Studio di un impianto a concentrazione solare con riflettori di Fresnel a movimentazione biassiale

Abstract

I processi di produzione dell’energia elettrica e lo sfruttamento indiscriminato delle fonti energetiche tradizionali rischiano di arrecare gravi danni non solo nei confronti dell’ambiente (surriscaldamento globale e drastica riduzione delle risorse naturali primarie) ma anche nei confronti della salute (in termini di inquinamento atmosferico). I cambiamenti climatici rappresentano un importante problema da affrontare nel prossimo futuro, anche se tuttavia la domanda di prodotti energetici è sempre maggiore. Al fine di conciliare lo sviluppo energetico per il continuo progresso della società con la tutela dell’ambiente, è necessario valorizzare i sistemi di conversione energetica alternativi a quelli basati sullo sfruttamento delle fonti primarie convenzionali. Gli impianti a concentrazione solare sono dei sistemi che convertono la radiazione solare in energia termica, utilizzando superfici riflettenti. In particolare, l’impianto lineare con riflettore di Fresnel LFR è costituito da un elevato numero di moduli posti sul terreno che riflettono e concentrano i raggi solari su un tubo ricevitore posto ad alcuni metri di altezza da terra. Questo tipo di impianto presenta dei vantaggi in termini di costi iniziali rispetto agli altri impianti a concentrazione solare: gli specchi piani sono più economici e sono meno esposti alla forza del vento rispetto ai grandi paraboloidi curvi; il tubo ricevitore è sempre fisso e ciò evita complicazioni di carattere costruttivo sullo stesso. Tuttavia, il rendimento complessivo di conversione dell’energia risulta inferiore rispetto altre tecnologie a concentrazione. Infatti, le varie perdite ottiche e geometriche, rendono l’impianto meno performante rispetto agli altri: il motivo principale è costituito dalle perdite per estremità. A causa della movimentazione monoassiale dei riflettori e della distanza elevata rispetto al tubo assorbitore in alcuni momenti della giornata i raggi riflessi non illuminano completamente il tubo ricevitore. Nella tesi è stato affrontato il suddetto problema dal punto di vista matematico per valutare innanzitutto la legge del moto di ciascun riflettore primario e, quindi, risalire alla lunghezza di tubo che non risulta irradiata al variare del tempo. Per indirizzare sempre i raggi sul tubo, ovviando ai problemi sopra esposti, sarebbe opportuno creare un sistema di inseguimento a due gradi libertà. La ricerca seguita ha come obiettivo principale lo studio di un impianto lineare di tipo Fresnel in cui i riflettori del campo di specchi posti alle estremità longitudinali dell’impianto sono fatti ruotare attorno a due assi. Un sistema di inseguimento innovativo di questo tipo permette, quindi, di aumentare l’efficienza dell’impianto La tesi prevede l’individuazione matematica delle inclinazioni che devono assumere i riflettori primari per implementare nei servomotori la legge del moto che deve essere seguita. Lo studio riguarda, quindi, il dimensionamento e l’individuazione del tipo di motori elettrici da utilizzare, i quali devono fornire velocità di rotazione bassissime e devono erogare coppie abbastanza elevate. Nella tesi viene presentato il meccanismo in grado di trasferire il moto dai motori agli specchi in maniera tale da permettere a questi ultimi la rotazione attorno a due assi. Le prestazioni energetiche dell’impianto e l’effettivo incremento nel rendimento sono analizzate attraverso un metodo di calcolo numerico alle differenze finite con il quale viene modellato il sistema di assorbimento. Ciò consente di individuare le temperature raggiunte dai diversi componenti dell’impianto e di stimare a cosa siano dovute le varie perdite termiche e ottiche. I risultati mostrano come si possano ottenere migliori vantaggi, utilizzando sistemi di inseguimento di questo tipo, per gli impianti di minore estensione siccome il tubo non illuminato rappresenta una parte percentualmente importante (ad esempio, su un impianto lungo 10 metri, se non viene illuminato 1 metro di tubo allora le prestazioni potrebbero aumentare del 10%).