I sistemi a torre, noti anche come "power tower" o centrali solari a torre centrale, rappresentano una tecnologia di concentrazione solare (CSP) che utilizza un campo di specchi piani (eliostati) per concentrare la luce solare su un ricevitore posto in cima a una torre. Questa configurazione permette di raggiungere temperature molto elevate, con conseguenti vantaggi in termini di efficienza del ciclo termodinamico e di flessibilità operativa.

Componenti Chiave:

• Eliostati: Specchi piani di grandi dimensioni, montati su un sistema di inseguimento solare a due assi (azimutale e di elevazione). Questo sistema permette agli eliostati di seguire il movimento del sole durante l'arco della giornata, riflettendo costantemente la luce solare sul ricevitore. Il campo di eliostati può coprire vaste aree, a seconda della potenza dell'impianto. Negli ultimi anni si è assistito allo sviluppo di eliostati più leggeri e precisi, grazie all'utilizzo di nuovi materiali e tecnologie di produzione.

• Torre Centrale: Struttura verticale, solitamente in cemento armato o acciaio, che supporta il ricevitore. L'altezza della torre varia a seconda delle dimensioni dell'impianto e della potenza termica generata.

• Ricevitore: Posizionato in cima alla torre, è il punto focale in cui convergono i raggi solari riflessi dagli eliostati. Il ricevitore contiene un fluido termovettore (acqua, sali fusi, aria o, più recentemente, anche liquidi ionici) che viene riscaldato a temperature molto elevate. Oltre ai ricevitori tradizionali, si stanno diffondendo i ricevitori volumetrici, che offrono una maggiore efficienza di assorbimento della radiazione solare.

• Sistema di Inseguimento Solare: Cruciale per il corretto funzionamento dell'impianto. Ogni eliostato è controllato individualmente per ottimizzare la riflessione della luce sul ricevitore. I sistemi di controllo basati sull'intelligenza artificiale permettono di ottimizzare il puntamento degli eliostati in tempo reale, tenendo conto delle condizioni meteorologiche e di altri fattori.

Funzionamento:

La luce solare incidente sugli eliostati viene riflessa e concentrata sul ricevitore. L'elevata concentrazione di energia solare permette di riscaldare il fluido termovettore a temperature molto elevate (superiori anche ai 1000°C con l'utilizzo di aria). Questo calore viene poi utilizzato per:

• Generare vapore ad alta pressione: che aziona una turbina collegata a un generatore elettrico, producendo elettricità.

• Essere utilizzato direttamente per processi industriali: come la produzione di idrogeno o la desalinizzazione dell'acqua.

• Essere accumulato in sistemi di accumulo termico: per garantire la produzione di elettricità anche in assenza di sole.

Efficienza:

L'efficienza di conversione da energia solare a calore nei sistemi a torre può superare il 90%. L'efficienza complessiva di conversione in elettricità, considerando il ciclo termodinamico, può raggiungere il 20-30%, a seconda della tecnologia utilizzata e delle condizioni ambientali.

Vantaggi:

• Alte Temperature Operative: Consentono di raggiungere elevate efficienze nel ciclo termodinamico e di utilizzare diverse tipologie di fluidi termovettori.

• Elevata Efficienza di Concentrazione: La configurazione a torre permette una concentrazione della radiazione solare molto elevata.

• Possibilità di Accumulo Termico a Lungo Termine: L'utilizzo di sali fusi o altri materiali a cambiamento di fase come fluido termovettore permette di immagazzinare grandi quantità di energia termica.

• Flessibilità Operativa: I sistemi a torre possono essere integrati con altre fonti di energia, come il gas naturale, per aumentare la flessibilità e l'affidabilità degli impianti.

Svantaggi:

• Costi di Costruzione Elevati: Rispetto ai sistemi a collettori parabolici lineari.

• Complessità Costruttiva e di Gestione: La gestione di un campo di eliostati richiede sistemi complessi.

• Impatto Ambientale Visivo: La presenza della torre e del vasto campo di eliostati può avere un impatto significativo sul paesaggio. È importante considerare anche l'utilizzo del suolo e il consumo di acqua per il raffreddamento.

Innovazioni:

• Nuovi Materiali per i Ricevitori: Materiali ceramici e metalli refrattari per resistere alle alte temperature.

• Sistemi di Controllo Avanzati per gli Eliostati: Algoritmi basati sull'intelligenza artificiale.

• Utilizzo di Aria o Liquidi Ionici come Fluido Termovettore: Per raggiungere temperature elevate e semplificare l'accumulo termico.

Applicazioni:

• Centrali elettriche CSP di potenza elevata.

• Produzione di calore per processi industriali.

• Desalinizzazione dell'acqua.

Esempi di Impianti:

• Gemasolar (Spagna): Centrale CSP con tecnologia a torre e sistema di accumulo termico a sali fusi.

• Ivanpah Solar Electric Generating System (USA): Uno dei più grandi impianti solari termodinamici al mondo.

Integrazione con l'Accumulo Termico:

L'integrazione con sistemi di accumulo termico è fondamentale per i sistemi a torre, in quanto permette di superare l'intermittenza della fonte solare e di garantire una produzione di energia continua e programmabile. Diverse tecnologie di accumulo termico sono disponibili, tra cui i sali fusi e i materiali a cambiamento di fase, ognuna con le sue caratteristiche in termini di capacità, durata e costi.

Contesto Attuale:

Le tecnologie CSP a torre, grazie alla loro capacità di accumulo termico e alla flessibilità operativa, giocano un ruolo importante nella transizione energetica e nella decarbonizzazione del settore elettrico. La ricerca e sviluppo in questo settore continua, con l'obiettivo di ridurre i costi, aumentare l'efficienza e minimizzare l'impatto ambientale.

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Indice sistemi di concentrazione solare CSP:

• Collettori Parabolici Lineari (Trough): Utilizzano specchi parabolici a forma di canale per concentrare la luce su un tubo ricevitore posto lungo la linea focale. All'interno del tubo scorre un fluido termovettore (olio sintetico o sali fusi) che viene riscaldato ad alte temperature.

• Sistemi a Torre (Power Tower): Impiegano un campo di specchi piani (eliostati) che riflettono la luce solare su un ricevitore posto in cima a una torre. Il ricevitore contiene un fluido che viene riscaldato a temperature molto elevate.

• Sistemi a Disco Parabolico (Dish/Engine): Utilizzano specchi parabolici a forma di parabola per concentrare la luce su un ricevitore posto nel fuoco della parabola. Il ricevitore è collegato a un motore Stirling che converte il calore in energia meccanica, e quindi in elettricità.

• Collettori Lineari Fresnel (CLFR): Utilizzano una serie di specchi piani stretti e lunghi che riflettono la luce su un tubo ricevitore posto sopra di essi.

Indice delle Tecnologie Solari

1. Pannelli Fotovoltaici
   La tecnologia più comune, utilizzata per convertire la luce solare in elettricità tramite l'effetto fotovoltaico.

2. Impianti Solari Termici
   Sistemi che utilizzano collettori solari per riscaldare acqua o fluidi, destinati a uso domestico o industriale.

3. Centrali Solari a Concentrazione (CSP)
   Tecnologie che utilizzano specchi o lenti per concentrare la luce solare e produrre calore ad alta intensità, generando energia elettrica.

4. Pannelli Solari Ibridi (PVT)
   Sistemi che combinano fotovoltaico e termico, producendo sia elettricità che calore.

5. Fotovoltaico Integrato negli Edifici (BIPV)
   Pannelli fotovoltaici integrati direttamente nelle superfici di edifici, come tetti, facciate e finestre.

6. Solare a Film Sottile
   Una versione più leggera e flessibile dei pannelli solari, ideale per applicazioni portatili o su superfici curve.

7. Celle Solari a Perovskite
   Una tecnologia emergente che promette costi ridotti e maggiore efficienza rispetto ai pannelli tradizionali.

8. Impianti Solari Flottanti
   Sistemi installati su superfici d'acqua, come laghi o bacini idrici, per risparmiare spazio e ridurre l'evaporazione dell'acqua.

9. Fotovoltaico Trasparente
   Celle solari trasparenti che possono essere integrate in finestre o schermi, generando energia senza compromettere la visibilità.

10. Torri Solari Termiche
    Impianti che concentrano la luce solare su una torre centrale per riscaldare un fluido e generare energia elettrica

11. Sistemi di Desalinizzazione Solare
    Tecnologie che sfruttano l'energia solare per purificare e desalinizzare l'acqua, rendendola potabile.

12. Pompe di Calore Solari
    Sistemi che combinano energia solare e pompe di calore per applicazioni di riscaldamento e raffreddamento efficienti.

13. Fotocatalisi Solare
    Una tecnologia avanzata che utilizza la luce solare per decomporre sostanze chimiche o produrre idrogeno.

Sistemi a Torre (Power Tower)

Energia pulita su larga scala.