Embed Size (px)
DESCRIPTION
Bruno D'Aguanno (CRS4- Energie rinnovabili) @serminaricrs42012 http://www.crs4.it/vale/workshop-b-1-2012 on twitter: #crs4seminars
Citation preview
CSP Cagliari, 19/04/2012
Dalla radiazione solare diretta alla produzione di calore, elettricità e
combustibili solari
Bruno D’Aguanno [email protected]
CSP Cagliari, 19/04/2012
Oggetto e contenuti della presentazione
2
● 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
Oggetto della presentazione
● Illustrazione delle conoscenze e delle considerazioni di base per lo studio, la ricerca, lo sviluppo e la realizzazione dei sistemi di conversione dell’energia solare
Contenuti della presentazione
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
Il sole
3
➡ Il sole è una sfera gassosa ➡ Il diametro del sole è 1.39x109 m ➡ La distanza dalla terra è, in media, 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
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
Il sole
4
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?
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
La radiazione solare
5
Il sole emette luce, ovverosia radiazione elettromagnetica ovverosia, a causa del dualismo onda-particella, pacchetti di fotoni.
Per stimare l’energia che arriva dal sole, e per comprendere l’interazione tra radiazione e materia, è necessario sapere come il flusso di fotoni della radiazione è distribuito su differenti valori dell’energia
q(e)b =2! 5k 4
15c2h3T 4 ="T 4
L’integrale su λ è l’equazione di Stefan-Boltzmann
La funzione di distribuzione, o spettro della radiazione, è data dalla distribuzione di Planck
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
La radiazione solare
6
Per determinare le proprietà della radiazione solare è necessario effettuare misure satellitari e confrontarle con lo spettro di Planck
Lo spettro di Planck descrive quantitativamente i dati sperimentali se si introduce il fattore di diluizione f = R2
s/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)b =G = f!T 4 =1367 W/m2
ed è nota come costante solare
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
La radiazione solare
7
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
La radiazione solare
8
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
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
La radiazione solare
9
Effetto dello scattering
Spettro elettromagnetico
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
La radiazione solare
10
Effetto della massa d’aria Componente diffusa e diretta
della radiazione
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
La scienza della conversione dell’energia solare
11
La radiazione elettromagnetica e l’interazione radiazione-materia … Lo scattering di Rayleigh La DNI: misura e analisi Assorbanza, emittanza e riflettanza …
La conversione termodinamica … Il ciclo di Carnot I cicli endoreversibili … 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
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
Dalla scienza di base dell’energia solare ai dispositivi per la conversione
12
➡ Alla diluizione si pone rimedio concentrando la radiazione solare
➡ La concentrazione ha il vantaggio di ridurre le perdite termiche dei dispositivi
➡ Ci sono due metodi di concentrazione: la concentrazione puntiforme e la concentrazione lineare
➡ L’utilizzo dell’energia solare è fortemente condizionato dalla sua diluizione (circa 1 kW per mq) e dalla sua intermittenza
➡ La concentrazione, riducendo la superficie di assorbimento della radiazione solare, ha il vantaggio di ridurre il consumo di materiali rari e inquinanti
➡ La concentrazione permette la realizzazione di dispositivi operanti in un ampio intervallo di temperature
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
La concentrazione solare
13
➡ Il rapporto di concentrazione geometrico – As/Ar - ha un valore limite superiore teorico che dipende dalla dimensionalità metodo di concentrazione
➡ Concentrazione puntiforme
Qs = !T 4 4"r 2
➡ Il ricevitore riemette come un corpo nero e una frazione dell’energia raggiunge il sole.
➡ Considerando che il massimo valore di Er-s è 1, si ottiene
➡ Quando Tr = Ts, dalla termodinamica ne consegue che Qs-r = Qr-s.
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
La concentrazione solare
14
➡ Concentrazione lineare
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
➡ Concentrazione teoriche limiti
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
La concentrazione solare
15
➡ Limiti teorici e pratici della concentrazione
Da CSP & The SunShot Initiative, DOE-CSP Industry Meeting, March 8, 2011
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
La concentrazione solare e la termochimica solare
16
➡ Scopi della termochimica solare
Realizzazione di reazioni del tipo Reagenti → Prodotti + Δ H utilizzando solo energia termica solare
Condizioni energetiche della reazione in funzione della temperatura !H = T!S + !G a T costante
Variazione dell’entalpia di reazione
Alle temperature per cui Δ G < 0, la reazione procede spontaneamente verso destra fornendo solo energia solare termica
F
G
H
U
V T
S P
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
La concentrazione solare
17
➡ Concentrazione lineare
Collettori parabolici circolari (Dish Stirling)
Collettori parabolici lineari (Parabolic Trough)
Collettori lineari di Fresnel (CLFR)
➡ Concentrazione puntiforme
Sistemi a ricevitore centrale (Solar Tower)
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
L’efficienza della conversione dell’energia solare
18
➡ L’efficienza di un processo di trasferimento dell’energia solare è dato dal prodotto dell’efficienza di raccolta per l’efficienza di conversione
L’efficienza di raccolta
Energia assorbita: ! effQaperture
Energia emessa: "eff Aaperture#T4
Energia incidente: Qsolar
Efficienza: $abs =! effQaperture ! "eff Aaperture#T
4
Qsolar
Rapporto di concentrazione ottico: Co =Qaperture
IAapertureAssumendo che Qaperture = Qsolar e che il ricevitore è una cavità isoterma di corpo nero (assorbanza = emittanza = 1) si ha:
!abs = 1" #T 4
ICo
L’efficienza di conversione
!Carnot = 1" TL
TH
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
L’efficienza della conversione dell’energia solare
19
Efficienza in funzione di TH per una TL = 298 K e per differenti flussi solari
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
Dai dispositivi ai sistemi per la conversione: impianti
20
AndaSol, Granada (Spain) - 100 MW
➡ Produzione di elettricità con concentrazione lineare Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
Dai dispositivi ai sistemi per la conversione: impianti
21
➡ Produzione di elettricità con concentrazione puntiforme
Gemasolar Tower, Seville (Spain) - 17 MW
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
Le efficienze degli impianti di conversione
22
From CSP & The SunShot Initiative, DOE-CSP Industry Meeting, March 8, 2011
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
Aspetti innovativi degli impianti di conversione solare
23
➡ Il disegno ottimale del campo solare Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
Aspetti innovativi degli impianti di conversione solare
24
➡ La gestione ottimale dei flussi energetici
Produzione elettrica: 8 – 9 gennaio 2005
8-9 Gennaio 2005
0
50
100
150
200
250
0 4 8 12 16 20 0 4 8 12 16 20
ore
MW
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Euro
Q Solar Field MW
Q to TS MW
Q from TS MW
Net ElectricityGenerated MW
Prezzo orario !
20-21 Luglio 2005
0
50
100
150
200
250
300
350
0 4 8 12 16 20 0 4 8 12 16 20
ore
MW
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Euro
Q Solar Field MW
Q to TS MW
Q from TS MW
Net ElectricityGenerated MW
Prezzo orario !
Produzione elettrica: 20 – 21 luglio 2005
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
Le motivazioni per la R&S nella conversione solare
25
➡ Analisi del costo livellato dell’energia elettrica prodotta
From CSP & The SunShot Initiative, DOE-CSP Industry Meeting, March 8, 2011
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
CSP Cagliari, 19/04/2012
Oggetto e contenuti della presentazione
26
● 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
Oggetto della presentazione
● Illustrazione delle conoscenze e delle considerazioni di base per lo studio, la ricerca, lo sviluppo e la realizzazione dei sistemi di conversione dell’energia solare
Contenuti della presentazione
Il sole
Radiazione
La scienza
Concentrazione
Efficienza
Impianti
