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1 Collettore non vetrato Sono privi del vetro esterno Hanno un costo decisamente inferiore Installazione e gestione molto semplice Rendimento molto basso Temperature acqua comprese fra 10 C e 40 C Utilizzo prevalentemente estivo Sono costruiti in metallo con superficie selettiva Si limitano ad applicazioni con basse differenze di temperatura (piscine) Vita utile di 30 anni Corso di Energetica A.A

2 Collettori ad aria Il fluido termovettore è l aria L assorbitore è alettato t Esistono i pannelli ad aria di rivestimento applicabili come normale rivestimento delle pareti, questi contribuiscono anche all abbassamento della temperatura ambiente nei mesi estivi Corso di Energetica A.A

3 Collettori a concentrazione Consentono di ottenere maggiori temperature del fluido Hanno una minore efficienza i Hanno un maggiore costo Sono usati solo quando la temperatura richiesta sia maggiore di 80 C Corso di Energetica A.A

4 Analisi economica producibilità giornaliera e superfici equivalenti Corso di Energetica A.A

5 Analisi economica costo della superficie equivalente tecnologia Costo ( /m2) Piano std Piano coib. Opt Sottovuoto Non vetrati Corso di Energetica A.A

6 Analisi economica SPB A Roma per gli utilizzi annuali i collettori piani risultano avere il miglior rapporto costi-benefici, con un costo della Superficie Equivalente che varia (a seconda della taglia dell'impianto) dai 650 Euro ai 500 Euro e un VAN compreso tra 450 Euro e i 600 Euro per ogni Superficie Equivalente istallata. Per gli impianti stagionali invece i collettori non vetrati sono indubbiamente i più convenienti con un costo della Superficie Equivalente che varia da 525 Euro ai 450 Euro e un VAN compreso tra 639 Euro e 723 Euro. Corso di Energetica A.A

7 Analisi di pre-fattibilità Per ogni m2 si ha una producibilità media di 50 l di acqua al giorno, cui corrispondono 1.75 kwh/g di energia termica Su base annua, la producibilità è di 1000 kwh, cui corrisponde un costo evitato di circa 60 /m2 Il costo del sistema è di 550 /m2 Il SBP è circa 9 anni Corso di Energetica A.A

8 Mercato Europeo: prospettive Corso di Energetica A.A

9 Mercato italiano Corso di Energetica A.A

10 Mercato italiano Corso di Energetica A.A

11 Sommario LA FONTE SOLARE COLLETTORI SOLARI TERMICI PANNELLI FOTOVOLTAICI IL SOLARE TERMODINAMICO Corso di Energetica A.A

12 L effetto fotovoltaico L'effetto fotovoltaico, è la formazione di un differenza di potenziale elettrico ai capi di una giunzione i tra due sottili lastre di materiale semi-conduttore (opportunamente trattate) esposta a radiazione luminosa. Il materiale più utilizzato è attualmente il silicio (Si): un fotone, interagendo con la struttura cristallina del semiconduttore, può eccitare un elettrone della banda di valenza del cristallo, portandolo in una banda di conduzione. In particolare se l'energia associata al fotone è maggiore dell'ampiezza della banda, il fotone cede tale energia al cristallo generando una coppia elettrone-lacuna, che contribuisce alla conduzione elettrica del semiconduttore. In presenza di un campo elettrico che separa le cariche della coppia stessa, esse vengono raccolte mediante due elettrodi. Corso di Energetica A.A

13 L effetto fotovoltaico: bande di energia, energia di gap Procedendo nel verso delle energie crescenti: - la prima banda di energia mediamente non occupata è detta di conduzione; - l ultima banda di energia mediamente occupata à detta di valenza. Gli elettroni di valenza sono quelli in grado di interagire con altri atomi, determinando il comportamento chimico-fisico del materiale. La presenza di una banda di energia non permessa tra quella di valenza e quella di conduzione ( energia di gap ) e la sua entità sono alla base della distinzione tra: - conduttori: energia di gap = 0; - semi-conduttori: energia di gap 1 ev; - isolanti: energia di gap 10 ev. Nei conduttori, la semplice energia cinetica dei moti di agitazione termica (a T > 0 K) è sufficiente a far passare degli elettroni nella banda di conduzione, nei semiconduttori questo fenomeno è molto più raro, negli isolanti pressoché impossibile. Corso di Energetica A.A

14 L effetto fotovoltaico Un buon materiale per la conversione fotovoltaica deve avere un energia di gap tra 1 ed 1,8 ev: valori inferiori, per alcuni versi vantaggiosi (maggiore efficienza di utilizzo dell energia solare e maggiore intensità di corrente prodotta), comporterebbero valori di tensione troppo bassi. Il silicio è attualmente l elemento più utilizzato nella conversione fotovoltaica: si tratta di un semi-conduttore tetra-valente, ovvero con quattro elettroni di valenza. Se drogato con impurità tri-valenti (ad esempio, inserendo un atomo di boro), si ottiene un materiale caratterizzato dalla disponibilità ad accettare alcuni elettroni di valenza, ovvero con delle lacune o accettori : silicio di tipo P. Se drogato con impurità penta-valenti (ad esempio, inserendo un atomo di fosforo o arsenico), si ottiene un materiale caratterizzato dalla disponibilità a cedere alcuni elettroni di valenza, debolmente legati: silicio di tipo N. Corso di Energetica A.A

15 L effetto fotovoltaico Reticolo cristallino con impurità (B e P) Reticolo cristallino Corso di Energetica A.A

16 L effetto fotovoltaico Mettendo in contatto due lastre di semiconduttore drogato, rispettivamente di tipo P ed N, tra i due strati si attiva un flusso elettronico dalla zona N alla zona P che, raggiunto il punto di equilibrio i elettrostatico, t ti determina un eccesso di carica positiva nella zona N, dovuto agli atomi di fosforo con un elettrone in meno, e un eccesso di carica negativa nella zona P, dovuto agli elettroni migrati dalla zona N. Gli elettroni presenti nel silicio tipo N diffondono infatti per un breve tratto nel silicio tipo P: il silicio tipo N si carica positivamente, quello di tipo P si carica negativamente. Si crea inoltre una regione intermedia detta zona di svuotamento o di carica spaziale. Il risultato è un campo elettrico interno al dispositivo, per un ampiezza di pochi micrometri. - + Densità di cariche Corso di Energetica A.A

17 L effetto fotovoltaico Illuminando la giunzione P-N dalla parte del silicio tipo N, si generano delle coppie elettrone-lacuna in entrambe le zone. Il campo elettrico separa gli elettroni in eccesso generati dall assorbimento assorbimento della luce dalle rispettive lacune, spingendoli in direzioni opposte (gli elettroni verso la zona N e le lacune verso la zona P). Una volta attraversato il campo, gli elettroni liberi non tornano più indietro, perché il campo, agendo come un diodo, impedisce loro di invertire la marcia. Se si connette la giunzione P-N con un conduttore esterno, nel circuito esterno si otterrà un flusso di elettroni. Fino a quando la cella rimane esposta alla luce, l'elettricità fluisce con regolarità sotto forma di corrente continua. - + Corso di Energetica A.A Densità di cariche 52

18 L effetto fotovoltaico Lo spessore dello strato N deve essere minimo, per garantire il massimo assorbimento di fotoni incidenti in vicinanza della giunzione. Anche lo spessore totale della cella deve essere limitato, per ridurre le resistenze ohmiche. Per il Silicio, normalmente lo spessore della è di 0,25 0,35 mm. η = potenza elettrica netta / potenza incidente η max teorico 33%, valore netto effettivo 10 12% Corso di Energetica A.A

19 L effetto fotovoltaico: perdite interne riflessione: non tutti i fotoni che incidono sulla cella penetrano al suo interno, dato che in parte vengono riflessi dalla superficie della cella e in parte incidono sulla griglia metallica dei contatti; fotonicontroppaopocaenergia: per rompere il legame tra elettrone e nucleo è necessaria una certa energia, e non tutti i fotoni incidenti possiedono energia sufficiente; d'altra parte, i fotoni con troppa energia contribuiscono a generare coppie elettrone-lacuna, ma dissipano in calore l'energia eccedente; ricombinazione: non tutte le coppie elettrone-lacuna generate vengono raccolte dal campo elettrico di giunzione e inviate al carico esterno, dato che nel percorso dal punto di generazione verso la giunzione possono incontrare cariche di segno opposto e quindi ricombinarsi. i Corso di Energetica A.A

20 I sistemi fotovoltaici: perdite esterne le cariche generate e raccolte nella zona di svuotamento devono essere inviate all'esterno, mediante contatti metallici, posti sul fronte e sul retro della cella; anche se durante la fabbricazione viene effettuato un processo di lega tra il silicio e l alluminio dei contatti, resta una certa resistenza all'interfaccia; perdite nei collegamenti elettrici tra celle, moduli e pannelli, e, soprattutto, nel condizionamento della corrente continua erogata (inverter e trasformatore) e/o nell accumulo). 1 cella => 1 2 W 36 celle (in par.) => modulo ( 0,5 m 2, W) più moduli => pannello più pannelli in serie => array (o stringa) Corso di Energetica A.A

21 I sistemi fotovoltaici: tipologie Il silicio utilizzato può essere: monocristallino (atomi orientati nello stesso verso e legati fra loro nello stesso modo): è il più costoso ed efficiente; policristallino (atomi legati in piccoli grani monocristallini orientati casualmente): è meno costoso, ma anche meno efficiente; amorfo (atomi orientati in modo casuale, come in un liquido): è il più economico, ma anche quello meno efficiente ed affidabile. Si distinguono inoltre tre gradi di purezza: grado elettronico: impurezza = 1/ grado solare: impurezza = 1/ metallurgico: impurezza = 1/100 Per la produzione di celle fotovoltaiche, si usa tipicamente il silicio di grado solare, che si può ottenere anche come scarto del silicio elettronico: ha una purezza adeguata ed un costo decisamente inferiore a quello del silicio elettronico "puro (10 $/kg contro 100 $/kg). Corso di Energetica A.A

22 I sistemi fotovoltaici Valori tipici di efficienza della cella: Materiale Max. rendim.in lab. Max rendimento in campo Si monocristallino Si policristallino Si amorfo L efficienza netta dell intero sistema fotovolatico è ancora inferiore (10% 12%), a causa delle ulteriori perdite esterne. Sono allo studio nuovi materiali, diversi dal Si: ad ex., l arseniuro di gallio (GaAs), molto efficiente (25% ca., con più del 40% come limite teorico) ma costosissimo, e materiali polimierici (ancora in fase di ricerca ) La densità di potenza à molto bassa: per un rendimento netto complessivo del 10%, occorrono circa 10 m 2 di superficie captante (fno a 20 m 2, per i grandi campi fotovoltaici) per 1 kw di potenza di picco. Corso di Energetica A.A

23 I sistemi fotovoltaici Corso di Energetica A.A

24 Classificazione dei sistemi fotovoltaici in base all impiego Sistemi isolati (stand alone): vengono accoppiati con un accumulatore e, spesso, con un sistema di integrazione convenzionale (motore diesel, ): case isolate, illuminazione e segnaletica, ricarica batterie auto elettriche, alimentazione stazioni per telecomunicazioni,. Sistemi collegati in parallelo alla rete elettrica (grid-connected): sistemi distribuiti: coperture, terrazzi, rivestimenti, integrazione nelle facciate degli edifici, campi fotovoltaici i Corso di Energetica A.A

25 Corso di Energetica A.A

26 Sistemi fotovoltaici: i costi I M I/Pe M/P Costo di produzione = c ue = + = + FA Ee Ee FA fh fh Ricavi = E c + E p + AG e,autocons. ue,rete e,ecced. ue,ecc I = Investimento iniziale /kwp (+20 30% per accumuli, nel caso di sistemi stand-alone) alone) M = oneri annui di manutenzione 1 3% dell investimento iniziale I AG = ulteriori agevolazioni sull energia prodotta (C.V., conto energia,.) e In assenza di agevolazioni (AG), il costo dell energia elettrica prodotta va da un minimo di 0,25 /kwh (grandi impianti grid-connected ) ad oltre 0,50 /kwh (piccoli impianti stand-alone ) alone Necessità di supporti finanziari in conto capitale o energia! Corso di Energetica A.A

27 Il conto energia (1) La politica di incentivazioni in conto capitale è stat sostituita dal Settembre 2005 con incentivi in conto energia, ovvero proporzionali all energia prodotta. Chi usufruisce del conto energia non si riceve più il contribuito a fondo perduto: bisogna acquistare l impianto esclusivamente con risorse proprie Attualmente, vige il Conto Energia 2007 (DM 19/02/2007 e delibera AEEG 90/07). Scompare il limite annuo di potenza incentivabile, sostituito con un limite di potenza cumulata Introduce una maggiore articolazioni di tariffe per favorire le applicazioni di piccola taglia e l integrazione architettonica Introduce premi aggiuntivi abbinati all uso efficiente dell energia energia Abolisce la fase istruttoria Corso di Energetica A.A

28 Il conto energia (2) Le tariffe incentivanti dipendono dal grado di integrazione architettonica e dalla potenza dell impianto. Corso di Energetica A.A

29 Il conto energia (3) In aggiunta alle tariffe incentivanti, l utente può utilizzare l energia prodotta per autoconsumi oppure può cederla alla rete Per P<20 kw si può usufruire del regime di scambio sul posto Per P>20 kw le eccedenze di energia prodotta possono essere venduto in maniera diretta (borsa o grossista) oppure indiretta (distributore locale o Terna) Lo scambio sul posto consente di operare un saldo annuo fra l energia prodotta e quella prelevata. Saldi negativi sono pagati alla normale tariffa; saldi positivi sono portati a credito per gli anni successivi (massimo tre anni, oltre i quali il credito si perde) Se l energia elettrica prodotta è minore o uguale a quella prelevata, conviene lo scambio sul posto; in caso contrario conviene la vendita Corso di Energetica A.A

30 Case study 60 Potenza nominale 55 dell impianto (P n ): 50 3kW 45 Costo d impianto 40 (I): 27 k 35 fh: 1500 h/anno 30 SPB=I/(P n *fh*p ue ) 25 SPB (an ni) fh=1500 fh=1600 fh=1700 fh=1800 fh=1900 fh= pue ( /kwh) Corso di Energetica A.A

31 Sistemi fotovoltaici: le prospettive Corso di Energetica A.A

32 Sistemi fotovoltaici: le prospettive Obiettivo nazionale = 300 MW al 2015 Corso di Energetica A.A

33 Sommario LA FONTE SOLARE COLLETTORI SOLARI TERMICI PANNELLI FOTOVOLTAICI IL SOLARE TERMODINAMICO Corso di Energetica A.A

34 Il solare termodinamico Il progetto Archimede (Priolo, Sicilia) Corso di Energetica A.A

35 Il solare termodinamico Il progetto Archimede (Priolo, Sicilia) Alcuni dati: collettori lineari, m 2 di sup. attiva - potenza = 20 MW, producibilità = 60 GWh - costo = 250 [150] /m 2, 50 [30 M ] => Cue = 60 [40] /MWh Corso di Energetica A.A