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. 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 CSP Cagliari, 19/04/2012 2
- 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 CSP Cagliari, 19/04/2012 3
- 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? CSP Cagliari, 19/04/2012 4
- 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 CSP Cagliari, 19/04/2012 5
- 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 6
- 7. La radiazione solare Il sole Radiazion e La scienza Concentra zione Efficienza Impianti CSP Cagliari, 19/04/2012 7
- 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 CSP Cagliari, 19/04/2012 8
- 9. La radiazione solare Il sole Radiazion e La scienza Concentra zione Effetto dello Efficienza scattering Impianti Spettro elettromagnetico CSP Cagliari, 19/04/2012 9
- 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 CSP Cagliari, 19/04/2012 10
- 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 CSP Cagliari, 19/04/2012 11
- 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 CSP Cagliari, 19/04/2012 12
- 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 CSP Cagliari, 19/04/2012 13
- 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 CSP Cagliari, 19/04/2012 14
- 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 CSP Cagliari, 19/04/2012 15
- 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 CSP Cagliari, 19/04/2012 16
- 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) CSP Cagliari, 19/04/2012 17
- 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 CSP Cagliari, 19/04/2012 18
- 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 CSP Cagliari, 19/04/2012 19
- 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 CSP Cagliari, 19/04/2012 20
- 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 CSP Cagliari, 19/04/2012 21
- 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 CSP Cagliari, 19/04/2012 22
- 23. Aspetti innovativi degli impianti di conversione solare Il sole ➡ Il disegno ottimale del campo solare Radiazion e La scienza Concentra zione Efficienza Impianti CSP Cagliari, 19/04/2012 23
- 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 CSP Cagliari, 19/04/2012 24
- 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 CSP Cagliari, 19/04/2012 25
- 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 CSP Cagliari, 19/04/2012 26