Energia solare termica

L’energia solare termica (STE) è una forma di energia e una tecnologia per sfruttare l’energia solare per generare energia termica o energia elettrica da utilizzare nell’industria e nei settori residenziale e commerciale.

Panoramica
I collettori solari termici sono classificati dalla United States Energy Information Administration come collettori a bassa, media o alta temperatura. I collettori a bassa temperatura sono generalmente non smaltati e utilizzati per riscaldare piscine o per riscaldare l’aria di ventilazione. I collettori a media temperatura sono di solito piatti piatti ma vengono utilizzati per il riscaldamento dell’acqua o dell’aria per uso residenziale e commerciale. I collettori ad alta temperatura concentrano la luce del sole usando specchi o lenti e sono generalmente utilizzati per soddisfare il fabbisogno di calore fino a 300 gradi C / 20 bar di pressione nelle industrie e per la produzione di energia elettrica. Due categorie includono il Concentrated Solar Thermal (CST) per soddisfare i requisiti di calore nelle industrie e il Concentrated Solar Power (CSP) quando il calore raccolto viene utilizzato per la produzione di energia. CST e CSP non sono sostituibili in termini di applicazione. Le strutture più grandi si trovano nel deserto del Mojave americano della California e del Nevada. Queste piante impiegano una varietà di tecnologie diverse. Gli esempi più importanti includono: Ivanpah Solar Power Facility (377 MW), installazione di sistemi di generazione di energia solare (354 MW) e Crescent Dunes (110 MW). La Spagna è l’altro importante sviluppatore di centrali solari termiche. Gli esempi più importanti includono la centrale solare Solnova (150 MW), la centrale solare di Andasol (150 MW) e la centrale elettrica di Extresol (100 MW).

Sistemi di riscaldamento e raffreddamento solare a bassa temperatura
I sistemi per utilizzare l’energia termica solare a bassa temperatura includono mezzi per la raccolta di calore; di solito accumulo di calore, a breve termine o intersettoriale; e distribuzione all’interno di una struttura o di una rete di teleriscaldamento. In alcuni casi più di una di queste funzioni è inerente ad una singola caratteristica del sistema (ad esempio alcuni tipi di collettori solari immagazzinano anche calore). Alcuni sistemi sono passivi, altri sono attivi (richiedono altre energie esterne per funzionare).

Il riscaldamento è l’applicazione più ovvia, ma il raffreddamento solare può essere realizzato per un edificio o una rete di teleraffreddamento utilizzando un refrigeratore ad assorbimento o ad assorbimento a trasmissione di calore (pompa di calore). C’è una coincidenza produttiva che maggiore è il calore di pilotaggio derivante dall’isolamento, maggiore è la potenza di raffreddamento. Nel 1878, Auguste Mouchout aprì la strada al raffreddamento solare producendo ghiaccio usando un motore a vapore solare collegato a un dispositivo di refrigerazione.

Negli Stati Uniti, i sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria (HVAC) rappresentano oltre il 25% (4,75 EJ) dell’energia utilizzata negli edifici commerciali (50% nelle città settentrionali) e quasi la metà (10,1 EJ) dell’energia utilizzata in edifici residenziali. Le tecnologie di riscaldamento solare, raffreddamento e ventilazione possono essere utilizzate per compensare una parte di questa energia. La più famosa tecnologia di riscaldamento solare per il riscaldamento degli edifici è il sistema integrato di raccolta dell’aria traspirante integrato che si collega alle apparecchiature HVAC dell’edificio. Secondo la Solar Energy Industries Association, oltre 500.000 m2 (5.000.000 piedi quadrati) di questi pannelli sono operativi in ​​Nord America a partire dal 2015.

In Europa, dalla metà degli anni ’90 sono stati costruiti circa 125 grandi impianti di teleriscaldamento solare termico, ciascuno con oltre 500 m2 (5400 ft2) di collettori solari. Il più grande è di circa 10.000 m2, con una capacità di 7 MW di calore termico e solare che costa circa 4 euro / kWh senza sussidi. 40 di loro hanno capacità nominali di 1 MW-termico o più. Il programma Solar District Heating (SDH) ha la partecipazione di 14 Nazioni europee e della Commissione europea, sta lavorando per lo sviluppo tecnico e di mercato e tiene conferenze annuali.

Collettori a bassa temperatura
I collettori solari smaltati sono progettati principalmente per il riscaldamento dell’ambiente. Riciclano l’aria dell’edificio attraverso un pannello solare dove l’aria viene riscaldata e quindi reindirizzata nell’edificio. Questi sistemi di riscaldamento solare richiedono almeno due penetrazioni nell’edificio e funzionano solo quando l’aria nel collettore solare è più calda della temperatura della stanza dell’edificio. La maggior parte dei collettori vetrati sono utilizzati nel settore residenziale.

I collettori solari non smaltati sono principalmente utilizzati per preriscaldare l’aria di ventilazione per il trucco negli edifici commerciali, industriali e istituzionali con un elevato carico di ventilazione. Trasformano muri di edifici o sezioni di muri in collettori solari non smaltati a basso costo e ad alte prestazioni. Chiamati anche “pannelli solari traspiranti” o “pannelli solari”, impiegano un assorbitore di calore solare in metallo forato verniciato che funge anche da superficie esterna dell’edificio. Il trasferimento di calore all’aria avviene sulla superficie dell’assorbitore, attraverso l’assorbitore di metallo e dietro l’assorbitore. Lo strato limite di aria riscaldata dal sole viene aspirato in una perforazione vicina prima che il calore possa fuoriuscire per convezione verso l’esterno. L’aria riscaldata viene quindi prelevata da dietro la piastra dell’assorbitore nel sistema di ventilazione dell’edificio.

Un muro di Trombe è un sistema di riscaldamento e ventilazione solare passivo costituito da un canale d’aria inserito tra una finestra e una massa termica rivolta al sole. Durante il ciclo di ventilazione, la luce solare immagazzina calore nella massa termica e riscalda il canale dell’aria provocando la circolazione attraverso le prese d’aria nella parte superiore e inferiore della parete. Durante il ciclo di riscaldamento, il muro di Trombe irradia calore accumulato.

Gli stagni con tetto solare sono unici sistemi di riscaldamento e raffreddamento solare sviluppati da Harold Hay negli anni ’60. Un sistema di base è costituito da una camera d’aria montata sul tetto con una copertura isolante mobile. Questo sistema può controllare lo scambio di calore tra gli ambienti interni ed esterni coprendo e scoprendo la vescica tra la notte e il giorno. Quando il riscaldamento è un problema, la vescica viene scoperta durante il giorno permettendo alla luce solare di riscaldare la vescica dell’acqua e di conservare il calore per l’uso serale. Quando il raffreddamento è un problema, la vescica coperta attira calore dall’interno dell’edificio durante il giorno e viene scoperta durante la notte per irradiare calore nell’atmosfera più fresca. La casa Skytherm di Atascadero, in California, utilizza un prototipo di laghetto per il riscaldamento e il raffreddamento.

Il riscaldamento solare negli ambienti con collettori di calore ad aria solare è più diffuso negli Stati Uniti e in Canada rispetto al riscaldamento con collettori di liquidi solari poiché la maggior parte degli edifici dispone già di un sistema di ventilazione per il riscaldamento e il raffreddamento. I due principali tipi di pannelli solari sono smaltati e non smaltati.

Dei 21.000.000 piedi quadrati (2.000.000 m2) di collettori solari termici prodotti negli Stati Uniti nel 2007, 16.000.000 piedi quadrati (1.500.000 m2) erano della varietà a bassa temperatura. I collettori a bassa temperatura sono generalmente installati per riscaldare le piscine, sebbene possano essere utilizzati anche per il riscaldamento degli ambienti. I collezionisti possono usare l’aria o l’acqua come mezzo per trasferire il calore alla loro destinazione.

Stoccaggio di calore in sistemi solari termici a bassa temperatura
Memoria interna Il calore solare (o calore proveniente da altre fonti) può essere efficacemente immagazzinato tra stagioni opposte in falde acquifere, strati geologici sotterranei, grandi fosse appositamente costruite e grandi serbatoi che sono isolati e ricoperti di terra.

Stoccaggio a breve termine. I materiali di massa termica immagazzinano l’energia solare durante il giorno e rilasciano questa energia durante i periodi più freddi. I comuni materiali di massa termica comprendono pietra, cemento e acqua. La proporzione e il posizionamento della massa termica dovrebbero prendere in considerazione diversi fattori come clima, illuminazione diurna e condizioni di ombreggiamento. Se correttamente incorporato, la massa termica può mantenere passivamente temperature confortevoli riducendo il consumo di energia.

Raffreddamento ad energia solare
In tutto il mondo, nel 2011 c’erano circa 750 sistemi di raffreddamento con pompe di calore a energia solare e la crescita annuale del mercato era del 40-70% nei precedenti sette anni. È un mercato di nicchia perché gli aspetti economici sono difficili, con il numero annuale di ore di raffreddamento un fattore limitante. Rispettivamente, le ore di raffreddamento annuali sono circa 1000 nel Mediterraneo, 2500 nel sud-est asiatico e solo da 50 a 200 nell’Europa centrale. Tuttavia, i costi di costruzione del sistema sono calati del 50% circa tra il 2007 e il 2011. I gruppi di lavoro del programma di riscaldamento e raffreddamento solare (IEA-SHC) dell’Agenzia internazionale dell’energia (AIE) lavorano all’ulteriore sviluppo delle tecnologie coinvolte.

Ventilazione a riscaldamento solare
Un camino solare (o camino termico) è un sistema di ventilazione solare passiva composto da una massa termica cava che collega l’interno e l’esterno di un edificio. Mentre il camino si riscalda, l’aria all’interno viene riscaldata causando una corrente ascensionale che tira aria attraverso l’edificio. Questi sistemi sono stati in uso fin dai tempi dei romani e rimangono comuni in Medio Oriente.

Processo di calore
I sistemi di riscaldamento a processo solare sono progettati per fornire grandi quantità di acqua calda o riscaldamento per gli edifici non residenziali.

Gli stagni di evaporazione sono stagni poco profondi che concentrano i solidi disciolti per evaporazione. L’uso di bacini di evaporazione per ottenere il sale dall’acqua di mare è una delle più antiche applicazioni di energia solare. Gli usi moderni includono soluzioni concentriche di salamoia utilizzate nell’estrazione di lisciviazione e nella rimozione di solidi disciolti da flussi di rifiuti. Complessivamente, gli stagni di evaporazione rappresentano una delle più grandi applicazioni commerciali di energia solare in uso oggi.

I collettori trapianti non smaltati sono pareti perforate rivolte verso il sole utilizzate per preriscaldare l’aria di ventilazione. I collettori traspiranti possono anche essere montati sul tetto per l’uso durante tutto l’anno e possono aumentare la temperatura dell’aria in ingresso fino a 22 ° C e fornire temperature di uscita di 45-60 ° C. Il breve periodo di ammortamento dei collezionisti trapiantati (da 3 a 12 anni) li rende un’alternativa più economica rispetto ai sistemi di raccolta vetrati. A partire dal 2015, in tutto il mondo sono stati installati oltre 4000 sistemi con un’area di collettori combinata di 500.000 m2. I rappresentanti includono un collezionista di 860 m2 in Costa Rica utilizzato per essiccare i chicchi di caffè e un collettore di 1300 m2 a Coimbatore, in India, utilizzato per essiccare le calendule.

Uno stabilimento di trasformazione alimentare a Modesto, in California, utilizza abbuoni parabolici per produrre vapore utilizzato nel processo di produzione. Si prevede che l’area di raccolta di 5.000 m2 fornirà 15 TJ all’anno.

Collettori a media temperatura
Questi collettori potrebbero essere utilizzati per produrre circa il 50% e più dell’acqua calda necessaria per uso residenziale e commerciale negli Stati Uniti. Negli Stati Uniti, un sistema tipico costa $ 4000- $ 6000 al dettaglio ($ 1400 a $ 2200 all’ingrosso per i materiali) e il 30% del sistema si qualifica per un credito d’imposta federale + credito di stato aggiuntivo in circa la metà degli stati. Il lavoro per un semplice sistema a ciclo aperto nei climi meridionali può richiedere 3-5 ore per l’installazione e 4-6 ore nelle aree settentrionali. Il sistema del Nord richiede più area del collettore e un impianto idraulico più complesso per proteggere il collettore dal congelamento. Con questo incentivo, il tempo di recupero per una famiglia tipica è di quattro o nove anni, a seconda dello stato. Sussidi analoghi esistono in alcune parti d’Europa Un equipaggio composto da un idraulico solare e due assistenti con una formazione minima può installare un sistema al giorno. L’installazione di Thermosphon ha costi di manutenzione trascurabili (i costi aumentano se vengono utilizzati per la circolazione l’antigelo e l’alimentazione di rete) e negli Stati Uniti i costi operativi delle famiglie si riducono di $ 6 a persona al mese. Il riscaldamento solare dell’acqua può ridurre le emissioni di CO2 di una famiglia di quattro persone di 1 tonnellata all’anno (in caso di sostituzione del gas naturale) o di 3 tonnellate / anno (in caso di sostituzione dell’elettricità). Le installazioni a media temperatura possono utilizzare uno qualsiasi dei diversi progetti: disegni comuni sono glicole pressurizzato, sistemi di scarico, sistemi batch e nuovi sistemi a bassa pressione con tolleranza al congelamento utilizzando tubi polimerici contenenti acqua con pompaggio fotovoltaico. Gli standard europei e internazionali sono stati riesaminati per accogliere le innovazioni nella progettazione e nel funzionamento dei collettori a media temperatura. Le innovazioni operative includono l’operazione “collettore a contatto permanente”. Questa innovazione riduce o addirittura elimina il verificarsi di sollecitazioni ad alta temperatura senza flusso, chiamate stagnazione, che altrimenti ridurrebbe l’aspettativa di vita dei collettori.

Essiccazione solare
L’energia solare termica può essere utile per l’essiccazione del legno per la costruzione e per i combustibili legnosi come i trucioli di legno per la combustione. Il solare viene anche utilizzato per prodotti alimentari come frutta, cereali e pesce. L’essiccazione delle colture con mezzi solari è rispettosa dell’ambiente oltre che economica, migliorando nel contempo la qualità. Meno denaro ci vuole per realizzare un prodotto, meno può essere venduto, piace sia agli acquirenti che ai venditori. Le tecnologie per l’essiccazione solare comprendono i collettori d’aria a piastre traspiranti a bassissimo costo basati su tessuti neri. L’energia solare termica è utile nel processo di essiccazione di prodotti come trucioli di legno e altre forme di biomassa aumentando la temperatura consentendo al contempo di passare l’aria e liberarsi dell’umidità.

cucinando
I fornelli solari utilizzano la luce del sole per cucinare, asciugare e pasturare. La cottura solare compensa i costi del carburante, riduce la domanda di combustibile o legna da ardere e migliora la qualità dell’aria riducendo o eliminando una fonte di fumo.

Il tipo più semplice di fornello solare è il fornello a cassetta costruito per la prima volta da Horace de Saussure nel 1767. Un fornello di base è costituito da un contenitore isolato con un coperchio trasparente. Queste cucine possono essere utilizzate efficacemente con cielo parzialmente coperto e in genere raggiungono temperature di 50-100 ° C.

Le cucine solari a concentrazione utilizzano riflettori per concentrare l’energia solare su un contenitore di cottura. Le geometrie dei riflettori più comuni sono quelle a piastra piatta, a disco e paraboliche. Questi disegni si cuociono più velocemente ea temperature più elevate (fino a 350 ° C) ma richiedono che la luce diretta funzioni correttamente.

La cucina solare di Auroville, in India, utilizza una tecnologia di concentrazione unica conosciuta come la ciotola solare. Contrariamente ai riflettori di tracciamento convenzionali / sistemi di ricevitore fissi, la coppa solare utilizza un riflettore sferico fisso con un ricevitore che traccia il fuoco della luce mentre il Sole si muove attraverso il cielo. Il ricevitore della ciotola solare raggiunge la temperatura di 150 ° C che viene utilizzata per produrre vapore che aiuta a cucinare 2.000 pasti giornalieri.

Molte altre cucine solari in India utilizzano un’altra tecnologia di concentrazione unica conosciuta come il riflettore Scheffler. Questa tecnologia fu sviluppata per la prima volta da Wolfgang Scheffler nel 1986. Un riflettore Scheffler è un piatto parabolico che utilizza il tracking a singolo asse per seguire il corso quotidiano del Sole. Questi riflettori hanno una superficie riflettente flessibile che è in grado di cambiare la sua curvatura per adattarsi alle variazioni stagionali dell’angolo di incidenza della luce solare. I riflettori Scheffler hanno il vantaggio di avere un punto focale fisso che migliora la facilità di cottura e sono in grado di raggiungere temperature di 450-650 ° C. Costruito nel 1999 dalla Brahma Kumaris, il sistema di riflettori Scheffler più grande al mondo ad Abu Road, Rajasthan India è in grado di cucinare fino a 35.000 pasti al giorno. All’inizio del 2008, oltre 2000 cucine di grandi dimensioni del design Scheffler erano state costruite in tutto il mondo.

Distillazione
Gli alambicchi solari possono essere utilizzati per produrre acqua potabile nelle aree in cui l’acqua pulita non è comune. In queste situazioni è necessaria la distillazione solare per fornire acqua purificata alle persone. L’energia solare riscalda l’acqua nell’acqua ferma. L’acqua poi evapora e si condensa sul fondo del vetro di copertura.

Collettori ad alta temperatura
Quando sono sufficienti temperature inferiori a circa 95 ° C, come per il riscaldamento degli ambienti, vengono generalmente utilizzati collettori piani del tipo non concentrante. A causa delle perdite di calore relativamente elevate attraverso il vetro, i collettori a piastre piatte non raggiungono temperature molto superiori a 200 ° C anche quando il fluido termovettore è stagnante. Tali temperature sono troppo basse per una conversione efficiente all’elettricità.

L’efficienza dei motori termici aumenta con la temperatura della fonte di calore. Per raggiungere questo obiettivo negli impianti solari termici, la radiazione solare viene concentrata da specchi o lenti per ottenere temperature più elevate – una tecnica chiamata Concentrated Solar Power (CSP). L’effetto pratico di alta efficienza è di ridurre le dimensioni del collettore dell’impianto e l’uso totale del terreno per unità di potenza generata, riducendo gli impatti ambientali di una centrale elettrica e le sue spese.

All’aumentare della temperatura, diventano diverse le forme di conversione. Fino a 600 ° C, le turbine a vapore, tecnologia standard, hanno un’efficienza fino al 41%. Oltre i 600 ° C, le turbine a gas possono essere più efficienti. Temperature più elevate sono problematiche perché sono necessari diversi materiali e tecniche. Una proposta per temperature molto elevate consiste nell’utilizzare sali di fluoruro liquido operanti tra 700 ° C e 800 ° C, utilizzando sistemi di turbina a più stadi per ottenere il 50% o più di efficienza termica. Le temperature operative più elevate consentono all’impianto di utilizzare scambiatori di calore a secco con temperatura più elevata per lo scarico termico, riducendo l’utilizzo di acqua dell’impianto – fondamentale nei deserti dove sono pratici i grandi impianti solari. Le alte temperature rendono inoltre più efficiente lo stoccaggio del calore, poiché vengono memorizzati più wattora per unità di fluido.

Gli impianti di produzione di energia solare termica a concentrazione commerciale (CSP) sono stati sviluppati per la prima volta negli anni ’80. Le più grandi centrali solari termiche del mondo sono ora la Ivanpah Solar Power Facility da 370 MW, commissionata nel 2014, e l’installazione SSPS CSP da 354 MW, entrambe situate nel deserto del Mojave in California, dove sono stati realizzati anche altri progetti solari. Ad eccezione della centrale solare Shams, costruita nel 2013 vicino ad Abu Dhabi, negli Emirati Arabi Uniti, tutti gli altri impianti CSP da 100 MW o più sono ubicati negli Stati Uniti o in Spagna.

Il principale vantaggio di CSP è la capacità di aggiungere in modo efficiente lo storage termico, consentendo l’invio di energia elettrica fino a un periodo di 24 ore. Poiché la domanda di elettricità di picco si verifica in genere tra circa 4 e 8 pm, molte centrali elettriche CSP utilizzano da 3 a 5 ore di stoccaggio termico. Con la tecnologia attuale, lo stoccaggio di calore è molto più economico e più efficiente dello stoccaggio di elettricità. In questo modo, l’impianto CSP può produrre elettricità giorno e notte. Se il sito CSP ha una radiazione solare prevedibile, allora l’impianto CSP diventa una centrale elettrica affidabile. L’affidabilità può essere ulteriormente migliorata installando un sistema di combustione di riserva. Il sistema di backup può utilizzare la maggior parte degli impianti CSP, il che riduce il costo del sistema di backup.

Le strutture CSP utilizzano materiali ad alta conduttività elettrica, come il rame, nei cavi di alimentazione di campo, reti di messa a terra e motori per il tracciamento e il pompaggio di fluidi, nonché nel generatore principale e nei trasformatori di alta tensione.

Con affidabilità, deserto inutilizzato, assenza di inquinamento e costi di carburante, gli ostacoli per un ampio dispiegamento di CSP sono costi, estetica, uso del territorio e fattori simili per le necessarie linee di collegamento ad alta tensione. Sebbene sia necessaria solo una piccola percentuale del deserto per soddisfare la domanda globale di elettricità, è comunque necessario coprire una vasta area con specchi o lenti per ottenere una quantità significativa di energia. Un modo importante per ridurre i costi è l’uso di un design semplice.

Quando si considerano gli impatti sull’uso del suolo associati all’esplorazione e all’estrazione attraverso il trasporto e la conversione di combustibili fossili, che sono usati per la maggior parte della nostra energia elettrica, l’energia solare su scala industriale si colloca tra le risorse energetiche più efficienti dal punto di vista del suolo:

Il governo federale ha dedicato quasi 2.000 volte più superficie in acri alle locazioni di petrolio e gas rispetto allo sviluppo solare. Nel 2010 il Bureau of Land Management ha approvato nove progetti solari su larga scala, con una capacità produttiva totale di 3.682 megawatt, che rappresentano circa 40.000 acri. Al contrario, nel 2010 il Bureau of Land Management ha gestito oltre 5.200 contratti di leasing di gas e petrolio e ha emesso 1.308 leasing, per un totale di 3,2 milioni di acri. Attualmente, 38,2 milioni di acri di terre pubbliche onshore e ulteriori 36,9 milioni di acri di esplorazione offshore nel Golfo del Messico sono in affitto per lo sviluppo, l’esplorazione e la produzione di petrolio e gas.

Disegni di sistema
Durante il giorno il sole ha posizioni diverse. Per i sistemi a basse concentrazioni (e basse temperature) il tracciamento può essere evitato (o limitato a poche posizioni all’anno) se vengono utilizzate ottiche non a basso consumo. Per concentrazioni più elevate, tuttavia, se gli specchi o le lenti non si muovono, cambia la messa a fuoco degli specchi o delle lenti (ma anche in questi casi l’ottica non stimolante fornisce gli angoli di accettazione più ampi per una data concentrazione). Pertanto, sembra inevitabile che ci sia bisogno di un sistema di tracciamento che segua la posizione del sole (per il solare fotovoltaico un inseguitore solare è solo opzionale). Il sistema di tracciamento aumenta il costo e la complessità. Con questo in mente, si possono distinguere diversi design nel modo in cui concentrano la luce e seguono la posizione del sole.

Disegni parabolici della depressione
Le centrali paraboliche a energia elettrica utilizzano una vasca curva speculare che riflette la radiazione solare diretta su un tubo di vetro contenente un fluido (chiamato anche ricevitore, assorbitore o collettore) che percorre la lunghezza del canale, posizionato nel punto focale dei riflettori. Il trogolo è parabolico lungo un asse e lineare nell’asse ortogonale. Per il cambiamento della posizione giornaliera del sole perpendicolare al ricevitore, il trogolo si inclina da est a ovest in modo che la radiazione diretta rimanga focalizzata sul ricevitore. Tuttavia, i cambiamenti stagionali dell’angolo di sole parallelo al trogolo non richiedono la regolazione degli specchi, poiché la luce è semplicemente concentrata altrove sul ricevitore. Pertanto, il design a valle non richiede il rilevamento su un secondo asse. Il ricevitore può essere racchiuso in una camera a vuoto di vetro. Il vuoto riduce significativamente la perdita di calore per convezione.

Un fluido (chiamato anche fluido termovettore) passa attraverso il ricevitore e diventa molto caldo. I fluidi comuni sono olio sintetico, sale fuso e vapore pressurizzato. Il fluido contenente il calore viene trasportato in un motore termico dove circa un terzo del calore viene convertito in elettricità.

I sistemi di valle parabolici su vasta scala sono costituiti da molti di questi avvallamenti disposti in parallelo su una vasta area di terra. Dal 1985 un sistema solare termico che utilizza questo principio è stato pienamente operativo in California negli Stati Uniti. Si chiama sistema Solar Energy Generating Systems (SEGS). Altri progetti CSP mancano di questo tipo di lunga esperienza e quindi si può attualmente affermare che il design parabolico della depressione è la tecnologia CSP più comprovata.

Il SEGS è una collezione di nove impianti con una capacità totale di 354 MW ed è stata per molti anni il più grande impianto solare del mondo, sia termico che non termico. Un nuovo impianto è l’impianto di Nevada Solar One con una capacità di 64 MW. Le centrali solari Andasol da 150 MW si trovano in Spagna e ogni sito ha una capacità di 50 MW. Si noti, tuttavia, che queste piante hanno un accumulo di calore che richiede un campo più ampio di collettori solari rispetto alle dimensioni del generatore di turbina a vapore per immagazzinare calore e inviare calore alla turbina a vapore allo stesso tempo. Lo stoccaggio del calore consente un migliore utilizzo della turbina a vapore. Con il giorno e un funzionamento notturno della turbina a vapore Andasol 1 con una capacità di picco di 50 MW produce più energia di Nevada Solar One con una capacità di picco di 64 MW, grazie al sistema di accumulo di energia termica precedente e al più ampio campo solare. La stazione di generazione Solana da 280 MW è arrivata online in Arizona nel 2013 con 6 ore di immagazzinamento dell’energia. La centrale idroelettrica integrata a ciclo combinato Hassi R’Mel in Algeria e Martin Next Generation Solar Energy Center utilizzano entrambi canali parabolici a ciclo combinato con gas naturale.

Trogolo chiuso
L’architettura della depressione racchiusa racchiude il sistema solare termico all’interno di una serra simile a una serra. La serra crea un ambiente protetto per resistere agli elementi che possono influire negativamente sull’affidabilità e l’efficienza del sistema solare termico.

Specchi riflettenti solari curvi leggeri sono sospesi all’interno della struttura della serra. Un sistema di tracciamento monoasse posiziona gli specchi per tracciare il sole e focalizzare la sua luce su una rete di tubi stazionari in acciaio, anch’essi sospesi dalla struttura della serra. Il vapore viene generato direttamente, utilizzando acqua di qualità del campo petrolifero, poiché l’acqua scorre dall’ingresso per tutta la lunghezza dei tubi, senza scambiatori di calore o fluidi di lavoro intermedi.

Il vapore prodotto viene quindi immesso direttamente nella rete di distribuzione del vapore esistente sul campo, dove il vapore viene iniettato continuamente in profondità nel serbatoio dell’olio. Il riparo degli specchi dal vento consente loro di raggiungere temperature di temperatura più elevate e impedisce la formazione di polvere come risultato dell’esposizione all’umidità. GlassPoint Solar, la società che ha creato il progetto Enclosed Trough, afferma che la sua tecnologia può produrre calore per EOR per circa $ 5 per milione di unità termiche britanniche in regioni soleggiate, rispetto a tra $ 10 e $ 12 per altre tecnologie solari termiche convenzionali.

Il sistema di depressioni chiuso di GlassPoint è stato utilizzato presso lo stabilimento di Miraah in Oman e recentemente è stato annunciato un nuovo progetto per l’azienda di portare la sua tecnologia di raccolta chiusa al campo petrolifero di South Belridge, vicino a Bakersfield, in California.

Progetti di torri elettriche
Le torri di potenza (note anche come centrali elettriche a torre centrale o centrali elettriche eliostatiche) catturano e focalizzano l’energia termica del sole con migliaia di specchi di rilevamento (chiamati eliostati) in un campo di circa due miglia quadrate. Una torre si trova al centro del campo di eliostato. Gli eliostati focalizzano la luce solare concentrata su un ricevitore che si trova sulla sommità della torre. All’interno del ricevitore la luce solare concentrata riscalda il sale fuso a oltre 1.000 ° F (538 ° C). Il sale fuso riscaldato scorre quindi in un serbatoio di accumulo termico dove viene immagazzinato, mantenendo il 98% di efficienza termica ed eventualmente pompato ad un generatore di vapore. Il vapore guida una turbina standard per generare elettricità. Questo processo, noto anche come “ciclo di Rankine” è simile a una centrale elettrica a carbone standard, ad eccezione del fatto che è alimentato da energia solare pulita e gratuita.

Il vantaggio di questo design rispetto al design parabolico della depressione è la temperatura più elevata. L’energia termica a temperature più elevate può essere convertita in elettricità in modo più efficiente e può essere conservata più a buon mercato per un uso successivo. Inoltre, vi è meno necessità di appiattire la superficie del terreno. In linea di principio una torre di potere può essere costruita sul lato di una collina. Gli specchi possono essere piani e l’impianto idraulico è concentrato nella torre. Lo svantaggio è che ogni specchio deve avere il proprio controllo a doppio asse, mentre nella progettazione parabolica del troncamento il tracciamento a singolo asse può essere condiviso per una vasta gamma di specchi.

Il NREL ha effettuato un confronto costi / prestazioni tra la torre di potenza e i concentratori di depressioni parabolici che ha stimato che entro il 2020 l’elettricità potrebbe essere prodotta da torri di potenza per 5,47 ¢ / kWh e per 6,21 ¢ / kWh da vasche paraboliche. Il fattore di capacità per le torri elettriche è stato stimato pari al 72,9% e al 56,2% per le vasche paraboliche. C’è qualche speranza che lo sviluppo di componenti di eliostati economici, durevoli e producibili in serie possa far scendere questo costo.

La prima centrale elettrica a torre commerciale è stata PS10 in Spagna con una capacità di 11 MW, completata nel 2007. Da allora sono stati proposti numerosi impianti, molti sono stati costruiti in diversi paesi (Spagna, Germania, Stati Uniti, Turchia, Cina , India) ma diverse piante proposte sono state cancellate mentre i prezzi del solare fotovoltaico sono crollati. Si prevede che una torre solare venga online in Sud Africa nel 2014. Ivanpah Solar Power Facility in California genera 392 MW di energia elettrica da tre torri, rendendolo il più grande impianto a torre di energia solare quando è arrivato online alla fine del 2013.

Disegni del piatto
CSP-Stirling è noto per avere la massima efficienza di tutte le tecnologie solari (circa il 30%, rispetto al 15% circa del solare fotovoltaico) e si prevede che sia in grado di produrre l’energia più economica tra tutte le fonti di energia rinnovabile nella produzione su larga scala e aree calde, semi-deserti, ecc. Un sistema Stirling utilizza un piatto parabolico riflettente di grandi dimensioni (simile alla forma di un piatto televisivo satellitare). Mette a fuoco tutta la luce del sole che colpisce il piatto su un singolo punto sopra il piatto, dove un ricevitore cattura il calore e lo trasforma in una forma utile. Tipicamente, il piatto è accoppiato con un motore Stirling in un sistema stagnante, ma a volte viene utilizzato anche un motore a vapore. Questi creano energia cinetica rotazionale che può essere convertita in elettricità utilizzando un generatore elettrico.

Nel 2005 la Southern California Edison ha annunciato un accordo per l’acquisto di motori Stirling ad energia solare da Stirling Energy Systems per un periodo di venti anni e in quantità (20.000 unità) sufficienti a generare 500 megawatt di elettricità. Nel gennaio 2010, Stirling Energy Systems e Tessera Solar hanno commissionato la prima centrale dimostrativa da 1,5 megawatt (“Maricopa Solar”) utilizzando la tecnologia Stirling a Peoria, in Arizona. All’inizio del 2011, il braccio di sviluppo di Stirling Energy, Tessera Solar, ha venduto i suoi due grandi progetti, il progetto imperiale da 709 MW e il progetto Calico da 850 MW ad AES Solar e K.Road, rispettivamente. Nel 2012 l’impianto di Maricopa è stato acquistato e smantellato da United Sun Systems. United Sun Systems ha rilasciato un sistema di nuova generazione, basato su un motore Stirling a forma di V e una produzione di picco di 33 kW. La nuova tecnologia CSP-Stirling fa scendere LCOE a 0,02 dollari in scala utility.

Secondo il suo sviluppatore, Rispasso Energy, un’azienda svedese, nel 2015 il suo sistema Dish Sterling testato nel deserto del Kalahari in Sud Africa ha mostrato un’efficienza del 34%.

Tecnologie di Fresnel
Una centrale elettrica lineare a riflettore di Fresnel utilizza una serie di specchi lunghi, stretti, poco profondi (o anche piatti) per focalizzare la luce su uno o più ricevitori lineari posizionati sopra gli specchi. Sulla parte superiore del ricevitore è possibile aggiungere un piccolo specchio parabolico per focalizzare ulteriormente la luce. Questi sistemi mirano ad offrire costi complessivi più bassi condividendo un ricevitore tra più specchi (rispetto ai concetti di trogolo e parabola), usando ancora la geometria del fuoco lineare con un asse per il tracciamento. Questo è simile al design della depressione (e diverso da torri centrali e piatti con doppio asse). Il ricevitore è fermo e non sono necessari accoppiamenti fluidi (come nelle vasche e piatti). Gli specchi inoltre non hanno bisogno di supportare il ricevitore, quindi sono strutturalmente più semplici. Quando vengono utilizzate strategie di mira adeguate (specchi destinati a diversi ricevitori in diversi momenti della giornata), ciò può consentire un più denso imballaggio di specchi sulla superficie disponibile.

Le tecnologie di tracciamento a singolo asse rivali includono le relativamente nuove tecnologie di riflettore lineare Fresnel (LFR) e LFR (CLFR). La LFR differisce da quella della depressione parabolica in quanto l’assorbitore è fissato nello spazio sopra il campo dello specchio. Inoltre, il riflettore è composto da molti segmenti di fila bassa, che si concentrano collettivamente su un ricevitore a torre lungo elevato che corre parallelo all’asse di rotazione del riflettore.

Prototipi di concentratori di lenti di Fresnel sono stati prodotti per la raccolta di energia termica da International Automated Systems. No full-scale thermal systems using Fresnel lenses are known to be in operation, although products incorporating Fresnel lenses in conjunction with photovoltaic cells are already available.

MicroCSP
MicroCSP is used for community-sized power plants (1 MW to 50 MW), for industrial, agricultural and manufacturing ‘process heat’ applications, and when large amounts of hot water are needed, such as resort swimming pools, water parks, large laundry facilities, sterilization, distillation and other such uses.

Enclosed parabolic trough
The enclosed parabolic trough solar thermal system encapsulates the components within an off-the-shelf greenhouse type of glasshouse. The glasshouse protects the components from the elements that can negatively impact system reliability and efficiency. This protection importantly includes nightly glass-roof washing with optimized water-efficient off-the-shelf automated washing systems. Lightweight curved solar-reflecting mirrors are suspended from the ceiling of the glasshouse by wires. A single-axis tracking system positions the mirrors to retrieve the optimal amount of sunlight. The mirrors concentrate the sunlight and focus it on a network of stationary steel pipes, also suspended from the glasshouse structure. Water is pumped through the pipes and boiled to generate steam when intense sun radiation is applied. The steam is available for process heat. Sheltering the mirrors from the wind allows them to achieve higher temperature rates and prevents dust from building up on the mirrors as a result from exposure to humidity.