Politecnico di Milano – Sede di Como
Facoltà di Ingegneria
Corso di studi in
Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio
Laboratorio di sintesi finale
Sfruttamento dell’energia solare:
fotovoltaica
e
termica
Docente di riferimento:
prof. F. Inzoli
Sara Livio, matr. 647844
Paola Parravicini, matr. 646802
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.
Struttura di una cella fotovoltaica
Produzione:
1÷1,5 Wp
Celle fotovoltaiche: tecnologie disponibili
Tipo di
cella
Rendimento
cella
Vantaggi
Svantaggi
Celle al silicio
Si
Si policristallino
monocristallino
14-16%
> Alti
rendimenti
> Tecnologia
affidabile
Film sottile
Si amorfo
CdTe
CIS e CIGS
10% (ma 6-8% 16% (10% sul
6-7%
sul modulo)
modulo)
> Costi inferiori > Costi inferiori > basso costo > basso costo
10-12%
> Fabbricazio- > flessibilità
ne più semplice
> Costi elevati > Rendimenti
minori
> rendimenti
bassi
> Complessi
> sensibilità alle > Degrado
procedimenti di impurezze
iniziale
produzione
> Stabilità a
lungo termine
> buona
resistenza
meccanica e a
stress termici
> affidabilità
(rispetto a Si
amorfo)
> spessori
ridotti
> tossicità dei
materiali
impiegati
> disponibilità
dei materiali
> flessibilità
> tossicità dei
materiali
Celle
Nano-antenne
a
(rectennas)
concentrazione
20-23%
atteso 80-90%
> rendimenti
elevati
> rendimenti
molto elevati
> spessori
elevati
> tecnologia
sperimentale
> tecnologie di > necessità di
produzione in un sistema a
fase di sviluppo inseguimento
> complessità
della cella
> dimensioni
delle antenne
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
Modulo
FV
Regolatore
Carichi
12 V
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 disponibile
 numero 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
h = -----------------------potenza elettromagnetica ricevuta
3 (KWp)
0,12 = -------------1 (KW/m2) · A (m2)
3
A = ----- = 25 m2
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
Rendimento:
Calore ceduto al fluido termovettore
h = -------------------------Radiazione incidente sul collettore
η= 17 – 22%
COLLETTORE SOTTOVUOTO
Struttura 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 NATURALE
Serbatoio 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 FORZATA
Serbatoio 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 ambienti
Caratteristiche dell’impianto solare:
• Superficie collettori: 14 m2
• Volume accumulo: 1000 l
Copertura 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 PISCINA
Il 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)