LEZIONE 7. Indice. Energia Solare o Solare termico e ACS o Fotovoltaico CORSO E-LEARNING LEZIONE 7

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1 CORSO E-LEARNING LEZIONE 7 Indice Energia Solare o Solare termico e ACS o Fotovoltaico Note sui diritti d autore Il presente manuale contiene materiale didattico realizzato per il Progetto IUSES Intelligent Use of Energy at School, finanziato dalla Commissione Europea nell ambito del Programma Intelligent Energy Europe. Autori: Giuseppe Pugliese, Sergio García, Lucie Kochova, Petr Sopoliga. 1

2 L energia solare L energia solare è una delle più importanti fonti di energia rinnovabili e la sua origine è semplicemente il Sole: è disponibile gratuitamente, non è esauribile e si può utilizzare in modi differenti. Cos è l energia solare Ogni giorno il sole emette un enorme quantità di energia sotto forma di radiazioni. Come le altre stelle, il sole è una grande palla di gas, soprattutto atomi di idrogeno ed elio, in un costante processo di combustione, o per meglio dire, in un processo di combinazione tra detti atomi detto fusione nucleare. In parole povere, gli atomi di idrogeno si combinano o fondono a formare elio nel nucleo del sole a condizioni di temperatura e pressione estremamente alte. In dettaglio quattro nuclei di idrogeno si fondono per diventare un atomo di elio, che però contiene meno materia dei quattro atomi di idrogeno di partenza. Questa perdita di materia viene emessa nello spazio sotto forma di energia radiante, la prima fonte di vita sulla Terra. 2

3 Solo una piccola parte dell energia irradiata raggiunge la Terra - una parte su due miliardi - mentre il resto viene disperso nello spazio. Di questa piccola porzione, circa il 15% dei raggi solari vengono riflessi nello spazio, un altro 30% è causa dell evaporazione dell acqua contenuta nell atmosfera che produce le precipitazioni piovose, ed infine l energia solare viene assorbita anche dalle piante, dal suolo e dagli oceani, permettendo, tra l altro, la vita agli organismi vegetali attraverso il meccanismo della fotosintesi. Solo la restante parte può essere utilizzata per il nostro fabbisogno energetico, e tuttavia questa quantità di energia è enorme. Come si può utilizzare l energia solare? Esistono diverse opzioni per l utilizzo dell energia solare a casa, a scuola e negli edifici in generale. Le tre modalità principali sono: 1. Calore passivo: consiste nell utilizzare il calore che riceviamo naturalmente dal sole. L applicazione principale prevede la progettazione di edifici che abbisognano di una minore quantità di calore addizionale (lezione 4 sulla progettazione degli edifici). 2. Solare termico: in cui si utilizza il calore del sole per produrre acqua calda da utilizzare nelle abitazioni (ACS acqua calda sanitaria), nelle piscine o per gli impianti di riscaldamento. 3. Energia fotovoltaica: la trasformazione diretta dell energia solare in elettricità per far funzionare elettrodomestici ed impianti di illuminazione. Un sistema fotovoltaico necessità della luce del giorno non solo dell esposizione diretta alla luce del sole per generare elettricità. 3

4 Solare termico Un sistema solare termico sfrutta la radiazione solare accumulata attraverso collettori solari e rappresenta una importantissima fonte addizionale per il riscaldamento la percentuale di utilizzo dipende dalla la latitudine e dall intensità del sole. Schema di un pannello solare: 1) Valvola; 2) Serbatoio di accumulo; 3) Condotto di inserimento; 4) Pannello di assorbimento o collettore; 5) Condotto di inserimento dell acqua fredda Si tratta di un sistema ad accumulazione di calore, solitamente utilizzato con un serbatoio per l acqua calda (tipicamente una caldaia), ma può trattarsi anche di una piscina o di un accumulatore termico a letto to di ghiaia, quindi l energia accumulata sotto forma di calore, può essere utilizzata soprattutto per il riscaldamento degli edifici o per produrre acqua calda per uso domestico. Il sistema a energia solare va abbinato ad altre fonti di riscaldamento (ad es. una caldaia a gas o elettrica) in caso di assenza totale o parziale di sole (notte, tempo nuvoloso, eccetera). In estate il vettore di calore può essere l acqua, ma nel corso dell anno va utilizzato un liquido che non gela. Vantaggi: Fornisce il 50-70% del fabbisogno annuale di acqua calda Ha un ciclo di vita di anni Dimezzamento dei costi legati al riscaldamento dell acqua In estate copre quasi interamente il fabbisogno di acqua calda Funziona anche con tempo nuvoloso E facile da progettare 4

5 Energia fotovoltaica Come si trasforma la luce del sole in elettricità Fotovoltaico trova la sua origine etimologica in due parole: photo, dal Greco, significa luce e voltaic da volt, l unità di misura utilizzata per il potenziale elettrico. I sistemi fotovoltaici usano celle per convertire la radiazione solare in elettricità: tali celle hanno uno o due strati di materiale semiconduttore* e, quando la luce colpisce la cella, essa crea un campo elettrico che attraversa gli strati e fa fluire la corrente elettrica. Quanto più grande l intensità della luce, tanto più grande il flusso di corrente elettrica. Le celle fotovoltaiche attualmente in commercio convertono una percentuale compresa tra il 6 ed il 15% del radiante solare in elettricità. Per quanto possa essere sorprendente, questo è un buon risultato ed esistono grandi opportunità connesse a questa tecnologia, soprattutto grazie ad importanti progressi fatti dalla ricerca scientifica nel corso degli ultimi anni, specie nel campo dei nuovi materiali che riescono a realizzare la conversione fotovoltaica. Il più comune materiale semi-conduttore utilizzato per le celle fotovoltaiche è il silicio, elemento che si trova comunemente nella sabbia. Un sistema fotovoltaico, inoltre, non ha bisogno di luce solare intensa per funzionare: può generare corrente elettrica anche nelle giornate nuvolose, grazie alla riflessione della luce solare. 5

6 Funzionamento di una cella fotovoltaica Le parti più importanti di un sistema fotovoltaico sono le celle che formano la struttura di base dell unità e raccolgono la luce solare, e i moduli che raccolgono grandi numeri di celle in una singola unità (e in alcuni casi gli invertitori utilizzati per convertire l elettricità generata in una forma adeguata per il consumo quotidiano). Indipendentemente dalle dimensioni, un cella di silicio produce in media 0,5-0,6 volt di corrente continua: la corrente e la potenza prodotte da una cella dipendono dalla sua efficienza e dalle dimensioni (la superficie) e sono proporzionali all intensità di luce che colpisce la superficie della cella stessa. Ad esempio, in condizioni di massima insolazione, una tipica cella fotovoltaica come quelle disponibili in commercio con una superficie di 16 cm² produce all incirca 2 watt al picco della potenza. Se l intensità del sole fosse al 40% del valore massimo, la cella produrrebbe circa 0,8 watt. In ogni caso, 2 watt non sono sufficienti a far funzionare un apparecchiatura, ma centinaia di celle, come quelle che compongono un modulo, anche detto pannello, e in funzionamento per un periodo di tempo più lungo, generano quantità interessanti di corrente elettrica e possono avere una produzione che va dai 10 ai 300 watt, a seconda della tecnologia utilizzata e anche di più se diversi moduli vengono collegato insieme in serie (campo). Ad esempio, un tipico modulo disponibile in commercio da 160 watt di potenza potrebbe avere una superficie di 1,2 metri quadri e (1,5 m x 0,8 m). 6

7 Tipi di celle fotovoltaiche Le celle fotovoltaiche vengono prodotte in genere utilizzando silicio cristallino con due possibili modalità: da sottili fette di un singolo cristallo di silicio (monocristallino), da un blocco di cristalli di silicio (policristallino) oppure mescolando al silicio altri materiali semi-conduttori (amorfo). L efficienza varia tra il 12 ed il 17% e questa tecnologia è la più comune, rappresentando oggi circa il 90% del mercato. L altra tecnologia disponibile è quella basata sul film sottile, in cui moduli vengono prodotti installando strati estremamente sottili di materiali fotosensibili su una superficie di supporto molto economica, ad esempio il vetro, l acciaio inossidabile o la plastica. I processi di produzione del film sottile hanno costi meno elevati rispetto alla tecnologia basata sul silicio cristallino, un vantaggio economico che al momento viene, tuttavia, controbilanciato da un efficienza sostanzialmente minore, che va dal 5 al 13%. Negli ultimi anni, la ricerca scientifica ha raggiunto risultati importanti nella tecnologia legata alle celle fotovoltaiche e raggiunto un efficienza del 40% con una cella solare a giunzione multipla costituita da vari elementi (gallio, indio, arsenico, germanio). Tuttavia gli alti costi di produzione non la rendono per il momento commercializzabile. 7

8 Applicazioni fotovoltaiche La tecnologia fotovoltaica si può utilizzare in diversi tipi di applicazioni. La prime applicazioni a più alta tecnologia sono state sviluppate per i velivoli spaziali. Già sono di uso comune calcolatrici, giocattoli, illuminazione, cabine telefoniche e molti altri beni di consumo che utilizzano le celle solari. Quando non è disponibile un collegamento alla rete di distribuzione dell elettricità, applicazioni non collegate alla rete vengono utilizzate per fornire elettricità in zone remote, come stazioni di telecomunicazione, baite di montagna, aree rurali. E sempre più comune vedere impianti di produzione di energia di dimensioni medie e grandi che vengono collocati in zone rurali: si tratta dei cosiddetti impianti connessi alla rete. E qui di primario interesse far giungere l elettricitá agli edifici che integrano i sistemi fotovoltaici Le legislazioni europee sull edilizia sono state e sono tuttora in revisione per rendere le energie rinnovabili una fonte energetica obbligatoria negli edifici pubblici e residenziali. Questa azione accelera lo sviluppo di bioedifici e di edifici ad energia positiva (E+), che offrono molte opportunità per una migliore integrazione dei sistemi fotovoltaici nell ambiente edificato. Questi sistemi fotovoltaici coprono tetti e facciate e contribuiscono in tal modo alla riduzione dell energia consumata dagli edifici. Non producono rumore e si possono integrare con ottimi risultati estetici. Per quanto riguarda gli schemi di funzionamento, di solito questi sistemi hanno una connessione alla rete locale dell energia elettrica che permette di convogliare gli eccessi di produzione nella rete di distribuzione e di vendere 8

9 l energia per il consumo. L elettricità viene quindi importata dalla rete quando non c è il sole. Un invertitore viene, invece, utilizzato per convertire la corrente elettrica continua prodotta dal sistema in corrente alternata per il funzionamento di apparecchiature elettriche di uso comune. Dimensionamento di un impianto fotovoltaico A seconda della dislocazione spaziale dell impianto a energia solare, può essere disponibile più o meno energia e pertanto può venire prodotta una quantità più o meno abbondante di elettricità. La risposta, pertanto, dipende da diversi fattori ed i passi più importanti da considerare sono i seguenti. 1. La quantità di energia che raggiunge una certa dislocazione spaziale: l irradiazione solare e le ore di sole; 2. Il corretto posizionamento e l inclinazione dei moduli; 3. La tecnologia utilizzata. 1. L energia proveniente dal Sole viene misurata sulla base dell irradiazione solare, definita come la potenza energetica del Sole che una certa località riceve per unità spaziale (espressa in watt o kilowatt per metro quadro). Moltiplicando l irradiazione (la potenza) per le ore di sole di una data area (durata temporale) si ottiene il totale di irradiazione (energia). In altre parole, l irradiazione indica la quantità di energia solare (kwh) ricevuta da un metro quadro di superficie (kwh/m²) in un dato lasso di tempo. Ad esempio, moltiplicando per il valore medio delle ore di luce giornaliera in una data zona (o ore/giorno) si ottiene l irradiazione quotidiana (kwh/m² al giorno). Graficamente, la mappa seguente mostra l irradiazione annuale in Europa. 2. Un altro passo cruciale è un posizionamento dei moduli rispetto al Sole, con l obiettivo di ottenere la massima esposizione possibile. Quante più ore di esposizione diretta ai raggi del Sole, tanto più alta la produzione di elettricità. Tre aspetti vanno considerati per il posizionamento: 9

10 Orientamento: un sistema ad energia solare andrebbe orientato per quanto possibile a sud (se si è nell emisfero nord). Inclinazione (angolo): i moduli fotovoltaici dovrebbero avere un inclinazione che permette una esposizione perpendicolare al Sole di mezzogiorno. Questo coincide, in termini generali, con la latitudine della posizione geografica. In Europa l angolo di inclinazione ottimale dei moduli fotovoltaici per massimizzare la resa energetica annua va dai 26 nella Grecia meridionale ai 48 o più nell Europa settentrionale. La ragione è che a sud il Sole è abbastanza perpendicolare e pertanto i moduli assumono un inclinazione piuttosto orizzontale per avere l irradiazione il più a lungo possibile. L opposto avviene al nord, dove il Sole ha un traiettoria più bassa rispetto all orizzonte e pertanto i moduli hanno bisogno di un inclinazione più verticale. Lo stesso concetto vale per le stagioni: il Sole è più alto in estate che in inverno. Ombra: da evitarsi per quanto possibile, l ombra proiettata da edifici, montagne o alberi riduce la produzione di corrente elettrica. 3. Il terzo passo riguarda la tecnologia utilizzata, per la quale, come detto sopra, esistono diverse opzioni, soprattutto per quanto riguarda il materiale utilizzato per la produzione delle celle fotovoltaiche. Il fattore chiave in questo contesto è rappresentato dall efficienza di conversione che può raggiungere il 17% con la miglior tecnologia disponibile sul mercato. Ciò 10

11 significa che una piccola porzione dell irradiazione può essere trasformata in elettricità. Oggi sono disponibili mappe solari e servizi interattivi di applicazione per tutti i paesi. Essi includono tutti i fattori descritti sopra e forniscono una stima della produzione di elettricità che si può ottenere in una certa zona. Con questi strumenti si può conoscere per ciascuna area geografica il potenziale e calcolare quanta elettricità si possa produrre con un impianto. Uno di questi strumenti è il PVGIS (Sistema Informativo Geografico Fotovoltaico) disponibile in rete con un applicazione di semplice utilizzo e divertente. Visitate il sito del JRC (Centro di Ricerca Congiunto) dell UE e scoprirete quanta energia solare irradia la vostra zona 11

12 Quanto più un area è colorata in rosso, tanto migliore è la resa in termini di energia prodotta. Al fondo della mappa, la legenda mostra due indicatori importanti: Il valore totale annuo di irradiazione su di un metro quadro di moduli fotovoltaici espresso in kwh/m² (Irradiazione Globale) Il valore totale annuo di energia elettrica potenziale generata da un sistema da 1 kwp o kwh/kwp (Solar Electricity - Elettricità Solare). La prima riga (Irradiazione Globale) si riferisce esclusivamente all irradiazione su di un metro quadro di superficie per anno. Da notare che ciò non significa che 1 m² produce in effetti il valore indicato. Come detto sopra, non tutta la luce solare che colpisce una cella fotovoltaica verrà convertita in elettricità a causa dei limiti tecnologici (efficienza di conversione) e di altre dispersioni. La seconda riga (Elettricità Solare) informa direttamente sulla quantità di elettricità che un 1 kw del sistema fotovoltaico può generare se installato in una data area. La stima tiene già conto delle dispersioni e dei limiti legati alla tecnologia impiegata. Vengono già presi in considerazione: quantità di irradiazione solare, numero medio di ore di Sole ed altri fattori, quali l efficienza di conversione della tecnologia fotovoltaica utilizzata, orientamento ed inclinazione ottimali dei moduli, dispersione dovuta al trasporto via cavo. In breve, permette una buon stima del potenziale di energia solare di una data zona. A questo punto manca solo che andiate a cercare la vostra città e controlliate il valore corrispondente. 12

13 Esempio: Un sistema fotovoltaico da 1 kw installato in Puglia può produrre all incirca kwh di elettricità l anno (vedere la mappa). Naturalmente, con un sistema da 2 kilowatt si tratta di (1.350 x 2), cioè kwh l anno di elettricità. Nota: Si tratta quasi del carico di un consumatore europeo tipico, che consuma kilowatt-ora di elettricità l anno. Che dimensioni dovrà avere il sistema fotovoltaico? Per ottenere un sistema da tetto da 1 kw e considerando l installazione di moduli da 200 watt di potenza: Circa 5 moduli sono necessari (il numero si ottiene con il seguente rapporto: 1kW o W/200 = 5) 13

14 Da notare, però, che è meglio sovradimensionare il sistema a causa delle molte dispersioni. Infine, se ogni modulo ha una superficie di 2 metri quadri, la superficie coperta dai moduli fotovoltaici sarà di 12 metri quadri (il che risulta dal seguente calcolo: 2 m² x 6 moduli). 14