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Dalla radiazione solare diretta alla      produzione di calore, elettricità e              combustibili solari            ...
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La scienza della conversione dell’energia solareIl sole               La radiazione elettromagnetica e l’interazione radi...
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La concentrazione solareIl sole             ➡  Il rapporto di concentrazione geometrico – As/Ar - ha un valore limiteRadia...
La concentrazione solareIl sole             ➡  Concentrazione lineareRadiazioneLa scienzaConcentrazioneEfficienza         ...
La concentrazione solareIl soleRadiazion    ➡  Limiti teorici e pratici della concentrazioneeLa scienza             Da CSP...
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L’efficienza della conversione dell’energia solareIl sole             ➡  L’efficienza di un processo di trasferimento dell...
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Dai dispositivi ai sistemi per la conversione: impiantiIl sole             ➡  Produzione di elettricità con concentrazione...
Dai dispositivi ai sistemi per la conversione: impiantiIl sole             ➡  Produzione di elettricità con concentrazione...
Le efficienze degli impianti di conversioneIl soleRadiazioneLa scienzaConcentrazioneEfficienzaImpianti             From CS...
Aspetti innovativi degli impianti di conversione solareIl sole             ➡  Il disegno ottimale del campo solareRadiazio...
Aspetti innovativi degli impianti di conversione solareIl sole                 ➡  La gestione ottimale dei flussi energeti...
Le motivazioni per la R&S nella conversione solareIl sole             ➡  Analisi del costo livellato dell’energia elettric...
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Dalla radiazione solare diretta alla produzione di calore, combustibili ed elettricità

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Bruno D'Aguanno (CRS4- Energie rinnovabili)
@serminaricrs42012
http://www.crs4.it/vale/workshop-b-1-2012
on twitter: #crs4seminars

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Dalla radiazione solare diretta alla produzione di calore, combustibili ed elettricità

  1. 1. Dalla radiazione solare diretta alla produzione di calore, elettricità e combustibili solari Bruno D’Aguanno bruno@crs4.itCSP Cagliari, 19/04/2012
  2. 2. Oggetto e contenuti della presentazioneIl soleRadiazion   Oggetto della presentazionee ●  Illustrazione delle conoscenze e delle considerazioni diLa scienza base per lo studio, la ricerca, lo sviluppo e la realizzazione dei sistemi di conversione dell’energiaConcentrazione solareEfficienza   Contenuti della presentazioneImpianti ●  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 impiantiCSP Cagliari, 19/04/2012 2
  3. 3. Il soleIl soleRadiazioneLa scienzaConcentrazione ➡  Il sole è una sfera gassosa ➡  Il diametro del sole è 1.39x109 mEfficienza ➡  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 acquaCSP Cagliari, 19/04/2012 3
  4. 4. Il soleIl soleRadiazioneLa scienzaConcentrazioneEfficienzaImpianti   Come conseguenza del processo di accumulo del gas elio allinterno 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?CSP Cagliari, 19/04/2012 4
  5. 5. La radiazione solareIl soleRadiazion   Il sole emette luce, ovverosia radiazione elettromagnetica ovverosia, a causae del dualismo onda-particella, pacchetti di fotoni.La scienza   Per stimare l’energia che arriva dal sole, e per comprendere l’interazione traConcentrazione radiazione e materia, è necessario sapere come il flusso di fotoni della radiazione è distribuito su differenti valori dell’energiaEfficienzaImpianti   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 3CSP Cagliari, 19/04/2012 5
  6. 6. La radiazione solareIl soleRadiazion   Per determinare le proprietà della radiazione solare è necessario effettuaree misure satellitari e confrontarle con lo spettro di PlanckLa scienzaConcentrazioneEfficienzaImpianti   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 bCSP ed è nota come costante solare Cagliari, 19/04/2012 6
  7. 7. La radiazione solareIl soleRadiazioneLa scienzaConcentrazioneEfficienzaImpiantiCSP Cagliari, 19/04/2012 7
  8. 8. La radiazione solareIl soleRadiazioneLa scienzaConcentrazioneEfficienzaImpianti   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 TWCSP Cagliari, 19/04/2012 8
  9. 9. La radiazione solareIl soleRadiazioneLa scienzaConcentrazione   Effetto delloEfficienza scatteringImpianti   Spettro elettromagneticoCSP Cagliari, 19/04/2012 9
  10. 10. La radiazione solareIl soleRadiazioneLa scienzaConcentrazioneEfficienzaImpianti   Componente diffusa e diretta   Effetto della massa d’aria della radiazioneCSP Cagliari, 19/04/2012 10
  11. 11. La scienza della conversione dell’energia solareIl sole   La radiazione elettromagnetica e l’interazione radiazione-materiaRadiazion  …e  Lo scattering di Rayleigh  La DNI: misura e analisiLa scienza  Assorbanza, emittanza e riflettanza  …Concentra   La conversione termodinamicazione  …  Il ciclo di CarnotEfficienza  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 eolicaCSP Cagliari, 19/04/2012 11
  12. 12. Dalla scienza di base dell’energia solare ai dispositivi per la conversioneIl soleRadiazione ➡  L’utilizzo dell’energia solare è fortemente condizionato dalla sua diluizioneLa scienza (circa 1 kW per mq) e dalla sua intermittenzaConcentrazione ➡  Alla diluizione si pone rimedio concentrando la radiazione solareEfficienzaImpianti ➡  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 lineareCSP Cagliari, 19/04/2012 12
  13. 13. La concentrazione solareIl sole ➡  Il rapporto di concentrazione geometrico – As/Ar - ha un valore limiteRadiazione superiore teorico che dipende dalla dimensionalità metodo di concentrazioneLa scienza ➡  Concentrazione puntiformeConcentrazioneEfficienzaImpianti 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 ottieneCSP Cagliari, 19/04/2012 13
  14. 14. La concentrazione solareIl sole ➡  Concentrazione lineareRadiazioneLa scienzaConcentrazioneEfficienza ➡  Concentrazione teoriche limitiImpianti 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 soliCSP Cagliari, 19/04/2012 14
  15. 15. La concentrazione solareIl soleRadiazion ➡  Limiti teorici e pratici della concentrazioneeLa scienza Da CSP & The SunShot Initiative, DOE-CSP Industry Meeting, March 8, 2011ConcentrazioneEfficienzaImpiantiCSP Cagliari, 19/04/2012 15
  16. 16. La concentrazione solare e la termochimica solareIl sole ➡  Scopi della termochimica solareRadiazione   Realizzazione di reazioni del tipo Reagenti → Prodotti + Δ H utilizzandoLa scienza solo energia termica solareConcentrazione Variazione dell’entalpia di reazioneEfficienzaImpianti 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 termicaCSP Cagliari, 19/04/2012 16
  17. 17. La concentrazione solareIl sole ➡  Concentrazione lineare ➡  Concentrazione puntiformeRadiazioneLa scienzaConcentrazioneEfficienzaImpianti Collettori parabolici lineari Sistemi a ricevitore centrale (Solar Tower) (Parabolic Trough) Collettori lineari di Fresnel Collettori parabolici circolari (CLFR) (Dish Stirling)CSP Cagliari, 19/04/2012 17
  18. 18. L’efficienza della conversione dell’energia solareIl sole ➡  L’efficienza di un processo di trasferimento dell’energia solare è dato dalRadiazione prodotto dell’efficienza di raccolta per l’efficienza di conversioneLa scienza   L’efficienza di raccoltaConcentrazione Energia assorbita: ! eff QapertureEfficienza Energia emessa: " eff Aaperture# T 4Impianti 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 HCSP Cagliari, 19/04/2012 18
  19. 19. L’efficienza della conversione dell’energia solareIl soleRadiazioneLa scienzaConcentrazioneEfficienzaImpianti Efficienza in funzione di TH per una TL = 298 K e per differenti flussi solariCSP Cagliari, 19/04/2012 19
  20. 20. Dai dispositivi ai sistemi per la conversione: impiantiIl sole ➡  Produzione di elettricità con concentrazione lineareRadiazioneLa scienzaConcentrazioneEfficienzaImpianti AndaSol, Granada (Spain) - 100 MWCSP Cagliari, 19/04/2012 20
  21. 21. Dai dispositivi ai sistemi per la conversione: impiantiIl sole ➡  Produzione di elettricità con concentrazione puntiformeRadiazioneLa scienzaConcentrazioneEfficienzaImpianti Gemasolar Tower, Seville (Spain) - 17 MWCSP Cagliari, 19/04/2012 21
  22. 22. Le efficienze degli impianti di conversioneIl soleRadiazioneLa scienzaConcentrazioneEfficienzaImpianti From CSP & The SunShot Initiative, DOE-CSP Industry Meeting, March 8, 2011CSP Cagliari, 19/04/2012 22
  23. 23. Aspetti innovativi degli impianti di conversione solareIl sole ➡  Il disegno ottimale del campo solareRadiazioneLa scienzaConcentrazioneEfficienzaImpiantiCSP Cagliari, 19/04/2012 23
  24. 24. Aspetti innovativi degli impianti di conversione solareIl sole ➡  La gestione ottimale dei flussi energeticiRadiazione 8-9 Gennaio 2005 Q Solar Field MW 250 180La scienza   Produzione elettrica: 8 – 9 160 Q to TSConcentra gennaio 2005 200 140 MW 120zione 150 Q from TS 100 MW Euro MW 80Efficienza 100 60 Net Electricity Generated MWImpianti 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 oreCSP Cagliari, 19/04/2012 24
  25. 25. Le motivazioni per la R&S nella conversione solareIl sole ➡  Analisi del costo livellato dell’energia elettrica prodottaRadiazioneLa scienzaConcentrazioneEfficienzaImpianti From CSP & The SunShot Initiative, DOE-CSP Industry Meeting, March 8, 2011CSP Cagliari, 19/04/2012 25
  26. 26. Oggetto e contenuti della presentazioneIl soleRadiazion   Oggetto della presentazionee ●  Illustrazione delle conoscenze e delle considerazioni diLa scienza base per lo studio, la ricerca, lo sviluppo e la realizzazione dei sistemi di conversione dell’energiaConcentrazione solareEfficienza   Contenuti della presentazioneImpianti ●  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 impiantiCSP Cagliari, 19/04/2012 26

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