Misura dell'efficienza termica di
pannelli solari PV/T
Candidato: Paolo Damilano
Relatore: Prof. Paolo Gambino
2 dicembre 2010
Obiettivo sperimentale
Con questo lavoro sperimentale abbiamo voluto
cercare di calcolare l'efficienza termica, in periodo
autunnale, di un pannello solare ibrido non ancora
commercializzato e abbiamo confrontato questa
con quella di uno già in commercio e con quella
di un pannello termico semplice.
Pannelli PV/T
Un pannello pv/t
(photovoltaic/termal),in
italiano ibrido, è l'unione
di un pannello
fotovoltaico e di uno
termico ed è quindi in
grado di generare
energia elettrica e
termica
contemporaneamente
Pannelli PV/T
I pannelli fotovoltaici convertono in
elettricità solo una piccola parte
della radiazione solare(circa il
15%) e il resto viene o riflesso o
trasformato in calore
Fig in alto: sezione di un pannello ibrido
Fig a sinistra: variazione delle
temperature medie di moduli
all'aumentare del tempo in una giornata
priva di nuvole con irradiazione di circa
1000 W/mq e con vento minore di 3m/s
LINEA NERA:°t aria
LINEA BLU: °t modulo senza vetro
LINEA ROSSA: °t modulo senza vetro
LINEA ROSA: °t modulo con vetro
All' aumentare della temperatura




Corrente → aumenta leggermente
(0,02÷0,08%)/°C
Pannelli PV/T
Tensione → diminuisce
(-0,2÷-0,5%)/°C
Potenza → diminuisce
(-0,2÷-0,5%)/°C
Efficienza → diminuisce
(-0,2÷-0,5%)/°C
Nel nostro
impianto
Efficienza termica
P
C


T
H
O
2

G
A
P
P=portata(l/s)
CH2O=calore specifico dell'acqua 4186 J/(Kg*K)
ΔT=°t uscita-°t entrata(°C)
G=irraggiamento solare(W/m^2)
Ap=superficie del pannello(m^2)
ΔT=°t uscita-°t entrata(°C)
Portata
Misura della quantità di fluido che
attraversa una sezione di area del
tubo nell'unità di tempo.
Il flusso dell'acqua agisce
direttamente sulla turbina la cui
rotazione viene trasformata in metri
cubi dagli ingranaggi dell'orologeria.
Tipo : getto singolo con quadrante asciutto
Portata nominale. 1,5 m^3/h
Portata massima: 3m^3/h
Portata minima: 30 l/h
Errore: ±5%
Irraggiamento
Radiazione elettromagnetica proveniente
dal Sole
La misuriamo utilizzando solarimetro; in
particolare piranometro che misura la
radiazione globale totale(diretta+diffusa)
TIPO: piranometro a termopila
INTERVALLO DI MISURA: 1W/m 2 ÷ 2800 W/m2
SEGNALE IN USCITA: 9,14*10 -6 V → 1W/m 2
ERRORE: ±1%
Temperatura
Giunzione
calda
Per questa misura ci siamo serviti di
termocoppie di tipo k con giunto a
caldo esposto
Giunzione fredda
TIPO : K Chromel(Ni-Cr)(+) / Alumel(Ni-Al)(-)
INTERVALLO DI MISURA : da -50 a +250 °C
ERRORE : ± 0,1 °C
Una termocoppia è costituita da due fili
metallici(A e B) collegati ad un estremo
avente una certa T1 (giunzione calda) e
aventi all’altro estremo un'altra
temperatura T2 (giunzione fredda)
Temperatura
Effetto Seebeck:
se prendo un filo metallico avente due
temperature differenti; alle sue
estremità,viene a formarsi una forza
elettromotrice nota come Seebeck
electromotive force (emf).
Con 2 metalli
i due metalli devono essere diversi
Termocoppia
EFFETTO
SEEBECK
Sul giunto caldo, essendo la temperatura
maggiore rispetto a quella del giunto
freddo,avremo più stati occupati oltre il livello
di Fermi e gli elettroni saranno maggiormente
energetici rispetto all'altra estremità.
Moto elettroni
Gli elettroni tendono ad andare dove l'energia è
più bassa quindi avremo una migrazione di
questi dal giunto caldo a quello freddo e questo
dà luogo a una fem(forza elettromotrice).
Giunto caldo
Giunto freddo
Termocoppia
Il segnale in uscita dalla termocoppia non è un segnale lineare
la relazione tra la tensione e la
differenza di temperatura può essere
espressa con l'equazione polinomiale
Tabella di
conversione del
segnale in mV in
una temperatura
0 °C
Se temperatura giunto freddo
Diversa da 0°C
Tecnica della compensazione del giunto freddo:
V(T1-T0) = V(T1-T2) + V(T2-T0)
V(T2-T0) tensione di compensazione
Termocoppia
Abbiamo avuto inizialmente problemi
nel calcolo dell'efficienza poiché
avevamo un grosso errore dovuto a un
errato calcolo della temperatura con le
termocoppie questo poiché non
avevamo tenuto conto di una delle
proprietà dell'effetto Seebeck
LEGGE DEL METALLO INTERMEDIO
L'inserimento di un terzo metallo
all’interno del circuito della termocoppia
non cambia la tensione in uscita, purché le
due nuove giunzioni siano alla stessa
temperatura e il materiale inserito sia
omogeneo
termocoppia con
cavo rame
termocoppia k
Il nostro impianto
Il nostro
impianto
2 possibilità di scelta
Acqua fredda(∼15°C)
acquedotto
Acqua calda(°t acqua
riscaldata dai
pannelli)
accumulatore
Se la °t del pannello era troppo
bassa o troppo alta si attivava
automaticamente una pompa
che faceva circolare l'acqua
nel pannello
Il nostro impianto
Pannello termico commerciale
superficie:
1,338 ± 0,02 m2
Risultati sperimentali
Tm = (Tin+Tout)/2
Temperatura
pannello
Ta = temperatura aria
I = irraggiamento
Efficienza compresa tra
50 – 70 %
Scartati
Il nostro impianto
Pannello ibrido commerciale
superficie:
1,338 ± 0,02 m2
FV : 72 celle in silicio
policristallino 125 mm
Voc: 43,4 V
Isc: 5,3 A
Efficienza: 13,0%
Risultati sperimentali
Efficienza pannello ibrido commerciale
35
30
Efficienza[%]
25
20
08/11/10
17/11/10
15
10
5
0
0,00300
0,00400
0,00500
0,00600
(Tm-Ta)/I
Efficienza compresa tra 20 – 30 %
0,00700
0,00800
0,00900
Il nostro impianto
Prototipo pannello ibrido
superficie:
1,338 ± 0,02 m2
FV: silicio micromorfo a
film sottile
Voc : 165 V
Isc
: 1,13 A
Pmax: 120 W
Risultati sperimentali
Efficienza tra
30 – 45 %
Irraggiamento
non costante –
rapido
susseguirsi di
nubi
Conclusioni sperimentali
Termico: rendimento fra 50-70% a seconda delle condizioni atmosferiche
Ibrido Prototipo: tra 30 e 45 %
Ibrido commerciale: tra 20-30 %
Termico
Tra vetro e assorbitore abbiamo
camera d'aria (effetto serraisolante)
Ibrido
assorbitore a diretto contatto con
il vetro
Questo spiega le differenze di efficienza tra diverse tecnologie
Conclusioni
VANTAGGI
SVANTAGGI
Diminuzione dei costi di
produzione e installazione
Se circola acqua calda si
scalda pannello
Maggiore rendimento di
superficie(minore spazio
occupato)
Per soddisfare fabbisogno
energetico
-termico: 4-5 pv/t
-elettrico:10-15 pv/t
Miglioramento
dell'efficienza elettrica
Recupero di energia
termica
Obbligo di collegare i
pannelli termici in parallelo
Ringraziamenti