IL FOTOVOLTAICO -FUNZIONAMENTO- -TIPOLOGIE- -DIMENSIONAMENTO PRELIMINARE-

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1 IL FOTOVOLTAICO -FUNZIONAMENTO- -TIPOLOGIE- -DIMENSIONAMENTO PRELIMINARE-

2 IL FENOMENO FTV: LA SCOPERTA L intensità della corrente in una cella elettrolitica con elettrodi in platino aumenta con l esposizione diretta al sole 1839: il fisico Edmond Becquerel sperimentò la conversione diretta della radiazione luminosa in energia elettrica 1887: Hertz progettò un dispositivo che riproduceva il medesimo effetto Becquerel di conduzione nel vuoto 1905: Einstein pone le basi scientifiche per la produzione della prima cella solare (nel 1921 sarà premio Nobel) 1956: Vieni sviluppata la prima cella fotovoltaica in silicio con un rendimento pari al 6%

3 IL FENOMENO FTV: COME FUNZIONA a)principio di funzionamento b) L effetto fotovoltaico c) Celle e moduli d) Il generatore fotovoltaico

4 IL FENOMENO FTV: COME FUNZIONA PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO La luce trasporta energia (fotoni): alcuni materiali, quando colpiti da fotoni, liberano elettroni e danno luogo ad una corrente. Questi materiali, denominati SEMICONDUTTORI, sono in grado di utilizzare la radiazione elettromagnetica proveniente dal sole per indurre un movimento di elettroni in un circuito, generando una f.e.m. Questo fenomeno è denominato Effetto Fotovoltaico

5 IL FENOMENO FTV: COME FUNZIONA PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO Il 2020 sarà una data cruciale per molti paesi della Terra dato che in questi 10 anni è prevista la riduzione del 20% delle emissione di gas serra il 20% di energia prodotta con fonti rinnovabili. In Italia mediamente 1mq di terreno riceve una energia dal sole circa 1600 kwh/anno. 158 litri di petrolio hanno lo stesso contenuto energetico

6 IL FENOMENO FTV: COME FUNZIONA L EFFETTO FOTOVOLTAICO L effetto fotovoltaico è il processo di conversione dell energia solare in energia elettrica, e più precisamente della radiazione solare in una corrente di elettroni. È basato sulle proprietà di alcuni materiali semiconduttori, in grado di convertire l'energia della radiazione solare in energia elettrica, senza parti meccaniche in movimento e senza l'uso di alcun combustibile. In una cella fotovoltaica, i fotoni della luce solare incidente spezzano i legami degli elettroni del semiconduttore, consentendo così agli elettroni di muoversi liberamente nel semiconduttore. I principali materiali semiconduttori sono il silicio (Si), l'arsenurio di gallio (GaAs) e il solfato di rame (Cu 2 S).

7 IL FENOMENO FTV: COME FUNZIONA L EFFETTO FOTOVOLTAICO STRUTTURA DI UNA CELLA IN SILICIO CRISTALLINO

8 IL FENOMENO FTV: COME FUNZIONA IL GENERATORE FOTOVOLTAICO -Più CELLE = MODULO; -Più MODULI = PANNELLO; -Più PANNELLI = STRINGA; -Più STRINGHE = CAMPO FOTOVOLTAICO.

9 IL FENOMENO FTV: COME FUNZIONA CELLE E MODULI TIPOLOGIE DI CELLE FOTOVOLTAICHE Silicio Monocristallino; Silicio Policristallino; Silicio Amorfo. RENDIMENTO DELLE CELLE Silicio monocristallino η = % Silicio policristallino η = % silicio amorfo (Film sottili) η = 6-10 %

10 ELETTRICITÀ DALL IRRAGGIAMENTO SOLARE Quando la radiazione solare attraversa l'atmosfera terrestre si attenua perché in parte viene riflessa ed in parte assorbita dal vapore acqueo, dall'ozono, dall'ossigeno e dall'ossido di carbonio. Quella che giunge su una superficie orizzontale è costituita da una radiazione diretta (raggi che colpiscono direttamente la superficie) e da una radiazione diffusa che arriva dall'alto in ogni direzione. In una giornata di sole la componente diffusa può essere valutata sul 10-20% di quella globale che investe direttamente la superficie orizzontale.

11 FATTORI CHE INFLUENZANO LA RESA DEI PANNELLI - latitudine; - Inclinazione; - eventuale ombreggiamento; - tipologia dei materiali.

12 DIMENSIONAMENTO PRELIMINARE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO dati di input: 1. dati geografici; 2. identificazione tecnologia fotovoltaica; 3. collocazione pannelli; 4. dimensionamento impianto.

13 DIMENSIONAMENTO PRELIMINARE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO 1. dati geografici Località Latitudine Longitudine Roma 41 54'39"24 N 12 28'54"48 E

14 DIMENSIONAMENTO PRELIMINARE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO 2. identificazione tecnologia fotovoltaica SILICIO MONOCRISTALLINO. le più efficienti ma più costose e più fragili. ha il rendimento più elevato, è caratterizzato da una disposizione monodirezionale a formare un unico cristallo durante il processo di fusione per la produzione del wafer (ossia la cella priva di giunzioni elettriche), è di colore nero o nero bluastro uniforme ed è il più difficile e costoso da produrre.

15 DIMENSIONAMENTO PRELIMINARE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO 2. identificazione tecnologia fotovoltaica SILICIO MONOCRISTALLINO

16 DIMENSIONAMENTO PRELIMINARE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO 2. identificazione tecnologia fotovoltaica SILICIO POLICRISTALLINO è di colore blu/azzurro ed ha il caratteristico aspetto sfaccettato poiché è composto da più cristalli disposti in modo irregolare. Ha un rendimento inferiore rispetto al monocristallino ma ha le stesse caratteristiche di degrado e resistenza nel tempo.

17 DIMENSIONAMENTO PRELIMINARE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO 2. identificazione tecnologia fotovoltaica SILICIO POLICRISTALLINO

18 DIMENSIONAMENTO PRELIMINARE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO 2. identificazione tecnologia fotovoltaica SILICIO AMORFO più facili da industrializzare,a basso costo e più robuste, ma meno efficienti. Con all'ausilio di gas tecnici, può essere depositato in strati sottili pochi micron su una grande varietà di superfici, e può derivare dagli scarti dell'industria elettronica.

19 DIMENSIONAMENTO PRELIMINARE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO 2. identificazione tecnologia fotovoltaica SILICIO AMORFO

20 DIMENSIONAMENTO PRELIMINARE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO 3. collocazione pannelli Angolo di Azimut L angolo di Azimut è l angolo formato dalla normale alla superficie captante e la direzione del Sud)

21 DIMENSIONAMENTO PRELIMINARE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO 3. collocazione pannelli Angolo di Tilt L angolo di Tilt o di inclinazione è l angolo che il pannello fotovoltaico forma con il piano orizzontale e influenza la radiazione incidente sulla superficie captante.

22 DIMENSIONAMENTO PRELIMINARE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO 4. dimensionamento impianto - determinazione potenza nominale (Wp) o o Numero moduli fotovoltaici (superficie utile da destinare all impianto) Potenza nominale del singolo modulo

23 DIMENSIONAMENTO PRELIMINARE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO 4. dimensionamento impianto - determinazione produzione (kwh)

24 DIMENSIONAMENTO PRELIMINARE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO 4. dimensionamento impianto - determinazione produzione (kwh)

25 4. dimensionamento impianto - determinazione produzione (kwh) 1. dati geografici; 2. identificazione tecnologia fotovoltaica; 3. collocazione pannelli; 4. dimensionamento impianto.

26 4. dimensionamento impianto - determinazione produzione (kwh) 1. dati geografici; 2. identificazione tecnologia fotovoltaica; 3. collocazione pannelli; 4. dimensionamento impianto.

27 4. dimensionamento impianto - determinazione produzione (kwh) 1. dati geografici; 2. identificazione tecnologia fotovoltaica; 3. collocazione pannelli; 4. dimensionamento impianto.

28 4. dimensionamento impianto - determinazione produzione (kwh) 1. dati geografici; 2. identificazione tecnologia fotovoltaica; 3. collocazione pannelli; 4. dimensionamento impianto.

29 1. dati geografici; 2. identificazione tecnologia fotovoltaica; 3. collocazione pannelli; 4. dimensionamento impianto.

30 Sistema fisso: inclinazione=35, orientamento=0 Mese E d E m H d H m Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic E d : Produzione elettrica media giornaliera (kwh) E m : Produzione elettrica media mensile (kwh) H d : Media dell'irraggiamento giornaliero al metro quadro ricevuto dai pannelli (kwh/m 2 ) H m : Media dell'irraggiamento al metro quadro ricevuto dai pannelli (kwh/m 2 ) Media annuale Totale per l'anno dati geografici; 2. identificazione tecnologia fotovoltaica; 3. collocazione pannelli; 4. dimensionamento impianto.

31 CONSUMI MEDI DI UN EDIFICIO RESIDENZIALE RISCALDAMENTO ACS 106 kwh/mq anno 20 kwh/mq anno Apparecchiature elettriche 31 kwh/mq anno (compresa illuminazione) kwh/mq anno

32 kwh/m 2 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 IMPIANTO SOLARE TERMICO Radiazione globale media giornaliera per m 2 Per radiazione solare si intende l energia radiante sprigionata dal Sole per effetto delle reazioni nucleari (fusione dell idrogeno) che avvengono al suo interno. Di tale energia, il 30% è riflesso, il 47% convertito in potenza termica di bassa temperatura e irraggiata nuovamente nello spazio e del 23% è responsabile dei processi di evaporazione e precipitazione nella biosfera; meno dello 0,5% viene trasformato in energia cinetica di vento ed onde ed accumulato per fotosintesi nella piante verdi. kwh/m 2 250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 0,0 Radiazione globale media mensile per m 2

33 IMPIANTO SOLARE TERMICO Un impianto solare termico, nella forma più semplice, è costituito da un pannello solare, solitamente di forma piana simile ad un radiatore, che contiene un liquido termovettore il glicole cioè un liquido che trasporta il calore all interno dell impianto. Il glicole circola dentro uno scambiatore (tipo serpentina), inserito all interno di un serbatoio di accumulo, e cede energia termica all acqua, che raggiunta una temperatura di circa 45 C, viene immessa nella rete di distribuzione dell acqua calda sanitaria e/o nella rete di distribuzione dell impianto di riscaldamento domestico.

34 IMPIANTO SOLARE TERMICO Esistono principalmente 2 tipologie di pannelli solari, ognuna delle quali è più indicata all integrazione di un tipo di impianto: PANNELLI SOLARI VETRATI PIANI PANNELLI SOLARI TUBOLARI

35 IMPIANTO SOLARE TERMICO Esistono principalmente 2 tipologie di pannelli solari, ognuna delle quali è più indicata all integrazione di un tipo di impianto:

36 IMPIANTO SOLARE TERMICO Principi per il dimensionamento Per la sola produzione di (ACS) Acqua Calda Sanitaria occorre 1 mq di superficie attiva di pannello (cioè di superficie del pannello atta ad assorbire la radiazione solare) per ogni persona dell unità abitativa. Il serbatoio di accumulo è normalmente della capacità di 75 litri/giorno a persona. L impianto va dimensionato in base al numero di componenti dell unità abitativa. Nel caso di integrazione all impianto di riscaldamento dell edificio, andrà dimensionato anche in base ai consumi annui per tale riscaldamento.

37 IMPIANTO SOLARE TERMICO Per dimensionare un impianto a pannelli solari bisogna conoscere: il fabbisogno termico q da soddisfare, espresso in J/giorno; il valore medio giornaliero dell insolazione del luogo; il rendimento del pannello η (tra 0,5 e 0,75).

38 IMPIANTO SOLARE TERMICO 1) calcolo del fabbisogno termico annuo: Q=cs*V*(t ta)*365=4186*v*(t ta) cs il cal.specifico dell acqua (4186), V t la quantità di acqua da scaldare, la temp. richiesta (50 C), ta la temp. di immissione (15 al nord, 20 al centro su d)

39 IMPIANTO SOLARE TERMICO 1) calcolo del fabbisogno termico annuo: Q=cs*V*(t ta)*365=4186*v*(t ta) cs il cal.specifico dell acqua (4186), V t la quantità di acqua da scaldare, la temp. richiesta (50 C), ta la temp. di immissione (15 al nord, 20 al centro su d)

40 IMPIANTO SOLARE TERMICO 2) calcolo dell energia captabile per unità di superficie Au: Au = A (giornaliera) *η*365*k k (tra 1,10 ed 1,15) tiene conto della maggior efficienza dovuta all inclinazione del pannello rispetto all orizzontale, A è insolazione giornaliera, η è il rendimento del pannello.

41 IMPIANTO SOLARE TERMICO 3) calcolo della superficie S (in m2) dei collettori: La superficie necessaria per scaldare una certa quantità di acqua è S=Q/Au S = [cs*v*(t ta)*365=4186*v*(t ta)] / [A (giornaliera) *η*365*k]