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Autore: M. Checchetti

Collana: FM - 2004 Sorrento - Third International Symposium - Energy and Environment

Note:
Piu’ laboratori R&D hanno dimostrato efficienze di conversione Solare PV >33%. A basse
latitudini uno specchio f=30m rende >200kW; in localita' isolate questa energia vale 64 k$/anno,
ma solo una gamma completa di soluzioni a rapido ammortamento ci consentira' di sfruttare il Sole.
I THS sono turbomacchine ed ibridi-ermetici auto-raffreddati per elettronica di potenza.
Nella versione HMW sono scambiatori a circolazione interna di gas neutro pressurizzato; montati
su grossi Concentratori Solari possono ospitare dei moduli convertitori PV, ciascuno con elettronica
di adattamento 3f, e raffreddarli nonostante le notevoli quantita' di calore focalizzato.
La concentrazione evita molti semiconduttori PV, troppo costosi, e ne sostituisce la maggior
parte con l’ economico vetro, usato per specchi focalizzanti e finestre di protezione.
In genere, il costo unitario dell’ energia prodotta scende aumentando le dimensioni del
generatore e del sito. Nel caso del concentratore, la struttura che supporta lo specchio deve
inseguire il Sole su due assi e la sua massa viola questa legge crescendo esponenzialmente.
Il Pallone Gonfiato e' arrivato dopo molti tentativi. La sfera sposta sulla superficie estrema
tutti i vettori di forza, uniformi e senza concentrazione di sforzi. Generazioni di bambini pestiferi
possono prendere a calci una Palla, che cede solo per la degradazione naturale dei polimeri. La Palla
e altre strutture leggere gonfiate supportano direttamente lo specchio; anche la finestra e’ sferica.
La pressione di gonfiaggio e' contenuta da pareti o pelli rinforzate e dipende dai venti.
Le condizioni tipiche del sito e altri fattori economici impongono una scelta. E’ possibile usare :
- Una pelle principale sottile con rinforzi locali e distribuiti; uno spinnaker puo’ rendere l’ idea.
Col brutto tempo, la Palla viene sgonfiata parzialmente; se manca il Sole e' indifferente.
- Pellacce piu' robuste, tipicamente compositi di filamenti di carbonio o lamierini inox, etc.
Prevedendo una tempesta, si ancorano meglio tutte le Palle, anche tra loro.
La Palla galleggia su una piscinetta di plastica gonfiabile, simile a quelle per bambini.
Il puntamento e’ assimilabile a quello dei telescopi equatoriali; due larghi Orecchioni Rotanti
e sei cavi di ancoraggio posizionano l’ asse di rotazione. Un tamburo rotante a gole sagomate
tensiona in modo simmetrico e differenziale i cavi. Con Palle f=42m gli spostamenti giornalieri
coprono 0-3 cm/di e l’ escursione stagionale raggiunge ~10m. La compensazione fine per questa
ampia dinamica e' ottenibile scaldando localmente i cavi. La rotazione attorno all’ asse e' a pendolo
virtuale interno; una pompa affidabile sposta l' acqua in un grosso tubo equatoriale lungo 270°;
per mantenere la pressurizzazione a gas, un tubetto ne collega le estremita’ seguendo la finestra.
Il vetro si comporta come un liquido viscoso. Una macchina piega progressivamente a caldo
e gravita' piu' lastre per gli specchi e la finestra sferica. Le lastre curve, sovrapposte parzialmente e
incollate ad una pelle centrale in plastica, danno un manufatto simile ai parabrezza di sicurezza.
La pelle interna della Palla e’ tagliata e saldata con tecniche Laser, quindi delle grosse
macchine alleggerite avvolgono una rete di fili di carbonio, spaziati su tre trame a 60° nominali.
Il Pallone Gonfiato costituisce un riferimento molto rigido ed accurato per il disco che supporta gli
specchi. Un traliccio di grossi tubi pressurizzati con giunti a T segmentati forma la struttura interna.
L' orecchione inferiore accoglie i filtri dell' aria di raffreddamento. La sezione appiattita
del corno di immissione riduce le ombre; lo scarico attraversa la finestra con un giunto corrugato.
I due dotti, leggeri e rigidi, e pochi cavi attaccati alla Palla sostengono e centrano il convertitore.
Ai bordi della finestra sferica, l’ angolo di Brewster e lo scattering limitano la trasmissione,
migliorabile con un anello esterno di lastre piane. Una corona supporta direttamente le lastre piane e
pochi tiranti trasmettono le tensioni tra la finestra centrale sferica e la pelle della Palla.
Con Palla f=42, specchio f³35m e adeguati materiali PV, la potenza tende a 350kW.
Piu’ che ai picchi tecnologici di potenza, conviene puntare ai migliori kW/$ di altre combinazioni :
- Una semplice finestra sferica con specchio f£34m e convertitori bi-banda rende sui 270 kW.
- I Palloni least cost, realizzati con finestra in plastica soffiata, specchio unico piastrellato f=30m e
convertitori mono o bi-banda, generano 100 - 200 kW. La finestra in plastica costa poco, ma dura
meno e la parte utile si riduce rapidamente a f=~30m; e’ inutile insistere oltre.
A queste potenze, l' Idrogeno rappresenta l' unica forma di accumulo e trasporto energetico.
Lo sviluppo parallelo consentira' di realizzare dei Campi di Palloni basati su molti specchi f=34m
spaziati circa 60m, dove la densita’ di potenza netta di picco raggiunge i 50 MW/km2.
Con materiali ottimizzati ma ragionevoli, un Pallone f=42m pesa 2T nominali, cui vanno
aggiunti gli eventuali rinforzi per usura e grandine. La massa del vetro e' preponderante.
L' avvolgimento richiede poche ore su macchine speciali, enormi ma leggere per contenerne i costi.
Le altre operazioni sono piu' lunghe ma a minore intensita' di capitale.
Altre soluzioni, piu' care dell' avvolgimento, soddisfano gli ambienti estremi, come mari e artico.
Le Palle Piccole hanno costi specifici molto maggiori delle grandi; peraltro i capitali iniziali
sono limitati, si possono esporre, coprono molte nicchie di mercato e le varie soluzioni costruttive
possono adattarsi facilmente ai materiali e alle tecnologie disponibili.


More R&D labs have shown PV Solar conversion efficiencies >33%. At low latitudes, a
mirror f=30m can yield >200kW; in many insulated places this energy is worthy 64 k$/year, but
we can exploit the Solar energy only integrating a full range of solutions for a fast pay back.
The THS is turbo machine and a self-cooled hermetic-hybrid for power electronics.
The HMW version, a thin-shell heat-exchanger, sports an internal circulation of pressurised gas.
A HMW-THS can host many PV converter modules, each with its 3f adapting electronics, and
cools them in spite of the large amounts of heat at the focus of a large Solar Concentrator.
Concentration avoids many PV semiconductor dices, too expensive; the economical glass,
used for the focusing mirrors and the protective windows, can substitute most dices.
Usually, the cost of energy falls increasing the generator and plant sizes; however, having
to seek the Sun on two axis, the mass of a focusing mirror soars and violates this law.
The Inflated Balloon came after many attempts. The Ball displaces to the extreme surface
all the force vectors, uniform and free of weak spots. Generations of lively kids can kick a Ball, but
it will fail only after the natural ageing of its polymers. The Ball and other lightweight inflated inner
structures support directly an accurate mirror; the window too is spherical.
Strong walls resist to the internal pressure, set in function of the local wind.
In practice, the typical local conditions and other economical factors impose a choice :
- A spinnaker like thin skin, with local reinforcements, must be partially deflated before a storm.
- A stronger skin, typically wound with carbon filaments, or made of stainless steel thin sheets, etc;
to resist a coming gale, all the Balls are grounded better and interlinked.
The Ball floats on a small pool, like the kids' inflatable ones. Two Rotating Ears and six
cables anchor the Ball, oriented like an equatorial telescope. A drum tensions the cables to set daily
the rotation axis. Inside, working as a pendulum, a pump displaces water to track smoothly the Sun.
Glass behaves as a viscous liquid. To form the mirror and the spherical window, a machine
bends gradually, by heat and gravity, more stacked plates. On a former, the overlapping curved
plates are heated and vacuum bonded to an internal plastic skin, like on cars' safety windshields.
Once the inner skin of the Ball is Laser welded, very large but lightweight special machines
wind carbon filaments to form a 60° net. This very rigid double skin works as a reference for the
mirror dish; this inner structure is a trellis of large pressurised pipes linked by segmented T-joints.
The lower ear surrounds the air intake and a filter; later, the bent air duct assumes an elliptic
section to reduce the shadow; the discharge duct crosses the window with a corrugated joint.
Few cables fixed to the Ball contribute to suspend and center the converter.
The Brewster angle and scattering limit transmission at the rim of a spherical window.
An outer ring of flat plates can extend the collecting area; a crown holds the flat plates and few
cables link the central spherical window to the Ball skin, a complex technological peak.
On a Ball f=42m and mirror f³35m, with premium R&D converters power tends to 350kW.
For general purpose, it is convenient to point to other combinations with better kW/$ :
- A simpler spherical window, mirror f£34m and dual-band converters yield around 270 kW.
- A least cost Ball, including a blown plastic window, a tiled flat mirror f=30m and single or dual-
band converters, is rated in the 100 - 200kW range. A plastic window lasts less, and soon its optical
losses increase starting from the edges, so it is useless to go above f=~30m.
Hydrogen seems the only way to store and transport huge amounts of energy.
Developing both technologies in parallel, the Fields of Balls will be convenient; spacing ~60m
each mirror f=34m, the lot yields 50 MW/km2 net peak powers.
Using optimised but reasonable materials, a Ball f=42m weighs about 2T, without the wear
and hail reinforcements; the mass of glass is preponderant. Winding needs few hours on enormous
machines, sporting lightweight solutions to reduce cost. The other manufacturing steps take longer
but the capital intensity is lower. The extreme ambients require more expensive solutions.
The Small Balls are relatively far more expensive, but require less capital, can be exhibited,
fill easily many market niches and the manufacturing solutions can adapt to what is available.