UNA TRAPPOLA PER LA LUCE DEL SOLE

Questo “post” è dedicato a coloro i quali vogliano cimentarsi nella ricerca di nuove idee per l’utilizzo dell’energia solare. Nel 2006 la rivista European Journal of Physics pubblicò un’idea promettente. La propongo ai lettori del blog, essendo in parte padre dell’idea stessa. Formulo, infine, una proposta: una caldaia a energia solare.

Fig. 1   La cattura dei raggi solari attraverso un collettore, 

composto da due specchi, M₁ e M₂, e un corpo perfettamente
assorbente B. In questa rappresentazione schematica i raggi
di luce sono le line traggiate gialle. F₁ e V₁ sono, rispettivamente, 
il fuoco e il vertice dello specchio parabolico M₁. 

Il concetto di trappola di energia solare [1], ovvero di un sistema costituito da un collettore di luce solare e da un corpo perfettamente assorbente, può essere adoperato per ideare – come vedremo i seguito - un generatore di vapore. Innanzitutto, vediamo cosa si intende per “trappola di raggi solari”. Uno schema di questa “trappola” è dato in figura 1. La luce che promana dal Sole viene intercettata da uno specchio primario orientabile M₁ a forma parabolica. Per le note proprietà della parabola, la luce “dall’infinito” viene concentrata nel fuoco F₁. In prossimità di F₁ viene posto uno specchio M₂ a profilo ellittico (ad esempio). L’ellisse, a differenza della parabola, che ha un unico fuoco, possiede due fuochi distinti. Costruiamo M₂ in modo tale che i suoi due fuochi corrispondano esattamente con F₁ e V₁. Lo specchio a profilo ellissoidale è denominato “Zozzaroide”, in onore del prof. Zozzaro Paolantonio che ne ha ipotizzato l’uso specifico. Operiamo quindi un piccolo foro nello specchio parabolico M₁ in prossimità del suo vertice V₁. In questo modo, tutta la luce intercettata dallo specchio primario potrà essere intrappolata in un corpo perfettamente assorbente B. Come costruire questo corpo B? Un’idea è espressa in figura 2: la didascalia ne specifica le caratteristiche. A questo punto siamo pronti per costruire la caldaia solare rappresentata in figura 3.

Fig. 2   Il corpo “perfettamente” assorbente B viene rappresentato come una cavità con pareti assorbenti. La luce del sole, riflettendosi nella cavità, cede la propria energia alla parete e, quest'ultima, all'acqua contenuta nella sfera di raggio R, che ha pareti isolanti e che ingloba la cavità. Dopo un certo numero di riflessioni, tutta l’energia radiante è trasferita all'acqua.

Nella “caldaia solare” in figura 3 il corpo assorbente è di forma cilindrica e la camicia esterna alla cavità, in cui avvengono le riflessioni della luce mostrate in figura 2, è parzialmente riempita di acqua. L’acqua non solo è riscaldata, ma è portata a ebollizione e il vapore surriscaldato è estratto come in figura 3. Naturalmente, la quantità di vapore generato all’istante di tempo t dipende in modo diretto dall’energia radiante che il sistema riceve, istantaneamente, dal sole. Sebbene questa caratteristica restringa il campo di applicazione dell’apparato, soprattutto per quanto concerne le applicazioni industriali tradizionali, è possibile individuare dei metodi di immagazzinamento dell’energia prodotta, preferibilmente anch’essi rispondenti alle caratteristiche di sostenibilità alle quali il concetto di caldaia solare si ispira, in modo da poter usufruire di questa stessa energia in maniera più controllata.

Fig. 3   Rappresentazione pittorica della “caldaia solare”. La scatola in basso a sinistra regola l’inseguimento solare dello specchio parabolico. Nella parte non rotante in basso è riprodotto l’ingresso e l’uscita di vapore.

La presente proposta di caldaia offre dei vantaggi nel campo della generazione diretta del vapore da fonte solare attualmente allo studio [2]. In questi sistemi, gli specchi parabolici, molto simili a quelli concepiti nel progetto Archimede di Carlo Rubbia, concentrano la luce del sole nel fuoco lineare, dove scorre un tubo in cui viene racchiusa acqua. Nelle centrali del progetto Archimede, al posto dell’acqua, si utilizza un liquido ad alta temperatura di ebollizione che possa trasferire calore, per convezione, ad una caldaia, nella quale viene prodotto vapore. Tra i vantaggi offerti dalla caldaia concettualmente ideata in questo lavoro, vi è quello che la temperatura del vapore surriscaldato non è limitata da effetti di dispersione del calore verso l’ambiente esterno, come avviene nei sistemi a concentrazione solare, sia che utilizzino un liquido convettivo sia che producano vapore in modo diretto. Inoltre, l’ingombro sul terreno di questi sistemi, che si potrebbero sviluppare anche in altezza, è minore rispetto ai tradizionali impianti a concentrazione, a parità di superficie efficace delle parabole esposte al sole.

Altre applicazioni del concetto di trappola di energia solare possono essere ideate, soprattutto nello sforzo di aiutare le popolazioni del Sud del Mondo, per le quali lo sfruttamento diretto della luce del sole potrebbe significare un inizio di un processo di sviluppo diverso da quello conosciuto dai paesi attualmente altamente industrializzati. Basti pensare alle possibili applicazioni nel campo della dissalazione dell’acqua marina, processo che potrebbe essere molto più efficace ed efficiente, se effettuato all’interno di una trappola solare. Proprio per uno strano destino di queste popolazioni, che sono molto ricche di energia solare, ma povere, in genere, di acqua, le applicazioni di questi sistemi potrebbero in parte alleviare le sofferenze prodotte da siccità cicliche o da quelle indotte dai mutamenti climatici in atto. Non sarebbe nemmeno troppo lontano dalla realtà ipotizzare, nel prossimo futuro, un processo di sviluppo industriale di queste aree completamente basato sulle energie rinnovabili, tra le quali l’energia solare.

[1] R. De Luca, F. Romeo, P. Zozzaro, Capturing sunlight, Eur. J. Phys. 27 (2006) 347-352.

[2] E. Zarza, L. Valenzuela, J. León, D. Weyers, M. Eickhoff, M. Eck , K. Hennecke, J. Solar Energy Eng. 124, 126 (2002).