Impianti parabolici lineari (Parabolic Trough Systems)
Gli impianti a collettori parabolici lineari concentrano la radiazione solare su un tubo (ricevitore) che, per ridurre le perdite di calore, e' realizzato in vetro ed acciaio. Il tubo ricevitore e' situato nella linea focale di cilindri a sezione parabolica (concentratori) con asse longitudinale parallelo al terreno. I collettori sono collegati tra di loro in serie, per consentire la circolazione naturale del fluido termovettore all'interno del tubo focale e sono disposti in file parallele lunghe alcune centinaia di metri, per massimizzare l'accumulo di energia solare nel minimo spazio possibile. Il fluido termovettore, all'interno del tubo ricevitore, si scalda, raggiungendo temperature vicine ai 4000C se si usano oli minerali o sintetici, invece se vengono usati sali fusi (60% nitrato di sodio e 40% nitrato di potassio) le temperature sono superiori e raggiungono i 5500C.
I sali fusi a 5500C vengono accumulati in un deposito (deposito caldo), isolato termicamente dall'esterno, dove e' possibile conservare il calore per molte ore. Dal deposito caldo i sali vengono inviati alla centrale elettrica, dove il vapore prodotto fa girare la turbina del generatore di corrente elettrica. In questo processo i sali si raffreddano fino a 2900C e finiscono in un altro deposito (deposito freddo), da dove ritornano nei tubi riscaldati dagli specchi parabolici, facendo cosi' ripartire l'intero ciclo.
Impianti a sali fusi e ad olio a confronto:
Fonte immagine: http://www.archimedesolarenergy.it
L'inseguimento solare avviene su un solo asse, a causa delle loro estese dimensioni e della loro struttura; cio' comporta una riduzione della produzione di energia termica. Tuttavia, la potenza elettrica raggiunta con questo tipo di impianti e' notevole e va da 30 MW fino a 80 MW.
Impianti a Torre (Power Tower Systems)
Fonte:http://educazionetecnica.dantect.it
Gli impianti a torre sono costituiti da una serie di specchi piani (eliostati) che inseguono il movimento apparente del Sole su due assi di rotazione (orizzontale e verticale). Gli eliostati concentrano l'energia solare in un ricevitore, montato sulla sommita' di una torre, dove viene prodotto vapore ad alta temperatura. La disposizione degli specchi e' tale da circondare completamente la torre, ma in alcuni casi essi possono essere disposti ad emiciclo nell'area della torre opposta alla posizione del Sole nella volta celeste.
Gli impianti a torre presentano alcuni inconvenienti da attribuire:
alla distanza tra gli eliostati - questa aumenta man mano che ci si allontana dalla torre e cio', anche se consente di evitare fenomeni di ombreggiamento, comporta un'ampia occupazione di terreno;
all'altezza del punto focale rispetto al suolo - questa puo' raggiungere alcune centinaia di metri e dipende dall'estensione del campo di eliostati, che a sua volta e' proporzionale alla potenza dell'impianto. Quindi, per ottenere una potenza di qualche decina di MW sono richieste torri alte 200 m, con un grosso svantaggio per il paesaggio e con l'inconveniente della generazione di possibili interferenze con i voli aerei.
Impianti solari lineari Fresnel
Fonte:https://viagginellospazio.org
Negli impianti solari Fresnel i collettori parabolici lineari sono rimpiazzati dai collettori lineari Fresnel, i quali in realta' sono segmenti di specchi piani o leggermente curvi, che riproducono, nel loro complesso, una superficie parabolica.
Un impianto solare Fresnel e' composto dunque da schiere di specchi piani, distribuite su entrambi i lati di un tubo ricevitore; ciascuno specchio e' montato su un proprio sistema di rotazione monoassiale per l'inseguimento del Sole. La concentrazione della radiazione solare avviene sul tubo ricevitore lineare fisso (non solidale con gli specchi), che e' posizionato lungo l'asse focale, ad alcuni metri di altezza al di sopra degli specchi. Per evitare la dispersione della luce riflessa dalla superficie primaria, il tubo assorbitore e' dotato di un concentratore secondario (riflettore) che provvede a riconcentrare i raggi solari. Gli impianti attualmente esistenti utilizzano acqua come fluido termovettore, la quale viene fatta evaporare direttamente nel campo solare. Cio' permette di inviare il vapore prodotto nel campo solare direttamente in turbina, senza l'utilizzo di scambiatori secondari.
I principali vantaggi che si riscontrano in questo tipo di impianti sono:
sistema modulare - con questo sistema si possono realizzare impianti di decine o centinaia di MW;
componenti resistenti al vento - grazie a questo aspetto non e' richiesto l'utilizzo di fondamenta o di strutture portanti particolarmente robuste. Gli impianti si possono dunque installare in zone abbastanza ventose ed anche in accoppiamento con turbine eoliche;
effetto ombra tra concentratori vicini trascurabile - cio' permette di non distanziare le file di collettori, ottenendo cosi' uno sfruttamento migliore del terreno (70% contro il 33% delle parabole lineari);
bassi costi di installazione e di manutenzione, a causa del minore impiego di materiali.
Uno dei principali svantaggi degli impianti solari Fresnel e' dato da:
un rendimento medio inferiore a quello degli impianti a collettori parabolici lineari, da attribuire alla minore efficienza dei collettori Fresnel.
Impianti a disco parabolico (Parabolic Dish Systems)
Fonte:http://educazionetecnica.dantect.it
Gli impianti a disco parabolico sono costituiti da piu' paraboloidi che, fungendo da riflettori, concentrano la radiazione solare su di un ricevitore posto nel loro fuoco. Qui, puo' trovarsi un motore a combustione esterna (motore Stirling) che permette la conversione dell'energia termica direttamente in energia elettrica. Con questa tecnologia si possono raggiungere temperature fino a 15000C. La concentrazione dei raggi solari avviene con un doppio inseguimento del Sole, ovvero con uno spostamento dei riflettori sia in orizzontale che in verticale; in questo modo e' possibile mantenere sempre un perfetto allineamento dei paraboloidi con l'astro.
Va ricordato che il motore Stirling deve il suo nome a Robert Stirling che lo invento' nel 1816; il movimento del pistone, in questo tipo di motore a combustione esterna, e' conseguente all'espansione e compressione dei gas caldi e freddi.
Il grande vantaggio degli impianti a disco parabolico e' dato dai loro rendimenti di conversione, che risultano essere superiori a quelli ottenibili con tutte le altre tecnologie solari.
Uno dei fattori limitanti e' invece individuabile nella pesantezza delle strutture.
Oggi, il forno solare piu' potente al mondo e' rappresentato dalla centrale solare termodinamica a dischi parabolici di Odeillo (Pirenei Orientali francesi), insieme a quella di Tachkent in Uzbekistan, entrambe con una potenza di 1 MW.