Energie rinnovabili

LENTI FRESNEL

Una lente di Fresnel è un tipo di lente inventata originariamente per l'impiego specifico nei fari per la navigazione, allo scopo di ridurre lo spessore totale della stessa. L'impiego venne esteso successivamente a molti altri campi.

La lente Fresnel permette la costruzione di ottiche di grande dimensione e piccola distanza focale senza l'ingombro, lo spessore ed il peso del materiale necessario per costruire una lente sferica convenzionale di equivalente potere diottrico.

Il risultato è ottenuto frazionando la lente sferica in una serie di sezioni anulari concentriche, chiamate anelli di Fresnel, ognuno con un diverso livello di riflettività e che approssimano le caratteristiche ottiche di rifrazione e riflessione dello specchio grande. Per ogni zona lo spessore della lente viene limitato, trasformando la curva continua in una serie di superfici con la stessa curvatura ma non continue.

Si ha una superficie parabolica e introduciamo

Rapporto tra l'area del concentratore e l'area del ricevitore. Questo ci dà la misura di quanto la radiazione viene concentrata e, dunque, è correlato alla temperatura che viene raggiunta.

Il rapporto di concentrazione è un parametro molto importante, espressione delle prestazioni e del costo del concentratore. Al crescere di C cresce la qualità dell'ottica impiegata. C può arrivare anche a 10000 per applicazioni di laboratorio o fornaci solari, ma con costi molto elevati per lo sfruttamento industriale.

Rendimento di un collettore

Il bilancio energetico del concentratore solare e il suo rendimento si possono esprimere come:

La radiazione diretta che va al concentratore dà luogo da un lato a una potenza irradiante che va verso il ricevitore, dall'altro parte perdite ottiche legate sia a una riflessione non perfetta sia al fatto che il concentratore stesso si riscalda e, sia per effetti di convezione che irraggiamento.

rendimento ottico diviso la radiazione diretta che impatta sul concentratore.Qcon=Acon=Aricev∗ηott/Qdirrapporto di concentrazione
Aapcon = Aric∗C
Quindi: Qric = Aric∗C∗DNI∗ηott
Mentre il rendimento ottico è legato da un coefficiente di riflessione, da un coefficiente di trasmittanza, un coefficiente di assorbimento e un coefficiente di intercettazione legato al fatto che la radiazione diretta non arriva su tutta la superficie a causa degli ostacoli.
rendimento: ∝ τρ F 1
I valori del rendimento ottico variano generalmente tra 0,75-0,85
Il ricevitore ha ricevuto l'energia radiante e, suavolta, la deve trasferire al fluido. Tuttavia, solo una parte della potenza raggiante raggiunge il fluido a causa di una serie di perdite per scambio termico verso l'esterno per irraggiamento e per convezione.
+Qric = Qfld+Qp , ric = Qfld Qp, irr+ Qpconv
La potenza che arriva al fluido si trasforma in un incremento di temperatura del fluido in funzione della portata e del calore specifico del fluido stesso.
Qfl = mfld∗Cpfld+ DTfld
La perdita per irraggiamentoè proporzionale alla superficie e dipende da alcuni coefficienti che esprimono le proprietà di irraggiamento della superficie e del materiale e dalla differenza tra la temperatura del ricevitore e la temperatura ambiente: questa è una perdita che cresce molto velocemente al crescere della temperatura e questo è uno degli aspetti che limita la massima temperatura che si può raggiungere. ⁴−Tam )Qp, irr= A ric ε σ∗(Tri c b- Le perdite per convezione sono proporzionali all'area del ricevitore, al coefficiente di convezione naturale e alla differenza tra la temperatura del ricevitore e la temperatura ambiente. Questo ci porta a dire che quando si va verso le temperature più elevate tipiche di questo tipo di applicazione, le perdite per convezione sono trascurabili rispetto alle perdite per irraggiamento. =Aric∗h∗(Tric−Tamb)Qp, conv Possiamo andare a esprimere il rendimento del ricevitore, detto anche

Il rendimento termico del collettore solare è il rapporto tra la quantità di calore che arriva al fluido diviso la quantità di calore che arriva al ricevitore. Questo può essere espresso anche come il complemento a uno del rapporto tra le perdite del ricevitore e la potenza che arriva al ricevitore. Le perdite convettive possono essere trascurate.

Da questa formula possiamo ricavare dei grafici: ipotizziamo una radiazione di 800W/m^2 e un coefficiente di 0,15 tipico del materiale che viene usato per il ricevitore. Consideriamo un grafico sulle cui ascisse abbiamo la temperatura del ricevitore mentre le ordinate il rendimento del collettore. Il rendimento parte da un valore pari a 0,8 che si ottiene a temperatura ipotetica pari a 0. A parità di fattore di concentrazione, al crescere della temperatura si ha una

riduzione del rendimento. Questa riduzione inizialmente è di tipo lineare e questo ci ricorda la relazione del rendimento dei collettori solari termici. Successivamente assume una forma di tipo parabolico e, infine, la massima temperatura del ricevitore e quindi anche la massima temperatura del fluido, cresce al crescere del fattore di concentrazione e viene raggiunta in corrispondenza di un rendimento pari a zero. Gli impianti con collettori lineari fresnel sono costituiti da lunghe file di specchi piani o leggermente curvi che riflettono i raggi del sole su un ricevitore fisso. Il ricevitore è generalmente costituito da un tubo di acciaio protetto da una piastra di vetro; attualmente non è mantenuto sottovuoto. Il riflettore secondario reindirizza sul ricevitore i raggi solari che altrimenti si perderebbero. I vantaggi sono il basso costo degli specchi, il sistema di tracking semplice ed economico, uso efficiente del suolo. Mentre gli svantaggi sono il basso rendimento ottico, leBasse temperature e l'efficienza termodinamica scarsa.
Impianti con specchi parabolici a doppio asse
Gli impianti parabolic dish utilizzano con specchi parabolici a doppio asse, chiamati anche concentratori solari autonomi, che concentrano la radiazione solare su un ricevitore montato nel punto focale costituito da motore/generatore e utilizzano l'energia solare convertendola in energia termica per ottenere temperature di esercizio medio-alte di 300-2500 °C, per la produzione di vapore.
Questi sono costituiti dalle fondazioni che possono ruotare e il disco che si può inclinare in modo da inseguire perfettamente il sole. Il concentratore manda al ricevitore collegato al motore sterling o un impianto a vapore, collegato direttamente a un generatore collegato alla rete elettrica.
Oltre alla diversa geometria degli specchi questa configurazione si differenzia per la posizione, in corrispondenza del punto focale, di un motore Stirling, che fa funzionare un alternatore collegato alla rete elettrica.impianto solar tower di generare vapore ad alta temperatura. Il vapore viene quindi utilizzato per alimentare una turbina che produce energia elettrica. Gli impianti a eliostati offrono numerosi vantaggi, tra cui un elevato fattore di concentrazione che consente di ottenere temperature molto elevate, garantendo così un'efficienza termodinamica superiore rispetto ad altre tecnologie. Inoltre, questi impianti sono in grado di soddisfare le esigenze energetiche di utenze remote, che altrimenti sarebbero difficili da raggiungere. Tuttavia, gli impianti a eliostati presentano anche alcuni svantaggi. Innanzitutto, le dimensioni degli specchi e delle torri possono essere eccessive, rendendo necessario uno spazio di installazione ampio. Inoltre, questi impianti non dispongono di un sistema di accumulo termico, il che significa che la produzione di energia è limitata alle ore di luce solare. Infine, gli impianti a eliostati possono comportare costi elevati sia in termini di installazione che di manutenzione. Nonostante questi svantaggi, gli impianti a eliostati rappresentano una soluzione promettente per la produzione di energia solare a scopo elettrico, offrendo un'alternativa sostenibile e pulita rispetto alle fonti tradizionali di energia.fluido primario di assorbire calore e di cederlo ad un gruppo formato da turbina/alternatore attraverso un ciclo termodinamico diretto. Per ridurre i costi di installazione, viene adottata una configurazione multi-torre, che consiste nell'installare più di una torre per la stessa turbina. Tipologie fluido termovettore: vapore, difficile da immagazzinare; sali fusi, che inducono impianti più complessi ed aria compressa in via di sviluppo. I vantaggi sono l'elevata temperatura, l'elevato fattore di concentrazione, il miglioramento del rendimento termodinamico e la possibilità di accumulo termico. Gli svantaggi sono i problemi tecnici a causa delle elevate temperature, difficoltà nella concentrazione della soluzione e la necessità di un sistema di raffreddamento efficiente.