Impianti solari: tipi componenti e principi di funzionamento

Le centrali solari sono sistemi che utilizzano l'energia solare per generare elettricità. Possono essere classificate in due tipi principali: centrali fotovoltaiche (PV) e centrali solari ad energia concentrata (CSP). Le centrali fotovoltaiche convertono direttamente la luce solare in elettricità utilizzando cellule solari, mentre le centrali solari ad energia concentrata utilizzano specchi o lenti per concentrare la luce solare e riscaldare un fluido che aziona una turbina o un motore. In questo articolo, spiegheremo i componenti, la disposizione e il funzionamento di entrambi i tipi di centrali solari, nonché i loro vantaggi e svantaggi.

Cosa è una centrale fotovoltaica?

Una centrale fotovoltaica è un sistema PV su larga scala connesso alla rete e progettato per produrre energia elettrica in grandi quantità dalla radiazione solare. Una centrale fotovoltaica è composta da diversi componenti, come:

• Moduli solari: Questi sono le unità di base di un sistema PV. Sono composti da cellule solari che convertono la luce in elettricità. Le cellule solari sono solitamente realizzate in silicio, che è un materiale semiconduttore in grado di assorbire fotoni e rilasciare elettroni. Gli elettroni fluiscono attraverso il circuito e creano una corrente elettrica. I moduli solari possono essere disposti in diverse configurazioni, come in serie, in parallelo o in serie-parallelo, a seconda dei requisiti di tensione e corrente del sistema.

• Strutture di montaggio: Questi sono i telai o le rastrelliere che supportano e orientano i moduli solari. Possono essere fissi o regolabili, a seconda della posizione e del clima del sito. Le strutture fisse sono più economiche e semplici, ma non seguono il movimento del sole e possono ridurre l'output del sistema. Le strutture regolabili possono inclinare o ruotare i moduli solari per seguire la posizione del sole e ottimizzare la produzione di energia. Possono essere manuali o automatiche, a seconda del grado di controllo e precisione necessario.

• Inverter: Sono dispositivi che convertiscono la corrente continua (DC) prodotta dai moduli solari in corrente alternata (AC) che può essere alimentata nella rete o utilizzata da carichi AC.

  

• Gli inverter possono essere classificati in due tipi: inverter centrali e inverter micro. Gli inverter centrali sono unità grandi che connettono diversi moduli solari o array e forniscono un singolo output AC. Gli inverter micro sono unità piccole che si connettono a ciascun modulo o pannello solare e forniscono output AC individuali. Gli inverter centrali sono più conveniente ed efficienti per sistemi su larga scala, mentre gli inverter micro sono più flessibili e affidabili per sistemi su piccola scala.

• Controller di carica: Sono dispositivi che regolano la tensione e la corrente dei moduli solari o degli array per prevenire la sovraccarica o la sovradisaccarica delle batterie. I controller di carica possono essere classificati in due tipi: controller di modulazione di larghezza d'impulso (PWM) e controller di tracciamento del punto di massima potenza (MPPT). I controller PWM sono più semplici ed economici, ma perdono parte dell'energia interrompendo la corrente di carica. I controller MPPT sono più complessi e costosi, ma ottimizzano l'output energetico regolando la tensione e la corrente per farle corrispondere al punto di massima potenza dei moduli solari o degli array.

• Batterie: Sono dispositivi che immagazzinano l'elettricità in eccesso generata dai moduli solari o dagli array per un uso successivo quando non c'è luce solare o quando la rete è interrotta. Le batterie possono essere classificate in due tipi: batterie a piombo-acido e batterie a ioni di litio. Le batterie a piombo-acido sono più economiche e ampiamente utilizzate, ma hanno una densità energetica inferiore, una vita utile più breve e richiedono più manutenzione. Le batterie a ioni di litio sono più costose e meno comuni, ma hanno una densità energetica superiore, una vita utile più lunga e richiedono meno manutenzione.

• Interruttori: Sono dispositivi che connettono o disconnettono diverse parti del sistema, come moduli solari, inverter, batterie, carichi o reti. Gli interruttori possono essere manuali o automatici, a seconda del livello di sicurezza e controllo necessario. Gli interruttori manuali richiedono l'intervento umano per operarli, mentre gli interruttori automatici operano in base a condizioni o segnali predefiniti.

• Contatori: Sono dispositivi che misurano e visualizzano vari parametri del sistema, come tensione, corrente, potenza, energia, temperatura o irradiazione. I contatori possono essere analogici o digitali, a seconda del tipo di visualizzazione e della precisione necessaria. I contatori analogici utilizzano aghi o quadranti per mostrare i valori, mentre i contatori digitali utilizzano numeri o grafici per mostrarli.

• Cavi: Sono fili che trasmettono elettricità tra diverse parti del sistema. I cavi possono essere classificati in due tipi: cavi DC e cavi AC. I cavi DC trasportano corrente continua dai moduli solari agli inverter o alle batterie, mentre i cavi AC trasportano corrente alternata dagli inverter alla rete o ai carichi.

La disposizione di una centrale fotovoltaica dipende da diversi fattori, come le condizioni del sito, la dimensione del sistema, gli obiettivi di progettazione e i requisiti di rete. Tuttavia, una disposizione tipica è composta da tre parti principali: parte di generazione, parte di trasmissione e parte di distribuzione.

La parte di generazione include moduli solari, strutture di montaggio e inverter che producono elettricità dalla luce solare.

La parte di trasmissione include i cavi, gli interruttori e i contatori che trasmettono l'elettricità dalla parte di generazione alla parte di distribuzione.

La parte di distribuzione include le batterie, i controller di carica e i carichi che immagazzinano o consumano elettricità.

Il seguente diagramma mostra un esempio di disposizione di una centrale fotovoltaica:

Il funzionamento di una centrale fotovoltaica dipende da diversi fattori, come le condizioni meteorologiche, la domanda di carico e lo stato della rete. Tuttavia, un funzionamento tipico è composto da tre modalità principali: modalità di carica, modalità di scarica e modalità di collegamento alla rete.

La modalità di carica si verifica quando c'è eccesso di luce solare e bassa domanda di carico. In questa modalità, i moduli solari generano più elettricità di quanto sia necessario per i carichi. L'elettricità in eccesso viene utilizzata per caricare le batterie attraverso i controller di carica.

La modalità di scarica si verifica quando non c'è luce solare o c'è alta domanda di carico. In questa modalità, i moduli solari generano meno elettricità di quanto sia necessario per i carichi. L'elettricità in deficit viene fornita dalle batterie attraverso gli inverter.

La modalità di collegamento alla rete si verifica quando c'è disponibilità di rete e tariffe favorevoli. In questa modalità, i moduli solari generano elettricità che può essere alimentata nella rete attraverso gli inverter.

La modalità di collegamento alla rete può anche verificarsi quando c'è un'interruzione di rete e serve energia di backup. In questa modalità, i moduli solari generano elettricità che può essere utilizzata dai carichi attraverso gli inverter.

Cosa è una centrale solare ad energia concentrata?

Una centrale solare ad energia concentrata è un sistema CSP su larga scala che utilizza specchi o lenti per concentrare la luce solare su un ricevitore che riscalda un fluido che aziona una turbina o un motore per generare elettricità. Una centrale solare ad energia concentrata è composta da diversi componenti, come:

• Raccoglitori: Sono dispositivi che riflettono o rifrangono la luce solare su un ricevitore. I raccoglitori possono essere classificati in quattro tipi: paraboliche a canalone, paraboliche a disco, riflettori lineari Fresnel e ricevitori centrali. Le paraboliche a canalone sono specchi curvi che focalizzano la luce solare su un tubo ricevitore lineare che corre lungo la loro linea focale. Le paraboliche a disco sono specchi concavi che focalizzano la luce solare su un ricevitore puntiforme nel loro punto focale. I riflettori lineari Fresnel sono specchi piatti che riflettono la luce solare su un tubo ricevitore lineare sopra di essi. I ricevitori centrali sono torri circondate da un array di specchi piatti chiamati eliostati che riflettono la luce solare su un ricevitore puntiforme in cima.

• Ricevitori: Sono dispositivi che assorbono la luce solare concentrata e la trasferiscono a un fluido di trasferimento termico (HTF). I ricevitori possono essere classificati in due tipi: ricevitori esterni e interni. I ricevitori esterni sono esposti all'atmosfera e hanno perdite termiche elevate a causa della convezione e della radiazione. I ricevitori interni sono racchiusi in una camera a vuoto e hanno perdite termiche basse a causa dell'isolamento e dell'evacuazione.

• Fluidi di trasferimento termico: Sono fluidi che circolano attraverso i ricevitori e trasportano calore dai raccoglitori al blocco di potenza. I fluidi di trasferimento termico possono essere classificati in due tipi: fluidi termici e sali fusi. I fluidi termici sono liquidi organici come oli sintetici o idrocarburi che hanno punti di ebollizione elevati e punti di congelamento bassi. I sali fusi sono composti inorganici come nitrato di sodio o nitrato di potassio che hanno una capacità termica elevata e una pressione di vapore bassa.

• Blocco di potenza: È dove l'elettricità viene generata dal calore utilizzando una turbina o un motore accoppiato a un generatore. Il blocco di potenza può essere classificato in due tipi: ciclo a vapore e ciclo Brayton. Il ciclo a vapore utilizza acqua come HTF e produce vapore che aziona una turbina a vapore collegata a un generatore elettrico. Il ciclo Brayton utilizza aria come HTF e produce aria calda che aziona una turbina a gas collegata a un generatore elettrico.

• Sistema di accumulo: È dove il calore in eccesso viene immagazzinato per un uso successivo quando non c'è luce solare o quando c'è alta domanda di carico. I sistemi di accumulo possono essere classificati in due tipi: accumulo di calore sensibile e accumulo di calore latente. L'accumulo di calore sensibile utilizza materiali come rocce, acqua o sali fusi che immagazzinano calore aumentando la loro temperatura senza cambiare fase. L'accumulo di calore latente utilizza materiali come materiali di cambio di fase (PCM) o materiali termochimici (TCM) che immagazzinano calore cambiando fase o stato chimico senza cambiare la temperatura.

La disposizione di una centrale solare ad energia concentrata dipende da diversi fattori, come le condizioni del sito, la dimensione del sistema, gli obiettivi di progettazione e i requisiti di rete. Tuttavia, una disposizione tipica è composta da tre parti principali: campo di raccolta, blocco di potenza e sistema di accumulo.

Il campo di raccolta include i raccoglitori, i ricevitori e gli HTF che raccolgono e trasportano calore dalla luce solare.