L'energia solare si riferisce all'energia radiante derivata dalla luce e dal calore del sole, che può essere catturata attraverso varie tecnologie, tra cui la generazione di elettricità solare, i sistemi solari termici (come il riscaldamento solare dell'acqua) e la progettazione architettonica solare. Essendo una fonte vitale di energia rinnovabile, le tecnologie solari sono generalmente classificate in categorie passive o attive, in base ai loro metodi per catturare, distribuire o convertire l'energia solare in energia utilizzabile. Gli approcci solari attivi comprendono l’utilizzo di sistemi fotovoltaici (PV), energia solare concentrata (CSP) e riscaldamento solare dell’acqua per sfruttare efficacemente questa energia. Al contrario, le strategie solari passive coinvolgono elementi di progettazione architettonica come l'ottimizzazione degli edifici per una migliore illuminazione naturale, l'impiego di materiali con caratteristiche di massa termica o di dispersione della luce vantaggiose e la configurazione degli spazi per facilitare la circolazione naturale dell'aria.
L'energia solare è l'energia radiante proveniente dalla luce e dal calore del sole, che può essere sfruttata utilizzando una serie di tecnologie come l'elettricità solare, l'energia solare termica (compreso il riscaldamento solare dell'acqua) e l'architettura solare. È una fonte essenziale di energia rinnovabile e le sue tecnologie sono ampiamente caratterizzate come solare passivo o solare attivo a seconda di come catturano e distribuiscono l’energia solare o la convertono in energia solare. Le tecniche solari attive includono l’uso di sistemi fotovoltaici, energia solare concentrata e riscaldamento solare dell’acqua per sfruttare l’energia. Le tecniche solari passive includono la progettazione di un edificio per una migliore illuminazione naturale, la selezione di materiali con massa termica favorevole o proprietà di dispersione della luce e l'organizzazione di spazi che fanno circolare naturalmente l'aria.
Nel 2011, l'Agenzia internazionale per l'energia (IEA) ha evidenziato i significativi vantaggi a lungo termine dello sviluppo di tecnologie di energia solare accessibili, inesauribili e pulite. L'agenzia ha affermato che tali progressi "aumenterebbero la sicurezza energetica dei paesi attraverso la dipendenza da una risorsa autoctona, inesauribile e per lo più indipendente dalle importazioni, migliorerebbero la sostenibilità, ridurrebbero l'inquinamento, abbasserebbero i costi di mitigazione del riscaldamento globale... questi vantaggi sono globali".
Potenziale
L'atmosfera superiore della Terra intercetta circa 174 petawatt (PW) di radiazione solare in arrivo, comunemente denominata insolazione. Di questo totale, circa il 30% viene riflesso nello spazio, mentre i restanti 122 PW vengono assorbiti dalle nubi atmosferiche, dagli oceani e dalle masse terrestri. Lo spettro della luce solare che raggiunge la superficie terrestre si estende prevalentemente nelle regioni del visibile e del vicino infrarosso, con una componente minore nel vicino ultravioletto. Una parte significativa della popolazione mondiale risiede in regioni con livelli di insolazione compresi tra 150 e 300 watt/m2, equivalenti a 3,5-7,0 kWh/m2 al giorno.
La radiazione solare viene assorbita dalla superficie terrestre, dai suoi oceani, che comprendono circa il 71% del globo, e dalla sua atmosfera. Questo assorbimento guida l’evaporazione dell’acqua dagli oceani, portando alla risalita di aria calda e carica di umidità, che avvia la circolazione atmosferica e la convezione. Una volta raggiunte altitudini più elevate, dove le temperature sono più basse, questo vapore acqueo si condensa formando nuvole, che successivamente precipitano sotto forma di pioggia sulla superficie terrestre, completando così il ciclo idrologico. Il calore latente rilasciato durante la condensazione dell'acqua intensifica ulteriormente la convezione, contribuendo alla formazione di vari fenomeni atmosferici, tra cui vento, cicloni e anticicloni. L'assorbimento della luce solare da parte degli oceani e delle masse terrestri mantiene la superficie terrestre ad una temperatura media di 14°C. Attraverso la fotosintesi, le piante verdi convertono l'energia solare in energia immagazzinata chimicamente, formando la base per il cibo, il legno e la biomassa da cui hanno origine i combustibili fossili.
L'atmosfera terrestre, gli oceani e le masse terrestri assorbono collettivamente circa 122 PW·anno, equivalenti a 3.850.000 exajoule (EJ) all'anno. In confronto, nel 2002, l'energia assorbita in un'ora ha superato il consumo energetico totale annuo del mondo; nel 2019, questa durata è aumentata a un'ora e 25 minuti per corrispondere all'utilizzo globale annuale. La fotosintesi, a sua volta, cattura circa 3.000 EJ all'anno, convertendoli in biomassa.
Il potenziale pratico per l'utilizzo umano dell'energia solare diverge dall'energia solare totale disponibile sulla superficie terrestre, principalmente a causa di fattori limitanti quali vincoli geografici, variazioni temporali, copertura nuvolosa e disponibilità di terreni idonei. Nel 2021, la Carbon Tracker Initiative ha previsto che per generare tutta l'energia globale esclusivamente da fonti solari sarebbe necessaria una superficie terrestre di 450.000 km2, paragonabile alla superficie terrestre di Svezia, Marocco o California, che rappresenta circa lo 0,3% della superficie totale della Terra.
Le tecnologie solari sono classificate come passive o attive in base ai loro metodi di cattura, conversione e distribuzione della luce solare, consentendo l'energia solare. da sfruttare con diverse efficienze a livello globale, in gran parte influenzate dalla vicinanza all’Equatore. Sebbene il termine "energia solare" denoti prevalentemente l'applicazione pratica della radiazione solare, è interessante notare che tutte le forme di energia rinnovabile, ad eccezione dell'energia geotermica e delle maree, provengono direttamente o indirettamente dal Sole.
Le tecniche solari attive sfruttano la luce solare attraverso il fotovoltaico, l'energia solare concentrata, i collettori solari termici, le pompe e i ventilatori per generare energia utilizzabile. Al contrario, le tecniche solari passive implicano la selezione di materiali con caratteristiche termiche vantaggiose, la progettazione di spazi per la circolazione naturale dell’aria e l’orientamento ottimale degli edifici rispetto al sole. Le tecnologie solari attive aumentano l'offerta di energia e sono quindi classificate come soluzioni dal lato dell'offerta, mentre le tecnologie solari passive riducono la dipendenza da fonti energetiche alternative, classificandole come soluzioni dal lato della domanda.
Nel 2000, il Programma di sviluppo delle Nazioni Unite, il Dipartimento degli affari economici e sociali delle Nazioni Unite e il Consiglio mondiale per l'energia hanno stimato congiuntamente il potenziale globale annuale dell'energia solare disponibile per l'utilizzo umano. Questa valutazione ha considerato variabili quali l'insolazione, la copertura nuvolosa e la superficie terrestre accessibile. I risultati hanno indicato un potenziale energetico solare globale compreso tra 1.600 e 49.800 exajoule (da 4,4×1014 a 1,4×1016 kWh) all'anno.
Energia termica
Le tecnologie solari termiche trovano applicazione nel riscaldamento dell'acqua, nel riscaldamento degli ambienti, nel raffreddamento degli ambienti e nella generazione di calore dei processi industriali.
Adozione commerciale anticipata
Durante l'Esposizione Universale del 1878 a Parigi, Augustin Mouchot presentò con successo un motore a vapore solare; tuttavia, il suo ulteriore sviluppo è stato ostacolato dalla disponibilità di carbone poco costoso e da altri fattori che contribuiscono.
Nel 1897, l'inventore, ingegnere e pioniere americano dell'energia solare Frank Shuman costruì un motore solare dimostrativo su piccola scala. Questo dispositivo funzionava concentrando l'energia solare su scatole quadrate contenenti etere, una sostanza con punto di ebollizione inferiore a quello dell'acqua, che erano dotate internamente di tubi neri che successivamente azionavano un motore a vapore. Nel 1908, Shuman fondò la Sun Power Company, con l'obiettivo di sviluppare impianti di energia solare più grandi. Collaborando con il suo consulente tecnico A.S.E. Ackermann e il fisico britannico Sir Charles Vernon Boys, ideò un sistema avanzato che utilizzava specchi per riflettere l'energia solare sui collettori. Questa innovazione ha aumentato significativamente la capacità di riscaldamento, consentendo di utilizzare l'acqua al posto dell'etere. Successivamente, Shuman costruì un motore a vapore su vasta scala alimentato da acqua a bassa pressione, ottenendo un brevetto per l'intero sistema di motore solare entro il 1912.
Tra il 1912 e il 1913, Shuman fondò la prima centrale solare termica al mondo a Maadi, in Egitto. Questa struttura utilizzava vasche paraboliche per alimentare un motore da 45-52 kilowatt (60-70 cv), che estraeva oltre 22.000 litri (4.800 imp gal; 5.800 US gal) di acqua al minuto dal fiume Nilo per l'irrigazione dei vicini campi di cotone. Nonostante gli ostacoli posti dalla prima guerra mondiale e la successiva scoperta del petrolio a buon mercato negli anni '30, che ridusse lo sviluppo dell'energia solare, il progetto fondamentale e la lungimiranza di Shuman conobbero una rinascita negli anni '70 in mezzo al rinnovato interesse per la tecnologia solare termica. Nel 1916, Shuman fu citato dai media per promuovere l'uso dell'energia solare, affermando:
Abbiamo dimostrato il profitto commerciale dell'energia solare ai tropici e, più in particolare, che una volta esaurite le nostre riserve di petrolio e carbone, la razza umana può ricevere energia illimitata dai raggi del sole.
Riscaldamento dell'acqua
I sistemi solari per l'acqua calda utilizzano la radiazione solare per riscaldare l'acqua. Nelle regioni di media latitudine (tra 40° Nord e 40° Sud), i sistemi di riscaldamento solare possono fornire dal 60% al 70% del fabbisogno di acqua calda sanitaria, raggiungendo temperature dell'acqua fino a 60 °C (140 °F). I tipi predominanti di scaldacqua solari includono collettori a tubi sottovuoto (44%) e collettori piani smaltati (34%), utilizzati principalmente per l'acqua calda sanitaria, insieme a collettori in plastica non smaltati (21%), utilizzati prevalentemente per il riscaldamento delle piscine.
Entro il 2015, la capacità installata globale dei sistemi solari per l'acqua calda ha raggiunto circa 436 gigawatt termici (GWth). La Cina è leader mondiale in questa diffusione, con 309 GWesimo installati, che rappresentano il 71% della quota di mercato. Su base pro capite, Israele e Cipro sono i principali paesi adottanti, con oltre il 90% delle case che utilizzano sistemi solari per l’acqua calda. Negli Stati Uniti, Canada e Australia, l'applicazione principale della tecnologia solare per l'acqua calda è il riscaldamento delle piscine, con una capacità installata di 18 GWesimo dichiarata nel 2005.
Riscaldamento, raffreddamento e ventilazione
Negli Stati Uniti, i sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC) rappresentano il 30% (4,65 EJ/anno) dell'energia consumata negli edifici commerciali e quasi il 50% (10,1 EJ/anno) dell'energia utilizzata nelle strutture residenziali. Le tecnologie di riscaldamento, raffreddamento e ventilazione solare offrono un mezzo per mitigare una parte di questa domanda di energia. Le applicazioni di riscaldamento solare sono generalmente classificate come concetti solari passivi e concetti solari attivi, caratterizzati dall'incorporazione di elementi attivi come l'inseguimento del sole e l'ottica del concentratore solare.
La massa termica si riferisce a qualsiasi materiale in grado di immagazzinare energia termica, in particolare il calore solare nel contesto delle applicazioni solari. I comuni materiali di massa termica includono pietra, cemento e acqua. Storicamente, questi materiali venivano impiegati nelle regioni aride o temperate calde per mantenere freschi gli interni degli edifici assorbendo l’energia solare durante il giorno e irradiando il calore immagazzinato nell’atmosfera più fresca durante la notte. Tuttavia, sono efficaci anche nelle zone temperate fredde per trattenere il calore. La dimensione e il posizionamento ottimali della massa termica dipendono da vari fattori, tra cui il clima, le condizioni di luce naturale e l'ombra. Se integrata strategicamente, la massa termica aiuta a mantenere temperature interne confortevoli e diminuisce la dipendenza da apparecchiature ausiliarie di riscaldamento e raffreddamento.
Un camino solare, noto anche come camino termico in questo contesto, costituisce un sistema di ventilazione solare passivo caratterizzato da un pozzo verticale che collega l'interno e l'esterno di un edificio. Man mano che il camino si riscalda, l'aria al suo interno si riscalda, generando una corrente ascensionale che facilita la circolazione dell'aria in tutto l'edificio. Le prestazioni possono essere migliorate attraverso l'incorporazione di vetri e materiali di massa termica, emulando i principi delle serre.
Gli alberi e le piante decidue sono riconosciuti per la loro utilità nella regolazione del riscaldamento e del raffreddamento solare. Quando posizionati sul lato sud di un edificio nell'emisfero settentrionale o sul lato settentrionale nell'emisfero meridionale, il loro fogliame fornisce ombra durante l'estate, mentre i loro rami nudi consentono la penetrazione del sole in inverno. Dato che gli alberi spogli e senza foglie ombreggiano tra 1/3 e 1/2 della radiazione solare incidente, esiste un equilibrio tra i vantaggi dell’ombreggiatura estiva e la corrispondente riduzione del riscaldamento invernale. Nei climi che presentano notevoli carichi di riscaldamento, gli alberi decidui non dovrebbero essere piantati sul lato dell’edificio rivolto all’Equatore, poiché ostacolerebbero la disponibilità solare invernale. Tuttavia, possono essere utilizzati efficacemente sui lati est e ovest per offrire un certo grado di ombreggiatura estiva senza influire in modo significativo sul guadagno solare invernale.
Applicazioni culinarie
I fornelli solari sfruttano la radiazione solare per la cottura, l'essiccazione e la pastorizzazione. Sono generalmente classificati in tre categorie principali: cucine a scatola, cucine a pannello e cucine a riflettore. Il fornello solare più semplice è il fornello a scatola, inizialmente costruito da Horace de Saussure nel 1767. Un fornello a scatola fondamentale comprende un contenitore isolante con un coperchio trasparente. Funziona efficacemente con cieli parzialmente nuvolosi e in genere raggiunge temperature comprese tra 90 e 150 ° C (194–302 ° F). Le cucine a pannello utilizzano un pannello riflettente per dirigere la luce solare su un contenitore isolato, raggiungendo temperature paragonabili a quelle delle cucine a scatola. I fornelli riflettenti utilizzano varie geometrie di concentrazione, come piatti, vaschette o specchi di Fresnel, per focalizzare la luce su un recipiente di cottura. Questi fornelli possono raggiungere temperature di 315 °C (599 °F) e superiori, ma necessitano della luce solare diretta per un corretto funzionamento e richiedono il riposizionamento per seguire il sole.
Calore dei processi industriali
Le tecnologie di concentrazione solare, tra cui parabole, canali e riflettori Scheffler, sono in grado di fornire calore di processo per applicazioni commerciali e industriali. Il sistema commerciale inaugurale è stato il Solar Total Energy Project (STEP) a Shenandoah, Georgia, Stati Uniti, dove un campo di 114 paraboliche soddisfaceva il 50% del processo di riscaldamento, condizionamento dell'aria ed elettrico di una fabbrica di abbigliamento. Questo sistema di cogenerazione connesso alla rete ha generato 400 kW di elettricità, insieme a energia termica sotto forma di 401 kW di vapore e 468 kW di acqua refrigerata, e incorporava una capacità di accumulo termico di carico di punta di un’ora. Gli stagni di evaporazione sono bacini poco profondi progettati per concentrare i solidi disciolti attraverso l'evaporazione. L'utilizzo di stagni di evaporazione per estrarre il sale dall'acqua di mare rappresenta una delle prime applicazioni dell'energia solare. Gli usi contemporanei includono la concentrazione di soluzioni saline impiegate nell'estrazione della lisciviazione e la rimozione dei solidi disciolti dai flussi di rifiuti.
Stendibiancheria, stendibiancheria e stendibiancheria facilitano l'asciugatura degli indumenti tramite evaporazione, sfruttando il vento e la luce solare senza richiedere elettricità o gas. La legislazione in alcuni stati degli Stati Uniti tutela il "diritto ad asciugare" i vestiti. I collettori traspiranti non smaltati (UTC) sono pareti perforate esposte al sole progettate per preriscaldare l'aria di ventilazione. Questi UTC possono aumentare la temperatura dell'aria in ingresso fino a 22 °C (40 °F), raggiungendo temperature in uscita comprese tra 45 e 60 °C (113–140 °F). Con un rapido periodo di ammortamento da 3 a 12 anni, i collettori traspiranti rappresentano un'opzione economicamente più valida rispetto ai sistemi di raccolta vetrati. Nel 2003, più di 80 sistemi di questo tipo, che comprendevano un'area totale di collettori di 35.000 metri quadrati (380.000 piedi quadrati), erano stati implementati a livello globale. Tra le installazioni degne di nota figurano un collettore di 860 m2 (9.300 piedi quadrati) in Costa Rica, utilizzato per essiccare i chicchi di caffè, e un collettore di 1.300 m2 (14.000 piedi quadrati) a Coimbatore, in India, utilizzato per essiccare le calendule.
Trattamento dell'acqua
La distillazione solare offre un metodo per rendere potabile l'acqua salina o salmastra. La prima applicazione documentata di questa tecnologia risale agli alchimisti arabi del XVI secolo. Il primo impianto di distillazione solare su larga scala fu fondato nel 1872 a Las Salinas, una città mineraria cilena. Questo impianto, dotato di un'area di raccolta solare di 4.700 m2 (51.000 piedi quadrati), era in grado di produrre fino a 22.700 L (5.000 imp gal; 6.000 US gal) al giorno ed è rimasto operativo per quattro decenni. Esistono vari modelli di distillatori, tra cui configurazioni a pendenza singola, a doppia pendenza (o tipo serra), verticale, conica, con assorbitore invertito, multi-stoppino e ad effetto multiplo. Queste unità di distillazione possono funzionare in modalità operativa passiva, attiva o ibrida. Gli distillatori a doppia pendenza sono generalmente i più convenienti per l'uso domestico decentralizzato, mentre le unità attive a effetto multiplo sono più adatte per applicazioni industriali estese.
La disinfezione solare dell'acqua (SODIS) è un processo che comporta l'esposizione di bottiglie di plastica in polietilene tereftalato (PET) riempite d'acqua alla luce solare diretta per diverse ore. La durata dell'esposizione richiesta dipende dalle condizioni meteorologiche e climatiche, che vanno da un minimo di sei ore a due giorni con cielo completamente coperto. L’Organizzazione Mondiale della Sanità sostiene SODIS come una strategia efficace per il trattamento e lo stoccaggio sicuro dell’acqua domestica. Attualmente, più di due milioni di persone nei paesi in via di sviluppo si affidano a questa tecnica per l'approvvigionamento quotidiano di acqua potabile.
L'energia solare può essere sfruttata all'interno di bacini di stabilizzazione dell'acqua per il trattamento delle acque reflue senza sostanze chimiche e indipendente dall'elettricità. Un ulteriore vantaggio ecologico è la proliferazione di alghe in questi stagni, che assimilano l'anidride carbonica attraverso la fotosintesi. Tuttavia, un potenziale inconveniente è che alcune specie di alghe possono generare composti tossici, rendendo l'acqua trattata inadatta al consumo.
Tecnologia del sale fuso
Il sale fuso funge da efficace mezzo di accumulo dell'energia termica, consentendo la ritenzione del calore raccolto dalle torri solari o dalle vasche solari all'interno degli impianti di energia solare concentrata (CSP). Questa energia immagazzinata può successivamente essere utilizzata per la produzione di elettricità durante periodi di tempo inclemente o di notte. L’efficacia di questa tecnologia è stata convalidata empiricamente durante il progetto Solar Two, condotto dal 1995 al 1999. Si prevede che il sistema raggiunga un’efficienza annuale del 99%, riflettendo l’elevata percentuale di energia trattenuta attraverso l’accumulo di calore prima della conversione di elettricità, in contrapposizione alla conversione diretta da calore in elettricità. Le composizioni dei sali fusi variano, con una miscela prevalente comprendente nitrato di sodio, nitrato di potassio e nitrato di calcio. Questa miscela è caratterizzata dalle sue proprietà non infiammabili e non tossiche e ha una storia di applicazione come fluido di trasporto del calore nell'industria chimica e dei metalli. Di conseguenza, una sostanziale esperienza operativa con tali sistemi è anteriore alla loro adozione nelle applicazioni di energia solare.
Il sale presenta un punto di fusione di 131 °C (268 °F). Viene mantenuto allo stato liquido a 288 ° C (550 ° F) all'interno di un serbatoio di stoccaggio "freddo" isolato. Successivamente, il sale liquido viene fatto circolare attraverso pannelli all'interno di un collettore solare, dove l'irradiazione concentrata ne eleva la temperatura a 566 °C (1.051 °F). Il sale surriscaldato viene quindi trasferito in un serbatoio di stoccaggio caldo, progettato con un isolamento sufficiente a preservare l'energia termica in modo efficace fino a una settimana.
In base alla richiesta di elettricità, il sale fuso caldo viene indirizzato a un generatore di vapore convenzionale, dove produce vapore surriscaldato per alimentare una turbina/generatore, rispecchiando il processo impiegato nei tradizionali impianti di carbone, petrolio o energia nucleare. Ad esempio, secondo questo progetto, una turbina da 100 megawatt in funzione per quattro ore richiederebbe un serbatoio di stoccaggio di circa 9,1 metri (30 piedi) di altezza e 24 metri (79 piedi) di diametro.
Diverse centrali elettriche a vasca parabolica in Spagna e lo sviluppatore di torri solari SolarReserve utilizzano questo concetto di accumulo di energia termica. La stazione di generazione Solana negli Stati Uniti incorpora una capacità di stoccaggio del sale fuso di sei ore. In Cile, la centrale Cerro Dominador è dotata di una torre solare-termica da 110 MW dove il calore viene trasferito ai sali fusi. Successivamente, questi sali fusi trasmettono la loro energia termica all'acqua attraverso uno scambiatore di calore, producendo vapore surriscaldato, che poi aziona una turbina per convertire la sua energia cinetica in energia elettrica attraverso il ciclo Rankine. Di conseguenza, la centrale Cerro Dominador è in grado di generare circa 110 MW di elettricità. Il suo avanzato sistema di accumulo facilita la produzione di energia elettrica fino a 17,5 ore senza radiazione solare diretta, garantendo un'alimentazione stabile e ininterrotta quando necessario. Il progetto ha garantito con successo vendite annuali di elettricità fino a 950 GW·h. Un'altra iniziativa significativa è l'impianto María Elena, un complesso termosolare da 400 MW situato nella regione settentrionale di Antofagasta in Cile, che utilizza anch'esso la tecnologia del sale fuso.
Generazione di elettricità
Energia solare concentrata
I sistemi di energia solare a concentrazione (CSP) utilizzano lenti o specchi insieme a meccanismi di tracciamento per far convergere un'area sostanziale di luce solare in un raggio focalizzato. Questa energia termica concentrata funge successivamente da fonte di calore per gli impianti di produzione di energia convenzionali. È disponibile una vasta gamma di tecnologie di concentrazione, le più avanzate includono la vasca parabolica, i collettori a torre solare, il riflettore lineare di Fresnel a concentrazione e la parabola Stirling. Questi sistemi utilizzano vari metodi per l'inseguimento solare e la focalizzazione della luce. In tutte le configurazioni CSP, un fluido di lavoro viene riscaldato dalla luce solare concentrata, che viene quindi utilizzato per la generazione di elettricità o per l'accumulo di energia. La progettazione dei sistemi deve tenere conto dei potenziali danni alle delicate superfici di vetro degli impianti solari causati da eventi meteorologici estremi, come tempeste di polvere o grandine. L'integrazione di griglie metalliche potrebbe consentire a un'elevata percentuale di luce solare di raggiungere gli specchi e i pannelli solari, mitigando contemporaneamente la maggior parte delle forme di danni fisici.
Architettura e pianificazione urbana
La luce solare ha influenzato profondamente la progettazione degli edifici in tutta la storia dell'architettura. Sofisticate metodologie di architettura solare e pianificazione urbana furono inizialmente adottate dai greci e dai cinesi, che orientarono strategicamente le loro strutture verso sud per ottimizzare l'illuminazione naturale e il comfort termico.
Le caratteristiche chiave dell'architettura solare passiva includono l'orientamento solare, una proporzione compatta dell'edificio (caratterizzata da un basso rapporto tra superficie e volume), elementi di ombreggiatura selettivi (come le sporgenze) e l'incorporazione di massa termica. Quando questi attributi sono meticolosamente adattati alle specifiche condizioni climatiche e ambientali locali, facilitano la creazione di spazi ben illuminati che mantengono un intervallo di temperatura confortevole. La Megaron House di Socrates esemplifica una classica applicazione dei principi di progettazione solare passiva. Gli approcci contemporanei alla progettazione solare sfruttano spesso la modellazione computerizzata per integrare i sistemi di illuminazione, riscaldamento e ventilazione solare in un pacchetto coeso di progettazione solare. Inoltre, le apparecchiature solari attive, tra cui pompe, ventilatori e finestre commutabili, possono potenziare le strategie di progettazione passiva e migliorare le prestazioni complessive del sistema.
Le isole di calore urbane (UHI) sono definite come regioni metropolitane che mostrano temperature elevate rispetto agli ambienti naturali circostanti. Questo aumento delle temperature deriva dal maggiore assorbimento dell’energia solare da parte dei materiali urbani prevalenti, come asfalto e cemento, che possiedono albedos inferiori e capacità termiche più elevate rispetto alle superfici naturali. Una strategia diretta per mitigare l’effetto UHI prevede la verniciatura di edifici e strade di bianco e l’implementazione di un’estesa piantumazione di alberi nelle aree urbane. Utilizzando queste tecniche, un'ipotetica iniziativa di "comunità cool" a Los Angeles ha stimato una potenziale riduzione delle temperature urbane di circa 3 °C, con un costo previsto di 1 miliardo di dollari. Si prevede che questa iniziativa porterà benefici annuali totali pari a 530 milioni di dollari, principalmente attraverso la riduzione delle spese per l'aria condizionata e i risparmi sull'assistenza sanitaria.
Agricoltura e orticoltura
L'agricoltura e l'orticoltura mirano a ottimizzare la cattura dell'energia solare per migliorare la produttività delle piante. Tecniche come cicli di semina precisi, orientamento ottimizzato delle file, altezze delle file sfalsate e l’integrazione di diverse varietà vegetali possono migliorare significativamente la resa dei raccolti. Sebbene la luce solare sia generalmente considerata una risorsa abbondante, specifici casi storici ne sottolineano l’importanza fondamentale per le pratiche agricole. Durante le brevi stagioni di crescita della Piccola Era Glaciale, gli agricoltori francesi e inglesi utilizzavano i muri dei frutti per massimizzare la raccolta di energia solare. Queste strutture funzionavano come masse termiche, trattenendo il calore e accelerando così la maturazione delle piante. Inizialmente i muri della frutta venivano costruiti perpendicolari al terreno ed erano rivolti a sud; tuttavia, nel corso del tempo, sono stati sviluppati progetti inclinati per sfruttare in modo più efficace la luce solare. Nel 1699, Nicolas Fatio de Duillier propose addirittura un meccanismo di inseguimento in grado di ruotare per seguire il percorso del sole. Oltre alla coltivazione dei raccolti, le applicazioni dell’energia solare in agricoltura includono il pompaggio dell’acqua, l’essiccazione dei raccolti, lo svezzamento dei pulcini e l’essiccazione del letame di pollo. Più recentemente, i viticoltori hanno adottato questa tecnologia, impiegando pannelli solari per alimentare le presse per l'uva.
Le serre convertono la luce solare in calore, facilitando la produzione tutto l'anno e consentendo la coltivazione di colture speciali e altre piante non naturalmente adatte al clima locale all'interno di ambienti chiusi. Le serre primitive furono utilizzate per la prima volta in epoca romana per garantire una fornitura continua di cetrioli all'imperatore Tiberio. Le prime serre moderne sorsero in Europa nel XVI secolo, principalmente per ospitare piante esotiche acquisite da esplorazioni internazionali. Oggi le serre rimangono una componente vitale dell’orticoltura. I materiali plastici trasparenti vengono efficacemente impiegati anche nei tunnel di polietilene e nelle coperture delle file per ottenere un controllo ambientale simile.
Trasporti
Lo sviluppo di automobili a energia solare è stato un obiettivo ingegneristico importante sin dagli anni '80. La World Solar Challenge, una gara automobilistica semestrale a energia solare, vede squadre provenienti da università e aziende competere su 3.021 chilometri (1.877 miglia) dell'Australia centrale, da Darwin ad Adelaide. Alla sua nascita nel 1987, il veicolo vincitore raggiunse una velocità media di 67 chilometri orari (42 mph); nel 2007, questa velocità era migliorata fino a 90,87 chilometri orari (56,46 mph). La North American Solar Challenge e la proposta South African Solar Challenge rappresentano competizioni comparabili, che riflettono un interesse globale nella progettazione e nel progresso dei veicoli a energia solare.
Alcuni veicoli incorporano pannelli solari per l'energia ausiliaria, come ad esempio il funzionamento dei sistemi di aria condizionata per mantenere un interno fresco, contribuendo così a ridurre il consumo di carburante.
Nel 1975, la prima pratica barca solare fu costruita in Inghilterra. Nel 1995 iniziarono ad apparire navi passeggeri dotate di pannelli fotovoltaici (PV), che ora sono ampiamente utilizzate. Kenichi Horie ha compiuto la prima traversata dell'Oceano Pacifico a energia solare nel 1996, seguito dal catamarano Sun21, che ha completato la prima traversata dell'Oceano Atlantico a energia solare durante l'inverno 2006-2007. Per il 2010 erano previsti piani per una circumnavigazione globale.
L'aereo senza pilota AstroFlight Sunrise completò il primo volo solare nel 1974. Il 29 aprile 1979, il Solar Riser completò il primo volo di un aereo a energia solare, completamente controllato e trasportatore di uomini, raggiungendo un'altitudine di 40 piedi (12 m). Nel 1980, il Gossamer Penguin effettuò i primi voli pilotati alimentati esclusivamente da energia fotovoltaica. Questo risultato fu rapidamente seguito dal Solar Challenger, che attraversò con successo il Canale della Manica nel luglio 1981. Nel 1990, Eric Scott Raymond completò un volo dalla California alla Carolina del Nord in 21 tappe, utilizzando l'energia solare. Gli sviluppi successivi si spostarono verso veicoli aerei senza equipaggio (UAV), esemplificati dal Pathfinder (1997) e dai progetti successivi, culminati nell'Helios, che stabilì un record di altitudine per un velivolo non a propulsione a razzo a 29.524 metri (96.864 piedi) nel 2001. Lo Zephyr, sviluppato da BAE Systems, rappresenta l'ultimo di una serie di velivoli solari da record, che ha realizzato un volo di 54 ore nel 2007, con voli di un mese previsti entro il 2010. Da marzo 2015 a luglio 2016, Solar Impulse, un velivolo elettrico, ha circumnavigato con successo il globo. Questo velivolo monoposto è alimentato da celle solari e possiede la capacità di decollare in modo indipendente, con il suo design che consente operazioni in volo prolungate per diversi giorni.
Un pallone solare, tipicamente nero, contiene aria ambiente. Quando esposta alla luce solare, l’aria interna si riscalda e si espande, generando una forza di galleggiamento verso l’alto analoga a quella di una mongolfiera riscaldata convenzionalmente. Sebbene alcuni palloncini solari possiedano una portanza sufficiente per il trasporto umano, la loro applicazione è prevalentemente limitata al settore dei giocattoli a causa del loro rapporto superficie/peso utile relativamente elevato.
Veicolo solare della squadra
Lo Squad Solar è un veicolo elettrico di quartiere (NEV) dotato di tetto solare e in grado di ricaricarsi tramite una presa elettrica standard da 120 volt.
Produzione di carburante
I processi chimici solari sfruttano l'energia solare per facilitare le reazioni chimiche. Questi metodi servono a mitigare la dipendenza dalle fonti di combustibili fossili e consentono la conversione dell’energia solare in combustibili che sono sia immagazzinabili che trasportabili. Le reazioni chimiche guidate dal sole sono generalmente classificate come termochimiche o fotochimiche. La fotosintesi artificiale offre un percorso per la produzione di diversi combustibili. La complessa chimica catalitica multielettronica necessaria per sintetizzare combustibili a base di carbonio, come il metanolo, attraverso la riduzione del biossido di carbonio presenta sfide significative. Un’alternativa praticabile prevede la generazione di idrogeno dai protoni, sebbene l’utilizzo dell’acqua come fonte di elettroni, simile alla fotosintesi naturale, richieda la padronanza dell’ossidazione multielettronica di due molecole d’acqua in ossigeno molecolare. Le proiezioni suggeriscono la potenziale creazione di impianti operativi a combustibile solare nelle regioni metropolitane costiere entro il 2050, dove la scissione dell’acqua di mare potrebbe produrre idrogeno per centrali elettriche a celle a combustibile adiacenti, con il sottoprodotto dell’acqua pura direttamente integrato nei sistemi idrici comunali. Inoltre, lo stoccaggio dell'energia chimica rappresenta un'ulteriore strategia per la gestione dell'energia solare.
Dagli anni '70, le tecnologie di produzione dell'idrogeno hanno costituito un focus importante nella ricerca sulla chimica solare. Oltre all'elettrolisi alimentata da celle fotovoltaiche o fotochimiche, sono stati studiati vari processi termochimici. Un metodo utilizza concentratori solari per dissociare l'acqua in ossigeno e idrogeno a temperature elevate, comprese tra 2.300 e 2.600 °C (4.200-4.700 °F). Un’altra strategia utilizza il calore dei concentratori solari per facilitare il reforming del vapore del gas naturale, migliorando così la resa totale di idrogeno rispetto alle tradizionali tecniche di reforming. I cicli termochimici, definiti dalla decomposizione e dalla successiva rigenerazione dei reagenti, offrono un ulteriore percorso per la generazione di idrogeno. Ad esempio, il processo Solzinc, attualmente in fase di sviluppo presso il Weizmann Institute of Science, utilizza un forno solare da 1 MW per decomporre l'ossido di zinco (ZnO) a temperature superiori a 1.200 °C (2.200 °F). Questa reazione primaria produce zinco puro, che può poi essere fatto reagire con acqua per produrre idrogeno.
Metodi di stoccaggio dell'energia
I sistemi a massa termica sono in grado di immagazzinare l'energia solare sotto forma di calore a temperature adatte per applicazioni domestiche, per periodi giornalieri o interstagionali. Questi sistemi di stoccaggio incorporano tipicamente materiali facilmente accessibili che possiedono elevate capacità termiche specifiche, tra cui acqua, terra e pietra. I sistemi progettati in modo ottimale possono mitigare efficacemente i picchi di domanda, riallocare il consumo di energia negli intervalli non di punta e ridurre i carichi complessivi di riscaldamento e raffreddamento.
I materiali a cambiamento di fase (PCM), come la cera di paraffina e il sale di Glauber, rappresentano un mezzo alternativo per l'accumulo di energia termica. Questi materiali sono caratterizzati da convenienza, ampia disponibilità e capacità di fornire temperature adatte all'uso domestico (circa 64 °C o 147 °F). La "Dover House" a Dover, nel Massachusetts, è stata pioniera nell'applicazione del sistema di riscaldamento del sale di Glauber nel 1948. Inoltre, l'energia solare può essere immagazzinata a temperature elevate attraverso l'utilizzo di sali fusi. I sali si dimostrano un mezzo di stoccaggio efficiente grazie al loro basso costo, all’elevata capacità termica specifica e alla capacità di fornire calore a temperature compatibili con i sistemi di generazione di energia convenzionali. Il progetto Solar Two ha esemplificato questa metodologia di stoccaggio dell'energia, immagazzinando con successo 1,44 terajoule (400.000 kWh) all'interno del suo serbatoio di stoccaggio da 68 m3, ottenendo un'efficienza di stoccaggio annuale approssimativa del 99%.
I sistemi fotovoltaici (PV) autonomi si sono storicamente affidati a batterie ricaricabili per lo stoccaggio dell'energia in eccesso. Al contrario, i sistemi connessi alla rete consentono di esportare l’elettricità in eccesso verso la rete di trasmissione, mentre l’energia di rete convenzionale può compensare i deficit. Gli schemi di misurazione sul posto forniscono agli impianti residenziali crediti per l'elettricità fornita alla rete. Questo processo in genere comporta l'inversione del contatore quando la produzione di elettricità di una famiglia supera il suo consumo. Nel caso in cui il consumo netto di energia elettrica risulti negativo, l'ente erogatore riporta il credito kilowattora al successivo ciclo di fatturazione. Metodi alternativi includono l’utilizzo di due contatori separati per quantificare il consumo di elettricità rispetto alla produzione. Tuttavia, questo approccio è meno diffuso a causa delle elevate spese di installazione associate a un secondo contatore. La maggior parte dei contatori standard contemporanei registra accuratamente il flusso di energia bidirezionale, eliminando così la necessità di un contatore aggiuntivo.
L'energia idroelettrica con accumulo di pompaggio (PSH) facilita l'accumulo di energia elevando l'acqua da un serbatoio di livello inferiore a uno di livello superiore durante i periodi di surplus di energia. Questa energia immagazzinata viene successivamente recuperata durante i picchi di domanda rilasciando l'acqua, a quel punto la pompa funziona come un generatore di energia idroelettrica.
Sviluppo, distribuzione e considerazioni economiche
In seguito al sostanziale aumento dell'utilizzo del carbone durante la rivoluzione industriale, il consumo energetico globale si è progressivamente spostato dal legno e dalla biomassa ai combustibili fossili. I primi progressi nelle tecnologie solari, iniziati nel 1860, furono motivati da proiezioni di imminente scarsità di carbone. Tuttavia, la proliferazione delle tecnologie solari ha vissuto un periodo di stagnazione all'inizio del XX secolo, principalmente a causa della crescente accessibilità, redditività economica e diffusa applicazione del carbone e del petrolio.
L'embargo petrolifero del 1973 e la crisi energetica del 1979 hanno accelerato una ristrutturazione globale delle politiche energetiche. Questi eventi hanno rivitalizzato l’interesse per il progresso delle tecnologie solari. Le strategie di implementazione hanno successivamente enfatizzato gli schemi di incentivi, esemplificati dal Federal Photovoltaic Utilization Program negli Stati Uniti e dal Sunshine Program in Giappone. Ulteriori iniziative hanno comportato la creazione di istituti di ricerca dedicati, tra cui SERI (ora NREL) negli Stati Uniti, NEDO in Giappone e il Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE in Germania.
I sistemi commerciali di riscaldamento solare dell'acqua emersero per la prima volta negli Stati Uniti intorno al 1890. La loro adozione si espanse fino agli anni ’20, dopodiché furono progressivamente soppiantati da combustibili per riscaldamento più economici e affidabili. Similmente al fotovoltaico, il riscaldamento solare dell’acqua ha suscitato un rinnovato interesse in seguito alla crisi petrolifera degli anni ’70; tuttavia, questo entusiasmo svanì negli anni '80 a causa del calo dei costi del petrolio. Tuttavia, il settore del riscaldamento e raffreddamento solare dell'acqua ha conosciuto uno sviluppo costante nel corso degli anni '90, raggiungendo tassi di crescita medi annuali del 20% a partire dal 1999. Nonostante sia spesso sottovalutato, il riscaldamento e il raffreddamento solare dell'acqua rappresentano la tecnologia solare più ampiamente utilizzata, con una capacità stimata di 154 GW nel 2007.
L'Agenzia internazionale per l'energia (IEA) ha affermato che l'energia solare possiede il potenziale per contribuire in modo significativo ad affrontare molti dei problemi più urgenti del mondo contemporaneo. sfide:
Lo sviluppo di tecnologie di energia solare accessibili, inesauribili e pulite porterà enormi benefici a lungo termine. Aumenterà la sicurezza energetica dei paesi attraverso la dipendenza da una risorsa autoctona, inesauribile e per lo più indipendente dalle importazioni, migliorerà la sostenibilità, ridurrà l’inquinamento, abbasserà i costi di mitigazione del cambiamento climatico e manterrà i prezzi dei combustibili fossili più bassi che altrimenti. Questi vantaggi sono globali. Pertanto i costi aggiuntivi degli incentivi per l’implementazione anticipata dovrebbero essere considerati investimenti nell’apprendimento; devono essere spesi saggiamente e ampiamente condivisi.
Un rapporto del 2011 dell'Agenzia internazionale per l'energia prevedeva che le tecnologie dell'energia solare, tra cui il fotovoltaico, l'acqua calda solare e l'energia solare concentrata, potrebbero soddisfare un terzo della domanda energetica globale entro il 2060, a condizione che i politici si impegnino nella mitigazione del cambiamento climatico e nella transizione verso fonti energetiche rinnovabili. L’energia solare è pronta a svolgere un ruolo fondamentale nella decarbonizzazione dell’economia globale, integrata dai progressi nell’efficienza energetica e dall’implementazione di meccanismi di fissazione del prezzo del carbonio per gli emettitori di gas serra. Il rapporto evidenzia che "La forza dell'energia solare è l'incredibile varietà e flessibilità delle applicazioni, dalla piccola alla grande scala".
Abbiamo dimostrato... che una volta esaurite le nostre riserve di petrolio e carbone, la razza umana può ricevere energia illimitata dai raggi del sole.
Nel 2021, Lazard ha stimato che il costo livellato dell'elettricità solare di nuova costruzione e non sovvenzionata su scala industriale era inferiore a 37 dollari per MWh, mentre l'energia esistente alimentata a carbone superava questa cifra. Il rapporto del 2021 ha inoltre indicato che i nuovi impianti solari erano anche più economici della nuova energia elettrica a gas, sebbene generalmente non più economici dell'energia a gas esistente.
Tecnologie emergenti
Sistemi sperimentali di energia solare
I sistemi fotovoltaici concentrati (CPV) utilizzano la luce solare focalizzata diretta sulle superfici fotovoltaiche per generare elettricità. I dispositivi termoelettrici o "termovoltaici" convertono le differenze di temperatura tra materiali diversi in corrente elettrica.
Sarray solari galleggianti
Pompe di calore solare-assistite
Una pompa di calore funziona come un dispositivo che trasferisce l'energia termica da una fonte di calore a un dissipatore di calore designato. Questi sistemi sono progettati per spostare l’energia termica contro la direzione naturale del flusso di calore spontaneo, assorbendo calore da un ambiente più freddo e rilasciandolo in uno più caldo. Una pompa di calore assistita da energia solare integra una pompa di calore con pannelli solari termici in un unico sistema coeso. Tradizionalmente queste due tecnologie vengono utilizzate indipendentemente o semplicemente in parallelo per la produzione di acqua calda. In questa configurazione integrata, il pannello solare termico funge da fonte di calore a bassa temperatura, con il calore generato che alimenta l'evaporatore della pompa di calore. L'obiettivo principale di un tale sistema è raggiungere un elevato coefficiente di prestazione (COP), consentendo così una produzione di energia più efficiente ed economica.
Qualsiasi tipo di pannello solare termico, compresi quelli a fogli e tubi, roll-bond, heat pipe o piastre termiche, o pannelli ibridi (mono/policristallini, a film sottile), può essere combinato con una pompa di calore. L'uso di un pannello ibrido è spesso preferito in quanto può soddisfare parzialmente la domanda di elettricità della pompa di calore, riducendo di conseguenza il consumo energetico e i costi operativi variabili del sistema.
Aereo solare
Un aereo elettrico funziona con motori elettrici anziché con motori a combustione interna, ricavando elettricità da varie fonti come celle a combustibile, celle solari, ultracondensatori, trasmettitori di potenza o batterie.
Attualmente, la maggior parte degli aerei elettrici con equipaggio sono dimostratori sperimentali, sebbene numerosi piccoli veicoli aerei senza pilota funzionino con l'alimentazione a batteria. Gli aeromodelli alimentati elettricamente sono in volo dagli anni '70, con un primo rapporto risalente al 1957. I primi voli con equipaggio alimentati dall'elettricità si sono verificati nel 1973. Tra il 2015 e il 2016, l'aereo con equipaggio a energia solare, Solar Impulse 2, ha completato con successo una circumnavigazione della Terra.