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6GENERAZIONE ELETTRICA

DA FONTI RINNOVABILI

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la radiazione diretta che arriva al suolo ha una potenza

media annua almeno pari a 200 W/m2, corrispondente a

una energia annua di 1.750 kWh/m2; nei siti ottimali si

puanche arrivare a una potenza media di 320 W/m2,corrispondente a una energia annua di 2.800 kWh/m2.

Come mostra la fig. 2, le aree dove possibile sfrut-tare la fonte solare mediante impianti a concentrazionesi trovano in gran parte nei paesi emergenti o in via di

sviluppo. In queste regioni, utilizzando le tecnologie sola-

ri a concentrazione oggi disponibili, ogni chilometro qua-

drato di superficie captante potrebbe consentire media-

mente limmissione nella rete elettrica di unenergiaintorno a 300 GWh/a, equivalente alla produzione annua

di un impianto termoelettrico tradizionale da 50 MW

funzionante per circa 6.000 h/a. Si potrebbe cosotte-nere un risparmio annuo di combustibile di quasi 500.000

barili di petrolio e inoltre una riduzione delle emissioni

di CO2

mediamente pari a 200.000 t/a.

Lo sfruttamento di meno dell1% del potenziale ener-getico reso disponibile dalla tecnologia solare a con-

centrazione sarebbe sufficiente a soddisfare le racco-

mandazioni dellIPCC (Intergovernmental Panel on Cli-mate Change) per la stabilizzazione a lungo termine del

clima planetario. Allo stesso tempo, lo sfruttamento del-

lenergia solare diventerebbe economicamente compe-titivo rispetto a quello dei combustibili fossili.

Cenni storici

La storia del solare a concentrazione inizia migliaia

di anni fa: la proprietdelle superfici riflettenti concave,

esposte ai raggi del Sole, di causare la combustione di

molti materiali era nota ai popoli piantichi in orientee nel bacino mediterraneo e dava origine alla denomi-

nazione dispecchi ustori. Nel 2 secolo a.C. si narrache Archimede, il celebre matematico siracusano, li

abbia usati per incendiare a distanza la flotta romana

comandata dal console Marcello che assediava la citt.I primi usi documentati andavano dallaccensione delfuoco alla cottura di cibi, al riscaldamento dellacqua edelle abitazioni.

Successivamente si costruirono sistemi di lenti che,

per esempio con il chimico francese A.-L. Lavoisier (1772),

permisero di raggiungere temperature (oltre 1.000 C)sufficienti a fondere metalli. La diffusione della mac-

china a vapore, che utilizzava come combustibile il car-

bone allora disponibile in abbondanza, frenle applica-zioni dellenergia solare. Circa cento anni dopo si comin-cituttavia a porre allattenzione generale il problemadellesaurimento delle scorte di carbone; su queste basi,A. Mouchot, allEsposizione Universale di Parigi del1878, presentil primo motore solare: un riflettore adisco parabolico da 20 m2 che, concentrando i raggi del

Sole su un recipiente contenente 70 litri di acqua, in 30

minuti produceva energia termica sufficiente a genera-

re vapore in grado di azionare un macchinario. Negli

stessi anni, a Parigi, A. Pifre, un assistente di Mouchot,

presentuna macchina da stampa alimentata da un col-lettore a disco parabolico che, in una tipica giornata di

settembre, permetteva di stampare in diretta copie di

Le Journal Soleil.

532 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI

eccellente

idoneitalla realizzazione di impianti solari a concentrazionebuono idoneo non idoneo

fig. 2. Mappa dellirraggiamento solare diretto (Solar Millennium AG, 2003).

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Cominciarono da allora nelle zone pisoleggiate,come lAfrica settentrionale, le prime applicazioni di im-pianti per il pompaggio, la dissalazione dellacqua e lacottura dei cibi. A Bombay, in India, W. Adams, rappre-

sentante della Corona britannica, riflettendo criticamen-

te sul progetto di Mouchot decise che per ottenere tem-

perature maggiori con costi minori e manutenzione pisemplice era meglio costruire una batteria di piccoli spec-

chi da collimare sulla caldaia, posizionandoli a semi-

cerchio e muovendoli opportunamente per seguire il per-

corso apparente del Sole. Sul finire del 1878 iniziacostruire un impianto, che sarpoi definito a torre,aggiungendo gradualmente specchi fino a raggiungere

la temperatura di 800 C, in modo da produrre vaporecon una pressione sufficiente a far girare un motore di

media potenza.

Linventore svedese-americano J. Ericsson sperimentnel 1887 impianti di irrigazione per le assolate coste del

Pacifico, utilizzando il suo piccolo motore ad aria calda

alimentato da un collettore con riflettore parabolico linea-

re: una struttura di pisemplice costruzione rispetto alcollettore a disco, con la caldaia che posta come untubo, longitudinale al riflettore, nella linea del fuoco della

parabola. Lingegnere inglese A. Eneas, invece, nel 1901installper dimostrazione in una fattoria di Pasadena, inCalifornia, un motore solare simile al precedente pro-

getto di Mouchot, capace di pompare circa 7 m3 di acqua

al minuto per irrigare larido terreno californiano.Nel 1910 un ingegnere della Pennsylvania, F. Shuman,

costruuna caldaia solare, alimentata da collettori para-bolici lineari, capace di far girare un grande motore da30 kW di potenza, per irrigare con 25 m3 di acqua al

minuto una fattoria nel deserto. Install, perci, su unasuperficie di circa 4.000 m2, a Meadi, a sud del Cairo

(Egitto), cinque collettori di 4 m di apertura e 60 m di

lunghezza, che rappresentano il primo impianto solare a

scala industriale. In quegli anni iniziperla Prima Guer-ra Mondiale e nello stesso tempo la trivellazione mas-

siccia dei grandi bacini petroliferi in Medio Oriente e

nel continente americano; ancora una volta, labbondantedisponibilitdi combustibile fossile frenle applicazio-

ni dellenergia solare a concentrazione. Bisognerarri-vare agli anni Ottanta del 20 secolo, con la minacciadellesaurimento delle scorte petrolifere e della conflit-tualitpermanente nelle aree di estrazione del greggio,perchvenga riproposta quella tecnologia che, comedichiarava Shuman allinizio del Novecento, utilizza lapirazionale fonte di energia. Sulla base delle espe-rienze di Ericsson e Shuman la sperimentazione indu-

striale si indirizzata, perci, verso i collettori parabo-lici lineari, che rappresentano il miglior compromesso

nel rapporto costo/energia prodotta per la maggior parte

dei siti potenzialmente sfruttabili.

La Luz ha costruito a metdegli anni Ottanta, nel De-serto californiano del Mojave (Stati Uniti), un impianto

solare a collettori parabolici lineari per la produzione di

vapore che, utilizzato in un ciclo termodinamico, forni-

va una potenza elettrica di 14 MW. Nella medesima zona

sono stati realizzati in seguito altri impianti della stessa

filiera per complessivi 354 MW di potenza elettrica, tut-

tora funzionanti. Contemporaneamente un altro impian-

to solare, con tecnologia a torre centrale (Solar One),venne costruito sempre nel Deserto del Mojave. Questo

impianto pilota, con una potenza elettrica di 10 MW, uti-

lizzava unarea pari a circa 160.000 m2; era connessoalla rete della California meridionale e rimase attivo dal

1981 al 1988. Successivamente venne realizzato un secon-

do impianto a torre (Solar Two), in funzione dal 1996 al

1999, che utilizzava come fluido termovettore non piacqua ma una miscela di sali fusi.

Per quanto riguarda lEuropa, stata lItalia a ospi-tare la prima grande centrale europea dimostrativa nel-

lambito del solare ad alta temperatura, realizzata adAdrano in Sicilia. Limpianto Eurelios del tipo a torre,costruito a partire dal settembre del 1979 da un con-

sorzio italo-franco-tedesco nellambito di un pro-gramma di ricerca della ComunitEuropea, aveva unapotenza di progetto di 1 MW e rimase in funzione fino

al 1986.

Dallinizio degli anni Ottanta attivo in Spagna, pres-so la cittadina di Almeria, il piimportante centro diricerca europeo sulle tecnologie solari a concentrazione,

noto come Piattaforma Solare di Almeria (PSA). Nel cor-

so degli anni sono stati realizzati in questo centro nume-

rosi impianti sperimentali, in gran parte f inanziati dallaComunitEuropea, per lo studio delle varie filiere tec-nologiche: in particolare, i sistemi a torre centrale e i

sistemi a collettore parabolico lineare.

Aspetti fondamentali della concentrazione solare

Come giaccennato, la concentrazione della radia-zione solare indispensabile quando viene richiesta ener-gia termica a temperatura maggiore di quella che puessere raggiunta con limpiego di una superficie pianaper la sua raccolta e conversione (collettore piano). Per

ottenerla si utilizza un opportuno sistema ottico (il con-

centratore) che raccoglie e invia la radiazione su un com-ponente (il ricevitore) dove essa viene trasformata in

energia termica ad alta temperatura. La raccolta della

sola radiazione diretta comporta, inoltre, che il concen-

tratore venga movimentato durante la giornata per inse-

guire il percorso del Sole nella volta celeste.

Al fine di raggiungere alte temperature necessarioaumentare il flusso termico solare sul ricevitore, che

quindi deve avere una superficie inferiore a quella di rac-

colta del concentratore, corrispondente alla sezione piana

della sua superficie riflettente. Il parametro che caratte-

rizza un sistema a concentrazione il fattore di con-

centrazione C, definito come il rapporto tra lareaAAdella superficie di raccolta del concentratore, detta anche

533VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILIT

CONVERSIONE DELLENERGIA SOLARE

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superficie captante, e lareaAR della superficie del rice-vitore:

AAC12AR

Un concetto strettamente legato al fattore di con-

centrazione langolo di accettazione (2qc), ciolin-tervallo angolare entro il quale tutti o quasi tutti i raggi

sono intercettati dal ricevitore. Il fattore di concentra-

zione massimo, per un sistema a due dimensioni che pre-

vede un ricevitore di tipo lineare (come il collettore para-

bolico lineare), pari a:

1C2D,teorico

123244

senqc

mentre per un sistema a tre dimensioni con ricevitore di

tipo puntuale (come il collettore a disco parabolico o il

sistema a torre) :

1C3D,teorico

1233244

sen2qc

Il minimo angolo di accettazione che consente di

inviare al ricevitore tutti i raggi provenienti dal disco

solare puessere calcolato in base a considerazioni geo-metriche. Il Sole ha un diametro di circa 1,4106 km men-

tre la distanza media tra il Sole e la Terra di circa 150106

km; dunque i raggi solari giungono sulla Terra con una

divergenza pari a circa 0,25. In base alle relazioni pre-cedenti, il fattore di concentrazione massimo per i siste-

mi a due dimensioni di circa 215, mentre per i sistemia tre dimensioni arriva a un valore di oltre 45.000. In pra-tica, per, i fattori di concentrazione dei sistemi realirisultano assai inferiori a causa di una serie di limitazioni

tecnologiche. La presenza di errori nellinseguimentodel Sole e di imprecisioni nella forma del concentratore

e nel posizionamento del ricevitore impone angoli di

accettazione sensibilmente maggiori della divergenza

solare; inoltre, la scelta della soluzione costruttiva del

ricevitore e del concentratore comporta unulteriore ridu-zione del fattore di 2-4 volte rispetto al valore teorico.

Il fattore di concentrazione effettivo che si vuole con-

seguire in un impianto solare una volta stabilita la suatipologia implica dunque un compromesso tra presta-

zioni ottiche e termiche. Il ricevitore, infatti, deve esse-

re scelto quanto pipiccolo possibile per limitare le per-dite termiche, ma un aumento delle sue dimensioni con-

sente la raccolta di tutti i raggi solari anche in presenza

di imperfezioni nel concentratore.

Consideriamo, per esempio, il caso del collettore

parabolico lineare; la fig.3 mostra la sua sezione con un

piano perpendicolare allasse focale. La superficie riflet-tente del concentratore ha landamento di una paraboladi equazione:yx24fe la radiazione viene focalizzata

su un ricevitore cilindrico di raggio rposizionato sullalinea focale a una distanza f dal vertice della parabola.

Se il raggio con la massima divergenza accettata dal siste-

ma (la linea tratteggiata in figura) deve raggiungere il

ricevitore, il fattore di concentrazione che si ottiene in

questa configurazione :

2xA senaC2D,parab123113C2D,teorico2pr p

dovea il semiangolo di vista della parabola dal suo fuocoe 2xA lapertura del collettore. Dalla relazione si vedeche in questo semplice sistema il fattore di concentrazio-

ne massimo, che si ha per a90, non pusuperare ilvalore di circa 70, anche senza prendere in considerazio-

ne angoli di accettazione maggiori della divergenza sola-

re e ulteriori fonti di errore. Tenendo conto degli effettiviangoli di accettazione, degli errori di inseguimento, delle

tolleranze nella realizzazione delle superfici riflettenti e

di altre imprecisioni, i fattori di concentrazione nei siste-

mi reali a 2D non superano il valore di 30. Spesso nei siste-

mi a 2D si considera come superficie del ricevitore cilin-

drico la sua sezione piana. In tal caso il fattore di con-

centrazione viene calcolato facendo riferimento al diametro

del ricevitore, invece che alla sua circonferenza; i valori

numerici risultano quindi moltiplicati per il fattore p.

Vi comunque una classe di sistemi a concentra-zione che riesce quasi a raggiungere il limite teorico: tali

sistemi sono dettisenza immagine (non imaging) in quan-to, non mantenendo la direzione reciproca dei singoli

raggi, non ricostruiscono fedelmente limmagine deldisco solare. Laccoppiamento di un sistema convenzio-nale, come quello parabolico lineare dellesempio pre-cedente, con un sistema a concentrazione non imaging,

utilizzato come secondo stadio, permette al fattore di

concentrazione di avvicinarsi al valore limite teorico.

Allinterno del ricevitore la radiazione solare con-centrata viene trasformata in energia termica a tem-

peratura tanto pielevata quanto maggiore il fatto-re di concentrazione effettivo. Per formulare la legge

di dipendenza della temperatura da questo fattore, sipuconsiderare il bilancio energetico di un sistema a



y

xxA

x2

4f

r

fy

a

qc

qc

fig. 3. Fattore di concentrazione

per i collettori parabolici lineari.

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concentrazione. La potenza raggiante emessa dal Sole proporzionale alla quarta potenza della sua temperatura

termodinamica, per la legge di Stefan-Boltzmann. Solo

una frazione di questa potenza, proporzionale al qua-

drato del seno dellangolo di divergenza solare (qS), rag-giunge il suolo terrestre. La potenza raggiante inciden-

te (fS) sullarea di raccolta (AA) risulta quindi propor-zionale a:

fSAAsen2qST

4S

dove TSla temperatura apparente del Sole, pari a circa6.000 K.

La potenza perduta dal ricevitore (fR), nellipotesidi considerare in prima approssimazione solo le perdite

di tipo radiativo, proporzionale a:

fRART4

R

avendo indicato con TR

eAR

rispettivamente la tempera-

tura termodinamica e larea del ricevitore. Nellipotesiche la potenza utile (fU) sia una frazione h della poten-

za incidente, il bilancio termico del ricevitore puesse-re scritto come:

fSfUfRhfSfR

Dalle relazioni precedenti, ricordando cheAAARC,

la temperatura operativa del ricevitore risulta propor-

zionale a:

TRTS[(1h)C]124

4

Nel graf ico in fig. 4 riportato landamento dellatemperatura operativa massima del ricevitore ottenutomediante la relazione precedente, utilizzando i valori

usuali per i parametri che compaiono nella costante di

proporzionalite per lefficienza di ciascun sistema aconcentrazione.

Tecnologie solari

Lobiettivo degli impianti solari a concentrazionequello di utilizzare lenergia solare per produrre ener-gia termica ad alta temperatura in sostituzione dei tra-

dizionali combustibili fossili. Lenergia termica cosprodotta puessere impiegata in vari processi indu-striali (quali, per esempio, la dissalazione dellacquadi mare e la produzione di idrogeno da processi ter-

mochimici) o nella produzione di energia elettrica, con-

tribuendo in questo modo a contenere il consumo mon-

diale di combustibili fossili e di conseguenza le emis-

sioni nellatmosfera.Allo stato attuale lobiettivo principale degli impian-

ti solari a concentrazione la generazione di energia elet-trica. In questo caso lenergia termica solare viene uti-lizzata in cicli termodinamici convenzionali come quel-

li con turbine a vapore, con turbine a gas o con motori

Stirling. La fig. 5 mostra schematicamente le differenze

tra impianti termoelettrici tradizionali e solari.

Nel caso di sfruttamento della fonte solare per la pro-

duzione di energia termica, il sistema a concentrazione

non comporta rischi o fastidi alle popolazioni eventual-

mente residenti nelle sue vicinanze. In regioni ad alta

insolazione (potenza media annua superiore a 300 W/m2)

da un metro quadrato di superficie di raccolta possi-bile ottenere annualmente unenergia termica equiva-lente a quella derivante dalla combustione di un barile

di petrolio, evitando inoltre lemissione in atmosfera dicirca 500 kg di CO2.

Per ovviare alla variabilitdella sorgente solare le-nergia termica puessere accumulata durante il giorno,rendendo il sistema piflessibile e rispondente alle esi-genze dei processi produttivi. In alternativa si puricor-rere allintegrazione con combustibili fossili o rinnova-bili quali olio, gas naturale e biomasse.



temperaturaricevitore(K)

0

6.000

5.000

4.000

3.000

2.000

1.000

fattore di concentrazione

collettori piani

Tmax395 K

collettori parabolicilineari reali

Tmax900 K

sistemi 2D ideali

Tmax1.500 K

sistemi 3D reali

Tmax2.600 K

sistemi 3D ideali

Tmax5.600 K

1 10 100 1.000 10.000 100.000

fig. 4. Dipendenza della temperatura operativa dal fattore di concentrazione.

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Gli impianti solari possono utilizzare diverse tecno-

logie per la concentrazione della radiazione solare; inogni caso possibile identificare in essi le seguenti fasidel processo: a) raccolta e concentrazione della radia-

zione solare; b) conversione della radiazione solare in

energia termica; c) trasporto ed eventuale accumulo del-

lenergia termica; d) utilizzo dellenergia termica.La raccolta e la concentrazione della radiazione sola-

re, che per sua natura ha una bassa densitdi potenza,rappresentano alcune delle problematiche principali degli

impianti solari. Esse vengono realizzate, come gidetto,mediante limpiego di un concentratore, formato da pan-nelli di opportuna geometria con superfici riflettenti, nor-

malmente comuni specchi di vetro. Tutti i concentratoripresenti in un impianto solare, disposti ordinatamente sul

terreno e opportunamente distanziati tra loro per non

interferire nella raccolta della radiazione, costituiscono

il campo solare. Il ricevitore, che ha svariate forme e che

puessere unico per tutto il campo solare oppure accop-piato a ciascun concentratore, trasforma lenergia solarein energia termica, ceduta poi a un fluido che viene fatto

passare al suo interno. Lenergia termica asportata dalfluido termovettore, prima dellutilizzo nel processo pro-duttivo, puessere accumulata in diversi modi: sfruttan-do il calore sensibile del fluido stesso posto in serbatoi

coibentati, oppure cedendo il suo calore a materiali iner-ti a elevata capacittermica o a sistemi in cambiamento

di fase. In questo modo lenergia solare, per sua natura

altamente variabile, pudiventare una sorgente di ener-gia termica disponibile per lutenza con continuit.Un parametro importante che caratterizza gli impian-

ti solari a concentrazione ilsolar multiple, o moltipli-catore solare, definito come il rapporto tra la potenza

termica di picco del ricevitore e la potenza termica nomi-

nale utilizzata dal processo produttivo. In assenza di un

sistema di accumulo termico tale parametro risulta ugua-

le a 1 e tutta la potenza termica raccolta viene imme-

diatamente utilizzata; valori superiori indicano la possi-

bilitper limpianto di accumulare lenergia termica ineccesso. Lutilizzo di moltiplicatori solari maggiori di

2,5 consente il funzionamento continuativo del proces-so produttivo nellarco della giornata. Questo vantaggioimplica comunque un incremento del costo di costruzio-

ne dellimpianto, proporzionale alla capacitdel siste-ma di accumulo termico. Il dimensionamento ottimale

di questo sistema va quindi stabilito con unanalisi ditipo economico; per esempio, stando alle valutazioni

attuali, negli impianti termoelettrici solari la capacitottimale per i sistemi di accumulo quella che garanti-sce una produzione continuativa compresa tra 6 e 10 ore,

a seconda della potenza elettrica nominale, in assenza

dellirraggiamento solare.

Come accennato, i sistemi a concentrazione sfrutta-no soltanto la radiazione diretta poichnon riescono a



turbogeneratore a vapore

CO2, NOx, SO2....

pompa

vapore

vapore

acqua

acqua

stazione elettrica

serbatoiodel combustibile

sistema convenzionale di produzione elettrica

produzione di calore da fonte fossile

produzione di calore da fonte solare

sistema dicondensazione

turbogeneratore a vapore

pompa

pompa

camposolare

pompa

stazione elettrica

sistema convenzionale di produzione elettrica

sistema dicondensazione

sistema diaccumulo

caldo

freddo

generatoredi vapore

generatoredi vapore

fig. 5. Confronto

tra un impianto

termoelettrico tradizionale

e uno alimentato

da fonte solare.

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concentrare la radiazione diffusa; possono essere di tipo

lineare o puntuale. I sistemi a concentrazione lineare

sono pisemplici ma hanno un pibasso fattore di con-centrazione e quindi raggiungono temperature di fun-

zionamento minori rispetto ai sistemi a concentrazione

puntuale. In relazione alla geometria e alla disposizione

del concentratore rispetto al ricevitore si possono distin-guere tre principali tipologie di impianto: il collettore a

disco parabolico, il sistema a torre centrale e il colletto-

re parabolico lineare.

Collettore a disco parabolico

Questo sistema utilizza un pannello riflettente di

forma parabolica che insegue il Sole, con un movimen-

to di rotazione attorno a due assi ortogonali, e concen-

tra la radiazione solare su un ricevitore montato nel pun-

to focale (fig. 6). Lenergia termica ad alta temperatura vie-ne normalmente trasferita a un fluido e utilizzata in un

motore, posizionato al di sopra del ricevitore, dove viene

prodotta direttamente energia meccanica o elettrica.

La forma ideale del concentratore un paraboloidedi rivoluzione; alcuni concentratori approssimano tale

forma geometrica utilizzando un insieme di specchi con

profilo sferico montati su una struttura di supporto. Il

progetto ottico di questo componente e laccuratezzanella sua realizzazione determinano il fattore di inter-

cettazione e di concentrazione della radiazione solare.

Il fattore di intercettazione definito come la frazione

del flusso solare riflesso che passa attraverso la f ine-

stra di ingresso del ricevitore ed generalmente supe-riore al 95%, mentre il fattore di concentrazione gistato definito.

Il ricevitore, che lelemento tecnologicamente piavanzato, assorbe lenergia della radiazione riflessa dalconcentratore e la trasferisce al fluido di lavoro. Lasuperficie assorbente generalmente posizionata die-tro il fuoco del concentratore per limitare lintensitdelflusso termico solare incidente a valori dellordine di75 W/cm2.

Applicazioni industriali di questo sistema fornisco-

no valori del fattore di concentrazione superiori a 2.000.

Con tali valori si possono ottenere temperature di fun-

zionamento molto alte e rendimenti di conversione del-

lenergia solare in energia elettrica anche oltre il 30%, ipielevati tra tutte le tecnologie solari attualmente esi-stenti. Un concentratore di 10 m di diametro, per esem-

pio, in presenza di un flusso solare diretto di 1.000 W/m2,

in grado di erogare circa 25 kWe. Per ragioni econo-miche, la dimensione del concentratore non va oltre 15 m

di diametro, limitando quindi la sua potenza a circa

25-30 kWe. La tecnologia comunque di tipo modularee permette la realizzazione di centrali di produzione di

piccola potenza per utenze isolate.

Il motore utilizzato in questi sistemi converte le-nergia solare in lavoro, come nei convenzionali motori

a combustione interna o esterna. Il fluido di lavoro viene

compresso, riscaldato e fatto espandere attraverso una

turbina o un pistone per produrre energia meccanica, chepuessere utilizzata direttamente dallutenza o trasfor-mata in energia elettrica mediante un alternatore. Sono

stati studiati diversi cicli termodinamici e differenti flui-

di di lavoro; le attuali applicazioni industriali utilizzano

motori con cicli Stirling e Bryton.

Nei motori Stirling si utilizza idrogeno o elio come

fluido di lavoro, che viene alternativamente raffreddato,

compresso fino a pressioni intorno a 20 MPa, riscalda-

to a temperature anche superiori a 700 C e poi fattoespandere. Per fare in modo che lenergia solare vengatrasferita al fluido di lavoro a temperatura costante, nello

scambio termico viene utilizzato un fluido intermedioin cambiamento di fase. Di solito si usa un metallo liqui-

do (sodio) che evapora in corrispondenza della superfi-

cie dellassorbitore del ricevitore e condensa sul fasciotubiero del motore. I vapori di sodio, una volta conden-

sati, raggiungono per gravitla zona dellassorbitore,distribuendosi per capillaritsu tutta la sua superficie.

Il motore Bryton utilizza invece aria come fluido di

lavoro, con una pressione massima di 0,25 MPa (rap-

porto di compressione pari a 2,5) e una temperatura di

ingresso in turbina anche superiore a 850 C. Grazie alleelevate temperature raggiunte dal fluido di lavoro, il suo

rendimento di trasformazione da energia solare a elet-trica supera quello del motore Stirling e puarrivare a



ricevitore/motore

concentratore

fig. 6. Schema di principio di un disco parabolico.

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oltre il 30%. Lenergia termica residua del fluido allu-scita della turbina viene utilizzata per preriscaldare la-ria proveniente dal compressore. In questo tipo di appli-

cazione il ricevitore ad assorbimento volumetrico, ana-logo a quello utilizzato negli impianti a torre: la radiazione

solare concentrata passa attraverso una finestra di quar-

zo per poi essere assorbita da un sistema a matrice poro-sa (honeycombs e celle reticolari di materiale ceramico).

Tale ricevitore fornisce elevate superfici di scambio ter-

mico con efficienze di conversione, da energia solare a

termica, superiori all80%. Lenergia termica al fluidopuanche essere fornita da una camera di combustionea metano, per consentire il funzionamento del motore in

condizioni di assenza della radiazione solare o di notte.

Sistema a torre centrale

Il sistema a torre con ricevitore centrale (fig. 7) uti-

lizza pannelli riflettenti piani (eliostati) che inseguono

il Sole con un movimento di rotazione su due assi, con-

centrando la luce solare verso un unico ricevitore; que-

sto montato sulla sommitdi una torre e al suo inter-no viene fatto circolare un fluido per lasportazione del-lenergia solare. Lenergia termica che cossi rendedisponibile puessere sfruttata in vari processi, in par-ticolare per la produzione di energia elettrica.

Il principio di funzionamento analogo a quello delsistema a disco parabolico, con il concentratore costi-

tuito perda un elevato numero di eliostati a formare unasuperficie di raccolta, o captante, che puarrivare a

centinaia di migliaia di m2

. I raggi solari che colpiscono

ciascun eliostato vengono riflessi su un punto unico, fisso

nel tempo, che funge da punto focale. Laltezza, rispet-to al suolo, del punto focale cresce allaumentare del-lestensione del campo solare e pusuperare anche ilcentinaio di metri. Gli eliostati sono dislocati in modo

da circondare completamente la torre oppure sono posti

a emiciclo verso nord; sono distanziati per evitare feno-meni di ombreggiamento e la loro distanza aumenta allon-

tanandosi dalla torre.

Sono state studiate diverse tipologie di eliostati per

migliorare lefficienza ottica e il controllo dei sistemi diinseguimento del Sole, nonchper ottimizzare la strut-tura di supporto, rendendola pisemplice e leggera. Cial fine di aumentare il rendimento dellimpianto e ridur-ne i costi. La superficie captante di ciascun eliostato varia

da circa 40 a 170 m2; come materiale riflettente si uti-

lizzano normalmente specchi di vetro, ma sono stati spe-

rimentati anche materiali alternativi quali membrane

riflettenti o fogli metallici.

Il fattore di concentrazione di questi impianti risul-

ta superiore a 700. Lelevato fattore di concentrazionepermette al fluido termovettore di raggiungere alte tem-

perature di esercizio (maggiori di 500 C), con conse-guenti alti rendimenti di trasformazione dellenergia ter-mica in energia elettrica. In genere la trasformazione

avviene sfruttando lenergia termica in un tradizionaleciclo termodinamico acqua-vapore. Le caratteristiche del

vapore prodotto (temperatura e pressione) consentono

anche di integrare i sistemi a torre negli impianti ter-

moelettrici a combustibili fossili. Inoltre questi impian-ti a concentrazione hanno la possibilitdi alimentare unsistema di accumulo termico per coprire in modo pisoddisfacente la domanda di energia dallutenza.

Il sistema a torre ha dimostrato la sua fattibilittec-nologica nella produzione di energia elettrica attraverso

la realizzazione e lesercizio di numerosi impianti spe-rimentali di piccola taglia (tra 0,5 e 10 MW) in diversi

paesi del mondo (Spagna, Italia, Giappone, Francia, Stati

Uniti); per applicazioni su larga scala necessita tuttavia

di ulteriori verifiche.

La pirecente applicazione di questa tecnologia

ha riguardato limpianto americano Solar Two, rimastoin esercizio fino allaprile 1999. Limpianto, della po-tenza di 10 MW, aveva un campo solare costituito da

1.026 eliostati, per una superficie captante totale di circa

81.500 m2, e una torre alta 85 m. Utilizzava come flui-

do termovettore una miscela di sali fusi (nitrato di sodio

e di potassio), con una temperatura massima di eser-

cizio di 565 C, e aveva un sistema di accumulo costi-tuito da due serbatoi cilindrici (caldo e freddo) di circa

11 m di diametro e 8 m di altezza, per unautonomia mas-sima di circa tre ore a piena potenza in assenza di radia-

zione solare.

Sono stati sperimentati diversi fluidi per lo scam-bio termico allinterno del ricevitore e per laccumulo



ricevitore

eliostati

fig. 7. Schema di principio di un sistemaa torre centrale.

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dellenergia termica: acqua, aria, sodio e sali fusi. Fino-ra il fluido piadatto per questa tecnologia risultatoessere una miscela di sali fusi composta da nitrati di sodio

e potassio (alla base dei comuni fertilizzanti utilizzati in

agricoltura). La scelta dei sali fusi dovuta principal-mente al buon coefficiente di scambio termico, alla ele-

vata capacittermica, alla bassa tensione di vapore, allabuona stabilitchimica e al basso costo. I sali consen-tono di raggiungere alte temperature di esercizio (fino a

600 C); inoltre possono essere direttamente utilizzatiper laccumulo dellenergia termica in serbatoi compat-ti e a pressione atmosferica senza lutilizzo di scambia-tori di calore aggiuntivi.

Lo schema funzionale tipico di un impianto a torre,

che utilizza sali fusi come fluido termovettore e per lac-cumulo termico, mostrato in fig.8. I sali, prelevati dalserbatoio a bassa temperatura (290 C), vengono invia-ti sulla sommitdella torre e fatti circolare attraverso ilricevitore, costituito da un insieme di serpentine di tubi

di acciaio montate su pannelli piani assorbitori; si riscal-

dano cosfino a circa 565 C e vanno poi a riempireprogressivamente il serbatoio di accumulo ad alta tem-

peratura. La loro portata viene regolata, in funzione del-

lintensitdella radiazione solare, in modo da mante-nere costante la temperatura in uscita dal ricevitore.

Quando richiesta la produzione di energia elettrica, isali dal serbatoio caldo vengono inviati a uno scambia-

tore di calore (generatore di vapore), dove viene pro-

dotto vapore ad alta pressione ed elevata temperatura

(12 MPa, 540 C). Il vapore poi utilizzato in un ciclotermoelettrico convenzionale: viene fatto espandere inun gruppo turbina-alternatore, per produrre energia elet-

trica, quindi viene condensato, preriscaldato e inviato di

nuovo al generatore di vapore.

Il dimensionamento di un impianto solare (nume-

ro degli eliostati, potenza termica del ricevitore e ca-

pacitdellaccumulo termico) dipende dalla potenzaelettrica dellimpianto di generazione e dal suo fattore

di utilizzazione annua, o fattore di carico, che rappre-

senta il rapporto tra lenergia elettrica prodotta e quellaproducibile annualmente se limpianto lavorasse semprealla potenza elettrica nominale. Senza un sistema di accu-

mulo termico, limpianto di generazione puoperaresolamente in presenza della radiazione solare e avere al

massimo un fattore di carico di circa il 25%. Per ottene-re valori superiori necessario ricorrere allaccumulotermico; in questo caso il funzionamento dellimpiantopuanche essere continuativo in tutto larco della gior-nata, a esclusione della fase iniziale in cui avviene il cari-

camento del sistema. A titolo di esempio, per avere un

fattore di carico del 70% richiesta una capacitdi accu-mulo termico pari a circa 15 ore di funzionamento, in

condizioni nominali e in assenza di radiazione solare, cui

corrisponde un moltiplicatore solare pari a 3, ciouncampo solare di estensione tre volte superiore rispetto a

quello in assenza del sistema di accumulo. Ovviamente,

come gidetto, allaumentare delle dimensioni del camposolare necessario realizzare torri di maggiore altezza.

Lelevato fattore di concentrazione permette a questatecnologia di raggiungere temperature di esercizio ancor

pielevate quando, per lasportazione dellenergia sola-re, si impiega come fluido termovettore un gas (in gene-

re aria). In questo caso viene utilizzato un ricevitore volu-

metrico pressurizzato a cavit, che puriscaldare fino auna temperatura limite di 1.200 C. Il ricevitore costi-tuito da numerosi moduli in successione, ognuno dei quali

incrementa di circa 150 C la temperatura del gas che vi

fluisce. Ciascun modulo attualmente pufornire unapotenza termica di circa 500 kWe. Lo schema di funzio-namento di un modulo del ricevitore mostrato in fig.9.

La radiazione solare, concentrata dagli eliostati, arri-

va su ciascun modulo del ricevitore dove, tramite un con-

centratore secondario, subisce unulteriore concentra-zione fino a raggiungere un fattore complessivo di cir-

ca 2.000. Attraversa quindi una finestra semisferica di

quarzo e arriva sullassorbitore posto allinterno di un



290 C

565 C

salefuso

serbatoi diaccumulo

generatoredi vapore

condensatore

turbina e generatoreelettrico

caldo

freddo

fig. 8. Schema funzionale

di un impianto a torre

con accumulo termico.

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contenitore pressurizzato. Lassorbitore costituito dauna struttura porosa metallica o ceramica e, in presenza

di radiazione, raggiunge temperature operative tra 800

e 1.200 C.Il gas in pressione, a circa 1,5 MPa, fluisce attraver-

so lassorbitore di pimoduli e si scalda progressiva-mente fino a 800 C, nel caso di utilizzo di assorbitorimetallici, o fino a 1.200 C, nel caso di assorbitori ditipo ceramico. In un impianto termoelettrico solare, il

gas caldo puessere utilizzato per la produzione di vapo-re o, in modo piefficiente, direttamente in un ciclo com-binato gas-vapore. Lo schema di funzionamento di que-

stultimo, in un impianto a torre che utilizza aria come

fluido termovettore, mostrato in fig. 10. Laria, allu-scita dal compressore, inviata nel ricevitore dove vieneriscaldata e quindi fatta espandere nella turbina a gas.

La sua temperatura di ingresso in turbina puessere rego-lata, in caso di ridotta radiazione solare, bruciando meta-

no nella camera di combustione integrativa. I gas anco-

ra caldi, che escono dalla turbina, vengono inviati in una

caldaia a recupero per la produzione di vapore, utilizza-

to poi nel relativo ciclo. Quando si impiega un gas come

fluido termovettore, laccumulo dellenergia termica puessere ottenuto con materiali ceramici ad alta capacittermica, posti allinterno di appositi contenitori.

Unulteriore evoluzione di questo sistema a concen-trazione consiste nel posizionare il ricevitore volumetri-

co ai piedi della torre (fig. 11). In tal caso necessarioutilizzare un riflettore a forma di iperboloide, installato

sulla torre, per far arrivare sul ricevitore la radiazione

solare diretta. Questa soluzione presenta, specialmente

per campi solari di grandi estensioni, un migliore rendi-

mento ottico (si riducono le aberrazioni ottiche e si aumen-

ta il fattore di concentrazione), una distribuzione pista-bile del flusso termico e una semplif icazione dellim-pianto (tutte le apparecchiature sono posizionate al suolo).

Collettore parabolico lineare

Il sistema a collettore parabolico lineare (fig. 12) ,tra le tecnologie solari termiche per la produzione di ener-gia elettrica su larga scala, quella che ha raggiunto la mag-

giore maturitcommerciale, come ampiamente dimo-strato dallesperienza di esercizio degli impianti SEGS(Solar Electric Generating Systems). Infatti, come giricordato, da metdegli anni Ottanta del 20 secolo sonoin funzione in California, nel Deserto del Mojave, 9 di

questi impianti per una potenza complessiva di 354 MW.

Tale tecnologia utilizza un concentratore lineare a

profilo parabolico, la cui superficie riflettente insegue

il Sole ruotando su un solo asse; la radiazione viene



isolamentocontenitore

pressurizzato

radiazionesolare

concentrata

finestra di quarzo assorbitore

concentratore secondario

ingressogas

uscitagas

fig. 9. Schema

di funzionamento

di un modulo

di ricevitore.

eliostati aria camino condensatoreturbinaa gas

generatoredi vapore

combustore(opzionale)

ricevitorevolumetrico

turbinaa vapore

compresssore

fig. 10. Schema

di funzionamento

di un impianto a torre

accoppiato a un ciclo

combinato.

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focalizzata su un tubo ricevitore posizionato lungo il

fuoco della parabola. Lenergia solare assorbita dal tuboricevitore trasferita a un fluido di lavoro che vienefatto fluire al suo interno. Lenergia termica raccolta utilizzata normalmente per la produzione di energia

elettrica mediante i tradizionali cicli termodinamici

acqua-vapore. Nel collettore la temperatura massima

di funzionamento dipende essenzialmente dal fluido ter-

movettore utilizzato; negli impianti attualmente in eser-

cizio si arriva a circa 390 C.Il concentratore ha una struttura di supporto in acciaio,

realizzata con una trave centrale e una serie di bracci per

lancoraggio dei pannelli riflettenti, che ne garantisce ilcorretto funzionamento sotto lazione del vento e deglialtri agenti atmosferici. Il pannello riflettente normal-mente costituito da un comune specchio di vetro di ade-

guato spessore. In alternativa puessere impiegato unpannello in materiale composito (honeycomb) con uno

specchio sottile in vetro o una pellicola riflettente incol-

lata sulla superficie esterna.

Il collettore parabolico ha unapertura di circa 6 me una distanza focale di poco inferiore a 2 m. Il fattore

di concentrazione, riferito al diametro del ricevitore,

risulta di circa 80. Inizialmente la sua lunghezza era di

50 m, successivamente stata portata a 100 m e attual-mente si stanno sperimentando strutture della lunghez-

za di 150 m. Al centro del collettore presente il mec-canismo che ne consente la rotazione per inseguire il

percorso del Sole.

Il fluido termovettore, muovendosi allinterno deltubo ricevitore, si riscalda progressivamente; pertanto,

affinchpossa raggiungere in uscita la temperatura diesercizio richiesta, devono essere collegati in serie picollettori, disposti in genere su due file parallele per una



eliostati

riflettoredellatorre

ricevitore

fig. 11. Schema di un impianto a torre

con ricevitore a terra.

concentratore

ricevitore

fig. 12. Schema di principio

di un sistemaa collettori parabolici

lineari.

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lunghezza complessiva di circa 600 m, a costituire una

stringa che rappresenta il modulo unitario dellimpian-to. Aggiungendo pimoduli in parallelo si puaumen-tare a piacere la potenza termica prodotta. Le file di col-

lettori devono essere distanziate tra loro per evitare feno-

meni di ombreggiamento reciproco; normalmente il passo

tra file contigue di 2-3 volte lapertura del collettore.La loro disposizione sul terreno dipende essenzialmen-

te dalla conformazione del sito. La disposizione classi-

ca quella con lasse dei collettori orientato lungo ladirezione nord-sud, quindi con inseguimento del Sole in

direzione est-ovest, che consente di ottenere una miglio-

re raccolta dellenergia solare, specialmente nei mesiestivi. Limpianto per la produzione di energia elettricaal centro del campo solare.

Lefficienza di questa tecnologia dipende dal rendi-mento ottico del concentratore (accuratezza della strut-

tura e caratteristiche dei pannelli riflettenti) ma soprat-

tutto dal rendimento di conversione del tubo ricevitore,

che deve assorbire la massima energia solare concentrata

e avere le minime dispersioni termiche. Il ricevitore, man-

tenuto in posizione lungo la linea focale dei concentra-

tori, ruota rigidamente con questi durante linseguimentodel Sole ed formato da elementi della lunghezza dicirca 4 m, collegati in serie. Ciascun elemento costi-tuito da due cilindri concentrici: un tubo di vetro ester-

no di circa 12 cm di diametro e un tubo interno di acciaio

di circa 7 cm di diametro, collegati tra loro con soffiet-

ti metallici per compensare le differenti dilatazioni ter-

miche tra i due materiali. Sulla superficie esterna deltubo di acciaio viene depositato un opportuno rivesti-

mento selettivo in grado di massimizzare lassorbimen-to della radiazione solare nello spettro visibile e mini-

mizzare le emissioni di radiazione nellinfrarosso, gene-rate dallalta temperatura raggiunta dal tubo durantelesercizio. Nellintercapedine tra tubo e vetro viene fattoil vuoto per ridurre le dispersioni termiche convettive.

Lo schema di funzionamento di un impianto SEGS

riportato in fig. 13.Il fluido termovettore pompato attraverso le stringhe

di collettori si scalda, per effetto della radiazione sola-

re, raggiungendo la massima temperatura di funziona-

mento. Lenergia termica cosacquisita viene utilizzatasuccessivamente in un ciclo Rankine (a vapore) per laproduzione di energia elettrica. Nellimpianto puesse-re presente una caldaia ausiliaria di integrazione ali-

mentata con combustibili fossili, in grado di fornire vapo-

re anche in assenza della radiazione solare e di rendere

cosla produzione elettrica pirispondente alla doman-da da parte dellutenza. Una soluzione alternativa allacaldaia di integrazione un sistema di accumulo checonsenta di immagazzinare lenergia termica solare perrenderla disponibile quando necessario, trasformando la

fonte solare, per sua natura altamente variabile, in una

sorgente di energia continua e modulabile nellarco del-lintera giornata.

Gli impianti attualmente in esercizio utilizzano come

fluido termovettore, per lasportazione del calore sola-re, un olio sintetico (Therminol VP-1), che perha unelevato costo e, presentando anche rischi di impatto

ambientale in caso di fuoriuscita, non idoneo per lu-tilizzo in un sistema di accumulo. Per questo negli impian-

ti sempre presente una caldaia di integrazione a meta-no, che pufornire fino al 25% dellenergia termica uti-lizzata dal sistema di generazione.

Con lobiettivo di risolvere i problemi legati al flui-

do termovettore e migliorare la competitivitdi questatecnologia, in diversi centri di ricerca si sta sperimen-tando lutilizzo di fluidi alternativi quali lacqua, conproduzione diretta del vapore, e i sali fusi. Questi ultimi

consentono un notevole aumento della temperatura mas-

sima di esercizio (da 390 a 550 C) e possono essere uti-lizzati direttamente per laccumulo termico, come gisperimentato negli impianti a torre. Per tali motivi i sali



collettori parabolicilineari

290 C390 C

caldaia ausiliaria(opzionale)

fluido termovettore (olio)

condensatore

acqua di

raffreddamento

vapore surriscaldato

flussodacqua

turbinaa vapore

generatoreelettrico

torre diraffreddamento

generatore di vapore

fig. 13. Schema di funzionamento di un impianto SEGS.

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fusi sono stati scelti come fluido termovettore nel pro-

getto italiano di impianto solare a concentrazione svi-

luppato dallENEA (Ente per le Nuove tecnologie, lE-nergia e lAmbiente). Lo schema dellimpianto ripor-tato in fig. 14.

I sali fusi, costituiti da una miscela di nitrati di sodio

e di potassio, sono prelevati dal serbatoio a pibassatemperatura (290 C); vengono fatti circolare nei tubiricevitori delle stringhe di collettori solari, si riscaldano

fino a circa 550 C e vengono inviati al serbatoio ad altatemperatura, a costituire laccumulo termico. I sali fusiprovenienti dal serbatoio caldo sono poi mandati in uno

scambiatore di calore per la produzione di vapore, uti-

lizzato dal sistema di generazione elettrica, e quindi reim-

messi nel serbatoio freddo. La temperatura di eserciziodellimpianto viene controllata regolando opportuna-mente la portata dei sali nelle stringhe di collettori in

funzione dellintensitdella radiazione solare. Poichlamiscela di sali inizia a solidif icare a una temperatura di

circa 240 C, necessario che la temperatura minima diesercizio dellimpianto sia mantenuta, con un adeguato

margine, al di sopra di tale valore per evitare ostruzioni

nei circuiti.

Le alte temperature di esercizio che puraggiunge-re il fluido termovettore, qualitpeculiare del progettodellENEA, consentono unagevole integrazione di que-sto impianto solare con gli impianti termoelettrici a

combustibili fossili, inclusi i pimoderni a ciclo com-binato, ottenendo in tal modo pialti rendimenti finalidi conversione.

Unevoluzione del collettore parabolico lineare, anco-ra in fase di sperimentazione, rappresentata dal collet-tore lineare Fresnel (fig. 15), dove il concentratore sosti-tuito da segmenti di specchi parabolici disposti secondo

il principio della lente Fresnel. In questo caso il tubo rice-

vitore posizionato nel punto focale ed fisso; a diffe-renza del collettore parabolico lineare, la movimentazio-ne riguarda quindi solo il concentratore. Cirappresen-ta un vantaggio in quanto, per far circolare il fluido

termovettore, si evita lutilizzo di tubi flessibili nel col-legamento tra i singoli collettori e tra questi e le tubazioni

della rete di distribuzione. Inoltre, non essendo presente



290 C

550 C

serbatoi diaccumulo

generatoredi vapore

condensatore

turbina e generatoreelettrico

caldo

freddo

sale fuso

fig. 14. Schema

di funzionamento

dellimpianto ENEA.

riflettore secondario

radiazione solare

tubo ricevitore

tubo ricevitore

riflettoreprimario

Fresnel

riflettoresecondario

radiazione solareriflessa

acqua/vapore

finestra di vetro

fig. 15. Il sistema Fresnel.

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leffetto ombra tra concentratori vicini, non necessa-rio distanziare le file di collettori, ottenendo cos unmigliore sfruttamento della radiazione che arriva sul ter-

reno. Normalmente tale tipo di impianti utilizza lacquacome fluido termovettore, con produzione diretta di vapo-

re allinterno del tubo ricevitore.La tab. 1 mostra i principali parametri tecnici delle

filiere tecnologiche precedentemente descritte. I dati

riportati sono stati ricavati dallesercizio di impianti esi-stenti (collettore parabolico lineare e disco parabolico)o da proiezioni sulla base delle prestazioni ottenute in

impianti dimostrativi di piccola taglia.

Produzione di idrogeno da fonte solare

Lenergia termica ad alta temperatura, ottenuta dagliimpianti solari a concentrazione, puessere utilizzata,oltre che per la produzione di energia elettrica, anche in

vari processi industriali, in particolare per la produzio-

ne di idrogeno mediante processi termochimici.

Lidrogeno attualmente prodotto su scala indu-

striale a partire dai combustibili fossili. Tra i metodidi produzione dellidrogeno dallacqua, lelettrolisirappresenta quello pimaturo, caratterizzato da un ren-dimento termico globale intorno al 36%, tenendo conto

del rendimento di trasformazione dellenergia termi-ca in elettricit(40%) e della resa intrinseca dello sta-dio elettrochimico (90%). Da un punto di vista ener-

getico risultano dunque pivantaggiosi quei metodi incui la conversione dellenergia termica avviene inmaniera diretta, siano essi alimentati da fonte rinnova-

bile o non rinnovabile. Tra questi, attualmente, la scis-

sione termica dellacqua risulta non praticabile, a cau-

sa delle elevate temperature richieste (2.500-5.000 C)e delle difficolt tecniche legate alla separazione

dellossigeno dallidrogeno, una volta che questi ele-menti si sono formati.

I cicli termochimici, costituiti da una serie di rea-

zioni ossidoriduttive che coinvolgono sostanze inter-

medie di natura diversa, rappresentano una valida alter-

nativa alla scissione diretta dellacqua; permettono diabbassare sensibilmente la barriera energetica e la tem-

peratura a cui lenergia termica va somministrata (800-

1.500 C) e di effettuare la separazione dellidrogeno edellossigeno in fasi diverse del ciclo. Questa tipologiadi processi nota fin dagli anni Settanta del 20 seco-lo, ma negli ultimi anni oggetto di rinnovato interes-se, sulla spinta delle sempre piimpellenti problemati-che ambientali.

La possibilitdi alimentare termicamente tali ciclimediante energia solare rende questi processi produtti-

vi completamente rinnovabili e quindi perfettamente

compatibili con una strategia di sviluppo sostenibile.

Nella fig. 16 riportato uno schema semplificato dellaproduzione di idrogeno basata sullutilizzo della fonte

solare come sorgente di energia termica. Date le alte tem-perature richieste dal processo termochimico, i sistemi

a concentrazione piadatti sono il disco parabolico e latorre centrale. Lenergia termica assorbita nel ricevitoreviene utilizzata per alimentare un reattore chimico in cui

avvengono le reazioni per la scissione dellacqua.Tra i vari processi termochimici, il ciclo zolfo-iodio,

proposto negli anni Settanta da General Atomics e attual-

mente allo studio presso diversi istituti di ricerca, rap-

presenta una delle opzioni pipromettenti. Tale ciclo siarticola principalmente in tre reazioni, due esotermiche

e una endotermica, il cui risultato complessivo risulta

essere la dissociazione dellacqua in idrogeno e ossige-no, come schematizzato nella fig. 17.



tab. 1. Principali parametri degli impianti solari a concentrazione

Potenza(MWe)

Fattore diconcentrazione

Efficienzasolare

di picco2

(%)

Efficienzasolare media

annua2

(%)

Rendimentociclo

termodinamico

(%)

Fattoredi carico3

(%)

Superficieoccupata,

m2/(MWh/a)

Parabolicolineare

10-200 70-804 2110-1517-181

30-40 TV24

25-7016-8

Fresnel 10-200 25-1004 201 9-111 30-40 TV 25-701 4-6

Torre solare 10-150 300-1.00020351

8-1015-251

30-40 TV45-55 CC

25-701 8-12

Discoparabolico

0,01-0,04 1.000-3.000 2916-1818-231

30-40 MS20-30 TG

251 8-12

1 Dato stimato2 Efficienza solare = produzione elettrica netta/radiazione solare diretta normale

3 Fattore di carico = ore di funzionamento impianto solare/8.760 ore annue4 Fattore di concentrazione riferito al diametro del ricevitoreTV, Turbina a Vapore; CC, Ciclo Combinato; MS, Motore Stirling; TG, Turbina a Gas

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Prospettive di mercato

Esaminati i contributi potenziali della fonte solare alla

soluzione dei futuri problemi energetici e ambientali, non-

chle tecnologie sviluppate o in corso di sviluppo per ilsuo sfruttamento, occorre evidenziare gli ostacoli che fino

a oggi hanno impedito il decollo di questa fonte rinnova-

bile a livello commerciale e analizzare le sue prospettive

di penetrazione nel mercato energetico mondiale. Il prin-

cipale ostacolo legato allelevato costo di investimentounitario richiesto dagli impianti termoelettrici solari, da

2,5 a 4 volte superiore a quello degli impianti a combusti-

bili fossili. Considerata la maggiore incidenza dei costi di

esercizio e manutenzione nonchil minor fattore di cari-co, il costo del kilowattora prodotto dagli impianti a con-

centrazione in esercizio, nonostante la scarsa incidenza

della voce combustibile, stato finora almeno il doppio diquello di un impianto tradizionale a combustibile fossile.Un altro ostacolo legato al rischio tecnico associa-

to a questa tecnologia che, benchpossa considerarsiormai provata e matura a livello industriale, viene anco-

ra percepita come nuova e dalle prestazioni poco affi-

dabili. Gioca inoltre a suo sfavore la variabilitdellafonte solare, cui persi potrfar fronte con un sistemadi accumulo energetico affidabile ed economico.

La valutazione dei costi esterni associati alle emis-

sioni rilasciate nellambiente dalle varie tipologie diimpianti di produzione, trascurabili per gli impianti sola-

ri a concentrazione, potrebbe in futuro rappresentare un

elemento decisivo per la loro diffusione.

Nei prossimi ventanni la potenziale produzione mon-diale per gli impianti termoelettrici solari stimata paria una potenza elettrica installata di 600 GW. Molti di

questi impianti dovranno essere realizzati, secondo le

previsioni, nei paesi in via di sviluppo. Dal momento che

attualmente tali impianti hanno un costo unitario di instal-

lazione assai superiore a quello degli impianti termoe-

lettrici tradizionali, nel breve termine la loro nicchia di

mercato sarlimitata alle localitdove i combustibilifossili hanno prezzi unitari molto elevati. Nel medio ter-

mine si prevede una penetrazione crescente della tecno-logia, a un tasso annuale legato principalmente alla pro-

gressiva riduzione che verrconseguita sul costo delkilowattora prodotto, alle politiche di incentivazione e

di sostegno, al futuro andamento dei prezzi internazio-

nali dei combustibili fossili.

Affinchgli impianti termoelettrici solari possanoraggiungere una reale competitivitsul mercato, dovran-no essere in grado di erogare energia quando richiesta



energia termicaad alta temperatura

concentrazioneradiazione solare

reattore chimico

H2O

H2

1/2O2

fig. 16. Schema semplificato

della produzione di idrogeno

da fonte solare.

H2SO4850 C H371 kJ/mol

I2SO22H2O

SO2

I2

H2O

H2

O2

H2OSO20,5O2

2HI H2I2200-700 C H173 kJ/mol

100 C H165 kJ/mol2HIH2SO4

H2SO4

HI

fig. 17. Schema

del ciclo zolfo-iodio.

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dallutenza, svincolandosi il pipossibile dalla variabi-litdellirraggiamento solare. Solo in tal modo questiimpianti potranno consentire di far fronte in modo affi-

dabile alla domanda di carico sulla rete, senza obbliga-

re il gestore a tenere a disposizione impianti di riserva

di tipo tradizionale, cui ricorrere in caso di imprevedi-

bile e improvvisa riduzione o mancanza della potenzagenerata dalla fonte solare. Come si visto in prece-denza, cisarpossibile solo se gli impianti solari a con-centrazione verranno dotati di un adeguato sistema di

accumulo dellenergia, che consenta loro di erogare poten-za seguendo le variazioni della domanda, compensando

le fluttuazioni della radiazione solare diretta durante il

giorno e la sua assenza di notte. Lintroduzione di unsistema di accumulo permetteranche un sostanzialemiglioramento del fattore di carico dellimpianto di gene-razione, in quanto determinerun aumento delle sue oreannue di funzionamento.

Una caratteristica che potrfavorire la diffusionedegli impianti solari a concentrazione la possibilitdiintegrarli in impianti termoelettrici tradizionali, anche

giin esercizio, per incrementarne la potenza comples-siva. Ciconsentirdi ridurre i costi di investimento uni-tari degli impianti solari termodinamici e di modulare

ampiamente, anche nellarco della giornata, la loro poten-za senza le drastiche diminuzioni di rendimento, nel ciclo

a vapore per la generazione elettrica, tipiche di un impian-

to esclusivamente solare.

Un altro aspetto che potrebbe far decollare il mer-

cato legato alla possibilitdi localizzare gli impian-ti solari a concentrazione nelle aree a elevata insola-zione e trasferire poi lenergia prodotta in eccesso rispet-to alla domanda locale, generalmente scarsa, verso paesi

con una notevole e/o crescente domanda di energia elet-

trica. importante tenere presente, al riguardo, che iltrasferimento di energia elettrica su lunghe distanze,

anche di diverse migliaia di chilometri, giadessotecnicamente ed economicamente fattibile con linee e

cavi sottomarini in corrente continua ad alta tensione

(tecnologia di trasmissione HVDC, High Voltage Direct

Current).

Da questo punto di vista larea mediterranea potreb-be assumere un ruolo trainante per gli scambi tra i paesieuropei, forti consumatori di energia elettrica ma dota-

ti di scarse risorse energetiche, e i paesi dellAfrica set-tentrionale e del Medio Oriente, i quali hanno grandi

disponibilitdi aree a elevata insolazione diretta e difonti energetiche primarie. Gioggi esiste una quasicompleta interconnessione ad anello tra le reti elettri-

che in corrente alternata dei paesi mediterranei e un col-

legamento sottomarino in corrente continua tra Italia e

Grecia. Inoltre, per potenziare linterconnessione tralEuropa e i paesi dellAfrica settentrionale sono incorso di progettazione collegamenti sottomarini in cor-

rente continua con una capacitdi trasporto comples-siva di diverse migliaia di megawatt. La rapida realiz-

zazione di queste interconnessioni potrebbe stimolare

forti investimenti da parte delle imprese europee percostruire e gestire centrali in Africa settentrionale, even-

tualmente in compartecipazione con imprese locali.

Questo faciliterebbe sicuramente anche la costruzione

di centrali termoelettriche solari, inizialmente integra-

te con quelle a combustibili fossili e successivamente,

con la diminuzione dei costi indotta dalla crescita del

volume di mercato, esclusivamente solari, da realizza-

re nelle zone desertiche.

Bibliografia generaleButti K., Perlin J. (1980)A golden thread: 2500 years of

solar architecture and technology, Palo Alto (CA), CheshireBooks.

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Bibliografia citata

Solar Millenium AG (2003)Financing the future. The SolarMillenium share.

Mauro Vignolini

Ente per le Nuove tecnologie, lEnergia e lAmbienteCentro Ricerche Casaccia

Santa Maria in Galeria, Roma, Italia



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6.1.2 Tecnologie fotovoltaiche

Introduzione

Leffetto fotovoltaico consiste nellinsorgere di unaforza elettromotrice in un mezzo elettricamente eteroge-neo investito da radiazioni elettromagnetiche. La deno-minazione deriva dal fatto che il fenomeno fu scopertoda Edmond Becquerel nel 1839 in una cella elettroliticao voltaica. Il fenomeno tipico delle giunzioni semicon-duttore-metallo o semiconduttore-semiconduttore; se lagiunzione illuminata in essa si creano coppie elettrone-lacuna a spese dellenergia dei fotoni incidenti: la bar-riera di potenziale localizzata nella giunzione spinge lelacune verso la zona a potenziale minore e gli elettroniin verso opposto e si genera cos una forza elettromotri-ce (dellordine di qualche decimo di volt); se la giunzio-ne fa parte di un circuito chiuso, si ha il passaggio di unacorrente elettrica. Tale effetto trova applicazione nellaconversione diretta (indicata come energia fotovoltaica,elettricit solare o, pi brevemente,fotovoltaico) di ener-

gia luminosa solare in energia elettrica a opera di oppor-tuni dispositivi detti celle solari. Le singole celle solarivengono collegate tra loro elettricamente per formare deimoduli, sigillati per resistere in ambiente esterno per moltianni. I moduli possono essere utilizzati singolarmente oconnessi elettricamente in campi cosiddetti fotovoltaici.I sistemi fotovoltaici sono di vari tipi: ad accumulo median-te parchi di batterie di accumulatori, direttamente colle-gati alla rete elettrica, o per uso su piccole utenze.

Lelettricit solare ha molti aspetti positivi: a bassoimpatto ambientale, rinnovabile, modulare e pu esse-re utilizzata direttamente sul luogo di produzione. Dicontro una fonte di energia costosa, intermittente e abassa densit. Inoltre il rendimento, o efficienza, di con-versione della radiazione solare in energia elettrica piut-tosto modesto, di circa il 15% per le celle solari indu-striali, il che implica la necessit di coprire grandi super-fici. Il mercato fotovoltaico, grazie soprattutto a incentivigovernativi volti a favorire luso di fonti rinnovabili abasso impatto ambientale, in forte crescita a partiredalla fine degli anni Novanta (fig. 1). Tuttavia, perchquesta possa diventare una fonte di energia significati-va a livello mondiale, occorrono un notevole progressotecnologico e una forte riduzione del costo. Le attivitin corso nel mondo, in termini di ricerca e sviluppo, sonovolte a questi obiettivi.

Storia della tecnologiae delle sue applicazioni

Leffetto fotovoltaico fu scoperto e studiato nellam-bito di sperimentazioni in discipline diverse. Come accen-nato, E. Becquerel osserv che si sviluppavano debolitensioni illuminando uno degli elettrodi di una cella elet-trolitica. Le prime celle solari funzionanti furono rea-lizzate da W.G. Adams e R.E. Day con un solido, il sele-nio, verso la fine del 1870. La spiegazione del fenome-no tuttavia avvenne solo in seguito allinterpretazionequantistica delleffetto fotoelettrico data da A. Einstein


*

produzioneannualefotovoltaico(MW

)

1

100

1.000

10.000

1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006 2010

obiettivo Libro Biancodella Commissione Europea

Stati Uniti

GiapponeEuropa

resto del mondo

totale

*

anno

10

fig. 1. Previsione di crescita

regionale e totale del

mercato al 2010.

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nel 1905. Perchsi realizzassero i primi dispositivi foto-voltaici con rendimento di conversione significativo, si

dovette comunque attendere il 1954, quando i ricercato-

ri dei Bell Laboratories (United States), realizzarono la

prima cella solare al silicio con rendimento del 6%. La

prima commercializzazione delle celle Bell, realizzate

su piccola scala industriale, trovgrandissimi ostacoli acausa dei costi proibitivi. Le applicazioni principali fino

agli anni Settanta furono i sistemi di alimentazione elet-

trica per satelliti artificiali, data lassenza di valide alter-native. La corsa allo spazio di americani e sovietici e la

necessitdi migliorare i sistemi di alimentazione elet-trica dei satelliti indussero il governo statunitense a finan-

ziare programmi di ricerca sul fotovoltaico, permettendo

al contempo il sorgere di iniziative industriali specializ-

zate. I costi delle celle solari scesero cosnotevolmente,rimanendo tuttavia improponibili per applicazioni diver-

se da quelle spaziali o militari.

Lutilizzazione di energia fotovoltaica per applica-zioni terrestri fu legata allo sviluppo, allinizio deglianni Settanta, di tecnologie con specifiche meno strin-

genti di quelle necessarie per le celle impiegate nelle

applicazioni spaziali. In tal modo fu possibile abbassa-

re i costi intorno ai 10-20 dollari/W. Ma anche cosilcosto dellenergia prodotta con i moduli fotovoltaici erapari a circa 40 volte il costo dellenergia elettrica con-venzionale; le prime produzioni per uso terrestre furo-

no percidedicate essenzialmente ad applicazioni in sitiremoti o non facilmente raggiungibili dalla rete elettri-

ca. Crebbe cosun mercato dedicato allelettrificazio-ne di piattaforme petrolifere, allalimentazione, in par-ticolare, di sistemi anticorrosione per i pozzi petrolife-

ri e per le condutture, allalimentazione di sistemi dicomunicazione o di segnalazioni marine, oltre che alle-lettrificazione di villaggi rurali in paesi in via di svi-

luppo. Questo primo mercato terrestre favoril sorgeredelle prime iniziative industriali in varie parti del mondo,

con produzioni in serie piuttosto artigianali e aziende

produttrici molto piccole.

Funzionamento

dei dispositivi fotovoltaici

Il funzionamento delle celle solari legato alla com-plessa interazione fra luce e materia e coinvolge la natu-

ra e le caratteristiche della luce, la fisica dei materiali e

la realizzazione di dispositivi elettronici. Si riporta di

seguito una breve trattazione delle proprietdei semi-conduttori, volta alla comprensione dei principali mec-

canismi di funzionamento delle celle solari. Si cerca-to quanto pipossibile di ridurre il formalismo e di sem-plificare lesposizione, anche se i fenomeni in oggettorichiedono una trattazione quantistica della struttura e

delle proprietdella materia e delle sue interazioni conle radiazioni elettromagnetiche.

Radiazione solare

Il Sole emette luce in un ampio intervallo di lun-

ghezze donda, di cui locchio umano percepisce solola frazione visibile. Nel 1900, M. Planck risolse le discre-

panze tra le osservazioni sperimentali sullo spettro della

radiazione elettromagnetica in equilibrio termico e la

teoria classica del fenomeno, introducendo il concettodi quanto di energia. Successivamente A. Einstein (1905)

evidenzi il comportamento corpuscolare della radia-zione e leglenergia Edel singolo fotone alla lun-ghezza dondal mediante la relazioneEhc/l, dove h,pari a 6,6261034 Js, la costante di Planck e c, paria 2,998108 m/s, la velocitdella luce nel vuoto. Nelladescrizione quantistica della radiazione elettromagneti-

ca intervengono aspetti ondulatori e corpuscolari (dua-

lismo onda-corpuscolo).

La distribuzione spettraleF(l) della radiazione sola-re, trattata come lemissione da un corpo nero, descrit-ta dalla legge di Planck (densitdi energia per unitditempo e di lunghezza donda):

2phc2F(l)11111112

hcl5exp111klT

dove k1,3801023, J/K la costante di Boltzmann eTla temperatura termodinamica del corpo nero (nel caso

del Sole la temperatura apparente della superficie paria circa 6.000 K).

Lintegrale della distribuzione spettrale su tutte le lun-

ghezze donda dla densitdi potenzaHS emessa allasuperficie del Sole:

HSsT46107 W/m2

dove s, pari a 5,67108 W/m2 K4, la costante di Stefan-Boltzmann.

A una distanzaD dalla superficie del Sole:HHSR2/D2, doveR6,96105 km il raggio del Sole. La den-sitdi radiazione vale 1.353 W/m2 al limite dellatmo-sfera terrestre. A parte piccole variazioni dovute allor-bita ellittica della Terra intorno al Sole, tale valore costante. Sulla superficie terrestre, invece, la radiazio-

ne risente di alterazioni dovute alle condizioni atmosfe-riche, alla latitudine e alle stagioni, oltre che allinter-mittenza giorno-notte.

Nel par. 6.1.1 evidenziata lesistenza di una fasciasolare (sunbelt) in cui linsolazione annua sempre rile-vante. La densitdi potenza della radiazione solare minore di quella al limite dellatmosfera per gli assor-bimenti dovuti alle molecole e al pulviscolo atmosferi-

co e per la diffusione (di un 10% circa) da parte delle

molecole dellatmosfera. La massima densitdi radia-zione solare diretta al suolo, in assenza di nubi, intor-no a 950 W/m2 (cui va aggiunta la componente diffusa).

In generale ci si riferisce a un valore di irraggiamen-to convenzionale sulla superficie terrestre per poter



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confrontare le prestazioni di moduli e sistemi fotovol-

taici tra loro, mentre ci si riferisce ai dati climatici loca-

li, se disponibili, per dimensionare correttamente le

installazioni reali. Viene cosdefinito il cosiddetto Soleconvenzionale in corrispondenza a una massa daria glo-bale 1,5 (oAir Mass, AM1,5; lAir Mass relativa alladistanza percorsa dalla radiazione nellatmosfera ed data dalla secante dellangolo q tra la normale al suoloe la posizione del Sole, cioAMsecq, AM1 se q0),pari a 1.000 W/m2 (tenendo conto delle componenti sia

diretta sia diffusa della radiazione). Il Sole convenzio-

nale corrisponde al livello di irraggiamento sulla super-

ficie della Terra a un angolo di circa 49. La radiazio-ne al limite dellatmosfera corrisponde a massa dariazero (AM0).

Semiconduttori

I materiali con i quali realizzare celle fotovoltaiche

sono numerosi e con caratteristiche anche molto diffe-

renti tra loro. Per esempio vi sono i semiconduttori inor-

ganici allo stato solido, tra i quali il silicio di gran lungail piutilizzato, analogamente a quanto accade per letecnologie elettroniche; tra gli altri citiamo il germanio

e composti tra elementi del III e del V gruppo (GaAs,

InP) o del II e del VI (CdTe, CdS) della tavola periodi-

ca degli elementi, come anche composti a tre o piele-menti (InGaN, GaInP). Tra i materiali usati per celle del

tipo Becquerel vi il biossido di titanio (TiO2) con alcu-ni additivi coloranti, mentre per celle organiche vengo-

no usate nanostrutture quali il fullerene (C60) o i poli-meri coniugati. Altri materiali sono allo studio, tra cui le

nanostrutture di silicio. Per una descrizione del funzio-

namento di celle solari basate sulla tecnologia pidif-fusa, quella del silicio, v. oltre.

Propriet del silicio

Elemento del IV gruppo, il silicio ha 4 elettroni di

valenza che, nella forma cristallina ideale, formano altret-

tanti legami covalenti con altri atomi di silicio, ovvero

legami in cui ogni atomo mette in comune uno dei pro-

pri elettroni di valenza con i primi vicini, raggiungen-

do cosla configurazione elettronica stabile (ottetto). Il

silicio non esiste in forma pura in natura, pur essendo il

secondo elemento piabbondante sulla Terra dopo los-sigeno. Si trova invece sotto forma di vari minerali, quali

la silice (biossido di silicio), e per essere trasformato in

cristalli della purezza desiderata necessita di particolari

lavorazioni (v. oltre).

In un semiconduttore quale il silicio, nello stato lega-to e allo zero termodinamico, non vi sono elettroni dispo-

nibili per la conduzione elettrica e il solido si comporta

come un isolante. A temperature diverse dallo zero, inve-

ce, lagitazione termica permette ad alcuni elettroni diliberarsi, anche se il loro numero molto piccolo. Moltipielettroni si possono liberare se il silicio viene illu-minato con una radiazione luminosa i cui fotoni abbia-

no energia sufficientemente elevata, come per esempio

si ha per parte dello spettro solare. La parte di spettro

solare a pielevata energia tende pera interagire congli strati piinterni degli atomi, senza contribuire allef-fetto fotovoltaico. Lenergia di legame degli elettroni delsilicio circa 1,12 eV, che corrisponde a fotoni di unaradiazione con una lunghezza donda di 1.100 nm (vici-no infrarosso).

Il fenomeno fotovoltaico, e molte altre proprietdeisemiconduttori in genere, si possono spiegare in manie-

ra completa con la teoria delle bande elettroniche nei

solidi. Mentre in un atomo esiste solo un insieme di livel-

li energetici discreti occupabili dagli elettroni, quando

molti atomi vengono avvicinati per formare un solido, i

livelli si fondono per dare luogo a delle bande di livelli

energetici ammessi, separate da zone vuote (nel caso disolidi ideali; fig.2). Lampiezza delle zone con livelli nonammessi detta banda proibita (band gap) e corrispondealla minima energia necessaria per portare elettroni da

una banda interamente occupata, e quindi senza possi-

bilitdi movimento (banda di valenza), a una non occu-pata (banda di conduzione), tenendo in considerazione

che gli elettroni occupano prima gli stati a minore ener-

gia. Questa rappresentazione equivalente al passaggiodallo stato covalente legato a uno libero (allinterno delsolido) per uno degli elettroni piesterni degli atomi disilicio. In realt, le bande energetiche hanno andamenti

picomplessi, legati alla struttura tridimensionale dei



energia

d

banda proibita(band gap)

banda diconduzione

banda divalenza

livelli atomicidiscreti

distanza atomica

fig. 2. Schematizzazione

semplificata

della formazione

di bande di livelli energetici

di un semiconduttore

al diminuire della distanza

tra gli atomi.

La distanza drappresenta

il semiconduttore

in equilibrio.

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cristalli, alla temperatura e alle proprietdi simmetriadei reticoli cristallini e del tipo dei legami tra gli atomi.

Generalmente, lampiezza della banda proibita non costante e in particolare, nel caso del silicio, il minimo

della banda di conduzione non corrisponde al massimo

della banda di valenza (si dice, in tal caso, che il semi-

conduttore ha gap indiretto).La forma e la natura della banda proibita influenza-

no profondamente le proprietdei semiconduttori, par-ticolarmente per quanto riguarda linterazione con laradiazione elettromagnetica.

Oltre al band gap, unaltra grandezza significativa il livello di FermiEF, ovvero lenergia al di sotto dellaquale tutti gli stati risultano occupati e al di sopra vuoti.

In assenza di impurezze e imperfezioni reticolari, il livel-

lo di Fermi al centro della banda proibita (fig. 3).Il modello a bande permette di spiegare con relativa

semplicitil meccanismo di funzionamento delle cellesolari. Quando un elettrone viene portato in banda di

conduzione in seguito allassorbimento di un fotone suf-ficientemente energetico, lascia in banda di valenza una

mancanza (o vacanza) di un elettrone, detta lacuna, in

grado di muoversi nel semiconduttore e che si compor-

ta come una pseudoparticella con la stessa carica del-

lelettrone ma di segno opposto.La conduzione elettrica nei semiconduttori, quali il

silicio, dovuta a un flusso di elettroni in direzione oppo-sta a quello delle lacune. Tuttavia il silicio puro ha una

bassa densitdi portatori liberi, anche in presenza di una

radiazione luminosa. una pratica comune quella diinserire quantitcontrollate di alcuni elementi, ovverodrogare il semiconduttore per migliorarne le proprietdi trasporto elettrico. Gli elementi solitamente usati per

il silicio di uso fotovoltaico sono il fosforo pentavalen-

te e il boro trivalente. Tali elementi vengono inseriti in

quantitutili per aumentare il numero di portatori, senzaalterare significativamente le proprietoptoelettronichedel silicio. Nel caso del fosforo, lazione di questi ele-menti quella di dare la disponibilitdi un elettrone libe-ro aggiuntivo rispetto alla simmetria tetravalente del sili-

cio, dotandolo in tal modo di un eccesso di portatori nega-

tivi. Nel caso del boro si ha una lacuna aggiuntiva e ilmateriale ha un eccesso di portatori positivi. Si dice con-

venzionalmente che il silicio drogato con boro di tipop mentre il silicio drogato con fosforo di tipo n.

Utilizzando le tecniche di drogaggio, si riesce ad

aumentare anche di 10.000 volte la densitdi elettroni(o lacune) dal livello di 1012 cm3 del silicio intrinseco

a 1016 cm3 nel caso tipico del boro, il piutilizzato nellafabbricazione di cristalli per uso fotovoltaico. In genere

gli strati con drogaggio in fosforo hanno densitancoramaggiori. Questo permette di approssimare la densitdiportatori in eccesso a temperatura ambiente con la den-

sitdi tale drogante.Dal punto di vista dello schema a bande, le specie

droganti hanno leffetto di introdurre dei livelli energe-tici in prossimitdei bordi (della banda di valenza nelcaso di boro e della banda di conduzione nel caso di

fosforo) e quindi di spostare il livello di Fermi in pros-

simitdei bordi opposti, rendendo disponibile una mag-giore quantitdi livelli energetici. Quando il semicon-duttore drogato viene illuminato, si crea una coppia di

portatori in eccesso: un elettrone e una lacuna. Uno di

tali portatori sarmaggioritario e laltro minoritario, a

seconda della caratteristica del materiale. Per esempionel caso del silicio di tipo p, che ha un eccesso di lacu-

ne, il portatore minoritario sarun elettrone.Anche se la densitdi portatori fotogenerati comun-

que piccola rispetto a quella degli atomi droganti, i por-

tatori minoritari rivestono un ruolo piimportante, permolti aspetti del funzionamento delle celle solari, di quel-

li maggioritari (in questo caso lacune). Quando la den-

sitdi drogaggio prossima a quella degli atomi di sili-cio (51022 atomi cm3), il semiconduttore si dice dege-

nere e la descrizione del materiale in termini di bande picomplessa.

Propriet ottiche

La capacitdei semiconduttori di assorbire la radia-zione non costante su tutto lo spettro. Per ogni mate-riale, infatti, si ha un coefficiente di assorbimento a, unaproprietottica che deriva anchessa dalla struttura abande del semiconduttore ed funzione della lunghez-za donda. Infine ogni materiale ha un coefficiente diriflessione e si avranno componenti trasmesse, riflesse

e assorbite, differenti a seconda della lunghezza donda.Non tutta la luce incidente puessere assorbita dal mate-riale e non tutta la luce assorbita partecipa in uguale

misura alla creazione di portatori, dato che lintensitIdella radiazione diminuisce nel mezzo, secondo la legge:



energia di unelettrone libero

EF, livello di Fermi

banda diconduzione

q

Ec

Ev

E

banda divalenza

EG

fig. 3. Diagramma a bande semplificato.

Ev il bordo della banda di valenza,Ec il bordo della banda di conduzione,EGil band gap, qc laffinitelettronica.

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II0eax (doveI0 lintensitdella radiazione inciden-

te ex lo spessore del materiale attraversato), che impli-

ca, dato landamento al variare della lunghezza dondadel coefficiente di assorbimento, che la radiazione pienergetica venga assorbita negli strati pisuperficialidella cella solare, mentre quella meno energetica venga

assorbita piin profondit.Ne segue che esistono dei valori di spessore ottima-

li per ciascun tipo di semiconduttore, in base alle pro-

prietottiche del materiale. Nel caso del silicio tali spes-sori variano da pochi micron a circa 300 micron (3/10

di millimetro).

Generazione-ricombinazione

Il tasso di generazione di coppie di portatori lega-to alla capacitdel materiale di assorbire efficacemen-te la luce incidente, ovvero alla capacitdi creare unacoppia elettrone-lacuna per ogni fotone incidente. Tale

capacitmisurata da una grandezza chiamata rispostaspettrale (SR, Spectral Response), data dal rapporto fra

la corrente generata e la potenza incidente e pari a

elSR13QE

hc

dove QE (efficienza quantica) il rapporto tra fotoniincidenti e coppie di portatori generate, l la lunghez-za donda ed e il valore assoluto della carica dellelet-trone.

In particolare, per il caso di celle solari al silicio, QE

assume la forma riportata in fig. 4. Si vede chiaramentecome la cella solare non sia in grado di utilizzare tutta

la radiazione solare. Inoltre la cella non assorbe con la

stessa efficacia tutti i fotoni conEEG, perchquellipienergetici creano coppie di portatori presso la super-ficie, dove si ha forte ricombinazione per la presenza di

livelli energetici nella banda proibita dovuti alla discon-

tinuitmateriale-aria; daltra parte, i fotoni piprossimi

alla soglia della banda proibita vengono assorbiti a una

distanza considerevole dalla superficie illuminata e,

se la qualitdel materiale non adeguata, i portatorisi ricombinano prima di essere utilizzati. Inoltre, la

quantittotale di fotoni assorbiti dipende dalla fra-zione di radiazione riflessa dalla superficie. Lintegralesulle lunghezze donda di QE legato alla corrente dicorto circuito. I fotoni con energia inferiore allam-piezza della banda proibita non vengono assorbiti; per-

cial disotto della soglia energetica, QE nullo. Civero anche se lenergia dei fotoni sensibilmente pielevata di quella del band gap. Anche lassorbimentodovuto a portatori ginella banda di conduzione nonha effetto sui meccanismi di trasporto dellenergia elet-trica delle celle, ma di fatto un ostacolo alla genera-zione fotovoltaica. Tale fenomeno si verifica tipica-

mente in materiali molto drogati, o puessere signi-ficativo presso i bordi delle bande e non va incluso nel

calcolo di a(x).Nel caso di dispositivi elettrochimici o basati su mate-

riali polimerici, lassorbimento della radiazione lumi-nosa crea coppie elettrone-lacuna in uno stato eccitato

(eccitoni oppure orbitali molecolari eccitati), che ten-

dono a ritornare molto velocemente allo stato iniziale a

causa dellelevata attrazione elettrostatica (i tempi diricombinazione sono dellordine di 1012 s). In questocaso, la possibilitdi generare una fotocorrente lega-ta alla capacitdi separare gli elettroni dalle lacune moltovelocemente, attraverso soluzioni redox o per mezzo di

materiali carichi che accettino le cariche fotogenerateconvogliandole in un circuito elettrico.

I portatori fotogenerati tendono a ricombinarsi, e tale

processo pirapido se nel materiale esistono dei difet-ti che catturano i portatori. Poichinevitabile che visiano difetti nei materiali, dati da impurezze quali altre

specie atomiche, da distorsioni nel reticolo cristallino o

da effetti superficiali, la capacitdi sfruttare al meglio iportatori fotogenerati dipende dalle proprietdel mate-riale. La qualitdel semiconduttore viene generalmen-te espressa in termini di grandezze quali il tempo di vita

te la lunghezza di diffusioneLddei portatori minorita-

ri, definiti rispettivamente come il tempo medio neces-sa

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