Termal Electric Solar Panel Integration
[TESPI]
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ndice
Introduzione...................................................................................3
L’idea.............................................................................................5
Il brevetto n. B02007A000094 .......................................................7
Le applicazioni ...............................................................................8
Conclusioni ..................................................................................10
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ntroduzione
La possibilità di costruire un pannello ibrido che unisca il solare termico al fotovoltaico,
rappresenta un obiettivo di grande interesse pratico. In realtà, se da un lato i pannelli termici
e fotovoltaici rappresentano un investimento considerato di primaria importanza a livello
europeo, dall’altro essi sono dotati di un’efficienza troppo bassa e risultano poco competitivi
dal punto di vista economico.
La vera limitazione consiste nell’efficienza media di un pannello fotovoltaico: l’efficienza
del silicio amorfo si attesta in un range compreso tra il 5% ed il 10%, mentre il silicio
policristallino, in genere utilizzato in applicazioni terrestri, presenta un’efficienza di poco
superiore: in pratica tra il 10% ed il 15%. Entrambi i sistemi dissipano sotto forma di calore
dall’85% al 95% dell’energia solare.
Figura 1: Un tipico panello per applicazioni
termiche
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Figure 2: Un tipico pannello fotovoltaico
D’altra parte i collettori solari sono largamente diffusi ed utilizzano la radiazione solare per
produrre acqua calda con temperature comprese tra i 60°C ed i 70°C e con un’efficienza di
conversione della radiazione solare di circa il 70%. Un modo per aumentare l’efficienza del
sistema, senza incorrere in un grosso aumento dei costi, consiste nell’integrare i due sistemi:
quello termico e quello fotovoltaico. I vantaggi che si otterrebbero da questo abbinamento
sarebbero rilevanti: con la medesima superficie esposta, si otterrebbero sia potenza elettrica
(generata dal pannello fotovoltaico) che termica (il 90% di un collettore termico tradizionale)
e il sistema nel suo insieme avrebbe un costo inferiore rispetto a quello che si otterrebbe dalla
somma dei costi dei singoli sistemi.
Inoltre, l’applicazione combinata delle due tecnologie potrebbe favorire l’inizio di un’utile
interconnessione tra i due settori industriali, grazie a:
a) La preziosa esperienza di entrambi i mercati nel loro specifico
b) L’alta tecnologia del fotovoltaico applicata al termico
c) Gli standards e canali di mercato esistenti nel settore termico
d) La riduzione dei costi di monitoraggio, installazione e produzione
e) L’eliminazione della competizione per la disponibilità delle superfici
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In passato la tecnologia termica e quella fotovoltaica non vennero integrate con successo
principalmente per tre ragioni:
1 La deriva termica che interessa il silicio, contribuisce a diminuire l’efficienza di conversione
del sistema fotovoltaico al crescere della temperatura (un pannello fotovoltaico, utilizzato
come un collettore termico ha un’efficienza molto bassa)
2 I due sistemi hanno una struttura molto diversa (una è elettronica, l’altra è termomeccanica).
3 L’integrazione dei due sistemi presenta problemi a livello di compatibilità di materiali.
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Figura 3a: Deriva dell’efficienza del silicio Figure 3b: Deriva dell’efficienza al crescere della
al crescere della temperatura per diverse temperatura per diversi materiali impiegati nelle celle
fotovoltaiche. (Elaborazione nostra su dati dei
celle al silicio
produttori).
L’intregrazione delle due teconologie (oltre a rappresentare un significativo valore aggiunto)
potrebbe essere di grande interesse per i suoi aspetti innovativi:
· E’ possibile beneficiare dello stesso supporto che ha ottenuto il fotovoltaico dal Building
Integrated Photovoltaic.
· E’ compatibile con lo sviluppo della tecnologia dei film sottili. Essa rappresenta un
tentativo di collegare più tecnologie.
· E’ utile all’ottenimento di un certificato energetico obbligatorio per la costruzione.
· Riflette le nuove tendenze nell’architettura moderna (sostenibilità, compatibilità e
consapevolezza)
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L’
idea
Il funzionamento di TESPI si basa sul particolare comportamento dell’acqua come assorbitore
di radiazione (la cosa è estendibile ad alcuni olii e a miscele con alcoli) che è rappresentato
in figura 4 con sovrapposto lo spettro della radiazione solare.
E’ evidente come l’acqua sia in grado di assorbire fortemente nella zona dell’infrarosso.
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Figure 4: Assorbimento della radiazione da parte dell’acqua (rosso)e lo spettro solare (blu)
Quindi è possibile utilizzare uno strato d’acqua per catturare la radiazione solare. L’effetto
sarà quello di ridurre l’intensità della radiazione incidente sul pannello fotovoltaico, senza
variare il fattore di conversione dal momento che la gran parte della radiazione catturata
risiede nell’infrarosso. Questo concetto è ulteriormente esplicitato nella figura 5 dove è
possibile osservare l’andamento dello spettro solare al variare dell’altezza dello strato d’acqua
attraversato dalla radiazione. La barra nera corrisponde alla soglia del visibile. E’ evidente
come la zona interessata dalla conversione del fotovoltaico sia poco interessata dall’assorbimento
della radiazione da parte dell’acqua.
Si noti infine che la riflettività nell’infrarosso di alcuni materiali (in specie il silicio) migliora
la cattura dell’infrarosso dalla strato d’acqua esterno.
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Un comportamento analogo a quello dell’acqua si verifica in un gran numero di composti
organici che presentino legami di tipo O-H . In alternativa, è possibile aggiungere all’acqua
dei composti colorati in grado di aumentare l’assorbimento della componente infrarossa,
rimanendo completamente trasparente alla fascia visibile.
Si sta valutando la possibilità di utilizzare olii organici e coloranti infrarossi al fine di ridurre
lo spessore dello strato di liquido ed aumentare l’assorbimento dell’infrarosso.
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Figure 5: Spettro della radiazione solare (blu) che attraversa strati d’acqua di diversi spessori
(10 cm verde, 50 cm rosso).
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l brevetto n. BO2007A000094
Partendo da queste osservazioni, è possibile costruire un pannello composto da diversi layers:
· Uno strato sottile utilizzato per raffreddare il pannello fotovoltaico (1 in figura 6). L’acqua
entra a 20°C ed esce a 40°C.
· Il pannello fotovoltaico (4) è in contatto con lo strato d’acqua (1) ed è separato dallo strato
superficiale grazie ad un’intercapedine d’aria.
· La superficie del pannello è costituita da uno strato sottile d’acqua in grado di assorbire
gran parte della radiazione infrarossa.
· L’acqua in uscita dallo strato posteriore ad una temperature di 40°C, rappresenta l’ingresso
dello strato superficiale, all’interno del quale circola lentamente aumentando la sua
temperatura fino a 60°C per poi essere raccolta in un serbatoio.
· L’acqua nello strato superficiale può essere sostituita da olio organico in grado di assorbire
l’infrarosso in modo più efficace (o con un fluido organico contenente coloranti assorbitori
dell’infrarosso). In questo caso, lo strato è più sottile (1 cm) ed il liquido in esso contenuto
viene mandato ad uno scambiatore di calore all’interno di un serbatoio che raccoglie
l’acqua proveniente direttamente dallo strato inferiore del pannello.
Questi sono i principali contenuti del brevetto presentato ed ottenuto nel febbraio 2007.
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Figura 6: scheme della struttura di TESPI.
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L
e applicazioni
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Esistono diverse possibilità di applicazione del brevetto TESPI. Il primo è certamente il
pannello fotovoltaico, come mostrato in figura 7.
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Figure 7: Realizzazione di un pannello fotovolatico-termico.
Altre possibili applicazioni sono mostrate nelle figure 8 e 9.
La figura 8 mostra un collettore solare con un largo e profondo serbatoio d’acqua, mentre
la figura 9 rappresenta una piscina con un sistema di riscaldamento solare (il canale che
circonda la piscina). Lo spessore dello strato d’acqua varia tra i 20 ed i 50 cm ed è in grado
di assorbire completamente la componente infrarossa della radiazione senza alterare in maniera
sensibile l’efficienza di conversione fotovoltaica.
Una piccola riduzione (2-3%) della componente visibile della radiazione solare incidente
sul pannello viene compensata dal raffreddamento del pannello stesso dovuto alla temperatura
dell’acqua.
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Figure 8: Sezione e pianta di un grosso collettore solare con una profondità dello strato d’acqua
compresa tra i 20 ed i 50 cm. I pannelli fotovoltaici possono essere facilmente posizionati sul
fondo del collettore nella parte fredda senza perdere in efficienza e con una minore riduzione
(5%) dell’efficienza termica del collettore.
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Figure 9: La piscina sfrutta la radiazione solare per aumentare la temperatura dell’acqua. (vista
e sezione artistiche). I pannelli fotovoltaici possono essere facilmente posizionati sul fondo della
piscina senza perdere in efficienza e con una minore riduzione (5%) dell’efficienza termica.
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C
onclusioni
In conclusione, il progetto TESPI, così come il più noto ed antico carro, ha due attori importanti
con ruoli complementari ed integranti:
· La conversione fotovoltaica: l’efficienza risulta leggermente maggiore rispetto ai pannelli
standard
· Il riscaldamento dell’acqua: l’efficienza diminuisce lievemente rispetto ai collettori
tradizionali, ma il costo risulta notevolmente abbattuto grazie all’uso del medesimo supporto
nonché allo sfruttamento della medesima superficie.
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