Come convertire l'energia solare in elettricità e calore


La conversione della radiazione solare in elettricità è al centro di qualsiasi transizione verso sistemi energetici ecosostenibili . Convertire l'irraggiamento solare in energia spendibile nelle nostre case è qualcosa che deve essere alla base del trasformazione energetica in atto anche perchè i prezzi dei pannelli fotovoltaici sono costantemente diminuiti, rendendoli appetibili anche per un uso "consumer". La trasformazione della radiazione solare in energia (calore, elettricità, trasformazione chimica) è diventata nel tempo una delle principali fonti di energia rinnovabile accanto alla biomassa, all'eolico, geotermica e idroelettrica. L'uso dell'energia solare rimane ad oggi piuttosto basso rispetto ad altre fonti di energia. Anche tra le energie rinnovabili rimane ancora in minoranza, il che è paradossale poiché la cattura della radiazione solare ricevuta sulla superficie terrestre è di gran lunga la risorsa più abbondante tra tutte quelle che ci vengono offerte. Per comprendere le diverse modalità di conversione della radiazione del sole, le basi teoriche sono essenziali. La quantità della radiazione sulla superficie terrestre è ovviamente variabile. Una prima causa deriva dai movimenti della terra rispetto al sole: da un lato la sua rotazione su se stessa attorno all'asse dei poli provocando i cicli giornalieri, e dall'altro la sua rivoluzione attorno al sole, che, a causa all'inclinazione dell'asse di rotazione, provoca cicli stagionali . Questi cicli dipendono dalla latitudine del luogo e implicano cambiamenti significativi nella disponibilità e nel tipo di variazione dell'energia solare a seconda del luogo e della stagione. Una seconda causa di variazione è la grande quantità di umidità o acqua nell'atmosfera che causa le nuvole. Esse "coprono" l'irraggiamento riducendo la densità della radiazione, ma senza annullarla. Questa copertura è variabile, ovviamente è fortemente attenuata solo nelle regioni desertiche continentali. L'attenuazione della radiazione è più o meno importante a seconda della densità della nuvola in densità delle particelle formate dalle goccioline d'acqua. Questi riflettono e diffondono nuovamente la radiazione verso lo spazio e anche verso il suolo.

quanta elettricità possiamo produrre dal sole

Il clima ha una forte influenza, non solo sull'intensità delle variazioni, ma anche sull'irraggiamento globale annuale, cioè l'integrale della radiazione (irraggiamento) ricevuta in un luogo all'anno. Conoscere questo parametro è importante se vogliamo valutare la redditività di un impianto. In Italia i dati forniti da TERNA sulla produzione da impianti fotovoltaici ci dicono che per ogni Kw di potenza installata possiamo produrre:

  • da 1000 a 1200 kilowatt l'anno al nord Italia
  • da 1200 a 1300 kilowatt l'anno in centro Italia
  • da 1300 a 1500 kilowatt l'anno al sud Italia

ovviamente alle migliori condizioni possibili, quindi impianto esposto a sud, con inclinazione dei pannelli di 30 gradi o, ancora meglio, di 30 gradi rispetto al suolo nel periodo estivo e di 45 gradi nel periodo invernale, quando il sole è piu' basso.

Conversione in calore dell' energia solare

La conversione della radiazione solare in energia termica è naturale e comune nella maggior parte dei materiali. È sufficiente posizionarli di fronte al sole per osservare un aumento della temperatura, questo è chiaro. Tuttavia, realizzare un collettore solare termico efficiente con una massima efficienza di conversione (rapporto tra l'energia termica recuperata all'uscita del collettore e l'energia dell'irraggiamento iniziale) non è semplice. È necessario soddisfare una serie di condizioni:

  • cattura efficiente della radiazione da parte del materiale assorbente, in particolare evitando forti riflessi superficiali,
  • riduzione al minimo delle perdite termiche nel sensore, sia per riemissione di radiazione infrarossa, sia per perdita per conduzione,
  • buon trasferimento termico tra il materiale dell'assorbitore e il fluido termovettore, il fluido che circola nel collettore e che permette di estrarre il calore e di trasferirlo ai punti di utilizzo.

La scelta del materiale dell'assorbitore è particolarmente importante. Il suo coefficiente di assorbimento deve essere massimo su tutto lo spettro e il suo coefficiente di riflessione minimo, al fine di catturare il numero massimo di fotoni. Inoltre, qualsiasi materiale riscaldato emette fotoni. Tenendo conto delle temperature interessate, questa radiazione viene emessa nello spettro infrarosso. Questa emissione si presenta come una perdita e deve quindi essere minimizzata. La quantità di energia emessa dalla radiazione dipende, oltre che dalla temperatura del corpo, da una caratteristica intrinseca del materiale, l'emissività. È quindi vantaggioso scegliere un materiale con bassa emissività, nelle lunghezze d'onda interessate. Per fare ciò è necessario aggiungere uno strato specifico alla superficie del metallo, limitando otticamente la radiazione infrarossa emessa da effetti di risonanza o interferenza. Questi materiali che sono buoni assorbitori nello spettro visibile e vicino e deboli emettitori nello spettro infrarosso sono chiamati materiali "selettivi". Per ridurre al minimo la radiazione infrarossa, cercheremo molto spesso di utilizzare anche l'effetto serra. Si tratta qui di aggiungere, lasciando uno spazio di aria o gas, un materiale trasparente per lo spettro del sole ma assorbente per lo spettro del lontano infrarosso, come tipicamente una lastra di vetro. I collettori solari termici utilizzati per la produzione di acqua calda disponibili sul mercato sono principalmente due:

  • collettori solari piani
  • collettori heat pipe

Sono in particolare gli heatpipe, sottovuoto, a fornire eccellenti prestazioni anche durante la stagione fredda, anche in climi non proprio temperati. Siamo in grado di produrre acqua calda anche in giornate con poco irraggiamento solare.

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