POSSIBILI SVILTUPPI DEI SISTEMI PV A CONCENTRAZIONE
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- Cristoforo Corradini
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1 Dipartimento di Fisica Università di Ferrara POSSIBILI SVILTUPPI DEI SISTEMI PV A CONCENTRAZIONE Prof. Giuliano Martinelli Dipartimento di Fisica - Università di Ferrara Laboratorio ERG POLO TECNOLOGICO
2 Attività del Laboratorio Sensori e Semiconduttori Ricerche fondamentali in fisica della materia e scienza dei materiali Sintesi di materiali per alta tecnologia Produzione e caratterizzazione di sensori di gas e celle fotovoltaiche Primo laboratorio di ricerca universitaria in Italia ad essere certificato ISO per la progettazione e realizzazione di sensori a film spesso e celle fotovoltaiche
3 Laboratorio Semiconduttori e Sensori
4 EUROPA Il biossido d azoto fotografato dal satellite Envisat sulla Val Padana e sulle altre regioni industriali dell Europa ha comuni origini legate ai prodotti della combustione derivati da centrali termoelettriche, riscaldamento, attività industriale e traffico. Però l intensità maggiore sulla Val Padana deriva da una situazione ambientale ben diversa: qui la condizione climatica è più stagnante a causa dell orografia rispetto ad altre regioni europee e ciò causa un aggravamento dei valori inquinanti perché persistono più a lungo. Le medie elaborate riguardano gli ultimi due inverni e l estate. La mappa è realizzata con colori elaborati al computer: il blu evidenzia i livelli più bassi di inquinamento, il giallo quelli intermedi e il rosso i più alti
5 NORDAMERICA Qui sono particolarmente penalizzate le zone dell East Coast dove è distribuita la maggior intensità di popolazione. Quindi traffico, riscaldamento e attività industriale sono protagonisti. Le Università di queste regioni hanno costituito un consorzio il quale ha realizzato una rete di rilevamento al fine di esprimere delle «previsioni chimiche» sulla consistenza e i movimenti delle sostanze inquinanti nelle varie fasi dell anno
6 ASIA Sull Asia la nuvola inquinante del biossido d azoto raggiunge una vasta estensione che coinvolge Cina, Giappone e Corea. Oltre alle sorgenti comuni all occidente la Cina ha l aggravante di essere il Paese con il maggior impiego di carbone avendo a disposizione consistenti miniere. Quindi si aggiunge anche un pesante contributo di anidride solforosa. La nuvola cinese fa paura agli Usa perché i venti portano le sostanze nei cieli americani
7 AFRICA Il Sudafrica, per quanto riguarda l inquinamento dell aria, soffre degli stessi problemi dell Europa o degli Stati Uniti. Il biossido d azoto è frutto della produzione industriale e dei trasporti. Sono state rilevate anche nuvole inquinanti sugli oceani ma queste derivano dal trasporto effettuato dai venti. In particolare è stata riscontrata la presenza di ossido di carbonio, una sostanza che resiste più delle altre nell atmosfera
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9 Energia da distrubuire ed energia portatile
10 La strategia europea per i combustibili 100% 75% Oil Based Fuels Gas Based Fuels 50% Renewable Fuels 25% Hydrogen and beyond
11 Energia e Potenza Un ciclista è in grado di sviluppare 100W di potenza, anche con continuità, per lungo tempo. 100W è la potenza utilizzata da una normale lampadina ad incandescenza. Se però è fermo, il ciclista non eroga la potenza di cui dispone. Dieci ciclisti in moto forniscono 1kW di potenza. In un ora forniscono 1kWh di energia. La potenza del ciclista è la sua capacità di sviluppare energia nel tempo.
12 Il ruolo dell energia energia solare Può l energia solare fotovoltaica (i pannelli piani) fornire una risposta pulita per soddisfare questo fabbisogno? L energia fotovoltaica come la si concepisce oggi è ottima per applicazioni remote ma mal si adatta ad una generazione distribuita su larga scala. Impianto al passo dei Mandrioli
13 LA CELLA SOLARE Occorre un materiale estremamente puro per far sì che l elettrone liberato dalla radiazione giunga alla giunzione p-n capace di accelerarlo, provocando la CORRENTE ELETTRICA
14 Silicio policristallino Silicio monocristallino
15 Esistono alternative? La proposta della concentrazione
16 Sistema sperimentale 13.5 m 2 fotovoltaico/termico Qui viene concentrata la luce 100 m Gli specchi che concentrano la luce sul ricevitore I sistemi di movimentazione Questo è il pannello fotovoltaico
17 L evoluzione del concentratore: Un elettrodomestico solare Concentratore solare Pannello L idea Energia elettrica Il prototipo
18 È possibile creare un elettrodomestico solare? Un sistema per uso domestico è allo studio costituito da moduli di 2.5 m 2 ciascuno. Più moduli possono essere uniti ove sia necessario
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20 Photon Transition Phonon transition Bottom of conduction band Active transition Top of Valence band High energy photons create hot carriers, in the photoactive material, with high energy losses in form of phonons which heat the material. Beam splitters are special glasses capable of transmitting some wavelengths while reflecting others, acting effectively in a way similar to a prism in the spectral division of light. In our system, part of the light, where the photo conversion occurs at the maximum efficiency, is sent on the cells. The remainder is used for thermal or different applications.
21 Splitting del fascio di luce Celle singole, tutto il fascio Splitting fascio Cella GaInP: ~15% efficienza Cella Si : ~20% efficienza Celle singole, fascio separato Cella GaInP: ~15% efficienza Cella Si : ~16% efficienza Efficienza: ~15 % oppure ~20 % Efficienza: ~15 % + ~16 % = ~31 % Specchio dicroico
22 Flusso luminoso Flusso luminoso UV Visibile Infrarosso Lungh. d onda GaInP Si Lungh. d onda
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25 Dichroic flat faceted concentrator: The Real Device Two Faceted Shells are stacked one on the other. The upper shell is made of transparent PMMA and provided with a set of flat dichroic mirrors. The lower shell is higly reflective. The facets of the two shells are designed to generate two spatially separated illuminated areas
26 Dichroic flat faceted concentrator: The Real Device
27 Il sistema dicroico completo
28 I fuochi colorati del sistema dicroico
29 Il ruolo dell idrogeno Le fonti fossili non offrono una risposta energetica a lungo termine L idrogeno rappresenta una alternativa (in particolare per l autotrazione) ma Solo un idrogeno generato da fonti rinnovabili può offrire realmente una strada sostenibile all energia. L idrogeno prodotto da combustibili fossili (processi di reforming) non risolvono il problema dell inquinamento ma, al più, lo spostano al sito di generazione dell idrogeno. Inoltre, l idrogeno da reforming non è direttamente impiegabile nelle celle a combustibile polimeriche, le più promettenti dal punto di vista energetico.
30 =75% tra energia elettrica dal modulo e energia chimica nell idrogeno
31 =30% tra energia chimica nell idrogeno e energia elettrica al motore. 5l a 200atm 1KWh
32 Il passaggio finale: dall idrogeno alla corrente elettrica La teoria della cella a combustibile Una cella a combustibile modulare
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35 Multi tower solar array, a new concept in solar energy A large mirror field can be used to concentrate solar light at the top of small towers where PV receivers are located. Additional technologies can be used to provide simultaneously with cooling power (possibly by absorption cooling). A more rational utilization of the solar beam can be obtained by beam splitting technologies that will maximize the electric/cooling power cocktail.
36 Sistemi di refrigerazione ad assorbimento Esistono sistemi commerciali di refrigerazione che operano partendo da un fluido caldo (pompe di calore ad assorbimento). Tramite un fluido caldo si separa (per esempio) una soluzione di acqua ed ammoniaca in acqua (in un contenitore detto condensatore) ed ammoniaca (in un contenitore detto evaporatore). Li si lascia poi raffreddare fino a temperatura ambiente Il calore per la separazione della miscela può essere fornito tramite sistemi solari a concentrazione termici in cui la luce solare concentrata fornisce l energia necessaria al posto del combustibile.
37 Sistemi di refrigerazione ad assorbimento A questo punto si apre il restrittore e si lascia che i vapori di ammoniaca che spontaneamente evapora dall evaporatore vengano assorbiti dall acqua nell altro contenitore (il condensatore). Poiché la maggiore quantità di calore dal sole è disponibile in estate la possibilità di raffreddare partendo da un fluido caldo è del massimo interesse. L evaporazione dell ammoniaca assorbe calore dall ambiente che contiene l evaporatore (sigillato) fornendo refrigerazione Quando tutta l ammoniaca è evaporata si riprende il ciclo dalla fase di riscaldamento
38 Sistemi di refrigerazione ad assorbimento Esistono versioni dello stesso sistema a funzionamento continuo che hanno uno schema leggermente più complicato (ma basati sullo stesso principio)e utilizzano (eventualmente) composti meno pericolosi dell ammoniaca (Bromuro di Litio ed acqua) L efficienza cresce con la temperatura del fluido che separa i due composti nella miscela. Tali sistemi possono operare anche come pompe di calore per riscaldamento con efficienze largamente superiori a quelle delle caldaie permettendo un uso del sistema (eventualmente tramite uso di gas ove il sole fosse insufficiente) anche nella stagione invernale.
39 Sistemi di refrigerazione ad assorbimento La resa di tali sistemi è dell ordine di kwh termici (refrigeranti) per ogni kwh di energia solare raccolta. Per una casa tipica di 100 mq possono essere necessari circa 8 m 2 di sistemi ottici a concentrazione. Fluido Surriscaldato Fluido refrigerato
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