Laboratorio di sintesi finale 

Sfruttamento dell’energia solare:fotovoltaica

etermica

 Docente di riferimento:

prof. F. Inzoli   

 Sara Livio, matr. 647844Paola Parravicini, matr. 646802

Politecnico di Milano – Sede di Como Facoltà di Ingegneria

Corso di studi in

Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio

L’Energia Solare

Il Sole emette con continuità energia sottoforma di radiazione elettromagnetica.

All’ingresso dell’atmosfera, la costante solare vale circa

1350 W/m2

Al suolo, essa si riduce a

1000 300 W/m2

In seguito a fenomeni di riflessione e assorbimento

L’effetto fotovoltaico

Consiste nella conversione dell’energia elettromagnetica in energia elettrica, generalmente ad opera di materiali semiconduttori.

Produzione:

1÷1,5 Wp

Struttura di una cella fotovoltaica

Celle fotovoltaiche: tecnologie disponibiliTipo di Celle al silicio Film sottile Celle Nano-antenne

cella Si monocristallino

Si policristallino Si amorfo CdTe CIS e CIGSa

concentrazione(rectennas)

Rendimento cella

14-16% 10-12%10% (ma 6-8%

sul modulo)16% (10% sul

modulo)6-7% 20-23% atteso 80-90%

Vantaggi> Alti rendimenti

> Costi inferiori > Costi inferiori > basso costo > basso costo > rendimenti elevati

> rendimenti molto elevati

> Tecnologia affidabile

> Fabbricazio- ne più semplice

> flessibilità > buona resistenza meccanica e a stress termici

> affidabilità (rispetto a Si amorfo)

> spessori ridotti

> flessibilità

Svantaggi> Costi elevati > Rendimenti

minori> rendimenti bassi

> tossicità dei materiali impiegati

> tossicità dei materiali

> spessori elevati

> tecnologia sperimentale

> Complessi procedimenti di produzione

> sensibilità alle impurezze

> Degrado iniziale

> disponibilità dei materiali

> tecnologie di produzione in fase di sviluppo

> necessità di un sistema a inseguimento

> dimensioni delle antenne

> Stabilità a lungo termine

> complessità della cella

Tipologie di impianto:impianti stand alone

l’energia elettrica prodotta in eccedenza viene accumulata in batterie per essere utilizzata in

momenti di bassa insolazione o di buio.Schema d’impianto

Impianti stand alone:applicazioni

- Utenze isolate

- Servizi

Tipologie di impianto:impianti grid-connected

la corrente continua prodotta dai moduli viene convertita in corrente alternata e, se non è utilizzata,

viene immessa nelle rete elettrica nazionale

Schema d’impianto

Impianti grid connected:applicazioni

- Piccoli impianti

- Centrali fotovoltaiche

Tipi di installazione

- Retrofit applicato a superfici esistenti

- Integrato in sostituzione di elementi strutturali

Tipi di installazione

- Sistemi a inseguimento (girasoli solari)

Criteri generali di dimensionamento

- Quantificazione dei consumi energetici- Radiazione solare disponibilenumero di moduli ev. numero di batterie.- Posizionamento dei moduli

Esempio di calcolo: superficie necessaria

Per impianto domestico grid-connected da 3KWp, ipotizzando un rendimento dei moduli del 12%

potenza elettrica erogata potenza elettromagnetica ricevuta

3 (KWp)0,12 1 (KW/m2) · A (m2)

3 A25m2

0,12

E’ richiesta un’area minima di 25 m2.

Considerazioni sugli impianti fotovoltaici

Vantaggi

- Elevata affidabilità e durata (circa 25–30 anni);

- Bassi costi di manutenzione;

- Semplicità d’installazione;

- Modularità.

Svantaggi

- Costi di installazione elevati;

- Bassi rendimenti di conversione;

- Necessità di grandi superfici.

SISTEMI SOLARI TERMICI

SISTEMI SOLARI TERMICI

Permettono la conversione della radiazione solare in energia termica.

Conversione:BASSA TEMPERATURA (< 100°C)MEDIA TEMPERATURA (oltre 250°C)ALTA TEMPERATURA (collettori solari

termici ad alta concentrazione)

IL COLLETTORE SOLARE PIANO- Superficie selettiva

trasparente- Piastra assorbente- Tubi in cui scorre il

fluido termovettore- Strato isolante

η= 17 – 22%

Calore ceduto al fluido termovettoreRadiazione incidente sul collettore

Rendimento:

COLLETTORE SOTTOVUOTOStruttura base: tubi di vetro

concentrici. Nello spazio intermedio è creato il vuoto. Al centro dei tubi è inserito un tubo di rame a forma di U, dove scorre il fluido termovettore.

COLLETTORI TUBOLARI SOTTOVUOTO

Rendimento: 70%

COLLETTORI HEAT PIPE

Rendimento: 80%

SISTEMI A CIRCOLAZIONE NATURALESerbatoio di accumulo dell’acqua posto al di sopra del collettore. Non è necessaria la presenza di una pompa

VANTAGGI:

•Costo limitato

•Installazione semplice

SVANTAGGI:

•Limitata portata ridotte prestazioni energetiche

•Problemi di mantenimento della temperatura dell’acqua nel serbatoio in inverno

•Utenze piccole (4-5 persone)

SISTEMI A CIRCOLAZIONE FORZATASerbatoio di accumulo all’interno dell’edificio. Circolazione fluido avviene tramite pompa centrifuga

VANTAGGI:

•Ampie possibilità soddisfacimento dell’utenza

•Buona efficienza grazie alla stratificazione termica del serbatoio a alla possibilità di regolazione della portata

SVANTAGGI:

•Costo superiore

•Installazione più complessa

IMPIANTO SOLARE COMBINATO

Produzione di acqua calda sanitaria e integrazione al riscaldamento degli ambienti

Soluzione migliore: integrazione con sistemi di riscaldamento a bassa temperatura (pannelli radianti a pavimento,…)

Inclinazione pannelli supera 50° Alternative impiantistiche:• Serbatoio “tank in tank”• Serbatoio di accumulo per acs e scambiatore

di calore per circuito riscaldamento

Impianto combinato con accumulo tank in tank

Impianto combinato con accumulo tank in tank

Caratteristiche dell’utenza: • 5 persone• Superficie abitazione da scaldare: 140 m2

Fabbisogno energetico:• 4.600 kWh/anno per acqua calda sanitaria• 12.000 kWh/anno per riscaldamento ambientiCaratteristiche dell’impianto solare:• Superficie collettori: 14 m2

• Volume accumulo: 1000 lCopertura energetica:• Acqua calda sanitaria: 90%• Riscaldamento ambienti: 40%

Impianto combinato: serbatoio di accumulo per acqua calda sanitaria e scambiatore di calore per circuito di

riscaldamento

RISCALDAMENTO PISCINAIl fabbisogno maggiore è nel periodo estivo, quando c’è maggior disponibilità di energia solare

In caso di riscaldamento combinato di piscina e acqua calda sanitaria, necessario un sistema di regolazione dell’afflusso di calore in base alla priorità.

Copertura fabbisogno energetico: 100%

CONCLUSIONI:Valutazioni economiche

E’ necessario tenere conto di

• Tempo di ritorno economico

• Esternalità ambientali

CONCLUSIONI:Valutazioni ambientali

• Benefici in termini di riduzione annua di emissioni (in particolare di CO2) rispetto alle fonti energetiche tradizionali

• Importanza di analizzare l’intero ciclo di vita del prodotto (dall’utilizzo di materie prime allo smaltimento finale)