Storia dell'energia solare
Le prime ricerche allo scopo di captare e sfruttare l'energia solare risalgono all'antichità. Gli Egiziani sapevano che in un recipiente di vetro ermetico, si poteva ottenere una temperatura più elevata che in un recipiente aperto; è ciò che chiamiamo "effetto serra". Circa 3.500 anni fa, essi avevano realizzato delle macchine complesse nelle quali il calore dei raggi solari azionava un organo.
I Greci antichi attribuivano un'enorme importanza al modo di accendere la fiamma olimpica. Soltanto i raggi del sole potevano garantire la purezza. Essi avevano concepoito un skaphia, antenato dello specchio parabolico, per riflettere i raggi solari che emanavano un inteso calore che provocava una fiamma.
Nel 212 prima della nostra era, Archimede progettava di incendiare le navi romane davanti il porto di Siracusa concentrando i raggi solari con l'aiuto di "specchi ustori". A questo proposito, un aneddoto è riportato da Plutarco sul quale esistono delle polemiche dall'antichità. Durante la Seconda Guerra Punica, il generale romano Marcellus assediò Siracusa. Archimede, famoso come geometra assicurava la difesa della città in quanto ingegnere militare. Così, si tramanda che per distruggere la flotta romana, egli avrebbe concepito ed utilizzato degli specchi concavi, gli "specchi ustori" per scatenare degli incendi attraverso la concentrazione dei raggi solari. Archimede avrebbe d'altronde scritto una Ottica oggi perduta. L'oggetto stesso era effettivamente noto. Euclide lo menzione in Ottica e catottrica.
Nel 133 a. C., Erone di Alessandria costruì una macchina a reazione che utilizzava la pressione del vapore acquei. Da questa caldaia usciva un tubo cavo collegato ad una sfera che poteva ruotare intorno ad un asse orizzontale. Da questa sfera due altri tubi perpendicolari all'asse lasciavano uscire il vapore che per propulsione facevano ruotare la sfera. Egli studiò anche i fenomeni di riflessione della luce su degli specchi piani, convessi o concavi.
Verso il 120 a. C., Erone di Alessandria mise a punto la fontana che preso poi il suo nome che serviva per abbellire i giardini di Alessandria. Il principio della fontana di Erone è stato utilizzato per prosciugare le miniere, per alimentare alcune fontane del castello di Versailles e in lampade idrauliche. Nel 1615, l'ingegnere francese Salomon de Gaus (Gaux), descrive nella sua "Raison des forces mouvante" [Ragione delle forze motrici], una fontana che funzionava grazie al calore dei raggi solari. Questa fontana sollevava l'acqua e svolgeva il ruolo di una pompa ad acqua. Come quella di Erone di Alessandria, funzionava senza concentrazione dell'energia solare.
Durante la primavera e l'estate del 1747, Buffon sperimentò uno specchio composto da 168 vetri stagnati, di circa 20 cm di lato. Ognuno di questi vetri era mobile in tutti i sensi e poteva così riflettere la luce del Sole verso lo stesso punto. Gli esperimenti furono fatti a Parigi, nel giardino reale (attualmente il Giardino botanico):
- un ramo di faggio incatramato bruciò con 40 vetri soltanto (un quarto dello specchio);
- si fece fondere un grande contenitore di stagno, del peso di sei libbre, con 45 vetri (lo stagno fonde a 228° C):
-un pezzo d'argento si fuse con 117 vetri (la'rgento fonde a 1044° C).
Lo specchio di 168 vetri fatto costruire da Buffon per un esperimento.
Lavoisier realizzò il primo forno solare concentrando i raggi solari con l'aiuto di una lente a liquido.Raggiunse la temperatura della fusione del platino di 1750°.
Alla fine del XVIII secolo, il ricercatore Svizzero H. B. de Saussure costruì diverse macchine solari. Il suo primo collettore era ricoperto da due placche di vetro orientate verso il sole allo scopo di aumentare l'effetto serra. Nel XIX secolo e all'inizio del XX, numerose e a volte importanti installazioni furono costruite con lo scopo di riprodurre l'energia meccanica a partire dall'energia solare.
Nel 1816, il Pastore scozzese Robert Stirling depositò un brevetto per un "motore a combustione esterna", chiamato anche "motore ad aria calda". L'aria racchiusa in un cilindro era sottoposta a 4 cicli: riscaldamento, distensione, raffreddamento e compressione per mezzo di una fonte di calore esterno, il sistema permetteva di comportare il movimento ritatorio del motore. Malgrado numerose applicazioni il motore "Stirling" non resistette alla competizione economica dapprima dei motori a vapore e in seguito dei motori a combustione interna.
Nel 1837, l'astronomo inglese Sir John Herschel costruì un forno funzionante senza concentrazione dei raggi solari che utilizzava per preparare i suoi pasti durante una spedizione al Capo di Buona Speranza.
Nel 1839, Antoine Becquerel e suo figlio presentano per la prima volta un effetto fotoelettrico (fotovoltaico). Il loro esperimento permette di osservare il comportamento elettrico di elettrodi immersi in un liquido, modificato da una illuminazione. È stato capoto e presentato nel 1887 da Heinrich Rudolf Hertz che ne pubblicò i risultati sulla rivista scientifica Annalen der Physik. Albert Einstein fu il primo a proposrne una spiegazione, utilizzando il concetto di particella di luce o quanto, chiamato oggi fotone, inizialmente introdotto da Max Planck nel quadro di una spiegazione che egli stesso propose per l'emissione del corpo nero. Albert Einstein ha spiegato che questo fenomeno era provocato dall'assorbimento di fotoni, i quanti di luce, durante l'interazione del materiale con la luce.
Nel 1873, Carl Günther espose per la prima volta degli specchi fatti da lastre metalliche che si potevano spostare in modo da concentrare i raggi del sole, Egli stimò la possibilità di produrre, su una superficie di 200 piedi quadrati, sufficiente vapore acqueo per poter ottenere una potenza di 1 cavallo-vapore.
Durante la seconda metà del XIX secolo, Augustin Mouchot costruì una macchina che poteva produrre del vapore a 3,5 armosfere, un grande specchio conico che servi a far funzionare la tipografia della Esposizione Universale del 1878 per stampare il giornale intitolato "Le Soleil" in 500 copie all'ora. Durante la stessa epoca, Pifre costruì anch'egli una tipografia solare. Ottenne una potenza di 2 cavalli per 20 m2 d'insolatore. Tra le altre realizzazioni , Augustin Mouchot dispiegò in questo campo una considerevole attività. Egli ideò numerosi apparecchi funzionanti ad aria calda. Nel 1860, costruì una pompa capace di sollevare l'acqua a 1,50 metri.
"Se nei nostri climi l'industria può far a meno dell'impiego diretto del calore solare, giungerà necessariamente un giorno in cui, in mancanza di combustibile, essa sarà obbligata di far ritorno al lavoro degli agenti naturali. Che i giacimenti di antracite e di petrolio le forniranno ancora a lungo la loro enorme potenza calorica, non ne dubitiamo. Ma questi giacimenti si esauriranno indubbiamente: il legno che, si rinnova tuttavia, non è diventato più raro di un tempo? Perché non dovrebbe accadere la stessa cosa un giorno da una provvista di combustibile da cui si attinge così ampiamente senza mai colmare i suoi vuoti che si formano? [...] Non possiamo impedirci di concludere che è prudente e saggio non addormentarsi su questo punto con una sicurezza ingannevole".
Da: Augustin Mouchot, "La chaleur solaire et ses applications industrielles".
Nel 1874 fu costruita a Las Salinas, sull'altopiano di Atacama in Cile, un distillatore solare che produsse 23 tonnellate di acqua dolce al giorno insolate - a 0.0001 $ al litro! e che funzionò per 40 anni data alla quale quest'acqua dolce non fu più necessaria.
Un'importante installazione fu quella che realizzò Franck Schuman vicino al Cairo nel 1913. Egli costruì ina caldaia solare di 100 cavalli che servì a pompare l'acqua dal nilo. Visto il prezzo del carbone in Egitto all'epoca, il ritorno sull'investimento fu di 4 anni. Schuman ideò un'altra realizzazione più grandiosa nel Sahara. però la prima guerra mondiale e poi l'avvento dell'era del petrolio a buon mercato, diedero un colpo fatale a questo progetto ambizioso.
Furono fatti degli sforzi per tentare di seguire il sole allo scopo di migliorare il rendimento e allungare il periodo di utilizzazione delle macchine. E. P. Brown di Cottonwood Falls (Kansas) è stato il primo a costruire uno specchio convergente ruotante per mezzo di un peso e ingranaggi.
M. L. Severy di Boston ha proposto di accumulare l'energia solare nelle ore in cui il sole non brilla nel seguente modo: Si posiziona un collettore nella sede di un riflettore che segue il movimento del sole durante la giornata. Il vapore prodotto nel collettore aziona un motore che pompa dell'acqua fino a un riserva sopraelevata. Quest'acqua fa funzionare un generatore, e così di seguito. L'energia accumulata serve a far girare il riflettore ed è impiegata per altri usi in assenza di raggi solari.
Sino all'ultima guerra, furono apportati dei miglioramenti alle tecniche però malgrado il loro interesse, le realizzazioni non hanno avuto che una portata limitata. Dal 1946 al 1949, Félix Trombe, ingegnere chimico, realizza a Meudon, insieme a Marc Foex e Charlotte Henry La Blanchetais, il primo programma sperimentale per l'ottenimento di alte temperature con l'aiuto della concentrazione di irraggiamento solare, ricollegandosi così ai lavori di Lavoisier del XVIII secolo. Questa prima "postazione di riscaldamento solare" da 2 kw utilizza un concentratore parabolico da proiettore di difesa antiaerea in montatura polare. Un nuovo strumento è nato per la chimica e la metallurgia ad alta temperatura. Questa tappa conduce alla costruzione del forno solare da 50 kW di Mont-Louis per iniziativa di Félix Trombe e considerato da lui stesso come il modello di un forno solare industriale futuro. Questo strumento servirà da modello per la costruzione e l'utilizzazione di numerosi forni solari nel mondo.
A partire dal 1949, Félix Trombe costruì alla cittadella militare di Mont-Louis un immenso specchio parabolico che concentrerà i raggi solari verso un punto che si eleverà alla temperatura di 3.000° C, temperatura mai raggiunta prima, a lungo e gratuitamente. Dirige in seguito la creazione del grande forno solare da 1.000 kW di Odeillo a Font-Romeau.
Il primo sistema CLFR / Compact Linear Fresnel Reflector al mondo è stato costruito dall'italiano Giovanni Francia e costruito con la collaborazione di Marcel Perrot a Marsiglia nel 1963. Bisognerà aspettare la crisi petrolifera del 1973, per riorientare la politica energetica in Francia. Nel settembre del 1977, in seguito ai lavori del programma THEM, EDF e il CNRS decidono di realizzare una centrale elettrosolare.
Il primo progetto è riorientato nella primavera del 1979 per ragioni di bilancio, ma nel giugno dello stesso anno, il Presidente Giscard d'Estaing decide di sostenere la filiera solare e accetta la costruzione di Themis, prima centrale elettrosolare francese a torre della potenza di 2500 kW. Il segretario di Stato alla Ricerca, Jacques Sourdille è un ardente difensore di Themis. la centrale solare è costruita nel 1983 a Targasonne vicino a Font-Romeau, a 1700 metri di altezza con 2400 ore di insolazione annui. Essa sarà oggetto di test per tre anni poi verrà chiusa nel 1986, perché la Francia aveva fatto la scelta di sviluppare esclusivamente la filiera della fissione nucleare. La centrale fu riaperta nel 2007 per la realizzazione del progetto PEGASE.
Nel 2007 e 2008, avviene il grande ritorno del solare a concentrazione negli USA, Spagna, Australia, Marocco, Egitto, Algeria, nei paesi del Golfo persico, ecc. e ciò in un contesto di crisi climatica e di rincaro delle energie fossili.
Nell'aprile del 2007, la centrale a torre PS10 da 11mW, è inaugurata in Spagna a Siviglia. La PS10 è la prima piattaforma solare commerciale che raggiungerà 300 MWe nel 2013, di che alimentare in elettricità l'intera città di Siviglia. La costruzione del modulo PS20, da 20 mW viene terminata. Nel luglio 2008, è la centrale ANDASOL1 da 50 mW ad essere inaugurata a Grenada. Questa centrale equipaggiata di un dispositivo di stoccaggio del calore per un'autonomia di 8 ore.
Se oggi conosciamo un grande balzo avanti nella produzione fotovoltaica, l'energia solare conosce ben altri derivati che non sono esclusivamente riservati ai mondi industriali. Il solare è innanzitutto un prodotto di consumo corrente, poco costoso da mettere in opera e la cui principale energia, il sole, è gratuito.
[Traduzione di Ario Libert]
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