Centrali solari

Fonti di energia
Fonti non rinnovabili
combustibili fossili
energia nucleare
non rinnovabili = destinate ad esaurirsi
Fonti rinnovabili
Sole
acqua
geotermia
biomassa
vento
presenti in natura in quantità illimitata e rigenerabile nel
tempo, provengono tutte (tranne la geotermia) dal Sole
Fonti di energia
Energia solare
Si definisce solare l’energia
raggiante sprigionata dal Sole
per
effetto
di
reazioni
nucleari (fusione dell’idrogeno)
e trasmessa alla Terra sotto
forma
di
radiazione
elettromagnetica.
Energia solare
Le radiazioni elettromagnetiche sono costituite da fotoni.
Il fotone è la particella elettricamente neutra che si propaga
nel vuoto alla velocità di 300.000 Km al secondo.
L’intensità delle radiazioni solari che arrivano sulla superficie
terrestre ogni anno equivale a 80.000 miliardi di tonnellate di
petrolio equivalenti (TEP).
La domanda mondiale di energia è pari a 8 miliardi di TEP
all’anno.
Energia solare
E’ una delle principali fonti di energia rinnovabili.
Costituisce in assoluto
la fonte
primaria di energia sulla Terra, la più
diffusa, disponibile ovunque e in modo
gratuito, in quantità superiore al
fabbisogno dell'intera umanità.
Per motivi di ordine tecnico ed economico, questa enorme
potenzialità può essere sfruttata solo in minima parte.
Energia solare: la storia
III secolo a.C. - con i leggendari
"specchi ustori" si racconta che
Archimede incendiò le navi romane
che assediavano la città di Siracusa
1772 - il francese Antoine-Laurent Lavoisier costruì un
sistema di lenti cave, riempite di alcool etilico, con le quali
riuscì a concentrare i raggi solari, ottenendo temperature
sufficienti a fondere alcuni metalli
1882 - all'Esposizione universale di Parigi Mouchot presentò
una macchina da stampa azionata da un motore solare
Energia solare: la storia
1839 - Edmond Becquerel presentò all’ Accademia delle
Scienze di Parigi la sua scoperta sugli effetti elettrici dei
raggi solari (effetto fotovoltaico), avvenuta casualmente
mentre effettuava esperimenti su una cella elettrolitica (con
una soluzione liquida), in cui erano immersi due elettrodi di
platino.
1876 – Smith, Adams e Day effettuarono esperimenti simili
con dispositivi allo stato solido (selenio).
1954 – Person, Fuller e Chapin realizzarono nei Laboratori
Bell la prima cella solare commerciale in silicio.
Centrali solari
La centrale solare è un tipo di centrale energetica che
utilizza l’energia emessa dal sole sotto forma di radiazioni e
la trasforma in corrente elettrica.
Le radiazioni solari possono essere utilizzate in due modi:
a)luce = per produrre elettricità
b)calore = per produrre vapore acqueo e quindi elettricità
oppure semplicemente per la produzione di acqua calda
Centrali solari
Esistono due tipologie diverse di centrali solari:
1) centrali solari termiche
2) centrali fotovoltaiche
Il solare termico
Gli impianti solari termici sono dispositivi che permettono di
catturare l’energia solare, immagazzinarla e utilizzarla per
scopi termici (riscaldamento o acqua sanitaria calda) o per
generare energia elettrica.
Il solare termico
I componenti principali di un impianto solare termico sono:
pannelli solari
serbatoio per l’accumulo di acqua calda
centraline di regolazione e pompe di circolazione (negli impianti a
circolazione forzata)
Il calore prodotto dai pannelli solari viene trasferito nel punto di
accumulo o di utilizzo.
Il vettore di calore è l’acqua, alla quale si aggiunge una soluzione
antigelo per evitare il congelamento nei periodi freddi.
Centrali solari termiche
In relazione al metodo utilizzato per riscaldare l’acqua della
caldaia, si distinguono:
centrali a specchi parabolici (termodinamico)
centrali solari a torre
Centrale solare a specchi parabolici
I raggi solari vengono riflessi da numerosi specchi parabolici
(fissi o mobili) nel tubo ricevitore, dove circola un liquido che
assorbe il calore.
Nella caldaia della centrale il liquido viene trasformato in
vapore, che entra surriscaldato nella turbina. Il vapore aziona
la turbina che, a sua volta, tiene in rotazione l’alternatore, un
grande magnete cilindrico, che girando genera corrente.
Centrale solare a torre
E’ una piattaforma coperta da centinaia di eliostati (grandi
specchi piani orientabili), che
riflettono i raggi solari
concentrandoli verso una grande caldaia, posta in cima a una
torre.
Nella caldaia l’acqua si surriscalda e mette in moto la turbina
che, a sua volta, tiene in rotazione l’alternatore, un grande
magnete cilindrico, che girando genera corrente.
Trasformatori ed elettrodotti
Sono presenti in entrambi i tipi di centrali solari.
Trasformatori: convertono la tensione della corrente
elettrica (generata dall'alternatore), in particolare quella
prodotta dalle centrali. La trasformano da 20.000 a 380.000
Volts.
Elettrodotti: servono per trasportare la
corrente dalle centrali alle città e sono
formati da tralicci e cavi dell'alta
tensione.
Il fotovoltaico
Il fotovoltaico (foto = luce e volt = tensione) è una tecnologia
che consente di trasformare direttamente la luce solare in
energia elettrica.
Sfrutta il cosiddetto «effetto fotovoltaico», che si basa
sulla proprietà che hanno alcuni materiali semiconduttori
opportunamente trattati di generare direttamente energia
elettrica quando vengono colpiti dalla radiazione solare, senza
l'uso di alcun combustibile.
Cella fotovoltaica
Il dispositivo più elementare capace di trasformare la luce
solare in energia elettrica è la cella fotovoltaica.
La cella fotovoltaica è
costituita da due sottili
strati di silicio (materiale
semiconduttore).
Il primo strato (n) tende a
raccogliere elettroni (-), il
secondo (p) raccoglie le
cariche positive (+).
Nella zona di contatto si forma un campo elettrico dovuto alla
diversità dei due materiali.
Collegando i due strati con un circuito elettrico esterno, si
genera una corrente elettrica continua.
Il silicio
Tra i materiali semiconduttori c’è il silicio, molto
diffuso in natura: dopo l’ossigeno, è l’elemento più
diffuso sulla crosta terrestre (28%).
.
Il silicio non esiste in forma pura, ma è
contenuto nella sabbia di rocce silicee e
quarzose: viene estratto e purificato
mediante processi chimici.
Ci sono due tipi di silicio: policristallino e monocristallino.
Il lingotto di silicio ottenuto per fusione del metallo viene
ridotto con operazioni di taglio in wafer dello spessore 250
micron. La cella di silicio policristallino è quadrata, misura 156
x 156 mm e ha una superficie con riflessi cangianti che
derivano dalla disposizione casuale dei cristalli.
Effetto fotovoltaico
Quando la radiazione elettromagnetica colpisce il materiale
semiconduttore della cella fotovoltaica, i fotoni trasferiscono
la loro energia agli elettrodi del materiale semiconduttore,
generando cariche elettriche.
Le cariche fluiranno attraverso un utilizzatore collegato alle
due facce della cella (positivo e negativo): si avrà quindi un
flusso di energia elettrica sotto forma di corrente elettrica
continua.
Il generatore fotovoltaico
La cella fotovoltaica è in grado di produrre circa 1/1.5 Watt
di potenza, quando è investita da una radiazione di 1000
W/m2 (condizioni standard di irraggiamento).
Molte celle assemblate e
collegate tra di loro in una
unica struttura formano il
modulo fotovoltaico.
Un modulo fotovoltaico tipo è
costituito da 36 celle, ha una
superficie di circa mezzo
metro quadrato ed eroga, in
condizioni ottimali tra 40 e 50
Watt.
Impianti fotovoltaici isolati dalla rete
Non hanno alcun collegamento con la rete elettrica pubblica.
L’energia necessaria viene prodotta dal generatore
fotovoltaico e la costanza dell’erogazione viene garantita da
un sistema di accumulo (batterie)
Impianti fotovoltaici connessi con una rete
Gli impianti collegati alla rete di distribuzione elettrica
possono essere installati in qualsiasi luogo in cui si possa
raggiungere una rete elettrica di distribuzione pubblica.
Non hanno sistemi di
accumulo.
L’energia prodotta nelle
ore di insolazione viene
immessa
nella
rete
elettrica.
Nelle ore di insolazione
scarsa o nulla il carico
locale viene alimentato
dalla rete.
Impianto fotovoltaico residenziale
(tetto fotovoltaico)
Il fotovoltaico in Italia
In Italia sono oggi presenti oltre 520.000
impianti sparsi su tutto il territorio nazionale,
con una particolare concentrazione in
Lombardia, Emilia Romagna e Triveneto.
Sono attivi 526.463 impianti, per una potenza
di 17.080.255 kW.
Il mercato italiano si rivolge principalmente al residenziale.
Centrale fotovoltaica
E’ uno spazio aperto con centinaia di pannelli detti celle solari
o celle fotovoltaiche, disposti per file parallele. Ogni pannello
ha un sostegno e un meccanismo per seguire il movimento del
sole durante la giornata, come un girasole.
La centrale funziona in media 8 ore al giorno.
L'elettricità viene generata direttamente dalle celle di silicio
del pannello fotovoltaico, senza l'uso di turbine e alternatori.
Vantaggi dell’energia solare
assenza di emissioni inquinanti o di gas serra (con
l’eccezione di quelle relative al processo di produzione dei moduli)
non occorre estrarre, trasportare, processare
combustibili: operazioni complesse, che comportano rischi
ambientali e socio-sanitari
fonte energetica pulita assicurata per miliardi di anni
e gratuita
sfruttamento dell’energia solare libero e non legato a
rapporti commerciali e relazioni internazionali
assenza di scorie da smaltire
processo produttivo relativamente semplice, esente da
rischi legati a errori umani o malfunzionamento
la centrale è innocua per gli abitanti nei dintorni e non
è bersaglio di eventuali azioni terroristiche
Problemi
dipendenza dalle condizioni atmosferiche (nubi,
pioggia), che rende la fonte solare «non programmabile»
necessità di grandi superfici, rispetto ad altri tipi di
centrali, a parità di produzione
possibile impatto negativo sul paesaggio degli impianti
fotovoltaici che occupano grandi superfici, soprattutto se
installati in aree collinari o agricole
costo attualmente non competitivo, anche se in calo
Prospettive per il futuro
La ricerca è rivolta in due direzioni:
perfezionamento delle celle fotovoltaiche
l’ obiettivo è ottenere celle con un'efficienza maggiore
di quelle attuali e rendere le celle fotoelettriche ad alta
efficienza più economiche per ridurre i costi di costruzione
delle centrali elettriche
costruzione di centrali solari orbitali
già realizzabili con la tecnologia odierna, avrebbero un
costo elevatissimo per l'enorme quantità di denaro necessario
per mandare in orbita la centrale
alcuni studi sono a buon punto e alcune Nazioni intendono
costruire una di queste centrali entro il 2040
Centrale solare orbitale
Ipotetica centrale elettrica costituita da uno o più satelliti,
che tramite celle fotovoltaiche convertono la luce del sole in
corrente elettrica e poi tramite un'antenna trasmettono
l'energia ottenuta sotto forma di microonde o laser.
Vantaggi:
illuminazione diretta e costante per il 99% dell'anno (tranne
eclissi ed equinozi)
mancanza di condizioni atmosferiche (nubi, pioggia) che
riducono l'afflusso di energia verso le celle
Svantaggio principale:
elevato costo del trasporto in orbita dei satelliti e delle
relative infrastrutture
Centrale solare orbitale
Composta di tre parti:
1. un grande collettore di energia solare, costruito con celle
fotovoltaiche
2. un'antenna per la trasmissione delle microonde verso la
Terra
3. un'antenna di elevate dimensioni sulla Terra che riceve le
microonde e le converte in energia elettrica
Tecnologicamente semplice: non ha turbine, né circuiti di
raffreddamento da regolare, la conversione da energia
elettromagnetica a corrente viene eseguita direttamente
dalle celle fotovoltaiche che sono componenti che non
richiedono praticamente manutenzione. La struttura di questa
centrale inoltre potrebbe essere molto leggera dato che nello
spazio non bisogna vincere la gravità terrestre.
Grandi centrali solari nel mondo
Dal 13 febbraio 2015 è in funzione la Ivanpah solar electric
generating system, la più grande centrale solare al mondo.
Si trova a circa 50 chilometri da Las Vegas nel deserto del Mojave,
in California.
Grandi centrali solari nel mondo
torre centrale alta 137 metri
superficie del complesso è di 14 Km2
173.500 specchi solari
capacità 392 megawatt
energia per 140 mila abitazioni
evita l'emissione di 400.000 tonnellate
di CO2 (quantità prodotta da 72.000 veicoli)
Per costruirla 3000 persone hanno lavorato complessivamente 8.53
milioni di ore, a partire dal 2010.
L’impianto è costato in tutto 2.2 miliardi di dollari.
Grandi centrali solari nel mondo
Ivanpah sotto i raggi del sole
Ivanpah visto dal cielo
Grandi centrali solari nel mondo
A Ouarzazate, alle porte del deserto nel sud del Marocco, entrerà
in funzione Noor 1, la prima centrale del più grande complesso
solare termodinamico al mondo.
Entro il 2020 vedrà una potenza installata totale di 580 megawatt
tra solare termodinamico a concentrazione e fotovoltaico .
superficie del complesso 30 Km2
500.000 specchi parabolici
alti 12 metri
potenza installata 160 megawatt
energia sufficiente per il fabbisogno di
più di un milione di abitanti
Utilizza la tecnologia dei «sali fusi».
Grandi centrali solari nel mondo
I raggi del sole vengono concentrati
dagli specchi parabolici su tubi in cui
scorrono i fluidi termodinamici (sali
fusi).
I sali fusi raggiungono temperature
poco inferiori a 400°C, vengono
immagazzinati in serbatoi, dove sono
messi a contatto con l’acqua per
creare il vapore.
Il vapore mette in funzione le turbine per generare elettricità.
Noor 1 è la prima fase di un mega-progetto che porterà alla
nascita della più grande centrale solare del mondo a Ouarzazate,
con una capacità di 580 megawatt.
Il piano di sviluppo delle energie rinnovabili permetterà di
soddisfare il 42% del fabbisogno energetico del Marocco nel 2020.