sistemi Termici,
1000 Independence Avenue, SW,
Washington, DC 20585, USA

• Efficienza dei componenti derivante dal funzionamento del Crosbyton Solar Bowl
  

Conferenza sull'ingegneria della conversione energetica, 1990. IECEC-90. Atti della 25a Conferenza intersocietaria.
Data di pubblicazione: 12-17 agosto 1990.
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