Come funziona un collettore solare parabolico

di | Aprile 8, 2019

Sarà capitato a molti di trovare poco interessante, o addirittura inutile, dover imparare a memoria definizioni del tipo… la parabola è il luogo geometrico dei punti di un piano equidistanti da un punto fisso, detto fuoco, e da una retta fissa, detta direttrice. Orbene, la definizione che ritenevamo così noiosa ci permette di concentrare la luce del sole e generare energia a noi utile!

Il crescente interesse intorno al solare termodinamico, tra i cui fautori c’è il premio Nobel Carlo Rubbia, stuzzica la curiosità di molti lettori che ci scrivono chiedendo informazioni più dettagliate o giungono su Blog Energia con altrettante crescenti chiavi di ricerca sul tema. Proviamo ad esaminare in dettaglio il principio di funzionamento di questo sistema.

Esistono diversi approcci per concentrare il calore del sole in un punto: quello più interessante sembra essere il sistema che fa ricorso alle proprietà delle superfici paraboliche. Una parabola è una superficie che gode, fra le altre, di una proprietà che ci interessa particolarmente.

Tutti i raggi solari (in rosso nella figura) che siano paralleli all’asse di uno specchio avente forma di parabola (in verde, visto in sezione) vengono riflessi in un unico punto, detto fuoco.

Ciò significa che è possibile concentrare l’energia del sole, purché si tenga puntata la parabola esattamente verso di esso. In realtà, l’oggetto di cui stiamo parlando è di uso molto comune: la stessa forma viene usata per le antenne TV satellitari che concentrano le onde elettromagnetiche provenienti dallo spazio.

A voler essere precisi, ciò che noi chiamiamo parabola è un paraboloide (la parabola è una semplice linea su un piano). A differenza del paraboloide per TV (fisso sempre in direzione del satellite) nel nostro caso ci sono delle ulteriori complicazioni date dal fatto che il sole si muove rispetto a noi durante l’intero arco della giornata, con traiettorie differenti a seconda del periodo dell’anno.

Questo significa che per mantenere la concentrazione dei raggi solari su di un certo punto, la nostra parabola deve poter ruotare attorno ad esso, cambiando inoltre la propria inclinazione sulla verticale: insomma il sistema è proprio complicato!

Nel punto che corrisponde al fuoco viene posizionato un contenitore per il fluido vettore che dovrà venire riscaldato a temperature elevatissime (fino a 550°C!). Si capisce bene come per condizioni così estreme è difficile far affidamento su giunti o parti in movimento. Per questo è più opportuno far muovere il paraboloide intorno al contenitore del fluido vettore.

Esiste tuttavia un sistema diverso che sfrutta lo stesso principio della sezione parabolica: il concentratore lineare a cilindro parabolico.

Come si vede in figura, esso è uno specchio basculante rispetto all’asse longitudinale, che ha la sezione di una parabola: in tal modo il fuoco non è più rappresentato da un punto ma da una linea. Basculando opportunamente il concentratore, è sempre possibile fare sì che si verifichi un allineamento fra sole, fuoco lineare e vertice (fondo) del cilindro parabolico. Sebbene si perda un po’ in efficienza, in quanto il sole non è perpendicolare all’asse del cilindro, il sistema funziona bene.

I collettori ottimali sono dunque dei cilindri parabolici basculanti posti orizzontalmente sul terreno con direzione che può essere Est-Ovest o Nord-Sud. Vediamo quali siano vantaggi e svantaggi dei due orientamenti.

Nell’esempio che riportiamo abbiamo calcolato la superficie equivalente a quella perpendicolare al sole per il solstizio d’estate, quello d’inverno e l’equinozio, per un collettore orientato Nord-Sud ed uno orientato Est-Ovest, nell’arco di ciascuna delle tre giornate considerate e per una latitudine di 35° (grosso modo Lampedusa).

In effetti si nota come soprattutto nei sei mesi estivi (compresi fra i due equinozi) l’efficienza di un collettore orientato Nord-Sud sia maggiore in quanto la superficie equivalente è sempre pari ad almeno 0,8.

Il concentratore parabolico non è l’unico possibile ma sembra essere il più efficiente. Se questo assume la forma di cilindro parabolico orientato Nord-Sud i risultati sono particolarmente interessanti. Questo vale soprattutto nelle latitudini medio-basse.

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