Modulo 2. Impianti per la produzione di energia termica, elettrica e frigorifera da energia solare

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1 Corso di Impianti Meccanici Laurea Magistrale Modulo 2. Impianti per la produzione di energia termica, elettrica e frigorifera da energia solare Sezione 2.3 Impianti fotovoltaici e solare termico Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Dott. Ing. Marco Pellegrini Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna Italy

2 Impianti fotovoltaici e solare termico HENERGIA Laboratorio Fossil Fuel Free Inaugurazione: Settembre 2013 Impianti fotovoltaici Solar Cooling Idrogeno: elettrolisi, compressione e PEM fuel cell Caldaia a biomassa 2

3 Energia dal fotovoltaico: problematiche Materiali e superficie occupata: esempio pannello fotovoltaico al silicio policristallino Produzione annua lorda non rinnovabile in Italia: GWh Ipotesi: Wh per Wp installato /1.300= circa 169 GWp da installare con 215 Wp per un pannello /215= circa 790 milioni di pannelli da installare Materiale % in peso Vetro 74,16% Cornice (alluminio) 10,30% EVA (Etilene vinil acetato) 6,55% Adesivi, materiali compositi 1,16% Tedlar (Polivinilfluoruro) 3,60% Silicio 3,00% Altro (rame, argento, piombo, ) 1,23% Caratteristica Potenza di picco Valore 215 Wp Circa km 2 di superficie occupata dai pannelli (50% della superficie totale impegnata) Circa 1,6 milioni di tonnellate di alluminio (struttura sostegno esclusa) Superficie 1,650 m x 0,991 m Rendimento 13,1% Peso 19,5 kg (Produzione mondiale alluminio: 33,6 milioni di tonnellate dato 2006 fonte CiAl) 3

4 Energia dal fotovoltaico: problematiche Materiali e superficie occupata: esempio pannello fotovoltaico al silicio policristallino Materiale % in peso Vetro 74,16% Cornice (alluminio) 10,30% EVA (Etilene vinil acetato) 6,55% Adesivi, materiali compositi 1,16% Tedlar (Polivinilfluoruro) 3,60% Produzione mondiale annua di energia elettrica: GWh (Fonte: IEA, 2009) Ipotesi: Wh per Wp installato (ipotesi nord-africa) /2.000= circa GWp da installare con 215 Wp di un pannello /215= circa 47 miliardi di pannelli da installare Silicio 3,00% Altro (rame, argento, piombo, ) 1,23% Caratteristica Valore Potenza di picco 215 Wp Circa km 2 di superficie occupata dai pannelli (50% superficie totale impegnata) Circa 94 milioni di tonnellate di alluminio (struttura sostegno esclusa) (Produzione mondiale alluminio: 33,6 milioni di tonnellate dato 2006 fonte CiAl) Superficie 1,650 m x 0,991 m Rendimento 13,1% Peso 19,5 kg 4

5 Impianti fotovoltaici tradizionali Silicio monocristallino+amorfo (10 moduli, 2,40 kw p installata, η e =16,2%) Silicio policristallino (9 moduli, 2,16 kw p installata, η e =14,7%) Silicio amorfo (12 moduli, 1,46 kw p installata, η e =8,5%) Tellururo di cadmio (28 moduli, 2,24 kw p installata, η e =10,4%) 5

6 Silicio monocristallino+amorfo (2,40 kw p installata, η e =16,2%) Modello: HIT-N240SE10 Produttore: Panasonic Impianti fotovoltaici tradizionali La tecnologia HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) è basata su un sottile wafer di silicio monocristallino circondato da un film di silicio amorfo ultrasottile. Alle alte temperature le celle fotovoltaiche HIT sono in grado di mantenere una efficienza più elevata delle celle solari convenzionali di silicio cristallino. 6

7 Silicio monocristallino+amorfo (2,40 kw p installata, η e =16,2%) Modello: HIT-N240SE10 Produttore: Panasonic Impianti fotovoltaici tradizionali 7

8 Silicio monocristallino+amorfo (2,40 kw p installata, η e =16,2%) Modello: HIT-N240SE10 Produttore: Panasonic Impianti fotovoltaici tradizionali NOCT (Nominal Operating Cell Temperature): E la temperatura raggiunta dalla cella in determinate condizioni ambiente (800 W/m2, temperatura dell aria a 20 C e velocità del vento a 1 m/s). Maggiore è l NOCT, maggiore è la perdita di prestazione del pannello all aumentare della temperatura del pannello. 8

9 Silicio monocristallino+amorfo (2,40 kw p installata, η e =16,2%) Modello: HIT-N240SE10 Produttore: Panasonic Impianti fotovoltaici tradizionali 9

10 Silicio policristallino (2,16 kw p installata, η e =14,7%) Modello: 240P Produttore: CNPV Impianti fotovoltaici tradizionali Grandezza Unità di misura Modello 240P Potenza nominale Wp 240 Tolleranza di potenza % ±3 Tensione al punto di max potenza V 30,8 Corrente al punto di max potenza A 7,80 Efficienza della cella % 16,4 Efficienza del modulo % 14,7 Temperatura NOCT C 45 Coefficiente di temperatura Pmax %/ C -0,45 10

11 Silicio policristallino (2,16 kw p installata, η e =14,7%) Modello: 240P Produttore: CNPV Impianti fotovoltaici tradizionali 11

12 Silicio amorfo (1,46 kw p installata, η e =8,5%) Modello: NA-F121(G5) Produttore: SHARP Impianti fotovoltaici tradizionali 12

13 Silicio amorfo (1,46 kw p installata, η e =8,5%) Modello: NA-F121(G5) Produttore: SHARP Impianti fotovoltaici tradizionali 13

14 Silicio amorfo (1,46 kw p installata, η e =8,5%) Modello: NA-F121(G5) Produttore: SHARP Impianti fotovoltaici tradizionali 14

15 Tellururo di cadmio (2,24 kw p installata, η e =10,4%) Modello: FS-380 Produttore: FIRST SOLAR Impianti fotovoltaici tradizionali 15

16 Tellururo di cadmio (2,24 kw p installata, η e =10,4%) Modello: FS-380 Produttore: FIRST SOLAR Impianti fotovoltaici tradizionali NOCT (Nominal Operating Cell Temperature): 45 C 16

17 Impianti fotovoltaici tradizionali Attenzione! Il rendimento del singolo pannello fotovoltaico η e è calcolato in Condizioni di Test Standard (STC). η e = (V*I)/(G*A) V: tensione misurata ai morsetti del pannello fotovoltaico (V) I: corrente misurata ai morsetti del pannello fotovoltaico (A) G: radiazione solare globale (W/m 2 ) A: superficie del pannello fotovoltaico (m 2 ) Condizioni STC: G= W/m 2 Temperatura cella 25 C 17

18 Stazione meteo locale Impianti fotovoltaici tradizionali - termo-igrometro - pluviometro - anemometro - misuratore direzione vento - misuratore radiazione solare globale 18

19 Impianti fotovoltaici tradizionali con inseguitore Silicio policristallino con inseguitore (0,96 kw p installata, η e =14,7%) Modello: 240P Produttore: CNPV Inseguitore: monoassiale (inclinazione zenitale fissa) (fornitura, posa in opera e allacci) 19

20 Impianti fotovoltaici a concentrazione Lente di Fresnel (1,76 kw p installata, η e =26%) Modello: Eco-Energy (customizzato) Produttore: Arima Inseguitore: biassiale Cella fotovoltaica: tripla giunzione Fattore di concentrazione: 476: (fornitura, posa in opera e allacci) 20

21 Impianti fotovoltaici a concentrazione Lente di Fresnel (1,76 kw p installata, η e =26%) Modello: Eco-Energy (customizzato) Produttore: Arima Cella fotovoltaica: tripla giunzione 21

22 Impianti fotovoltaici a concentrazione Lente di Fresnel (1,14 kw p installata, η e =39%) Modello: Sunflower CPV Produttore: Isofoton Inseguitore: biassiale Cella fotovoltaica: tripla giunzione Fattore di concentrazione: 500:1 22

23 Impianti fotovoltaici a concentrazione Ottica Cassegrain (1,14 kw p installata, η e =29%) Modello: GPS 600 Produttore: GP III Solar Inseguitore: monoassiale Cella fotovoltaica: tripla giunzione Fattore di concentrazione: 600: (fornitura, posa in opera e allacci) 23

24 Attenzione! Il rendimento del singolo sistema fotovoltaico a concentrazione η e ècalcolatoin Condizioni di Test Standard (STC). η e = (V*I)/(G*A) Impianti fotovoltaici a concentrazione V: tensione misurata ai morsetti del pannello fotovoltaico (V) I: corrente misurata ai morsetti del pannello fotovoltaico (A) G: radiazione solare globale (W/m 2 ) A: superficie del pannello fotovoltaico (m 2 ) Condizioni STC: G= 800 W/m 2 Temperatura cella 25 C 800 W/m 2 concentrazione vs W/m 2 tradizionale COME CONFRONTO I RENDIMENTI? 24

25 Impianto solare a concentrazione Caratteristica Grandezza Potenza di picco [kw] 11,5 Potenza media [kw] 10,5 Efficienza globale 73% Efficienza sistema ottico 86% Superficie collettore [m 2 ] 15,9 Fattore di concentrazione solare 254 Diametro collettore [m] 4,5 Altezza palo [m] 2,4 Dimensioni assorbitore [cmxcm] 25,4x25,4 Volume fluido nell assorbitore [lt] 0,550 Massima pressione di esercizio [bar] 1,72 Peso totale [kg] 463 Inseguitore Biassiale Potenza motori inseguitori [W] (fornitura, posa in opera e allacci) 25

26 Impianto solare/fotovoltaico Impianto trigenerazione Pannello fotovoltaico cogenerativo Caratteristica per 4 pannelli Grandezza Potenza di picco elettrica [kw] 0,920 Potenza di picco termica [kw] (*) 3,200 Efficienza globale max (elettrico+termico) 62% Portata fluido [lt/min] 4,8 Massima temperatura ammissibile [ C] per 4 pannelli (fornitura, posa in opera e allacci) (*) non necessariamente coincidente con la condizione di picco di produzione del fotovoltaico 26

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