SOLARE, ENERGIA
SOLARE, ENERGIA
. Le società umane stanno prendendo coscienza del fatto che il grande consumo di combustibili fossili, fatto in questo secolo, porterà rapidamente a esaurirsi la disponibilità di questi combustibili, sia gl'idrocarburi, metano e petrolio, sia, più lentamente, il carbone. Rimangono due vie: l'uso dell'e. nucleare di fissione, costosa e pericolosa, che tuttavia per mezzo dei reattori autofertilizzanti promette di soddisfare i bisogni dell'umanità per qualche secolo; oppure l'uso di e. più semplici e rinnovabili come il calore terrestre e l'e. solare.
In particolare l'e. s., quale convogliata da radiazioni elettromagnetiche sulla superficie terrestre, costituisce una fonte energetica pulita, esente quindi dagl'inquinamenti legati alla combustione dei combustibili fossili e anche esente dalle nocive scorie radioattive prodotte dai cicli nucleari. L'e. s. è diffusa su larga parte della superficie terrestre con una buona intensità ed è rinnovabile ogni giorno, almeno in linea di principio. L'uso dell'e. s. apre quindi una possibilità di sopravvivenza praticamente indefinita alla società tecnologica, pur considerando come anche l'uso di questa e. andrà commisurato alle reali possibilità di sviluppo della società stessa.
L'e. s. si presenta sotto forma di radiazione ottica, che spazia dall'ultravioletto all'infrarosso, con un massimo nella zona visibile dello spettro in corrispondenza alla temperatura della superficie solare emittente, dell'ordine di 5600 °C. Dal punto di vista energetico, e considerando l'assorbimento dell'atmosfera, in condizioni di buona insolazione si ha una potenza massima di circa 1 kW per m2, che, con un totale di circa duemila ore annue porta a un'energia di circa 2 MWh per anno per m2.
L'e. s. è già autonomamente utilizzata in quel grande ciclo solare che costituisce la biosfera, vegetale e animale, e nel campo tecnologico, dalla pratica agricola. Una forma di conversione in grado di produrre e. termica, elettrica, meccanica a partire da tale energia è in questi anni allo studio, unitamente a ricerche nel campo biochimico con lo scopo di stabilire ed eventualmente migliorare i meccanismi biochimici di conversione della luce solare.
Conversione termica. - Nel campo della conversione termica dell'e. s. sono stati sviluppati i cosiddetti pannelli solari, basati essenzialmente sull'"effetto serra".
La luce solare passa attraverso una superficie trasparente (in generale di vetro) e cade quindi su una superficie nera; assorbita nella superficie nera, la luce diventa calore, la superficie irraggia una radiazione infrarossa in corrispondenza della temperatura ivi raggiunta, che può essere di parecchie decine di °C e superare addirittura 100 °C. La superficie di vetro è usualmente opaca e riflettente alla radiazione infrarossa, che risulta così intrappolata nel pannello. Una circolazione di aria o di acqua rimuove il calore dalla superficie nera convogliandolo all'utilizzazione. Dell'e. incidente, un 40 ÷ 70% rimane così bloccato, la restante parte essendo resa all'ambiente, una parte essendo riflessa dal vetro, una parte essendo dispersa nell'ambiente sia come radiazione infrarossa, sia per la conduzione attraverso il vetro e le altre strutture del pannello.
Si possono, in linea di massima, considerare tre tipi di pannelli. Il primo è il tipo a bassa temperatura, in grado di produrre acqua a 40-: 50 °C per riscaldamento di piscine o per usi connessi all'allevamento di bestiame: costituito dalla sola superficie nera, senza vetro, di basso costo, questo pannello può dare una resa del 40 ÷ 50%. Il tipo a media temperatura (60 ÷ 70 °C) è stato descritto sopra ed è soprattutto adatto a usi domestici e al riscaldamento degli edifici. Infine v'è il tipo ad alta temperatura (80 ÷ 120 °C): mentre i primi due tipi sono già in fase di produzione industriale e, in molti paesi, hanno raggiunto una grande diffusione, questo terzo tipo, più complesso, è tuttora in fase di studio.
Per ottenere un'elevata temperatura e nello stesso tempo un buon rendimento di raccolta dell'e. sono state proposte diverse soluzioni: l'uso di superfici particolari in cui l'emissività nell'infrarosso è particolarmente bassa (superfici selettive) ottenute ricoprendo superfici metalliche con particolari strati di ossido, l'uso di celle di materiale trasparente aventi struttura a nido d'api (celle di Francia) atte a meglio intrappolare la luce solare, l'uso di strati sottili riflettenti della radiazione infrarossa, da applicarsi alla faccia interna del vetro, atti a contenere meglio tale radiazione, l'uso infine del vuoto per ridurre le perdite convettive. Pannelli ad alta temperatura, se realizzati con buona affidabilità e basso costo, permettono l'applicazione per circuiti frigoriferi e condizionatori o anche in cicli termodinamici per la conversione in e. meccanica ed elettrica.
Una particolare metodologia della conversione termica dell'e. s. riguarda la produzione di aria calda sia per riscaldamento domestico, sia per usi agricoli, quale l'essiccamento di cereali. Occorre dire che anche questa metodica è in una fase di messa a punto, e si suppone possa dare buoni risultati in un prossimo futuro.
Generazione di e. meccanica ed elettrica. Metodi di concentrazione. - Com'è noto, l'uso di una sorgente termica per generare e. meccanica incorre nell'inevitabile limitazione del rendimento massimo legata alla temperatura della sorgente e del refrigerante: così, utilizzando come sorgente di calore dei pannelli solari a 100 °C e raffreddando il sistema motore con acqua a 30 °C, il rendimento massimo teorico risulta del 18,7%. Tenuto conto delle perdite di vario genere in un sistema motore reale, il rendimento ottenibile massimo può essere stimato dell'ordine del 5%. Il sistema motore può essere costituito da un normale gruppo turbina-condensatore, che per via della bassa temperatura dovrà funzionare con un fluido a basso punto di ebollizione, per es. freon. Un impianto di questo tipo, seppur con basso rendimento, può presentare vantaggi di semplicità e di affidabilità e può, in linea di principio, rappresentare un insieme non costoso, quando fossero risolti i problemi legati ai pannelli.
Un impianto motore della potenza di 100 kW utilizzerebbe pannelli per una superficie di 4000 ÷ 6000 m2. Alcuni tentativi in questa direzione sono stati fatti nel passato, su impianti di piccola potenza e con rendimenti invero assai più bassi di quelli teorici; questi tentativi tuttavia di scala artigianale hanno mostrato la possibilità del metodo e preludono a nuovi più fondati studi nel campo.
Onde ottenere sorgenti di calore a più alta temperatura (centinaia di °C e persino oltre 1000 °C) si è prospettata la concentrazione, per mezzo di un sistema di specchi, dell'e. s. raccolta da una estesa superficie in una piccola regione, ove collocare una caldaia (o, per altri scopi, un crogiolo). La luce solare proveniente direttamente dal Sole (radiazione diretta) può esser così raccolta e concentrata; la radiazione diffusa, quella cioè diffusa dall'atmosfera e incidente sulla superficie terrestre in modo distribuito isotropicamente, non può essere raccolta dallo specchio (i pannelli solari sono invece adatti a captare sia la radiazione diretta sia quella diffusa).
I metodi di concentrazione appaiono quindi maggiormente indicati dove l'atmosfera è tersa, come nei paesi mediterranei o anche nelle zone montane, mentre i sistemi a pannelli sono adatti anche nelle zone più umide.
Nel campo delle caldaie (o fornaci o forni) solari a specchi, va citato il fondamentale lavoro di G. Francia, che ha sviluppato una successione di caldaie solari di crescente complessità e funzionalità. Le prime, sviluppate negli anni 1961-64, consistono di specchi tronco-conici e successivamente di specchi cilindro-parabolici, ottenendosi concentrazioni dell'e. s. fino a fattori 30. Successivamente il Francia ha realizzato a S. Ilario, Nervi, una caldaia, cosiddetta "puntuale", costituita da 271 specchi a forma di disco collocati a scacchiera su una superficie di 205 m2. Gli specchi, mossi da opportuni cinematismi, seguono il moto apparente del Sole e concentrano la luce solare con un rendimento del 75% su una caldaia posta una decina di metri al di sopra di essi, nella zona focale. L'impianto ha fornito fino a 130 kg/h di vapore a 150 atm e 600 °C. Nella fig. 2 è mostrato l'impianto come appare ora, dopo essere stato parzialmente ridotto. Seguendo questa linea di sviluppo un impianto di 1000 kW è in fase di esecuzione da parte della Comunità europea, mentre l'ERDA (ente preposto all'energia negli SUA) sta predisponendo un progetto con potenza di 10.000 kW. Il rendimento è previsto dell'ordine del 20%.
Una delle difficoltà di queste centrali "puntuali" è il controllo della caldaia centrale, il cui funzionamento è soggetto alle rapide variazioni termiche climatiche, all'alternarsi del giorno e della notte, ai lunghi periodi di maltempo.
Non è inoltre da ritenersi che la centrale possa fornire direttamente e. all'utente, tenuto anche conto delle fluttuazioni della richiesta energetica nel corso del giorno e dell'anno. Essa può tuttavia essere gestita in un sistema compensato, comprendente impianti di tipo convenzionale, oppure funzionare in collegamento con una stazione di pompaggio di acqua da un serbatoio a valle in uno a monte.
Conversione diretta della luce solare in energia elettrica. - La conversione diretta della luce solare in corrente elettrica è possibile, com'è noto, mediante celle fotovoltaiche a semiconduttori, in particolare silicio e recentemente anche arseniuro di gallio. Questo metodo, di per sé assai semplice e diretto, implica tuttavia un elevato costo dei materiali pregiati costituenti le superfici fotovoltaiche.
La resa in e. elettrica nel caso del silicio raggiunge valori del 14%, decrescenti tuttavia con l'aumentare della temperatura della superficie cristallina. L'arseniuro di gallio permette invece una buona resa anche a temperature elevate, fino a centinaia di gradi, ed è quindi adatto a essere usato in un sistema a concentrazione a specchi, con notevole riduzione del costo del sistema, in quanto si convoglia su un unico convertitore una rilevante quantità di energia. Come nel caso precedente, i sistemi a pannelli di silicio sono più adatti in presenza di una forte componente di radiazione diffusa, mentre i sistemi a concentrazione con convertitore ad arseniuro di gallio sono più adatti in presenza di una forte componente di radiazione diretta. I sistemi fotovoltaici hanno ricevuto un notevole impulso per le applicazioni aerospaziali, dove in effetti possono essere sopportati costi elevati. Esistono tuttavia anche piccoli impianti fotovoltaici (fig. 3), fino a qualche centinaio di watt, adatti a fornire, in modo invero assai semplice, corrente elettrica in zone particolarmente isolate. Recentemente sono stati anche messi in uso piccoli concentratori a specchio e arseniuro di gallio, della potenza di 10 W.
L'applicazione di queste metodiche a una massiva produzione di e. elettrica è legata allo sviluppo delle tecnologie di preparazione delle superfici fotovoltaiche e a un corrispondente ridursi dei costi. Esse appaiono tuttavia molto promettenti.
Conversione biochimica. - Sebbene la conversione biochimica della luce solare, processo di base utilizzato nelle piante verdi, per mezzo della funzione clorofilliana, sia processo ben noto e in effetti costituisca la base dell'agricoltura, solo recentemente si sono intrapresi studi e avviati progetti per un approfondimento di questa materia soprattutto inteso all'aspetto energetico. In particolare, si cerca di stabilire quali siano le specie e le culture adatte a fornire e., per es. attraverso un processo di conversione in alcole o in metano. Si è osservato così che alcune specie vegetali, fra cui la canna da zucchero, il mais, il giacinto, hanno un contenuto energetico particolarmente alto. Fra i progetti in corso negli SUA, interessante è la messa a cultura di terre marginali e abbandonate, con lo scopo di fornire una massiva riserva di combustibile rinnovabile. Vedi tav. f. t.
Bibl.: G. Righini, G. Nebbia, L'energia solare, Milano 1966; CNES (Centre National d'Études Spatiales), Solar cells, Londra 1971; R. Williams, Solar energy, Ann Arbor, Mich., 1975; S. V. Szokolay, Solar energy and buildings, Londra 1975.