Pannelli solari a concentrazione: una guida completa

L’evoluzione tecnologica nel campo dell’energia solare ha portato a un continuo miglioramento dell’efficienza e della resa degli impianti fotovoltaici. Tra le innovazioni più interessanti del settore, spicca la tecnologia dei pannelli solari a concentrazione, un sistema avanzato capace di sfruttare al massimo l’energia solare.

Questi pannelli sono il risultato di un percorso di ricerca e sviluppo che ha come obiettivo quello di ottimizzare ulteriormente l’uso della luce solare per la produzione di energia.

Partendo dal concetto di fotovoltaico tradizionale, gli impianti solari a concentrazione portano l’efficienza ad un livello superiore, garantendo un maggiore rendimento e un miglior utilizzo dell’energia solare disponibile.

Cosa sono i pannelli solari a concentrazione

La definizione di pannelli solari a concentrazione, più comunemente noti come fotovoltaico a concentrazione (CPV, dall’inglese concentrated photovoltaics), è quella di un sistema innovativo che sfrutta tecnologie ottiche avanzate, come lenti, specchi e prismi, per concentrare la luce solare su apposite celle fotovoltaiche.

Questo processo permette di aumentare significativamente l’intensità della luce solare che colpisce le celle, consentendo loro di generare una maggiore quantità di energia elettrica.

Le celle fotovoltaiche utilizzate in questi pannelli sono ad alta efficienza e sono progettate per gestire un maggior flusso di energia, rendendo il sistema più efficiente rispetto ai pannelli solari tradizionali.

Per spiegare in modo semplice a cosa servono e come funzionano i pannelli solari a concentrazione, diciamo che i collettori focalizzano la luce solare su un punto senza assorbire energia, ma riflettendola. Questa energia solare concentrata riscalda un fluido termovettore all’interno di un tubo che assorbe il calore. A questo punto, il calore viene trasferito a uno scambiatore che alimenta una turbina a vapore e converte l’energia termica in energia meccanica e, infine, in energia elettrica tramite un alternatore.

Quali sono le tipologie di impianto per il fotovoltaico a concentrazione

Le componenti chiave dell’impianto fotovoltaico a concentrazione sono:

• Collettori: raccolgono e concentrano la luce solare.
• Tubo ricevitore: trasporta il calore alla turbina.
• Liquido termovettore assorbitore: assorbe il calore dalla luce solare.
• Scambiatore di calore: trasferisce il calore al fluido di lavoro.
• Turbina: converte l’energia termica in energia meccanica.
• Generatore di corrente: converte l’energia meccanica in energia elettrica.

Mentre le categorie in cui possiamo suddividere i sistemi termodinamici a concentrazione solare sono principalmente due:

1. Fotovoltaico a bassa concentrazione (o LC)
   per cui non è richiesta una precisione estrema nel puntamento del sole, quindi vengono utilizzati sistemi di inseguimento del sole a singolo asse. Questo tipo di impianto è efficace anche con una luce solare diffusa.
2. Fotovoltaico ad alta concentrazione (o HC)
   in questo caso il puntamento preciso del sole è essenziale, quindi richiede sistemi di puntamento a doppio asse. Inoltre, utilizza celle fotovoltaiche a multigiunzione, che sono in grado di ottenere una maggiore efficienza energetica.

A livello di tecnologia, invece, la produzione di elettricità tramite il solare a concentrazione avviene attraverso due metodi distinti, caratterizzati dal tipo di liquido utilizzato nel processo:

• Tecnologia a vapore
  Sfrutta uno scambiatore di calore per riscaldare il fluido termovettore, che viene irradiato dalla luce solare. Una volta riscaldato, cede il calore all’acqua, aumentandone la temperatura. L’acqua, raggiungendo temperature molto elevate, si trasforma in vapore ad alta pressione e aziona una turbina collegata a un generatore di corrente.
  
• Tecnologia ORC (Organic Rankine Cycle)
  Utilizza un fluido organico anziché acqua che, grazie allo scambiatore di calore, viene riscaldato fino a diventare vapore e utilizzato poi per azionare la turbina. L’ORC lavora a temperature più basse e di solito è presente in centrali di dimensioni più ridotte, ma ha anche un rendimento inferiore rispetto a quello della tecnologia a vapore.

Vantaggi svantaggi dei pannelli solari a concentrazione

L’utilizzo dei pannelli solari a concentrazione rappresenta un passo avanti significativo nel campo delle energie rinnovabili, offrendo una fonte di energia pulita e efficiente. Tuttavia, come ogni tecnologia, anche la centrale solare termica presenta vantaggi e svantaggi da considerare.

Vediamo quali sono i principali.

✅Vantaggi

1. Efficienza energetica
   – Maggiore produzione di energia
   – Utilizzo delle energie rinnovabili per più ore al giorno
   – Produzione triplo rispetto alle celle fotovoltaiche tradizionali
2. Risparmio di materiale semiconduttore
   – Minor consumo di materiale semiconduttore
   – Minor consumo di suolo
3. Impatto ambientale ridotto
   – Utilizzo di energie rinnovabili
   – Minore consumo di suolo

❌Svantaggi

1. Manutenzione costante
   – Pulizia regolare di specchi e lenti
   – Rischio di surriscaldamento dell’impianto
   – Necessità di sistemi di raffreddamento

Quali sono i collettori solari a concentrazione

Gli impianti solari termodinamici a concentrazione sono progettati principalmente per essere di grandi dimensioni e si distinguono per il tipo di collettori che utilizzano e per la posizione del fuoco, ossia il punto in cui convergono tutti i raggi solari riflessi.

Collettori a torre fotovoltaica

Le centrali solari con torre utilizzano specchi riflettenti indipendenti che seguono il sole e concentrano i raggi su un ricevitore fisso posto in cima ad una torre. Il fluido termovettore all’interno del ricevitore trasferisce il calore a un generatore di vapore, che alimenta un turboalternatore. Questo sistema consente di raggiungere temperature superiori rispetto ai collettori parabolici lineari.

Collettori parabolici lineari

Presentano pannelli con forma parabolica montati allineati tra loro sulla centrale solare. Lungo il centro focale di ognuno scorre un tubo che contiene il liquido termovettore. Una volta scaldato, questo fluido confluisce nelle turbine collegate ai generatori di corrente. I pannelli sono dotati di un sistema automatizzato che modifica l’orientamento per seguire l’inclinazione dei raggi solari durante la giornata.

Collettori a riflettore Fresnel

Questo sistema utilizza riflettori Fresnel, costituiti da strisce parallele di specchi piani inclinati, per concentrare la luce solare su tubi posti sopra di essi. All’interno dei tubi scorre un fluido termovettore che trasferisce il calore a uno scambiatore di calore per la produzione di vapore, simile al sistema a collettori parabolici lineari.

Collettori a riflettore parabolico circolari

In questo sistema, la radiazione solare viene riflessa su un fuoco centrale di tipo puntuale, seguendo un movimento su due assi. Il fluido termovettore all’interno del ricevitore trasferisce il calore a un motore o a un generatore di vapore. Questo tipo di impianto raggiunge i massimi fattori di concentrazione e temperature.

Cosa c’è da sapere sul fotovoltaico a concentrazione domestico

Il fotovoltaico a concentrazione è una tecnologia che, fino a poco tempo fa, trovava impiego quasi esclusivamente in ambito industriale, a causa dell’utilizzo di strutture motorizzate per l’inseguimento solare, non facili da installare sul tetto di abitazioni residenziali.

Tuttavia, le ultime innovazioni in questo campo stanno rapidamente cambiando le possibilità di applicazione, portando il solare termico a concentrazione anche in ambito domestico.

Le nuove tecnologie basate su celle fotovoltaiche a multi-giunzione sono la svolta del settore. Queste celle, grazie a un sistema di micro-lenti e piccoli specchi concavi, sono in grado di concentrare la luce solare fino a 200 volte rispetto a un pannello tradizionale. Inoltre, un sistema di inseguimento solare integrato consente loro di seguire il movimento del sole per circa 8 ore al giorno.

Esistono anche altre soluzioni che potrebbero portare il fotovoltaico a concentrazione sui tetti delle case. Come, ad esempio, i concentratori ad ologrammi, ovvero moduli fotovoltaici a concentrazione privi di inseguitori, installabili ovunque e che utilizzano particolari ologrammi come concentratori ottici.

I costi del fotovoltaico a concentrazione

Conviene investire in questa soluzione energetica?
Quali sono i prezzi dei pannelli solari a concentrazione?

Ora che sappiamo di cosa si tratta, è lecito chiedersi se i costi a livello individuale siano o meno sostenibili e se il fotovoltaico a concentrazione è una soluzione valida anche dal punto di vista economico.

La prima cosa da dire è che: la costruzione di un impianto fotovoltaico a concentrazione comporta un utilizzo significativamente inferiore di silicio rispetto ai pannelli fotovoltaici tradizionali. Ed è proprio questo fattore a ridurne notevolmente i costi.

Inoltre, grazie alla maggiore concentrazione di luce, è possibile produrre la stessa quantità di energia in uno spazio decisamente più piccolo. Questo significa che, a parità di superficie, un impianto a concentrazione può generare quasi il triplo dell’energia elettrica di un impianto tradizionale.

Tra i costi extra vanno preventivati:

• struttura di inseguimento solare
• sistema di raffreddamento
• manutenzione

Nonostante ciò, i costi extra sono ammortizzati dalla maggiore produttività e dal costo inferiore di produzione, rendendo l’impianto fotovoltaico a concentrazione molto conveniente, con un risparmio medio del 20% rispetto agli impianti tradizionali.

Senza dimenticare che anche il solare termico a concentrazione beneficia degli incentivi e delle agevolazioni in vigore per il fotovoltaico.

Gli impianti solari a concentrazione in Italia

L’Italia è stata pioniera nello sviluppo di impianti solari a concentrazione. In particolare, la Sicilia è il territorio dove tutto è iniziato. Già nei primi anni Ottanta fu costruita ad Adrano, in provincia di Catania, Eurelios, considerata la più grande centrale solare termica al mondo.

Quel progetto venne poi riconvertito tra il 2010 e il 2011 in un impianto fotovoltaico, mentre – nello stesso periodo – a Priolo Gargallo (Siracusa) nasceva la centrale solare termodinamica Archimede, un piccolo impianto che soddisfa il fabbisogno energetico di circa 4000 famiglie e che vanta un altro primato, ovvero essere il primo caso in cui la tecnologia dei sali fusi viene integrata con un impianto a ciclo combinato a gas.

Un po’ di storia sulla tecnologia a concentrazione solare

L’idea di utilizzare la luce solare per generare energia non è prerogativa dell’era moderna e dell’ondata di progresso tecnologico degli anni più recenti, anzi. La storia ci ha lasciato tracce dell’epica impresa di Archimede che, durante il famoso assedio di Siracusa nel 212 a.C., riuscì a incendiare le navi nemiche attraverso l’uso di rudimentali concentratori solari ottenuti da scudi in bronzo levigati.

Tra la fine dell’Ottocento e l’inizio del Novecento, invece, molti furono gli esperimenti e le macchine realizzate con sistemi a concentrazione solare. Eppure, nonostante l’approccio e i risultati positivi, ci fu un brusco arresto con l’avvento del petrolio e la prima guerra mondiale.

Fu solo negli anni ’70, dopo la crisi petrolifera del 1973, che l’interesse per l’energia solare riprese vigore. Si passò da una fase di sperimentazione a una di pre-commercializzazione degli impianti CSP (Concentrated Solar Power), principalmente per la produzione di energia elettrica. Fino ad arrivare a una nuova classe di impianti a concentrazione, quelli che conosciamo e utilizziamo oggi, chiamati CPV, capaci di sfruttare al massimo le celle fotovoltaiche ad altissima efficienza, come le celle multigiunzione.

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