Impianti Fonti Rinnovabili - Polimi PDF

Corso di Fisica Tecnica e Impianti (AA 2024-2025) Fonti energetiche rinnovabili Aula Magna – Rettorato Prof. Giuliano Dall’O’, Mercoledì 27 maggio Dip. ABC – Politecnico di 2015...

Corso di Fisica Tecnica e Impianti (AA 2024-2025) Fonti energetiche rinnovabili Aula Magna – Rettorato Prof. Giuliano Dall’O’, Mercoledì 27 maggio Dip. ABC – Politecnico di 2015 Milano  CONTENUTI DELLA SEZIONE Le rinnovabili negli edifici ZEB Classificazione delle fonti energetiche rinnovabili I dati climatici per la progettazione Gli impianti solari termici Gli impianti solari fotovoltaici Altre fonti energetiche rinnovabili Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 1  Edificio ZEB Nel volume “A common Definition for Zero Energy Building” pubblicato dal DOE (Department of Energy) degli Stati Uniti. si afferma che un edificio ZEB è “un edificio a basso consumo energetico, in cui, da un punto di vista della fonte energetica, la quantità di energia erogata annualmente all’edificio è inferiore o uguale all’energia rinnovabile prodotta in loco ed esportata”. Note: 1. Le linee tratteggiate rappresentano il trasferimento di energia all'interno del contorno 2. Le linee continue rappresentano il trasferimento di energia in entrata/uscita dal limite utilizzato per la contabilizzazione a energia zero Confine del sito di trasferimento di energia per la contabilizzazione a energia zero (Fonte: DOE, A common definition for Zero Energy Buildings, 2015) Fonte: https://rdcfinehomes.com/about/net-zero-home-builder/ Definizione grafica di un edificio ZEB Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 2  Fonti energetiche rinnovabili (FER) Fonte energetica Descrizione Tecnologie di sfruttamento rinnovabile Due sono le possibili conversioni dell’energia solare in energia utile per usi civili: energia termica attraverso impianti solari termici ed energia elettrica attraverso É l’energia proveniente dalla radiazione solare che può Energia solare impianti solari fotovoltaici. essere captata e convertita in forme utilizzabili di energia. L’utilizzo di queste tecnologie suggerisce la ricerca di una integrazione architettonica degli elementi captanti. Per la conversione dell’energia eolica in energia elettrica in ambito civile É una forma di energia ottenuta convertendo l’energia possono essere utilizzati piccoli impianti (mini eolici e micro eolici) quindi con Energia eolica cinetica del vento in energia elettrica tramite l’uso di turbine potenze limitate ma funzionanti sulla base dello stesso principio di quelli di eoliche. maggiore taglia. É una forma di energia rinnovabile che sfrutta il calore Può essere sfruttata principalmente attraverso l’installazione di pompe di calore Energia aerotermica contenuto nell'aria ambiente per riscaldare o raffreddare gli ad aria. edifici. É l’energia ottenuta dal movimento dell’acqua, come fiumi Può essere utilizzata per generare energia elettrica attraverso micro-turbine Energia idroelettrica o cascate, che viene convertita in energia elettrica tramite oltre che nelle tradizionali centrali idroelettriche turbine idrauliche. Energia idrotermica É una forma di energia rinnovabile che sfrutta il calore Il calore prelevato da una fonte idrica (acqua di falda, acqua di fiume, acqua di contenuto nelle acque superficiali o sotterranee per lago, ecc.) può essere utilizzato direttamente attraverso uno scambiatore di riscaldare o raffreddare edifici. calore o può essere utilizzato attraverso una pompa di calore ad acqua. Nel caso degli edifici, la soluzione tecnica ideale è quella che prevede l’installazione di una pompa di calore geotermica, dotata di sonde che si É l’energia termica generata dal calore naturale presente sviluppano in verticale o in orizzontale nel terreno. Quando il calore è Energia geotermica all'interno della Terra. disponibile a bassa temperatura si parla di geotermia a bassa entalpia. Nel caso di disponibilità di calore geotermico ad alta temperatura si definiscono sorgenti ad alta entalpia. Gli impianti a biomassa utilizzano materiali organici per il proprio É l’energia ottenuta dalla combustione o dalla funzionamento, come legna, pellet e scarti agricoli. Lo scopo è quello di Energia da biomasse decomposizione di materiali organici come ad esempio produrre calore per il riscaldamento e per la produzione di acqua calda legno, residui agricoli, e scarti alimentari. sanitaria. Negli edifici è possibile installare generatori come caldaie a biomassa, stufe e termocamini. Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 3  Le FER obbligatorie nella progettazione degli edifici L’obbligo di soddisfare almeno parte del fabbisogno energetico Vettore energetico fP,nren fP,ren fP,tot di un edificio con energie rinnovabili viene regolamentato con il D.Lgs 199/2021, che recepisce la Direttiva Europea 2018/2001 che aggiorna quanto già previsto dal Decreto Legge Gas naturale 1,05 0 1,05 n. 28/2011. GPL 1,05 0 1,05 A partire dal giugno 2022 tutti gli edifici privati di nuova costruzione, o gli edifici sottoposti ad una ristrutturazione Gasolio e olio combustibile 1,07 0 1,07 rilevante, devono essere in grado di coprire il 60% dei loro consumi energetici per la climatizzazione e per la Biomasse solide 0,20 0,80 1,00 produzione di acqua calda sanitaria con energie da fonti rinnovabili. Per gli edifici pubblici tale obbligo sale al 65%. A Biomasse liquide e gassose 0,40 0,60 1,00 questo si aggiunge l’obbligo di installare una potenza elettrica minima degli impianti alimentati da fonti rinnovabili, in relazione Energia elettrica da rete 1,95 0,47 2,42 alla superficie dell’edificio. Teleriscaldamento 1,5 0 1,5 Con l’evoluzione normativa la percentuale prevista di rinnovabili è cresciuta notevolmente, dato che il DL 28/11 nel 2012 Rifiuti solidi urbani 0,2 0,2 0,4 obbligava una copertura dei consumi previsti per la produzione di acqua calda sanitaria (ACS), il riscaldamento invernale ed il Teleraffrescamento 1,5 0 1,5 raffrescamento estivo pari al 20% per gli edifici privati e al 22% per quelli pubblici. Energia termica da collettori solari 0 1,00 1,00 Esistono comunque delle deroghe all’attuazione del Decreto. Energia elettrica prodotta da fotovoltaico, mini- Oltre agli edifici sottoposti a tutela, che sono esentati, anche nel eolico e mini-idraulico 0 1,00 1,00 caso di allacciamento a un impianto di teleraffrescamento e Energia termica dall’ambiente esterno – free- teleriscaldamento. Non occorre in questi casi soddisfare cooling 0 1,00 1,00 l’obbligo imposto di copertura con rinnovabili al 60%, purché si Energia termica dall’ambiente esterno – pompa di copra in questo modo l’intero fabbisogno energetico per calore 0 1,00 1,00 riscaldamento e acqua calda sanitaria. Fattori di conversione in energia primaria dei vettori energetici (fonte: DM 26/06/2015) Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 4  Il ruolo delle FER negli edifici ZEB Risorse Energetiche Rinnovabili Network Energetici Solare PV Eolico Solare Termico Biomassa Progettazione Passiva Centrale tecnologica Edificio Accumulo Elettrico Pompa di calore Acqua sanitaria Celle a Network Energetici Combustibile Accumulo passivo edificio Terminali HVAC Caldaia a Accumulo condensazione caldo Terminali HVAC Sistemi Ibridi Terminali HVAC Terminali HVAC Pompa di calore reversibile Terminali HVAC (Caldo/Freddo)) Frigorifero ad Accumulo assorbimento freddo Frigorifero a compressione Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 5  I dati climatici per la progettazione Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 6  Atlante energia solare ENEA Fonte: http://www.solaritaly.enea.it/ClearSky/ClearSkyMappeIt.php Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 7  Atlante energia solare ENEA Fonte: http://www.solaritaly.enea.it/ClearSky/ClearSkyMappeIt.php Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 8  Atlante energia solare ENEA Fonte: http://www.solaritaly.enea.it/ClearSky/ClearSkyMappeIt.php Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 9  Atlante energia solare ENEA Fonte: http://www.solaritaly.enea.it/ClearSky/ClearSkyMappeIt.php Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 10  Atlante energia solare ENEA Fonte: http://www.solaritaly.enea.it/ClearSky/ClearSkyMappeIt.php Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 11  Atlante energia solare ENEA Fonte: http://www.solaritaly.enea.it/ClearSky/ClearSkyMappeIt.php Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 12  Irradiazione solare m GEN FEB MAR APR MAG GIU LUG AGO SET OTT NOV DIC Anno Prov. Stazione Lat °N (s.l.m.) H !" H #" H !" H #" H !" H #" H !" H #" H !" H #" H !" H #" H !" H #" H !" H #" H !" H #" H !" H #" H !" H #" H !" H #" H$ TN Trento Sud 46,10 185 1,9 2,6 3,3 4,4 4,3 7,0 6,6 6,9 8,2 9,5 9,7 9,1 9,7 9,8 8,3 8,5 6,0 5,7 3,9 4,0 2,6 2,3 1,7 1,7 4145 AO Saint-Christophe 45,44 545 1,5 2,5 3,1 6,0 4,5 8,4 6,8 10,8 8,2 11,6 9,9 12,4 9,1 13,0 7,8 10,8 5,5 10,7 3,9 5,5 2,1 2,3 1,4 1,3 4804 TS Trieste - Molo Bandiera 45,38 2 2,1 2,3 2,9 4,5 4,6 6,2 6,3 8,3 8,7 11,8 9,1 14,3 8,6 14,5 7,4 10,6 5,8 8,9 3,5 4,6 2,1 2,3 1,9 1,8 4608 MI Milano - via Juvara 45,28 122 2,2 2,7 3,2 4,2 5,0 6,8 6,5 9,5 8,3 10,7 9,8 13,1 8,8 14,5 7,5 11,6 5,8 9,4 3,6 4,4 2,1 2,2 1,9 1,7 4679 VE Campagna Lupia - Valle Averto 45,20 0 2,2 2,8 3,0 4,8 4,9 6,3 6,3 10,2 8,3 13,0 8,7 15,9 8,4 15,7 7,3 13,3 5,7 10,3 3,7 3,7 2,4 2,4 1,7 2,7 4928 TO Baudicchi 44,57 226 2,4 2,2 3,8 3,9 4,9 6,8 6,1 9,9 8,3 11,4 9,1 13,7 8,8 15,2 7,6 12,6 6,0 8,6 4,3 4,7 2,8 2,0 2,0 1,9 4781 BO Bologna 44,30 48 2,4 2,1 3,6 4,4 5,4 5,7 7,0 8,8 9,4 10,8 9,8 10,8 9,6 14,0 8,5 10,0 6,7 7,3 4,3 3,3 2,9 1,9 2,1 1,0 4559 GE Recco - Polanesi 44,21 50 1,8 2,3 3,2 4,9 4,4 7,0 7,2 7,8 9,7 8,9 9,0 12,2 9,2 14,2 7,8 11,9 6,5 6,8 4,3 4,7 2,4 3,1 2,0 2,2 4631 FI Firenze 43,46 70 2,1 4,2 3,2 5,7 4,9 7,2 7,1 9,5 8,8 13,0 9,7 15,5 9,0 17,2 8,3 14,4 5,7 12,0 4,0 6,7 2,4 4,3 1,7 3,6 5437 AN Ancona - Regione 43,37 91 2,4 1,2 3,2 4,0 4,8 6,6 6,7 10,5 8,1 14,3 9,0 15,2 8,3 16,8 7,4 12,8 6,1 8,8 3,9 5,2 2,9 3,0 2,2 1,8 4971 PG Foligno 42,57 220 2,5 2,3 3,5 6,6 4,8 6,8 6,6 11,5 8,3 13,2 9,3 12,5 9,0 16,0 7,1 16,4 5,9 10,4 4,1 7,3 2,9 3,0 2,3 2,8 5267 AQ L'Aquila 42,21 700 2,9 3,2 3,5 6,1 5,3 8,3 6,8 9,3 8,8 12,5 9,4 15,1 9,0 15,7 7,8 14,8 6,4 10,2 4,8 5,3 3,4 2,8 2,6 2,3 5292 RM Roma 41,55 32 2,8 3,5 3,6 5,4 5,2 8,1 7,3 11,4 8,8 12,7 9,4 16,1 8,6 19,1 7,8 15,1 6,7 10,4 4,9 6,9 3,2 3,9 2,7 3,4 5625 BA Binetto 40,59 189 3,4 2,0 4,6 2,9 5,2 7,0 6,8 9,5 9,2 10,7 9,1 15,2 8,9 17,0 7,8 15,3 6,6 8,3 4,6 6,5 3,2 3,5 2,5 2,0 5146 PZ Oppido Lucano 40,45 767 2,9 3,4 3,8 5,5 5,2 8,4 6,8 12,4 7,9 16,4 9,2 17,4 8,3 17,4 7,4 16,9 6,0 11,4 3,9 8,9 3,1 4,2 2,6 3,7 5809 NA Nocera Inferiore 40,44 55 2,5 4,3 3,8 5,7 4,7 7,5 6,6 11,8 7,7 15,3 8,4 16,0 10,8 12,8 9,5 12,1 5,4 12,3 4,1 7,6 2,9 3,9 2,4 22,5 6055 CA Decimomannu 39,19 20 3,4 3,3 4,3 5,8 6,1 7,2 8,2 8,8 9,8 10,2 10,7 12,0 10,3 11,3 9,6 10,5 7,2 8,4 5,6 6,4 3,7 3,7 3,2 2,2 5143 PA Palermo 38,70 50 6,3 1,1 7,5 1,8 9,0 5,6 9,3 8,6 8,8 13,5 8,6 15,5 9,1 15,5 9,9 11,5 9,9 6,4 9,1 3,8 7,7 1,8 6,0 0,9 5528 CZ Chiaravalle Centrale 38,40 714 5,9 1,6 7,0 2,2 7,7 4,6 7,5 7,8 8,4 12,9 7,9 16,8 8,0 17,6 8,4 14,4 9,0 7,4 8,8 4,1 6,8 1,6 5,4 0,7 5397 SR Siracusa 37,30 90 7,6 3,6 7,9 5,3 8,8 8,2 8,9 9,3 9,0 14,2 8,8 16,1 9,6 15,1 10,4 12,3 9,6 8,8 9,1 5,6 7,3 2,3 6,4 2,0 6063 Irradiazione solare giornaliera media mensile diffusa (𝐻 !!" ) e diretta (𝐻 !#" ) sul piano orizzontale [MJ/m2] per alcune località italiane e dati della irradiazione solare globale annua (𝐻 !$) [MJ/m2 anno]. Dati riferiti alle stazioni di rilevazione dei dati climatici. (fonte: UNI 10349-1) Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 13  Gli angoli di riferimento per la captazione solare ϑ angolo d’incidenza radiazione solare diretta; angolo che la normale alla superficie forma con la linea congiungente il centro del disco solare con il centro della superficie stessa; ϑz angolo zenitale (tra raggio solare e direzione verticale); αs angolo d’altezza solare: angolo che la retta congiungente l’osservatore con il Sole forma con il piano orizzontale passante per l’osservatore stesso.; γs angolo azimutale solare; angolo formato tra la proiezione sul piano orizzontale della linea congiungente il Sole con l‘osservatore e la direzione sud; è negativo se la proiezione cade verso est (mattino prima del mezzogiorno solare) ed è positivo se la proiezione cade verso ovest (pomeriggio dopo mezzogiorno). β angolo d’inclinazione superficie; angolo formato dalla superficie con il piano orizzontale. E’ compreso tra 0° e 180°. Usualmente assume valori compresi tra N Raggi solari 0° (orizzontale) e 90° (verticale). Valori superiori a 90° indicano che la Raggi solari superficie è rivolta verso il terreno. T ro p ic o Equ del γ angolo azimutale superficie (con direzione sud); angolo formato dalla a to re Can c ro proiezione sul piano orizzontale della normale alla superficie e la direzione sud; 284 + 𝑁 T ro p ic o Linea del sole 𝛿 = 23,45° 𝑠𝑖𝑛 360° del 𝛿 Angolo declinazione solare è misurato positivamente da sud verso ovest. 365 Cap ric o rn o ω angolo orario; angolo formato dal piano meridiano passante per l’osservatore, 23,4 5° Raggi solari con il piano meridiano passante per il Sole, è negativo verso est (mattino prima S del mezzogiorno solare) ed è positivo verso ovest (pomeriggio dopo mezzogiorno); esso vale 15° per ogni ora di distanza dal mezzogiorno solare Solstizio d’estate (locale) vero. 23,45° Equinozio di primavera Equinozio d’autunno Angolo di declinazione 𝛿 f Latitudine; coordinata geografica espressa in gradi che specifica quanto la posizione di un punto sulla superficie terrestre si trovi a Nord o a Sud 0,00° GEN FEB MAR APR MAG GIU LUG AGO SET OTT NOV DIC dell’Equatore. δ angolo di declinazione; angolo che la retta tracciata dal centro della Terra al - 23,45° Solstizio d’inverno Sole forma, a mezzogiorno solare, con il piano equatoriale (varia secondo il Variazione dell’angolo di declinazione solare giorno dell’anno). Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 14  Coefficienti correttivi radiazione solare Inclinazione 20° Inclinazione 60° Mese Mese S SE-SO E-O NE-NO S SE-SO E-O NE-NO GEN 1,37 1,25 1,00 0,73 GEN 1,68 1,40 0,89 0,45 FEB 1,26 1,18 0,99 0,78 FEB 1,40 1,22 0,86 0,48 MAR 1,15 1,11 0,99 0,83 MAR 1,11 1,04 0,84 0,53 APR 1,06 1,04 0,98 0,89 APR 0,87 0,89 0,81 0,59 MAG 0,99 0,99 0,97 0,93 GIU 0,96 0,97 0,97 0,95 MAG 0,72 0,78 0,79 0,64 LUG 0,97 0,98 0,92 0,94 GIU 0,66 0,74 0,78 0,67 AGO 1,03 1,02 0,85 0,91 LUG 0,68 0,75 0,78 0,65 SET 1,11 1,08 0,84 0,86 AGO 0,80 0,84 0,80 0,60 OTT 1,21 1,15 0,81 0,80 SET 0,99 0,97 0,82 0,55 NOV 1,31 1,21 0,89 0,76 OTT 1,27 1,14 0,85 0,50 DIC 1,42 1,27 1,00 0,72 NOV 1,54 1,30 0,87 0,48 DIC 1,74 1,43 0,89 0,46 ANNO 1,08 1,05 0,98 0,88 ANNO 0,94 0,92 0,81 0,59 Inclinazione 30° Inclinazione 90° Mese Mese S SE-SO E-O NE-NO S SE-SO E-O NE-NO GEN 1,51 1,34 0,99 0,63 GEN 1,48 1,16 0,67 0,30 FEB 1,35 1,23 0,98 0,68 FEB 1,14 0,96 0,64 0,32 MAR 1,18 1,13 0,96 0,75 MAR 0,80 0,77 0,61 0,35 APR 1,05 1,03 0,95 0,82 APR 0,52 0,60 0,58 0,39 MAG 0,95 0,97 0,94 0,87 MAG 0,37 0,49 0,55 0,43 GIU 0,92 0,94 0,94 0,90 GIU 0,31 0,44 0,54 0,44 LUG 0,93 0,95 0,94 0,88 LUG 0,32 0,46 0,55 0,43 AGO 1,00 1,00 0,95 0,84 AGO 0,44 0,55 0,57 0,40 SET 1,12 1,08 0,96 0,78 SET 0,66 0,69 0,60 0,37 OTT 1,27 1,18 0,97 0,71 OTT 0,98 0,87 0,63 0,33 NOV 1,42 1,28 0,98 0,66 NOV 1,30 1,05 0,65 0,32 DIC 1,54 1,36 0,99 0,63 ANNO 1,08 1,05 0,95 0,81 DIC 1,55 1,20 0,67 0,30 ANNO 0,61 0,64 0,68 0,39 Inclinazione 45° Mese S SE-SO E-O NE-NO GEN 1,64 1,41 0,95 0,53 FEB 1,41 1,26 0,93 0,57 Coefficienti correttivi da applicare MAR APR 1,19 0,98 1,11 0,98 0,91 0,89 0,63 0,70 alla Irradiazione solare giornaliera MAG 0,86 0,89 0,88 0,76 media mensile totale sul piano GIU 0,80 0,85 0,87 0,78 orizzontale (𝐻!! ) per tenere conto LUG 0,82 0,87 0,87 0,77 AGO 0,92 0,94 0,89 0,72 della inclinazione e SET 1,09 1,05 0,90 0,66 OTT 1,31 1,23 0,92 0,60 dell’orientamento della superficie NOV DIC 1,52 1,69 1,32 1,43 0,94 0,95 0,56 0,53 captante ANNO 1,04 1,01 0,90 0,69 Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 15  Valori medi mensili della temperatura esterna Prov. Stazione GEN FEB MAR APR MAG GIU LUG AGO SET OTT NOV DIC TN Trento Sud 1,5 2,7 7,6 12,2 17,4 19,8 22,8 22,2 17,7 12,1 6,0 1,0 AO Saint-Christophe -0,2 3,5 7,4 11,5 15,7 19,6 21,7 20,8 16,4 11,1 4,4 0,3 TS Trieste - Molo Bandiera 6,6 7,1 10,1 13,9 19,0 22,9 24,9 24,6 21,5 17,3 12,3 8,1 MI Milano - via Juvara 4,0 7,1 10,6 13,4 19,4 22,8 24,5 24,3 19,8 14,1 7,5 3,5 VE Campagna Lupia - Valle Averto 3,1 3,7 8,7 12,9 19,0 22,4 23,8 23,8 18,7 14,0 8,4 4,9 TO Baudicchi 1,3 3,2 8,4 12,0 18,1 22,2 23,7 22,7 19,2 12,4 6,9 2,7 BO Bologna 1,3 5,4 9,6 13,6 17,7 22,2 24,8 21,6 19,3 15,6 9,3 3,8 GE Recco - Polanesi 10,2 10,3 10,9 15,1 18,5 22,2 24,4 23,4 22,0 18,0 13,1 9,8 FI Firenze 7,2 7,7 12,1 13,8 19,7 24,1 26,3 25,8 19,9 15,4 11,6 8,2 AN Ancona - Regione 6,6 6,9 10,6 13,9 18,8 22,2 25,7 24,3 20,6 15,7 11,0 8,3 PG Foligno 5,6 6,8 9,6 13,2 18,2 21,4 25,4 25,5 19,0 14,5 10,0 4,8 AQ L'Aquila 3,0 4,3 8,1 11,0 15,9 20,8 22,4 22,3 16,8 12,6 7,8 2,7 RM Roma 8,0 9,0 11,4 15,8 19,1 22,5 26,3 26,5 21,6 17,1 12,6 8,6 BA Binetto 8,5 7,6 10,5 13,9 19,1 23,2 26,2 25,8 21,5 15,4 12,9 9,1 PZ Oppido Lucano 5,1 4,0 7,4 10,6 15,5 19,3 22,5 23,2 18,1 15,4 9,6 5,1 NA Nocera Inferiore 10,4 9,4 11,7 15,1 18,7 22,7 25,1 25,6 21,8 17,4 12,2 10,6 CA Decimomannu 9,0 9,3 11,5 13,7 19,0 22,8 24,6 24,6 20,6 17,8 13,1 10,8 PA Palermo 11,7 11,3 13,4 16,6 20,1 23,9 26,9 27,0 23,9 20,6 16,6 12,9 CZ Chiaravalle Centrale 6,1 6,4 9,5 11,0 16,2 20,1 23,0 22,5 18,6 15,7 11,1 8,5 SR Siracusa 10,4 9,2 12,0 14,8 19,4 23,5 26,6 26,6 22,0 18,9 15,5 11,3 Valori medi mensili della temperatura media giornaliera dell'aria esterna riferita alle stazioni di alcune località italiane (fonte: UNI 10349-1) Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 16  L’effetto dell’orientamento N Percentuale rispetto NNW 90° NNE al valore massimo 80° 100 NW 70° NE 60° 90 50° WNW 40° ENE 30° 80 20° 10° 70 W E 60 50 WSW ESE 40 SW SE 30 SSW SSE S Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 17  Atlante Eolico Italiano - RSE Fonte: https://atlanteeolico.rse-web.it/ Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 18  Impianti solari termici Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 19  Collettori solari piani Un collettore solare piano è un dispositivo utilizzato per convertire l'energia solare in calore, che viene poi utilizzato per riscaldare l'acqua o un fluido Schema di un collettore solare piano termovettore. Ecco come funziona: 1. Assorbimento della radiazione solare: Il collettore è costituito da una piastra scura chiamata "assorbitore", che è progettata per catturare la radiazione solare. Questa piastra assorbe l'energia solare e la trasforma in calore. 2. Trasferimento del calore: Dietro l'assorbitore sono presenti delle canalizzazioni attraverso le quali circola un fluido termovettore (solitamente acqua o una miscela di acqua e antigelo). Il calore catturato Copertura trasparente dall'assorbitore viene trasferito al fluido che scorre nei tubi, riscaldandolo. 3. Isolamento termico: Per ridurre le perdite di calore, il collettore è dotato di uno strato di isolamento termico nella parte posteriore e di una copertura trasparente sulla parte anteriore (generalmente in vetro). La copertura consente alla luce solare di entrare, ma riduce la dispersione del calore dall'assorbitore verso l'esterno. Guarnizione 4. Circolazione del fluido: Il fluido riscaldato viene fatto circolare tramite Contenitore una pompa (in sistemi a circolazione forzata) o tramite convezione Contenitore Superficie selettiva naturale (in sistemi a circolazione naturale). Questo fluido trasferisce il calore accumulato a un serbatoio di accumulo o a un sistema di scambio Isolamento termico Superficie assorbente termico, dove può essere utilizzato per riscaldare l'acqua sanitaria o supportare un impianto di riscaldamento. 5. Ritorno al collettore: Dopo aver ceduto il calore, il fluido ritorna al Raccordi collettore per essere nuovamente riscaldato, completando così il ciclo. Il collettore solare piano è particolarmente adatto per applicazioni domestiche e industriali dove è richiesta una moderata quantità di calore, come il riscaldamento dell'acqua sanitaria o integrazione ai sistemi di riscaldamento centralizzato. Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 20  Collettori solari piani Il bilancio energetico di un collettore solare piano consiste nel massimizzare l'energia solare assorbita e minimizzare le perdite per ottimizzare la quantità di calore utile generata. Ecco i concetti chiave: Bilancio energetico 1. Energia solare incidente: Questa è l'energia proveniente dal sole che raggiunge la superficie del collettore. Rappresenta l'input principale del sistema e dipende dall'intensità della luce solare e dall'area del Irradiazione solare collettore. 2. Energia assorbita: Una parte dell'energia solare incidente viene catturata dall'assorbitore del collettore, una piastra scura progettata per trattenere il calore. Non tutta l'energia viene assorbita, poiché una parte Assorbimento viene riflessa o persa. Irraggiamento e riflessione 3. Perdite di calore: Durante il funzionamento, parte del calore accumulato viene perso verso l'ambiente. Le perdite avvengono principalmente attraverso conduzione (attraverso i materiali del collettore), convezione (movimento dell'aria intorno al collettore), e irraggiamento (emissione di radiazione termica). Queste perdite aumentano quando la temperatura Vetro del collettore è molto più alta rispetto alla temperatura esterna. Convezione Riflessione 4. Energia utile: È il calore che effettivamente viene trasferito al fluido che Piastra captante circola nel collettore (ad esempio, acqua o una miscela di acqua e antigelo). Questa energia può poi essere utilizzata per riscaldare l'acqua Fluido termovettore sanitaria, supportare il riscaldamento degli ambienti o per altre Isolamento termico Conduzione applicazioni termiche. Contenitore 5. Efficienza del collettore: L'efficienza indica quanto bene il collettore trasforma l'energia solare che riceve in calore utile. Maggiore è la quantità di energia assorbita rispetto a quella persa, maggiore sarà Solo una parte della irradiazione solare incidente viene trasferita come energia l'efficienza. Tuttavia, l'efficienza può diminuire in condizioni di scarsa termica al fluido termovettore: in figura un esempio di bilancio energetico di un radiazione solare o quando le perdite di calore sono elevate. collettore solare piano Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 21  Collettori solari piani Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 22  Collettori solari piani Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 23  Collettori solari piani integrati in copertura PARTICOLARE A PARTICOLARE D PARTICOLARE A Tubo collettore PARTICOLARE B PARTICOLARE C Vite M5 Rondella PARTICOLARE B Guarnizione Scossalina di copertura Guarnizione Spazio per i tubi Incastro per il cavallotto Particolare innesto cavallotto di fissaggio Copertura in alluminio Cavallotto Tetto Isolante PARTICOLARE D Angolare Grondaia Soletta impermeabilizzata 90 PARTICOLARE C (fonte: sistema Blue-Panel Yazaki Corp.) Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 24  Collettori solari sotto vuoto Il alternativa ai collettori solari piani, sono disponibili sul mercato anche collettori solari a tubi sottovuoto. La figura sotto riporta gli schemi delle due tipologie costruttive più diffuse: la prima, a sinistra, a flusso diretto mentre la seconda, a destra, con tubi di calore (Heat Pipe). Il vuoto creato tra assorbitore e copertura trasparente tubolare consente di ridurre ulteriormente le dispersioni di calore del collettore verso l’esterno e quindi di aumentare il rendimento e la temperatura dell’acqua prodotta. L’efficienza di captazione di un collettore solare è la caratteristica che ne determina le prestazioni e quindi la sua capacità di trasformare l’energia solare assorbita in calore. Pannello sotto vuoto a flusso diretto Pannello sotto vuoto Heat Pipe Entrata Acqua fredda Calore Schema di un collettore solare sotto- vuoto a flusso diretto (sinistra) e a Tubo di vetro Tubo di vetro tubi di calore o Heat Pipe (destra). I pannelli sotto-vuoto, riducendo sensibilmente le perdite termiche Vuoto Vuoto convettive tra elemento assorbente Uscita e ambiente esterno, consentono di Acqua calda Vapore ottenere una efficienza di captazione mediamente superiore rispetto a quella dei collettori solari Heat Pipe piani Tubo a U con piastra Liquido Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 25  Collettori solari sotto vuoto Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 26  Rendimento di un collettore solare termico Le prestazioni energetiche di un collettore solare termico possono essere La potenza termica utile è data dalla differenza tra la quota di potenza valutate attraverso un bilancio energetico che determina la frazione di energia termica assorbita e quella dispersa, quindi: che il collettore riesce a trasferire al fluido termovettore rispetto a quella solare incidente complessiva. 1 𝑞*+ = 𝐴( * 𝜂) * 𝐼 − 𝐴( * (𝑎0 * 𝑡%& − 𝑡' + 𝑎1 * 𝑡%& − 𝑡' ) area della superficie potenza termica utile trasferita dal captante del collettore (m 2) collettore al fluido termovettore (W) radiazione solare incidente L’efficienza istantanea di captazione espressa può essere espressa per unità di superficie del dunque attraverso l’equazione: collettore (W/m 2) 𝐼 * 𝐴( * 𝜂) = 𝑞*+ + 𝑞,-./ 1 𝐴( * 𝜂) * 𝐼 − 𝐴( * 𝑎0 * 𝑡%& − 𝑡' + 𝑎1 * 𝑡%& − 𝑡' efficienza a perdite nulla (tiene conto delle proprietà potenza termica persa dal collettore solare per le 𝜂( = della copertura trasparente e della piastra assorbitrice perdite termiche verso l’ambiente esterno (W) 𝐴( * 𝐼 Il rendimento termico effettivo o efficienza istantanea di un collettore può essere ricavato, a sua volta, dal rapporto tra la potenza termica captata e trasferita al fluido termovettore nell’unità di tempo e la radiazione incidente Perdite ottiche complessiva, ovvero: ""#$% 𝑞*+ 𝜂= # 𝜂( = 𝐴( * 𝐼 Perdite termiche Efficienza di La potenza termica dispersa dal collettore solare 𝑞,-./ è a sua volta valutabile captazione attraverso una equazione parabolica che utilizza due coefficienti di perdita globale del collettore stesso, 𝑎0 (W/m2K) e 𝑎1 (W/m2K) ovvero 1 Effetto utile 𝑞,-./ = 𝐴( * (𝑎0 * 𝑡%& − 𝑡' + 𝑎1 * 𝑡%& − 𝑡' ) Condizioni operative 𝑡%& − 𝑡' dove 𝑡%& e 𝑡' sono rispettivamente la temperatura media del fluido e la Δ𝑡 ∗ = 𝐼 temperatura ambiente. I termini 𝑎0 e 𝑎1 comprendono le perdite termiche complessive del collettore per conduzione, convezione e irraggiamento. Rappresentazione grafica della curva di efficienza di un collettore solare. Una volta individuate le condizioni operative si sale verticalmente fino ad intercettare la curva di efficienza e, nell’asse delle ordinate, si legge il valore dell’efficienza di captazione istantanea Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 27  Rendimento di un collettore solare termico eliminando 𝐴( e definendo convenzionalmente: 1,0 𝑡%& − 𝑡' ∆𝑡 ∗ = 𝐼 0,8 ""#$% Collettore solare selettivo Si ottiene l’equazione dell’efficienza in una formazione più semplificata: 𝜂= # 0,6 ∗1 Collettore solare sotto vuoto 𝑎1 * ∆𝑡 ∗ 𝜂( = 𝜂) − 𝑎0 * ∆𝑡 − 0,4 𝐼 Collettore solare verniciato nero L’efficienza energetica di un collettore solare, quindi, dipende quindi: 0,2 dalle condizioni esterne (quantità di energia solare incidente nell’unità di tempo o flusso solare I, temperatura dell’ambiente esterno 𝑡' ); 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 dalle condizioni operative (temperatura media del fluido termovettore 𝑡%& − 𝑡' 𝑡%& ); Δ𝑡 ∗ = 𝐼 dall’efficienza di captazione (detta anche fattore di conversione) del collettore solare 𝜂) e dai coefficienti di perdita globale del collettore Caratteristiche prestazionali di alcuni collettori solari a confronto. La scelta del collettore solare solare 𝑎0 e 𝑎1. più idoneo dipende dalle condizioni operative. Aumentando il valore di ∆t∗ , quindi andando verso destra nell’asse delle ascisse, è necessario utilizzare un collettore solare più performante Per la determinazione dell’efficienza è importante evidenziare che la curva di efficienza del collettore si basa sulla radiazione solare istantanea mentre i Tipologia del collettore solare η# a$ a% IAM dati climatici normalmente fanno riferimento alla radiazione solare mensile. In [W/m2K] [W/m2K] mancanza di valori orari della radiazione, è possibile determinare un valore Collettori a tubi sottovuoto con assorbitore 0,719 1,06 0,005 0,99 medio utilizzando la seguente equazione piano Collettori a tubi sottovuoto con assorbitore 0,785 0,32 0,031 1,00 heat pipe 1 𝐼% = 44,67 * 𝐻3 − (0,67 * 𝐻3 ) Collettori piani vetrati 0,780 3,50 0,015 0,94 Collettori piani vetrati selettivi 0,790 3,34 0,014 0,94 dove: 𝐼% = Intensità della radiazione media giornaliera (W/m2) Collettori non vetrati 0,76 15 0 1,00 𝐻3 = valore medio mensile della radiazione solare sul piano di captazione Caratteristiche costruttive e prestazionali tipiche di alcune tipologie di collettori solari presenti (MJ/m2 anno) sul mercato Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 28  Impianti solari termici In un impianto solare termico per la produzione di acqua calda sanitaria il fluido termovettore che circola all’interno dei collettori solari trasferisce tutto il calore assorbito ad un serbatoio di accumulo contenente l’acqua sanitaria che sarà prelevata in funzione delle necessità. La circolazione del fluido è garantita da una elettropompa che viene attivata dalla centralina di regolazione che confronta costantemente le temperature Sonda alta T rilevate da due sonde: una sonda di alta temperatura posta su un collettore Collettore solare solare pilota ed una sonda di bassa temperatura posta nel serbatoio di accumulo. Acqua calda alle utenze L’azionamento della elettropompa di circolazione è attivato solo se la Sonda bassa T differenza di temperatura rilevata dalle due sonde é positiva (in genere 2÷3 °C). Solo in questo modo, infatti, si ha la garanzia che l’impianto funzioni solo Centralina quando è in grado di fornire realmente energia termica all’utenza ma, soprattutto, si evita che attraverso i collettori, in mancanza di soleggiamento, Accumulo venga dissipata l’energia termica accumulata. Integrazione acqua calda Termica I serbatoi di accumulo hanno in genere una doppia serpentina (negli impianti di maggiori dimensioni è possibile installare uno scambiatore di calore esterno). Quella posizionata in basso è collegata al circuito solare (all’interno del quale circola usualmente una miscela di acqua con antigelo), mentre Elettropompa quella posizionata in alto è collegata al generatore di calore ausiliario. Se Reintegro acqua fredda l’impianto solare non è in grado di portare l’acqua alla temperatura desiderata, il calore fornito dal generatore di calore attraverso la serpentina (sistema ausiliario) garantisce all’utenza la giusta integrazione, riscaldando solo la parte alta dell’accumulo. Schema di un impianto solare termico per la produzione di acqua calda ad usi Nella progettazione degli impianti solari termici è indispensabile introdurre sanitari. L’energia termica fornita dai collettori solari viene immagazzinata nel degli accorgimenti per prevenire il pericolo della legionella pneumophila serbatoio di accumulo, Quando la sua temperatura è più bassa rispetto a quella richiesta dalle utenze è necessario prevedere una integrazione con un sistema poiché la temperatura non viene mantenuta sempre oltre il valore di sicurezza ausiliario. che ne inibisce lo sviluppo. Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 29  Dimensionamento degli impianti solari termici per acqua calda sanitaria Per valutare la convenienza economica di un 6.000 impianto solare termico è opportuno considerare un Energia solare 5.000 parametro, il coefficiente di utilizzo, definito come il Energia non utilizzata rapporto tra l’energia trasferita dall’impianto solare ed 4.000 effettivamente utilizzata e l’energia utile prodotta Fabbisogno kWh/mese dall’impianto solare. 3.000 Nella figura a fianco sono riportati, a titolo 2.000 esemplificativo, due bilanci energetici che fanno 1.000 CU 93% riferimento a due configurazioni a parità di fabbisogno di calore per un impianto di produzione di acqua calda sanitaria. Nel grafico sopra con 25 m2 di superficie 6.000 captante viene garantita una copertura media anna del Energia solare fabbisogno del 69% ottenendo un coefficiente di 5.000 utilizzo dell’93%. Energia non utilizzata kWh/mese 4.000 Si può osservare dal grafico come nei mesi Fabbisogno centrali dell’anno l’impianto solare produca più energia 3.000 di quella che serve, da qui un coefficiente di utilizzo 2.000 inferiore al 100% anche se comunque ottimale. 1.000 CU 66% Volendo aumentare l’integrazione solare, passando ad esempio da 25 m2 a 42 m2, aumenta la copertura annuale del carico termico che passa dal GEN FEB MAR APR MAG GIU LUG AGO SET OTT NOV DIC 69% all’83%. Questa configurazione, che è più costosa rispetto alla prima, genera un coefficiente di utilizzo del 66% evidenziando uno spreco economico. Bilancio energetico di un impianto solare con due configurazioni delle superfici captanti. Incrementando l’area di captazione aumenta l’integrazione solare annua del fabbisogno energetico ma una parre maggiore di energia solare captata non viene utilizzata. Ciò comporta una economicità inferiore dell’impianto. E’ necessario cercare un bilancio costi-benefici ottimale Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 30  Fattore di utilizzo dell’impianto solare Con i risultati di simulazioni multiple è possibile tracciare un grafico come quello di 100 grafico a fianco, che ha in ascissa la Integrazione superficie captante, nel quale coesistono Integrazione carico termico termico (%) Aprile - Ottobre tre curve: 80 la curva che definisce la copertura Integrazione annua annua; la curva che definisce la copertura nel 60 periodo durante il quale l’impianto di climatizzazione invernale rimane disattivato (ad esempio da aprile a ottobre); 40 Fattore di utilizzo la curva che definisce il fattore di utilizzo. Dal grafico si può osservare che fino al 70% di integrazione dell’impianto solare 20 esiste una proporzionalità quasi diretta tra area captante e integrazione mentre oltre il 70% la superficie captante aggiunta non mantiene questa proporzionalità. Dimensionare un impianto solare per la 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 produzione di acqua calda sanitaria per una Superficie captante impianto (m2) copertura superiore al 70% è quindi sempre meno conveniente in quanto il fattore di utilizzo dell’impianto tende a diminuire. Correlazione tra integrazione dell’impianto solare e fattore di utilizzo. Superata una certa percentuale di copertura del carico il fattore di utilizzo diminuisce e l’impianto risulta meno conveniente economicamente Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 31  Impianto di Solar Cooling Un impianto di solar-cooling utilizza l'energia solare per Torre evaporativa alimentare un sistema di raffrescamento, riducendo il consumo Collettori di energia elettrica tradizionale. Ecco come funziona: solari 1. Pannelli solari termici ad alta efficienza catturano Terminali l'energia solare e riscaldano un fluido termovettore. 2. Il fluido caldo viene inviato a una macchina ad assorbimento o ad adsorbimento, che utilizza il calore per alimentare un ciclo di refrigerazione. 3. Nella macchina di raffreddamento (ciclo ad assorbimento, il calore solare fa evaporare un refrigerante, che, condensandosi e rilassandosi successivamente, produce l'effetto refrigerante. 4. Il sistema raffresca l'acqua, distribuendola agli ambienti tramite un impianto di climatizzazione. Questo processo sfrutta l'energia solare, abbattendo i consumi di elettricità e rendendo il raffrescamento più sostenibile. Serbatoio di accumulo Macchina frigorifera ad assorbimento In una giornata soleggiata, caratterizzata da un carico termico estivo più elevato, Negli impianti di climatizzazione ad energia per gran parte della giornata l’energia solare il calore fornito dai collettori solari viene solare viene utilizzata per alimentare la utilizzato per alimentare una macchina frigorifera macchina frigorifera ad assorbimento, ad assorbimento che a sua volta produce acqua quindi per produrre acqua refrigerata. Nei refrigerata utile per condizionare gli ambienti. E’ restanti periodi può intervenire l’accumulo comunque necessario prevedere un serbatoio di termico accumulo ed una torre evaporativa. Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 32  Impianti solari ad aria Gli impianti solari ad aria sviluppati dalla Solaron Corporation negli anni '70 e SCHEMA IMPIANTO '80 rappresentavano una delle prime tecnologie di riscaldamento solare attivo. Funzionavano catturando l'energia solare e utilizzando l'aria come mezzo di trasferimento termico. Questi sistemi erano progettati per riscaldare gli ambienti Collettori solari interni delle abitazioni o fornire calore per processi industriali. 1. Collettori solari ad aria. Il cuore del sistema erano i collettori solari ad aria, Serrande di non ritorno che catturavano la luce solare e la convertivano in calore. Questi collettori erano costituiti da superfici assorbenti, di solito dipinte di nero o rivestite con Dagli ambienti materiali altamente assorbenti, in grado di raccogliere la radiazione solare. Unità di accumulo Filtro L'aria circolava attraverso o sotto queste superfici, riscaldandosi al contatto calore con il materiale assorbente. 2. Flusso d'aria. L'aria riscaldata all'interno dei collettori veniva poi convogliata verso l'interno dell'edificio o dell'impianto tramite un sistema di canalizzazione. Per una maggiore efficienza, i sistemi più avanzati Unità termoventilante utilizzavano ventilatori per spingere l'aria riscaldata attraverso i canali. 3. Stoccaggio del calore. Alcuni sistemi Solaron erano dotati di meccanismi per immagazzinare il calore raccolto durante il giorno, per poterlo poi utilizzare durante la notte o nei giorni nuvolosi. Questo stoccaggio veniva realizzato tramite materiali a cambiamento di fase o serbatoi termici, ma più spesso si utilizzavano materiali come rocce o ghiaia per immagazzinare l'aria Agli ambienti Copertura trasparente calda. 4. Distribuzione del calore. L'aria calda veniva distribuita negli ambienti interni COLLETTORE SOLARE Assorbitore tramite condotti d'aria e bocchette che si aprivano nelle varie stanze. 5. Sistemi di controllo. Gli impianti potevano essere controllati tramite Uscita aria dall’assorbitore Entrata aria termostati e valvole che regolavano il flusso d'aria, attivando o disattivando i nell’assorbitore ventilatori a seconda delle esigenze di riscaldamento. 6. Efficienza e vantaggi. Uno dei principali vantaggi degli impianti ad aria Al collettore laterale rispetto ad altre soluzioni (come quelli a liquido) era la semplicità del sistema: Entrata aria l'aria non ghiaccia, e quindi non erano necessari fluidi anticongelanti, riducendo i costi di manutenzione. Tuttavia, la capacità dell'aria di trasportare Al collettore successivo calore è inferiore a quella dell'acqua, quindi i collettori solari dovevano avere una superficie maggiore per ottenere lo stesso effetto riscaldante. Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 33  Impianti solari fotovoltaici Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 34  Impianti fotovoltaici Le installazioni fotovoltaiche (PV - Photovoltaics Systems) rappresentano una tecnologia matura, e molto diffusa, per la conversione diretta dell’energia solare in energia elettrica. Le applicazioni di questi impianti riguardano praticamente tutti i settori nei quali ci sono fabbisogni elettrici da soddisfare. L'effetto fotovoltaico consiste nella trasformazione diretta della radiazione solare in energia elettrica, un fenomeno che si verifica all'interno della cella fotovoltaica. Quest'ultima è generalmente composta da una lamina sottile di materiale semiconduttore (prevalentemente silicio). L'assorbimento di un fotone, avente energia adeguata, nel semiconduttore induce la formazione di una coppia di cariche elettriche di segno opposto: un elettrone e una lacuna. Queste cariche divengono quindi disponibili per generare una corrente elettrica. Per la generazione effettiva di corrente elettrica è indispensabile la Particolare di un impianto fotovoltaico installato in copertura. L’inclinazione dei presenza di una differenza di potenziale nel semiconduttore, che è ottenuta pannelli, prossima all’orizzontale, consente di captare più energia nell’intero anno mediante l'introduzione di droganti nel materiale semiconduttore. Queste impurità alterano significativamente le proprietà elettriche del semiconduttore: l’aggiunta di atomi di fosforo al silicio, per esempio, produce silicio di tipo "n", caratterizzato da una maggiore densità di elettroni liberi rispetto al silicio intrinseco. Invece, l'integrazione di atomi di boro conduce alla formazione di silicio di tipo "p", dove prevale una maggiore concentrazione di cariche positive libere. Una cella fotovoltaica necessita del contatto intimo tra due strati di silicio di tipo p e n su una vasta superficie. Nella zona di contatto, detta giunzione p-n, si instaura un intenso campo elettrico che, a seguito dell'irradiazione solare, causa la separazione delle cariche elettriche positive e negative, inducendo una circolazione di corrente una volta che il dispositivo è connesso a un carico. Principio di funzionamento dell’effetto fotovoltaico Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 35  Tipologie celle fotovoltaiche e rendimenti Tipologia Caratteristiche Vantaggi Svantaggi Rendimento Silicio monocristallino (c-Si) Queste celle sono attualmente le più efficienti tra quelle commerciali. Alta efficienza, estetica Costo di produzione più Sono facilmente riconoscibili per il loro colore nero uniforme e sono elegante, ottimo elevato rispetto ad altre ampiamente utilizzate per impianti residenziali e commerciali. Il loro comportamento anche in tecnologie. 18÷24% maggiore costo è giustificato dalla lunga durata e dall'alta efficienza, condizioni di anche in condizioni di luce indiretta o bassa. ombreggiamento parziale. Silicio policristallino (p-Si) Seconda tecnologia più diffusa, le celle policristalline hanno un costo Prezzo inferiore rispetto al Efficienza inferiore rispetto inferiore rispetto a quelle monocristalline ma con una riduzione monocristallino, buona al monocristallino, aspetto dell’efficienza. Sono facilmente riconoscibili dal colore bluastro dovuto alla durata. estetico meno gradevole. 14÷18% struttura a cristalli multipli. Film sottile – Tellururo di Le celle a film sottile in tellururo di cadmio sono utilizzate soprattutto per Costo inferiore, buona Efficienza inferiore, Cadmio (CdTe) grandi impianti fotovoltaici a livello industriale. Sono meno efficienti efficienza in condizioni di tossicità del cadmio, rispetto alle celle in silicio, ma risultano più economiche e offrono buone luce diffusa, adatte per minore durata. 9÷12% prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione o temperature elevate. grandi impianti solari. Silicio monocristallino Silicio policristallino Film sottile Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 36  Dalla cella fotovoltaica ai generatori fotovoltaici Cella fotovoltaica Modulo fotovoltaico Le stringhe fotovoltaiche sono costituite da singoli moduli fotovoltaici collegati in serie; il numero di moduli dipende dalla tensione prodotta dal singolo modulo (nota una volta individuato il tipo di prodotto) e da quella Stringa fotovoltaica desiderata dell’intera stringa. + Un campo fotovoltaico è definito come un aggregato di stringhe di moduli fotovoltaici che sono installati meccanicamente nel sito operativo e interconnessi elettricamente. Dal punto di vista elettrico, tale campo rappresenta il generatore fotovoltaico dell'intero impianto. Nei casi di impianti di notevole potenza, il campo fotovoltaico è suddiviso in sub-campi, che consistono nel collegamento in parallelo di diverse stringhe. La potenza nominale, talvolta chiamata potenza massima o di picco, del generatore fotovoltaico si determina sommando le potenze nominali di ogni singolo modulo che compone il generatore. Queste misure vengono effettuate seguendo le Condizioni Standard di Test (STC, Standard Test Conditions), che rappresentano le condizioni di riferimento per la valutazione Pannello fotovoltaico delle prestazioni dei moduli. - Le STC specificano un irraggiamento solare di 1000 W/m², uno spettro Campo fotovoltaico solare corrispondente ad un Air Mass di 1,5 e una temperatura di cella di + 25°C. Queste misurazioni sono generalmente condotte in ambiente controllato utilizzando un simulatore solare, dato che riprodurre esattamente tali condizioni in ambiente esterno risulta estremamente complesso. Questa configurazione e metodologia assicurano che i valori di potenza ottenuti siano standardizzati e comparabili, facilitando così l'analisi e la certificazione delle prestazioni dei moduli fotovoltaici in diverse condizioni operative e geografiche. - Configurazione di un impianto solare PV Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 37  Impianto Fotovoltaico nuovo Campus Bocconi Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 38  Impianti fotovoltaici Le installazioni fotovoltaiche (PV - Photovoltaics Systems) rappresentano una tecnologia matura, e molto diffusa, per la conversione diretta dell’energia solare in energia elettrica. Le applicazioni di questi impianti riguardano praticamente tutti i settori nei quali ci sono fabbisogni elettrici da soddisfare. L'effetto fotovoltaico consiste nella trasformazione diretta della radiazione solare in energia elettrica, un fenomeno che si verifica all'interno della cella fotovoltaica. Quest'ultima è generalmente composta da una lamina sottile di materiale semiconduttore (prevalentemente silicio). L'assorbimento di un fotone, avente energia adeguata, nel semiconduttore induce la formazione di una coppia di cariche elettriche di segno opposto: un elettrone e una lacuna. Queste cariche divengono quindi disponibili per generare una corrente elettrica. Per la generazione effettiva di corrente elettrica è indispensabile la Particolare di un impianto fotovoltaico installato in copertura. L’inclinazione dei presenza di una differenza di potenziale nel semiconduttore, che è ottenuta pannelli, prossima all’orizzontale, consente di captare più energia nell’intero anno mediante l'introduzione di droganti nel materiale semiconduttore. Queste impurità alterano significativamente le proprietà elettriche del semiconduttore: l’aggiunta di atomi di fosforo al silicio, per esempio, produce silicio di tipo "n", caratterizzato da una maggiore densità di elettroni liberi rispetto al silicio intrinseco. Invece, l'integrazione di atomi di boro conduce alla formazione di silicio di tipo "p", dove prevale una maggiore concentrazione di cariche positive libere. Una cella fotovoltaica necessita del contatto intimo tra due strati di silicio di tipo p e n su una vasta superficie. Nella zona di contatto, detta giunzione p-n, si instaura un intenso campo elettrico che, a seguito dell'irradiazione solare, causa la separazione delle cariche elettriche positive e negative, inducendo una circolazione di corrente una volta che il dispositivo è connesso a un carico. Principio di funzionamento dell’effetto fotovoltaico Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 39  Impianti fotovoltaici: i componenti dell’impianto fotovoltaico Componente Funzione Sono l'elemento principale che cattura l'energia solare e la converte in elettricità sotto forma di corrente continua (DC). Pannelli fotovoltaici Sono composti da celle fotovoltaiche in silicio o altri materiali semiconduttori. Trasforma la corrente continua (DC) generata dai pannelli in corrente alternata (AC), che è il tipo di elettricità utilizzata Inverter dalla maggior parte degli apparecchi domestici e può essere immessa nella rete elettrica. Serve a fissare i pannelli fotovoltaici e a garantire il loro Struttura di supporto corretto orientamento e inclinazione, in modo da ottimizzare l’esposizione al sole e, quindi, la produzione di energia. Gestisce il flusso di energia tra i pannelli e le batterie, Regolatore di carica (nei proteggendole dal sovraccarico o dallo scaricamento sistemi con batterie) eccessivo, mantenendo così la durata delle batterie. Immagazzinano l'energia elettrica prodotta in eccesso dai Batterie di accumulo (se pannelli solari, permettendo di utilizzarla quando i pannelli presenti) non producono energia, come di notte o durante giornate nuvolose. In impianti connessi alla rete (grid-connected), misura l'energia che viene prodotta e immessa nella rete o l'energia Contatore bidirezionale prelevata dalla rete quando la produzione fotovoltaica non è sufficiente. Distribuisce l'energia prodotta verso le utenze della casa o la Quadro elettrico e rete elettrica in modo sicuro, garantendo la protezione del cablaggio sistema e degli apparecchi elettrici collegati. Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 40  Balance Of System (BOS) Il “Balance of System” (B.O.S.), è un termine prevalentemente associato agli impianti fotovoltaici ma anche a quelli eolici, indica in termini percentuali le perdite energetiche subite nell’ambito dell'impianto, imputabili a diverse variabili in aggiunta alle perdite di conversione. Tali perdite includono l’interazione tra i vari moduli FV, le connessioni ai convertitori, nonché le dissipazioni energetiche nei pannelli di distribuzione, nei conduttori e altri componenti. In assenza di dati dettagliati, per impianti di dimensioni ridotte (fino a pochi kWp) si può presumere un B.O.S. dell’85%. Principali categorie di perdite energetiche Tipologia perdita Perdita di potenza Perdite di potenza dovute a scostamenti dalle condizioni di test STC (Standard Test stimabili al 5% in relazione alle specifiche climatiche della Conditions) località di installazione. Perdite per riflessione tra il 2% e il 3% Perdite per mismatch (piccole differenze prestazionali) tra moduli tra il 3% e il 5% Perdite per caduta di tensione sul tratto in corrente continua (CC) tra l'1% e il 2% Perdite nell'inverter Tra il 2% e l’ 8% Perdite per calo di efficienza annuale tra l’1% e il 2% Perdite nella trasformazione di tensione (quando presente) tra il 1% e il 5%. Perdite per caduta di tensione nel tratto in corrente alternata (CA) tra l'1% e il 2% Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 41  Impianti fotovoltaici: tipologie Impianto stand-alone Impianto grid-connected Impianto grid-connected con accumulo Rete elettrica Rete elettrica CC CC CC Inverter Regolatore Regolatore Batterie di carica