Dalla radiazione solare diretta alla produzione di calore, combustibili ed elettricità
1. Dalla radiazione solare diretta alla
produzione di calore, elettricità e
combustibili solari
Bruno D’Aguanno
bruno@crs4.it
CSP Cagliari, 19/04/2012
2. Oggetto e contenuti della presentazione
Il sole
Radiazion Oggetto della presentazione
e
● Illustrazione delle conoscenze e delle considerazioni di
La scienza base per lo studio, la ricerca, lo sviluppo e la
realizzazione dei sistemi di conversione dell’energia
Concentra
zione
solare
Efficienza
Contenuti della presentazione
Impianti
● Il sole
● La radiazione solare
● La scienza della conversione dell’energia solare
● La concentrazione solare
● L’efficienza della conversione dell’energia solare
● Dai dispositivi ai sistemi per la conversione: gli impianti
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3. Il sole
Il sole
Radiazion
e
La scienza
Concentra
zione ➡ Il sole è una sfera gassosa
➡ Il diametro del sole è 1.39x109 m
Efficienza
➡ La distanza dalla terra è, in media,
Impianti 1.5x1011 m
➡ La regione equatoriale ruota in circa 27
giorni
➡ La regione polare ruota in circa 30 giorni
➡ Il sole ha una temperatura effettiva di
corpo nero di circa 5777 K
➡ La temperatura al suo interno è stimata
a circa 40x106 K
➡ La densità del sole è di circa 100 volte
quella dell acqua
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4. Il sole
Il sole
Radiazion
e
La scienza
Concentra
zione
Efficienza
Impianti
Come conseguenza del processo di accumulo del gas elio all'interno del Sole,
la sua luminosità tenderà ad aumentare con un ritmo stimato del 10% nel
corso dei prossimi 1,1 miliardi di anni e del 40% nei prossimi 3,5 *
In luce di ciò, a meno di interventi, la Terra sarà effettivamente abitabile per
ancora circa 500 milioni di anni **
* Sackmann, I.-J.; Boothroyd, A. I.; Kraemer, K. E. (1993). Our Sun. III. Present and Future.
Astrophysical Journal 418: 457–468
** Robert Britt. Freeze, Fry or Dry: How Long Has the Earth Got?
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5. La radiazione solare
Il sole
Radiazion Il sole emette luce, ovverosia radiazione elettromagnetica ovverosia, a causa
e
del dualismo onda-particella, pacchetti di fotoni.
La scienza
Per stimare l’energia che arriva dal sole, e per comprendere l’interazione tra
Concentra
zione
radiazione e materia, è necessario sapere come il flusso di fotoni della
radiazione è distribuito su differenti valori dell’energia
Efficienza
Impianti
La funzione di distribuzione, o spettro della radiazione, è data dalla
distribuzione di Planck
L’integrale su λ è l’equazione
di Stefan-Boltzmann
2! 5k 4 4
q (e)=
b T = "T 4
15c 2 h 3
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6. La radiazione solare
Il sole
Radiazion Per determinare le proprietà della radiazione solare è necessario effettuare
e misure satellitari e confrontarle con lo spettro di Planck
La scienza
Concentra
zione
Efficienza
Impianti
Lo spettro di Planck descrive quantitativamente i dati sperimentali se si
introduce il fattore di diluizione f = R2s/rorbit
L’energia ricevuta dal sole per unità di tempo e su di un’unità di superficie
perpendicolare alla direzione dei raggi solari, a una distanza dal sole pari alla
distanza media sole-terra, e al di fuori dell’atmosfera terrestre è:
q (e)= G = f ! T 4 = 1367 W/m 2
b
CSP ed è nota come costante solare Cagliari, 19/04/2012
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7. La radiazione solare
Il sole
Radiazion
e
La scienza
Concentra
zione
Efficienza
Impianti
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8. La radiazione solare
Il sole
Radiazion
e
La scienza
Concentra
zione
Efficienza
Impianti
Gli 85mila TW che arrivano sulla superficie terrestre come radiazione
solare(167mila TW - parte riflessa - parte assorbita dalle nuvole) sono più di
5mila volte il consumo annuo di 15 TW
Tutte le altre forme rinnovabili, che pure derivano dal sole, sono meno dell 1 %
degli 85mila TW
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9. La radiazione solare
Il sole
Radiazion
e
La scienza
Concentra
zione
Effetto dello
Efficienza scattering
Impianti
Spettro
elettromagnetico
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10. La radiazione solare
Il sole
Radiazion
e
La scienza
Concentra
zione
Efficienza
Impianti
Componente diffusa e diretta
Effetto della massa d’aria della radiazione
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11. La scienza della conversione dell’energia solare
Il sole
La radiazione elettromagnetica e l’interazione radiazione-materia
Radiazion …
e Lo scattering di Rayleigh
La DNI: misura e analisi
La scienza Assorbanza, emittanza e riflettanza
…
Concentra La conversione termodinamica
zione …
Il ciclo di Carnot
Efficienza I cicli endoreversibili
…
Impianti La termodinamica dell’accumulo termico e i suoi materiali
…
La conversione fotovoltaica
I semiconduttori
Le celle solari
…
La conversione fototermica
Le conversioni ibride
La conversione multicolore
Le conversioni chimiche
La termodinamica dei processi termochimici solari
…
La conversione fotochimica
La conversione eolica
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12. Dalla scienza di base dell’energia solare ai dispositivi per la conversione
Il sole
Radiazion
e
➡ L’utilizzo dell’energia solare è fortemente condizionato dalla sua diluizione
La scienza
(circa 1 kW per mq) e dalla sua intermittenza
Concentra
zione
➡ Alla diluizione si pone rimedio concentrando la radiazione solare
Efficienza
Impianti ➡ La concentrazione ha il vantaggio di ridurre le perdite termiche dei
dispositivi
➡ La concentrazione permette la realizzazione di dispositivi operanti in un
ampio intervallo di temperature
➡ La concentrazione, riducendo la superficie di assorbimento della radiazione
solare, ha il vantaggio di ridurre il consumo di materiali rari e inquinanti
➡ Ci sono due metodi di concentrazione: la concentrazione puntiforme e la
concentrazione lineare
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13. La concentrazione solare
Il sole
➡ Il rapporto di concentrazione geometrico – As/Ar - ha un valore limite
Radiazion
e
superiore teorico che dipende dalla dimensionalità metodo di concentrazione
La scienza ➡ Concentrazione puntiforme
Concentra
zione
Efficienza
Impianti
Q = !T 4"r
s
4 2
➡ Il ricevitore riemette come un corpo nero e una frazione dell’energia
raggiunge il sole.
➡ Quando Tr = Ts, dalla termodinamica ne consegue che Qs-r = Qr-s.
➡ Considerando che il massimo valore di Er-s è 1, si ottiene
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14. La concentrazione solare
Il sole
➡ Concentrazione lineare
Radiazion
e
La scienza
Concentra
zione
Efficienza
➡ Concentrazione teoriche limiti
Impianti
Poiché l’angolo il semi-angolo di vista del sole è θs = 0.267°
• il rapporto di concentrazione geometrico massimo per la
concentrazione puntiforme è di 45.000 soli
• il rapporto di concentrazione geometrico massimo per la
concentrazione lineare è di 212 soli
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15. La concentrazione solare
Il sole
Radiazion ➡ Limiti teorici e pratici della concentrazione
e
La scienza
Da CSP & The SunShot Initiative, DOE-CSP Industry Meeting, March 8, 2011
Concentra
zione
Efficienza
Impianti
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16. La concentrazione solare e la termochimica solare
Il sole
➡ Scopi della termochimica solare
Radiazion
e
Realizzazione di reazioni del tipo Reagenti → Prodotti + Δ H utilizzando
La scienza
solo energia termica solare
Concentra
zione
Variazione dell’entalpia di reazione
Efficienza
Impianti V F T
U G
S H P
Condizioni energetiche della reazione in !H = T !S + !G a T costante
funzione della temperatura
Alle temperature per cui Δ G < 0, la reazione procede spontaneamente
verso destra fornendo solo energia solare termica
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17. La concentrazione solare
Il sole
➡ Concentrazione lineare ➡ Concentrazione puntiforme
Radiazion
e
La scienza
Concentra
zione
Efficienza
Impianti
Collettori parabolici lineari Sistemi a ricevitore centrale (Solar Tower)
(Parabolic Trough)
Collettori lineari di Fresnel Collettori parabolici circolari
(CLFR) (Dish Stirling)
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18. L’efficienza della conversione dell’energia solare
Il sole
➡ L’efficienza di un processo di trasferimento dell’energia solare è dato dal
Radiazion
e prodotto dell’efficienza di raccolta per l’efficienza di conversione
La scienza
L’efficienza di raccolta
Concentra
zione Energia assorbita: ! eff Qaperture
Efficienza Energia emessa: " eff Aaperture# T 4
Impianti
Energia incidente: Qsolar
! eff Qaperture ! " eff Aaperture# T 4
Efficienza: $abs =
Qsolar
Q
Rapporto di concentrazione ottico: Co = aperture
IAaperture
Assumendo che Qaperture = Qsolar e che il ricevitore #T 4
è una cavità isoterma di corpo nero (assorbanza ! = 1"
abs
= emittanza = 1) si ha: IC o
L’efficienza di conversione
T
! Carnot
= 1" L
T
H
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19. L’efficienza della conversione dell’energia solare
Il sole
Radiazion
e
La scienza
Concentra
zione
Efficienza
Impianti
Efficienza in funzione di TH per una TL = 298 K e per differenti flussi solari
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20. Dai dispositivi ai sistemi per la conversione: impianti
Il sole
➡ Produzione di elettricità con concentrazione lineare
Radiazion
e
La scienza
Concentra
zione
Efficienza
Impianti
AndaSol, Granada (Spain) - 100 MW
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21. Dai dispositivi ai sistemi per la conversione: impianti
Il sole
➡ Produzione di elettricità con concentrazione puntiforme
Radiazion
e
La scienza
Concentra
zione
Efficienza
Impianti
Gemasolar Tower, Seville (Spain) - 17 MW
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22. Le efficienze degli impianti di conversione
Il sole
Radiazion
e
La scienza
Concentra
zione
Efficienza
Impianti
From CSP & The SunShot Initiative, DOE-CSP Industry Meeting, March 8, 2011
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23. Aspetti innovativi degli impianti di conversione solare
Il sole
➡ Il disegno ottimale del campo solare
Radiazion
e
La scienza
Concentra
zione
Efficienza
Impianti
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24. Aspetti innovativi degli impianti di conversione solare
Il sole
➡ La gestione ottimale dei flussi energetici
Radiazion
e 8-9 Gennaio 2005
Q Solar Field
MW
250 180
La scienza
Produzione elettrica: 8 – 9 160
Q to TS
Concentra
gennaio 2005 200 140 MW
120
zione 150 Q from TS
100 MW
Euro
MW
80
Efficienza 100
60 Net Electricity
Generated MW
Impianti 50 40
20
Prezzo orario !
0 0
0 4 8 12 16 20 0 4 8 12 16 20
ore
20-21 Luglio 2005
Q Solar Field
MW
Produzione elettrica: 20 – 350 200
180
21 luglio 2005 300
160
Q to TS
MW
250 140
120
200 Q from TS
MW
Euro
100
MW
150
80
60 Net Electricity
100 Generated MW
40
50
20
Prezzo orario !
0 0
0 4 8 12 16 20 0 4 8 12 16 20
ore
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25. Le motivazioni per la R&S nella conversione solare
Il sole
➡ Analisi del costo livellato dell’energia elettrica prodotta
Radiazion
e
La scienza
Concentra
zione
Efficienza
Impianti
From CSP & The SunShot Initiative, DOE-CSP Industry Meeting, March 8, 2011
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26. Oggetto e contenuti della presentazione
Il sole
Radiazion Oggetto della presentazione
e
● Illustrazione delle conoscenze e delle considerazioni di
La scienza base per lo studio, la ricerca, lo sviluppo e la
realizzazione dei sistemi di conversione dell’energia
Concentra
zione
solare
Efficienza
Contenuti della presentazione
Impianti
● Il sole
● La radiazione solare
● La scienza della conversione dell’energia solare
● La concentrazione solare
● L’efficienza della conversione dell’energia solare
● Dai dispositivi ai sistemi per la conversione: gli impianti
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