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Impianti solari a concentrazione a torre centrale: una proposta di gestione ottimizzata

Impianti solari multitorre, brevetto italiano per una nuova tecnica di progettazione

Il solare termodinamico a concentrazione a torre centrale è una tecnica che converte l'energia solare in energia elettrica, con produzione intermedia di calore dalla concentrazione dei raggi solari.
Un impianto di questo tipo è essenzialmente costituito da tre elementi funzionalmente distinti: un'area di terreno che ospita un insieme di specchi dotati di meccanismo di puntamento (eliostati), una torre sulla cui sommità è installato un assorbitore di radiazione solare e un generatore elettrico mosso da una turbina che ruota grazie alla pressione del vapore generato dal calore ricevuto dall'assorbitore.
 
Esempio di rendering per un impianto solare a concentrazione costituito da più moduli (composti da torre e campo di eliostati) e un unico blocco di generazione termoelettrica


Grazie all'elevato numero di eliostati la temperatura raggiungibile dal ricevitore è molto elevata (circa 1000 gradi contro i 550 gradi del parabolico lineare) ed è possibile ottenere da questo impianto un rendimento più alto rispetto alle altre tecniche di solare termodinamico.
 
Attualmente, vengono costruiti impianti a concentrazione a torre singola o impianti costituiti da più moduli adiacenti (ognuno con il suo campo di eliostati, la sua torre ed eventualmente la sua turbina/generatore) in numero tale da raggiungere la potenza richiesta. Nel caso di impianti a torre singola di grandissima potenza è necessario ricorrere a campi solari molto estesi e torri molto alte, inoltre il numero di eliostati sul terreno è generalmente molto basso alla periferia del campo dove gli effetti di ombreggiatura diventano più acuti.
 
La domanda di brevetto depositata dai ricercatori del CRS4 (Marco Cogoni e Erminia Leonardi) invece, descrive una tecnica di progettazione e gestione che riesce a limitare sensibilmente l'occupazione di suolo e l'altezza delle torri riceventi, incrementando allo stesso tempo il numero di eliostati per unità di superficie del campo solare.
 
Uno dei fattori che limita la potenza massima producibile da un singolo impianto a torre solare è la distanza crescente che separa la periferia degli eliostati dal ricevitore. Esistono fenomeni ottici come l'attenuazione dei raggi riflessi dovuta all'atmosfera, errori di puntamento degli specchi, aberrazioni dovute a non perfetta planarità delle superfici riflettenti e infine limiti geometrici imposti dagli angoli formati tra sole, specchio e ricevitore che diventano sempre più determinanti nella diminuzione di efficienza nella raccolta luminosa al crescere del campo solare. Inoltre, esistono impianti nei quali in cima alle torri è presente solo l'assorbitore dei raggi luminosi e alla base il gruppo termoelettrico, altri in cui i due elementi convivono in alto, altri ancora in cui il gruppo termoelettrico è comune a molti ricevitori e localizzato relativamente distante. Quale che sia la scelta progettuale, esiste un limite di altezza per la torre che non conviene superare. Oltre a ragioni puramente tecniche ed economiche, esistono vincoli di impatto visivo ambientale che spingono a limitare il più possibile l'altezza delle strutture dell'impianto similmente a quanto accade per i generatori eolici. Un dato imprescindibile nella progettazione di un impianto solare a concentrazione a torre è che, più le torri sono basse e più fitto è il campo di eliostati, più determinanti saranno gli effetti negativi dovuti alle ombre. La radiazione solare può non raggiungere il ricevitore nel caso in cui il suo percorso sia bloccatoprima di incidere sullo specchio (da un altro specchio nella direzione del sole), oppure dopo essere stata riflessa (da parte di uno specchio vicino in direzione della torre). I fenomeni di ombra sono essenzialmente dovuti alla presenza di specchi vicini con un orientamento molto simile (massima ombra) - l'unico modo di attenuare questo effetto è quello di avere specchi vicini orientati in maniera varia (come spesso si osserva per la disposizione delle foglie degli alberi).
 
La soluzione proposta dal CRS4 è quella di un sistema che permetta, per ogni singolo specchio, indipendentemente, di avere più di una torre verso cui, alternativamente, riflettere la luce che incide su di esso.

Ciò che si propone attraverso il brevetto invece, implica una progettazione molto semplificata in cui si decide solamente la densità di eliostati sul terreno nonché la loro geometria e tutta la complessità del metodo per raggiungere efficienze elevate per unità di superficie viene demandata a un sistema di gestione dell'impianto che modifica a quale torre ogni specchio debba riferirsi in ogni momento della giornata (con aggiustamenti a intervalli temporali dell'ordine dei minuti).
 
Il sistema di gestione dell'impianto è basato su un server di calcolo e un insieme molto preciso di sensori che rilevano costantemente la posizione e l'orientamento di ogni specchio rispetto a ogni torre dell'impianto. Nel server si esegue un codice parallelo che calcola in modo estremamente efficiente l'energia prodotta dall'impianto per ogni configurazione possibile degli specchi. L'idea è quella di cercare in ogni istante una configurazione di specchi tale da ottenere il massimo, data la posizione del sole e tutti gli altri parametri dell'impianto (ovvero verso quale torre ogni specchio deve puntare). Il nucleo centrale del sistema di gestione è costituito da un algoritmo complesso di ottimizzazione che riesce a trovare in tempi rapidi una configurazione degli eliostati che conduca alla resa ottimale dell'impianto.
 
A titolo di esempio, con questo sistema di ottimizzazione, nel caso di un impianto solare con 4 torri e un campo non partizionato composto da 10.000 specchi di forma circolare, con copertura del terreno pari al 91%, è possibile avere un incremento maggiore del 40% di energia prodotta. Questo incremento di efficienza può tramutarsi in tre effetti: una riduzione del costo di produzione del kWh da solare termodinamico; una riduzione dell'occupazione di territorio a parità di potenza installata; una riduzione dell'altezza delle torri.
Ovviamente i tre scenari possono essere "miscelati" per assecondare le variabili condizioni locali di installazione. E' necessario comunque sottolineare che i miglioramenti più significativi che possono ottenersi con questa tecnica di gestione sono più marcati quando si punta a minimizzare il territorio occupato e l'impatto visivo dovuto all'altezza delle torri.
La flessibilità del sistema di controllo permette, inoltre, di progettare installazioni su terreni solitamente scartati a priori per impianti solari a concentrazione come zone collinari o con pendenze rilevanti. La convenienza economica e il rientro del capitale investito possono essere altresì simulati in dettaglio verificando caso per caso l'opportunità dell'investimento.


Nelle immagini esempi di sistema a torre solare




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