LABORATORIO DI COSTRUZIONI

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1 Facoltà di Architettura Radiazione 25 FEBBRAIO Solare 2011 l energia elettromagnetica emessa dai processi di fusione dell idrogeno contenuto nel sole. Densità di Potenza radiazione solare per unità di tempo e di superficie. Fuori l atmosfera terrestre la potenza incidente su di una superficie unitaria, perpendicolare ai raggi solari, assume un valore di circa 1360W/m²(variabilità del ±3% dovuta all ellitticità dell orbita terrestre), questo valore prende il nome di Costante Solare Sulla superficie terrestre, a livello del mare, in condizioni meteorologiche ottimali e sole a mezzogiorno, la densità di potenza è di circa 1000W/m²

2 Facoltà di Architettura La 25 radiazione FEBBRAIO solare 2011 che raggiunge la superficie terrestre si distingue in: (1)diretta (2)diffusa (3)riflessa Le proporzioni di radiazione (1),(2) e (3) ricevuta da una superficie dipendono LABORATORIO da: (a) condizioni meteorologiche DI COSTRUZIONI (b)inclinazione della superficie (c) presenza di superfici riflettenti

3 Confronto fra la radiazione solare giornaliera media incidente su superfici con differenti angoli di inclinazione β ed orientate a Sud(azimut γ=0). Località con latitudine φ=40 Nord e cielo sereno [MJ/m 2 /giorno] 20 β = β = 60 β = 30 5 Orizzontale Verticale 0 Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic

4 Facoltà di Architettura Angoli di inclinaz. βe di orientamento γdi una superficie Sud γ β

5 Facoltà di Architettura Impianti fotovoltaici Un impianto fotovoltaico trasforma direttamente l energia solare in energia elettrica. Esso è composto essenzialmente da: moduli o pannelli fotovoltaici; inverter, che trasforma la corrente continua generata dai moduli in corrente alternata ; Batterie, quadri elettrici e cavi di collegamento.

6 Facoltà di Architettura Gli impianti 25 FEBBRAIO fotovoltaici 2011 possono essere: - connessi alla rete elettrica di distribuzione (grid-connected) o -direttamente a utenze isolate (stand-alone), tipicamente per assicurare la disponibilità di energia elettrica in zone isolate. Gli impianti fotovoltaici, così come gli impianti solari termici utilizzano il sole come fonte energetica, catturandone la radiazione attraverso superfici captanti. Mentre i pannelli solari termici utilizzano l energia termica del sole per riscaldare l acqua da utilizzare per uso igienico sanitario o per il riscaldamento degli ambienti i moduli fotovoltaici trasformano direttamente la radiazione solare in energia elettrica.

7 I vantaggi degli impianti fotovoltaici possono riassumersi in: assenza di qualsiasi tipo di emissione inquinante in fase d uso; risparmio di combustibili fossili; affidabilità degli impianti poiché non esistono parti in movimento; costi di esercizio e manutenzione ridotti al minimo; modularità del sistema (per aumentare la potenza dell impianto è sufficiente aumentare il numero dei moduli). Facoltà di Architettura E da tener presente che l impianto fotovoltaico è caratterizzato da un elevato costo iniziale (dovuto essenzialmente all elevato costo dei moduli) e da una produzione discontinua a causa della variabilità della fonte energetica(il sole).

8 La produzione elettrica annua di un impianto fotovoltaico dipende da diversi fattori: radiazione 25 FEBBRAIO solare incidente 2011sul sito d installazione; orientamento ed inclinazione della superficie dei moduli; assenza/presenza di ombreggiamenti; prestazioni tecniche dei componenti dell impianto (moduli, inverter ed altre apparecchiature). Facoltà di Architettura Potenza nominale (o di picco): la potenza elettrica dell'impianto determinata dalla somma delle singole potenze nominali (o massime, o di picco, o di targa) di ciascun modulo fotovoltaico facente parte del medesimo impianto, misurate alle condizioni standard (temperatura pari a 25 C e radiazione pari a W/m²). Prendendo come riferimento un impianto da 1 kw di potenza nominale, con orientamento ed inclinazione ottimali ed assenza di ombreggiamento, non dotato di dispositivo di inseguimento del sole, in Italia è possibile stimare le seguenti producibilità annue massime: regioni settentrionali kwh/anno; regioni centrali kwh/anno; regioni meridionali kwh/anno.

9 Facoltà di Architettura Il sistema 25 FEBBRAIO di produzione 2011 di elettricità che comunemente chiamiamo pannello fotovoltaico, è costituito da quattro elementi fondamentali: -il pannello o modulo PV - l inverter - la batteria - il contatore Pannelli I pannelli fotovoltaici sono costituiti da celle in grado di produrre elettricità se colpite dalla luce solare. Le celle sono in genere costituite da strati di un elemento semiconduttore, in genere il silicio. Grazie all effetto fotovoltaico, i fotoni colpiscono la superficie del silicio, liberano gli elettroni di conduzione che generano un flusso corrente elettrica continua.

10 Facoltà di Architettura Celle fotovoltaiche Per la costruzione di queste celle si utilizza il silicio. Questo elemento molto diffuso in natura, viene fuso e colato in una cilindro di cristallo. Una volta freddo, il tubo di silicio viene tagliato in fettine molto sottili e dopato con alcune sostanze come il fosforo. Questa è una fase molto importante in quanto il silicio puro, è un pessimo conduttore di corrente in quanto non presenta elettroni di conduzione. Lo strato più esterno del suo atomo presenta solo elettroni di valenza e non è in grado di trasportare energia. Drogando il silicio e rendendolo impuro si forniscono gli elettroni di conduzione necessari per la trasmissione dell energia. Alcuni elementi presenti in natura, come il fosforo, sono degli ottimi conduttori di corrente in quanto i loro atomi, sullo strato esterno, hanno degli elettroni liberi, detti di conduzione, in grado di trasportare la corrente elettrica.

11 Il campo del visibile I wafer di silicio vengono poi allineati in una matrice sottile a forma di griglia sulla parte superiore del pannello solare. Per proteggere il silicio viene stesa una sottilissima lastra di vetro sopra le celle fotovoltaiche. Il pannello viene poi attaccato ad un substrato di cemento in grado di condurre il calore ed evitare che il pannello si surriscaldi. L energia in eccesso che il pannello non è in grado di convertire in elettricità potrebbe far diventare l unità eccessivamente calda riducendo l efficienza delle celle solari. Facoltà di Architettura

12 Capacità di una cella solare La quantità di energia elettrica prodotta da una cella dipende direttamente da: - Efficienza della cella stessa - Superficie della cella - Radiazione solare che colpisce la superficie della cella Le celle solari vengono prodotte utilizzando vari tipi di silicio (amorfo, monocristallino, multi cristallino), da cui dipende il rendimento del pannello. Facoltà di Architettura Pannello fotovoltaico al silicio amorfo Pannello fotovoltaico al silicio monocristallino Pannello fotovoltaico al silicio multicristallino 6-10% 13-17% 12-14%

13 Facoltà di Architettura Le celle sono costituite da uno strato di silicio ridotto in una lamina molto sottile dopato con fosforo (strato detto tecnicamente N-type) che è a stretto contatto con un altro strato di silicio dopatoconilboro(dettop-type)chefungedabase. Quando la radiazione solare colpisce la lamina di silicio, nella zona di contatto fra questi due strati (detta Giunzione PN) si crea un campo elettrico che produce corrente. In genere una cella èingradodiprodurrecirca0,5 0,6voltdicorrentecontinua(CC). Condizioni Standard: Temperatura di funzionamento = 25 C Livello di irraggiamento solare incidente = 1000 W/m 2 In natura, queste condizioni sono difficili da ottenere e il pannello non sarà mai in grado di produrre la quantità di energia indicata corrispondente alla potenza di picco. Il rendimento effettivo del pannello sarà pari all 85-90% di quanto indicato dalla casa produttrice. La maggior parte dell Italia ha un livello di irraggiamento solare maggiore a 1000 W per metro quadrato. Tuttavia, l efficienza del pannello è condizionata anche dal calore. Un surriscaldamento del modulo porta alla degradazione del silicio e una conseguente riduzione dell efficienza.

14 Facoltà di Architettura Tipi 25 di pannelli FEBBRAIO solari fotovoltaici 2011 Sebbene il processo di trasformazione dell energia solare in energia elettrica sia più o meno lo stesso, esistono diversi tipi di celle solari progettate per questo scopo. A seconda della struttura del cristallo presente all interno di queste celle (in genere silicio) si può parlare di Pannelli fotovoltaici in Silicio Mono Cristallino Pannelli fotovoltaici in Silicio Policristallino Pannelli fotovoltaici in Silicio Amorfo. È possibile fare un ulteriore classificazione dei pannelli fotovoltaici in base al tipo di alimentazione. In questo caso avremo: - Pannelli fotovoltaici ad alimentazione diretta - Pannelli fotovoltaici ad isola - Pannelli fotovoltaici con immissione in rete

15 Facoltà di Architettura Pannelli in silicio amorfo Sicuramente i pannelli più economici presenti sul mercato ma con un rendimento minore rispetto alle altre due soluzioni. Il pannello fotovoltaico in silicio amorfo è costituito da una lastra di vetro trasparente rivestita, su un lato, da uno strato sottile di silicio amorfo trattato chimicamente con altre sostanze per aumentarne la conducibilità. In questa maniera il pannello avrà un lato trasparente (rivolto verso il sole) e un lato opaco (costituito dalla lastra di silicio) dove vengono innestati dei fili di alluminio per il fissaggio del modulo al tetto. Ai lati della lastra vi sono anche due fili elettrici che trasporteranno l energia prodotta dal pannello alla batteria oppure alla rete elettrica (a seconda della tipologia del pannello).

16 Facoltà di Architettura Ogni singolo modulo fotovoltaico (costituito da celle fotovoltaiche) produce corrente elettrica che verrà 25 FEBBRAIO poi convogliata 2011 all inverter che la convertirà in una tipologia di corrente utilizzabile dalle utenze. In Italia l inverter convertirà la tensione di corrente continua da volt in corrente alternata a220volt. Costo energetico di produzione : l energia impiegata per la realizzazione del pannello stesso. Un pannello LABORATORIO con un basso costo energetico DI sarà COSTRUZIONI in grado di restituire l energia spesa in pochi anni riuscendone a produrne molta di più. I pannelli fotovoltaici a silicio amorfo hanno un basso costo energetico, restituiscono l energia in pochi anni e sono in grado di produrne, nell arco della loro vita, volte di più di quella impiegata per costruirli. Il vantaggio maggiore che offre questa tipologia del pannello è la sua capacità di produrre energia elettrica anche in pessime condizioni di insolazione. È difatti consigliato per quelle zone geografiche poco soleggiate o dove il cielo è spesso nuvoloso oppure vi sono ostacoli fisici che creano grandi coni d ombra. Rispetto alle altre tipologie di pannelli, nelle giornate nuvolose, il rendimento è l 8-15% in più rispetto agli altri pannelli.

17 Tempi di ritorno o indici di payback Anni impiegati per bilanciare l energia impiegata per la produzione Facoltà di Architettura Pannello fotovoltaico in silicio amorfo Pannello fotovoltaico in silicio monocristallino Pannello fotovoltaico in silicio policristallino 2-3 anni 3-6 anni 3-6 anni Quantità di energia prodotta rispetto all energia impiegata in fase di produzione Pannello fotovoltaico al silicio amorfo Pannello fotovoltaico al silicio monocristallino Pannello fotovoltaico al silicio multicristallino volte 4-8 volte 4-8 volte

18 Facoltà di Architettura 25 FEBBRAIO Payback energia 2011 = Energia produzione Energia annua risparmiata (anni) Pannello fotovoltaico in silicio amorfo Pannello fotovoltaico in silicio monocristallino Pannello fotovoltaico in silicio policristallino 2-3 anni 3-6 anni 3-6 anni Quantità di energia prodotta rispetto all energia impiegata in fase di produzione Pannello fotovoltaico al silicio amorfo Pannello fotovoltaico al silicio monocristallino Pannello fotovoltaico al silicio multicristallino volte 4-8 volte 4-8 volte

19 Facoltà di Architettura La scelta del pannello va diretta anche in base al tipo di alimentazione che sosterrà la nostra struttura di produzione elettrica. In questo caso si parlerà: - Pannelli fotovoltaici ad alimentazione diretta - Pannelli fotovoltaici ad isola - Pannelli fotovoltaici con immissione in rete Pannelli Fotovoltaici ad alimentazione diretta Questo tipo di pannelli fotovoltaici producono energia come tutti gli altri sistemi fotovoltaici ma, a differenza degli altri modelli, alimentano direttamente l apparecchio (o gli apparecchi) ad esso collegati. Non vi è nessun attacco alla rete pubblica e non presentano accumulatori d energia. Questi pannelli fotovoltaici sono in grado di fornire energia elettrica solo durante le ore di luce e si addicono per le piccole utenze che hanno necessità energetiche solo durante il giorno.

20 Pannelli Fotovoltaici ad Isola Questi pannelli, detti anche stand alone, non sono collegati alla rete elettrica e sono presenti batterie per immagazzinare l energia prodotta durante il giorno e non consumata dall utenza. Le batterie, o accumulatori di energia, durante le ore serali forniscono l energia elettrica necessaria al fabbisogno dell utente e si ricaricano durante il giorno, quando il pannello sarà nuovamente in grado di produrre energia. Questa tipologia è indicata per quelle zone non raggiunte dal servizio di distribuzione elettrica (baite di montagna, campagna, isole). Facoltà di Architettura Pannelli Fotovoltaici ad immissione in rete (grid-connected) Regime di interscambio fra il gestore dell impianto fotovoltaico e il gestore della rete elettrica pubblica. Il pannello fotovoltaico, durante il giorno, produce energia elettrica. L energia prodotta in eccesso durante le ore di radiazione solare viene poi immessa nella rete elettrica e resa disponibile per la comunità. Durante le ore in cui la radiazione è assente, il pannello non è più in grado di produrre energia elettrica, che viene prelevata direttamente dalla rete pubblica.

21 Facoltà di Architettura Pannelli Fotovoltaici ad immissione in rete (grid-connected) Non è necessaria la presenza di batterie o accumulatori perché l energia prodotta viene immessa nella rete pubblica. Due contatori 1. Misura del consumo di energia elettrica 2. Misura della produzione di energia elettrica da parte del sistema fotovoltaico. Se l impianto fotovoltaico ha prodotto una quantità di energia maggiore rispetto a quella consumata, il gestore della rete pubblica corrisponderà al gestore dell impianto l importo relativo all energia netta fornita alla rete. Tempi di ritorno dell impianto dipendono dalla quantità di energia prodotta dal sistema in base: - alle dimensioni del pannello solare e alla sua efficienza -all inclinazione - ai valori di radiazione solare nella zona.

22 Facoltà di Architettura Installazione pannelli fotovoltaici In fase 25 FEBBRAIO di impianto non 2011 appoggiare il pannello direttamente sul suolo, ma sollevarlo da terra. Così facendo al di sotto di esso circola l aria ambiente necessaria al raffreddamento del supporto. Manutenzione I pannelli solari o quelli fotovoltaici non hanno bisogno di manutenzione frequente. Interventi di pulizia delle superfici captanti ogni 2 o 3 anni. Controllo dell inverter e dei quadri elettrici ogni 2-3 anni. Generalmente la ditta installatrice fornisce anche assistenza e spesso è possibile stipulare una forma di assistenza che, con un piccolo contributo, assicura l intervento immediato in caso di problemi o guasti agli impianti. Dimensionamento impianto fotovoltaico A differenza dei pannelli solari termici le cui dimensioni dipendono direttamente dal numero degli utenti e dalla tipologia di edificio servito, le dimensioni dell impianto fotovoltaico vanno calcolate in base ai consumi previsti su base annua. Come primo passo è indispensabile calcolare i consumi elettrici annuali. Noti i consumi e scelto il tipo di pannello, è possibile avere un idea dell ingombro dell impianto

23 Diminuzione di densità dell aria verso il basso Come calcolare i consumi elettrici annui in kwh Facoltà di Architettura Sul primo foglio della fattura che il gestore della rete invia bimestralmente, alla voce Dati Fornitura vi sarà indicato il Consumo effettivo per XX giorni. Ad esempio, se sulla bolletta si legge: Consumo effettivo per 62 giorni: 374 kwh, il numero dei kwh deve essere diviso per il numero dei giorni considerati: 374 kwh/62 gg= 6,03 kwh Si ottiene il numero medio di kwh consumati ogni giorno,o consumo giornaliero. Moltiplicando il consumo medio giornaliero per il numero di giorni di un anno (365) si ottiene il consumo annuo di energia elettrica: 6,03 kwh x365 = 2200,95 kwh. Noto il consumo annuale si procederà al dimensionamento dei pannelli fotovoltaici necessario.

24 LABORATORIO Policristallino DI COSTRUZIONI Facoltà di Architettura Potenza nominale Tipi di pannello Dimensione del pannello 1 kwp Silicio Mono o Policristallino 8 m 2 1 kwp Silicio Amorfo 20 m 2 3 kwp Silicio Mono o 24 m 2 3 kwp Silicio Amorfo 60 m 2 I pannelli in mono e policristallino presentano un rendimento maggiore rispetto ai pannelli in silicio amorfo e sono indicati per coperture o giardini di spazio limitato. Se sono disponibili ampie superfici, è sufficiente adottare la tipologia in silicio amorfo, che si adatta più facilmente ad esigenze architettoniche. Ad esempio, per un impianto da 3 kwpsi moltiplica per tre il valore delle dimensioni del pannello attribuito a 1 kwp.

25 Costi degli impianti pannelli solari fotovoltaici Il costo di un impianto fotovoltaico dipende da fattori come: - Potenza finale -Tipo di impianto - Dimensione dell impianto - Luogo di installazione dell impianto. Un impianto solare a silicio amorfo avrà un costo differente rispetto ad un impianto a silicio poli- cristallino. Facoltà di Architettura In generale i pannelli fotovoltaici vengono venduti in base alla loro efficienza (ai kwh che sono in grado di produrre in condizioni standard). L impianto base è quello da 1200 Wp, la cui produzione varia in base alla posizione del pannello, l inclinazione e la radiazione solare. Con riferimento al territorio italiano un pannello da 1200 Wp produrrà: Nord Italia: kwh/anno Sud Italia: kwh/anno

26 Facoltà di Architettura A titolo indicativo il costo è di circa 6500 euro (iva, trasporto e installazione inclusi) per 1200 Wp Il costo è 9000 euro se l impianto ha una potenza di 2000 Wp. Il costo dell installazione può variare dai 500 ai 1500 euro a secondo dell accessibilità del luogo e della facilità di installazione dell impianto. Al totale delle spese dell acquisto e installazione dell impianto si può detrarre e quindi recuperare, oltre agli eventuali incentivi messi in atto da eventuali politiche regionali, l IRPEF del 36%.

27 Facoltà di Architettura Ammortamento del costo di un impianto fotovoltaico Vita utile = 30 anni (in realtà potrebbe durare più a lungo) Per poter calcolare quanto costa un impianto solare nell arco di tutta la sua vita, al costodi acquisto e di installazione vanno aggiunti: -eventuali costi di manutenzione(generalmente molto bassi), -gli aumenti di questi costi in base all inflazione e il costo del noleggio del contatore (circa 30 euro che LABORATORIO verranno accreditate in bolletta). DI COSTRUZIONI A questi costi bisogna detrarre i vari incentivi di cui gode l impianto al momento dell installazione (il principale dei quali è il conto energia) e il risparmio annuo sulla bolletta. Risparmio Un impianto da 2 kwpmi permetterà un risparmio di: Nord Italia : /anno Sud Italia: /anno Basandosi su questi calcoli l ammortamento del costo dell impianto solare dovrebbe avvenire intorno ai 6-12 anni, a seconda della posizione geografica (radiazione solare) e della reale produttività ed efficienzadell impianto (che dipende dall inclinazione e dall eventuale presenza di ombreggiamenti)

28 Esempio Il calcolo delle caratteristiche e della produzione dell impianto è generalmente di competenza della ditta installatrice. Tabella Dati forniti dall utenza e sede dell installazione. Indica le caratteristiche fondamentali dell impianto da stabilire per poter calcolare l energia prodotta e il risparmio ottenuto. Esempio Impianto città di Milano Tipologia utente Provincia Consumi medi annui Privato Milano Superficiedisponibile 50m 2 Tipologia di superficie 2200 kwh/anno Tetto a falda Livello integrazione architettonica Non integrato Facoltà di Architettura

29 Facoltà di Architettura Impianto su edificio. Calcolo della produzione e del risparmio di energia Potenza dell impianto 3 KW Energia annuale prodotta 3387 kwh/anno Tariffa Conto Energia riconosciuta 0,401 /kwh LABORATORIO 1358,2 DI /anno COSTRUZIONI Ricavi da Conto Energia Risparmio per l energia autoconsumata 428 /anno Totale ricavi annui 1782,8 Il costo di questo impianto si aggira intorno ai

30 A Roma, mantenendo le stesse caratteristiche di impianto, cambiano i dati di produzione di energia elettrica e il calcolo del risparmio. Potenza dell impianto Energia annuale prodotta Tariffa Conto Energia riconosciuta 3 KW 4233 kwh/anno 0,401 /kwh 1697,4 /anno Ricavi da Conto Energia Risparmio per l energia autoconsumata 428 /anno Totale ricavi annui 2125,4 Facoltà di Architettura L energia prodotta e il risparmio dipendono non solo dal tipo di fotovoltaico scelto, ma anche dalla posizione geografica dell ubicazione. I guadagni maggiori si hanno per latitudini minori.

31 Facoltà di Architettura Progettazione 25 FEBBRAIO di un impianto 2011 fotovoltaico Criteri da seguire: - variabilità della fonte principale(energia solare) nel tempo - i moduli fotovoltaici svolgono funzione primaria di generazione, anche quella di componenti edilizi architettonici, per cui sono tenuti a soddisfare un duplice ordine di esigenze, di tipo energetico e di tipo architettonico. - gli impianti fotovoltaici hanno anche la funzione integrativa rispetto ad altri sistemi di approvvigionamento energetico, cosicché la definizione delle loro specifiche funzionali e prestazionali dipende dall interazione di differenti fattori economici e tecnici.

32 Fasi Le differenti fasi su cui devono essere articolate le operazioni di pianificazione per la realizzazione di un impianto fotovoltaico sono: Facoltà di Architettura calcolo del fabbisogno dell utenza da servire; determinazione della risorsa solare annua; dimensionamento e verifica del generatore; dimensionamento dei sistemi di accumulo; dimensionamento degli inverter; progetto degli altri elementi costituenti l impianto e delle interazioni con altri impianti.

33 Stima del fabbisogno dell utenza L impianto 25 FEBBRAIO fotovoltaico2011 va sempre dimensionato in funzione della tipologia di utenza e dei suoi consumi. A tal fine, diviene necessario determinare con precisione la natura e consistenza dei fabbisogni da soddisfare con l impianto fotovoltaico, oltre alla loro distribuzione giornaliera ed anche annua. Infatti, risulta particolarmente utile capire se può essere sfruttato un certo parallelismo tra Facoltà di Architettura necessità di consumo e disponibilità di radiazione solare; in caso affermativo l efficienza del sistema migliora notevolmente, limitando le perdite di stoccaggio e di distribuzione. Sinteticamente, il consumo dell utenza può essere espresso nella seguente forma: Pi e τi rispettivamente la potenza elettrica espressa in W e il tempo di funzionamento annuo dell i-esimo apparecchio. Generalmente i dati che interessano nella progettazione dell impianto fotovoltaico riguardano il carico complessivo nei giorni medi mensili (kwh/giorno) e su base annua (kwh/anno)

34 Stima dell energia producibile L energia annua producibile E pv dell impianto fotovoltaico viene fornita dalla seguente espressione analitica: E pv =η pv A pv H essendo: η pv l efficienza complessiva di conversione dell impianto fotovoltaico; A pv l area occupata dall insieme dei moduli che compongono il generatore, espressa in m 2 ; H l irradiazione solare annua incidente sulla superficie dei moduli, espressa in kwh/m 2. Facoltà di Architettura La medesima relazione può essere scritta per un periodo temporale diverso dall anno, ad esempioperilsingologiorno,esprimendoe pv inkwh/gehinkwh/(m 2 xg). A tale scopo è necessario ricorrere a dati climatici relativi alla località in cui è situato l impianto.

35 Facoltà di Architettura

36 Stima dell energia producibile La quantità dell energia prodotta varia con gli angoli di inclinazione e di orientamento delle superfici captanti dei singoli moduli, oltre che da eventuali fenomeni di ombreggiamento. Si noti che l efficienza complessiva di conversione dell impianto fotovoltaico η pv dipende: -dall efficienza della componentistica non fotovoltaica del sistema (cablaggi,inverter, ecc), -dai fenomeni di surriscaldamento dei pannelli, -dalla riflessione parziale della radiazione incidente, -dalla formazione di depositi di polveri sui pannelli -dall efficienza del singolo modulo η mod. Facoltà di Architettura Allo stato attuale, con le tecnologie dei moduli al silicio cristallino, si può supporre che l efficienza complessiva di conversione dell impianto fotovoltaico η pv vari tra 0.09 e 0.11; per cui: Epv= 0,10 Apv H Ciò significa che, con un livello di stima accettabile, si può considerare che l energia elettrica prodotta dal sistema sia pari al 10% della radiazione solare intercettata dai moduli.

37 Facoltà di Architettura Dimensionamento di un impianto fotovoltaico stand alone Nel caso di impianti fotovoltaici isolati stand alone, il dimensionamento è viene effettuata analizzando il profilo del carico e le caratteristiche di radiazione solare del sito in cui andranno collocati i pannelli.

38 Dimensionamento di un impianto fotovoltaico stand alone Per tale tipologia di impianto conviene eseguire il dimensionamento in relazione a situazioni sfavorevoli di irraggiamento(ad esempio prevedendo un certo numero di giorni di nuvolosità). Il generatore viene dimensionato in modo che l energia prodotta giornalmente e quella consumata al più si equivalgano. Il sistema di accumulo viene progettato in modo tale da garantire la fornitura di energia per un Facoltà di Architettura certo numero di giorni, nell ipotesi sfavorevole che i moduli per tale intervallo temporale non riescano a produrre l energia necessaria a compensare il consumo: Epv Ec essendo: Epv l energia giornaliera media mensile prodotta dal generatore, espressa in kwh/giorno; Ec l energia corrispondente richiesta dal carico, anch essa espressa in kwh/giorno;

39 Facoltà di Architettura Dimensionamento di un impianto fotovoltaico stand alone L energia richiesta dal carico può esprimersi in funzione dell energia elettrica realmente consumata dall utenza Eu giornalmente e dei rendimenti dell impianto di accumulo: essendo: ηb il rendimento di carica e scarica della batteria(circa 0.90); ηc il rendimento dei circuiti(circa 0.90); ηrc il rendimento del regolatore di carica(circa 0.85). Per cui risulta approssimativamente: Ec= 1.45 Eu Il fabbisogno di energia elettrica da prevedere deve essere maggiorato di circa il 45% rispetto al consumo da parte dell utenza.

40 Dimensionamento 25 FEBBRAIO di 2011 un impianto fotovoltaico stand alone Considerando la radiazione solare giornaliera media mensile incidente sul piano dei moduli fotovoltaici nel mese caratterizzato dalla minor disponibilità di soleggiamento (H min ),eduguagliandol energiaprodottaconquellarichiesta,siottieneche: 0.10 A pv H min = 1.45 E u da cui è facile ottenere l area dei pannelli fotovoltaici minima: Facoltà di Architettura

41 Dimensionamento di un impianto fotovoltaico ad utilizzo diretto Nel caso di impianti ad utilizzo diretto con il generatore fotovoltaico che alimenta direttamente il carico, il dimensionamento dell impianto avviene o in funzione della potenza che è possibile installare o in funzione dell energia che si desidera ottenere, accettando la dipendenza dalle condizioni climatiche del sito oggetto dell installazione Facoltà di Architettura

42 Valgono le stesse formule esposte per la tipologia di impianto stand alone, ma in questo caso non essendoci parti di accumulo ma solo circuiti (ηc = 0.90) risulta: Ec= 1/0.9 Eu= 1.10 Eu Uguagliando l energia prodotta con quella richiesta, si ottiene che: 0.10 Apv Hmin= 1.10 Eu da cui è facile ottenere l area dei pannelli fotovoltaici minima: Facoltà di Architettura

43 Facoltà di Architettura Dimensionamento di un impianto fotovoltaico connesso alla rete Nel caso di connessione alla rete del Gestore, l impianto fotovoltaico non rappresenta più l unica fonte di approvvigionamento di energia per l utenza, bensì un sistema integrativo ed una fonte di risparmio

44 Facoltà di Architettura Dimensionamento di un impianto fotovoltaico connesso alla rete La taglia dell impianto può essere definita liberamente sulla base di considerazioni economiche, energetiche ed ambientali, nonché in funzione delle tariffe incentivanti e conto energia. Vantaggi: L energia prodotta può essere utilizzata direttamente in loco oppure, se in eccesso rispetto al bisogno LABORATORIO del momento, immessa in rete. DI Quando COSTRUZIONI il sistema fotovoltaico non supplisce interamente alle necessità o è inattivo (ore notturne), l utenza preleva normalmente elettricità dalla rete. In questo caso il carico elettrico dell utenza non è un parametro vincolante per il dimensionamento del sistema perché il generatore PV collegato in rete ha solo il compito di convertire l energia solare in elettrica con la migliore efficienza possibile. Inoltre disponendo della rete elettrica che assicura comunque la continuità del servizio elettrico, non vi è la necessità di riporre di un accumulo di energia con notevoli risparmi sui costi di investimento(le batterie incidono per il 25-35% del costo totale)

45 Facoltà di Architettura Dimensionamento 25 FEBBRAIO di 2011 un impianto fotovoltaico connesso alla rete Se la priorità del progetto è rappresentata dalla quantità di energia che si vuole generare, l incognita del problema è rappresentata dalla superficie necessaria per produrla: Se, al contrario, prevalgono considerazioni economiche, si determina la taglia dell impianto valutando dai costi unitari( /kw) la potenza nominale che può essere prodotta con l investimento economico prefissato.

46 Il dimensionamento di un impianto PV collegato in rete sarà essenzialmente mirato a stabilire la taglia del generatore e, conseguentemente, del convertitore statico per il parallelo alla rete sulla base dei seguenti parametri: budget per l investimento B inv ( ); costo al Wpdi un sistema PV collegato alla rete C Wp ( /Wp); densità di potenza dei moduli di installare D mod (Wp/m 2 ); superficie di installazione disponibile A disp (m 2 ); Fasi del progetto: 1. CALCOLO DELLA POTENZA MASSIMA INSTALLABILE (Wp) P max = B inv / C Wp CALCOLO DELLA MASSIMA AREA NECESSARIA PER L INSTALLAZIONE (m 2 ) A max = P max / D mod CONFRONTO A max CON LA SUPERFICIE DISPONIBILE A disp : Facoltà di Architettura

47 Facoltà di Architettura CASI POTENZA SISTEMA COSTO SISTEMA (Wp) ( ) A max A disp P FV = P max C FV = B inv A max > A disp P FV = A disp D mod C FV = P FV C Wp

48 Facoltà di Architettura CALCOLO DELL ENERGIA PRODUCIBILE E pv : E pv = η g A g n m H K dove: E g energia totale producibile nell anno (Wh/anno); η g rendimento complessivo del sistema; A g superficiecaptante(m 2 ); n m numero di giorni anno; H radiazionesolare media giornaliera sul piano dei moduli (Wh/m 2 g) K coefficiente di riduzione per eventuali ombreggiamenti. Valori di η g per sistemi collegati in rete Silicio monocristallino 10% Silicio policristallino 8.5% Silicio amorfo 5%

49 Dati sulla radiazione solare a Reggio Calabria Radiazione solare annua H (kwh/m 2 ) orizzontale verticale ottimale minima media massima Produzione annua per kilowatt picco (kwh/kwp) orizzontale verticale ottimale minima media massima Angolo di inclinazione ottimale per i moduli fotovoltaici (in gradi) Angolo minimo 30 medio 31 massimo 32 Facoltà di Architettura

50 Dati sulla radiazione solare a Milano Radiazione solare annua H (kwh/m 2 ) orizzontale verticale ottimale minima media massima Facoltà di Architettura Produzione annua per kilowatt picco (kwh/kwp) orizzontale verticale ottimale minima media massima Angolo di inclinazione ottimale per i moduli fotovoltaici (in gradi) Angolo minimo 35 medio 36 massimo 37

51 Facoltà di Architettura Conto Energia I moduli 25 FEBBRAIO fotovoltaici si 2011 basano su una tecnologia che permette di produrre direttamente energia elettrica. L energia prodotta può essere utilizzata per soddisfare le nostre abituali richieste energetiche e può essere rivenduta al gestore d energia, in modo da poter abbattere totalmente i costi delle bollette elettriche. Alla luce delle direttive europee sull efficienza energetica degli edifici, tutti gli Stati Membri devono adottare strategie votate alla riduzione dei consumi di energia in edilizia, promuovendo tra l altro l utilizzo di energie alternative che abbattono fortemente i consumi petroliferi e l inquinamento atmosferico(protocollo di Kyoto). European Directive 2009/28/CE: Entro il 2020 in Italia devono essere installati MW da fonti rinnovabili. In Italia il Conto Energia è possibile riversare la corrente prodotta dai pannelli fotovoltaici direttamente nella rete pubblica e prelevare da essa la quantità di energia a noi necessaria durante il giorno(e la notte).

52 Facoltà di Architettura Conto25 Energia FEBBRAIO 2011 L energia prodotta e data nella rete pubblica viene conteggiata da un contatore speciale che registra la quantità di energia elettrica prodotta dal nostro sistema fotovoltaico. Un altro contatore calcolerà, invece, l energia consumata dall utenza (il classico contatore dato in dotazione a tutte le abitazioni). Il conto energia permette di ridurre dalla bolletta tutti i kw prodotti sempre dal nostro pannello e di guadagnare su ogni kw prodotto e versato in rete. In base alla potenza e alla tipologia dell impianto PV è possibile realizzare una tabella che fornisce i guadagni calcolati per ogni kwh prodotto. I guadagni prodotti dal sistema PV varieranno in base alla potenza dell impianto e alla tipologia dello stesso

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