Proprietà ottiche del concentratore solare fotovoltaico Rondine

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1 Proprietà ottiche del concentratore solare fotovoltaico Rondine L. Zampierolo 1, E. Bonfiglioli 1, A. Antonini 2, M. Butturi 3, A. Parretta 1,4* 1 Università di Ferrara, Dipartimento di Fisica, Ferrara, Italia 2 Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), Nanostructures Dpt., Genova, Italia 3 CPower Srl, Marano Vicentino (VI), Italia 4 ENEA Centro Ricerche E. Clementel, Bologna, Italia *parretta@fe.infn.it 100 Congresso Nazionale SIF, Pisa, Settembre,

2 Introduzione ai concentratori solari di tipo senza immagine (nonimaging) Il concentratore solare FV Rondine Metodi di caratterizzazione ottica: metodo Diretto (DCM) metodo Inverso (ILM o ILLUME) Simulazioni ottiche e risultati sperimentali Conclusioni SOMMARIO 2

3 CONCENTRATORE SOLARE (Fotovoltaico 3-D a mosaico di specchi) Raffreddamento attivo Prof. G. Martinelli Collettore solare Celle solari (a specchio) ad alta efficienza Inseguitore a 2 assi Università di Ferrara. Dipartimento di Fisica 3

4 COSTRUZIONE DI UN CONCENTRATORE CPC (Compound Parabolic Concentrator) Parabola 1 F 2 Parabola 2 F 1 asse parabola 2 parabola 1 CPC-3D asse ottico CPC θ m F 2 F 1 asse parabola 1 parabola 2 Efficienza di trasmissione Angolo

5 Luce solare CONCENTRATORE SENZA IMMAGINE CPC (Compound Parabolic Concentrator) η opt (0) 0.9 Cella solare η opt (θ) Parametri (2 ind.): f, θ acc, L, a in, a out η opt (0) θ acc θ acc θ NONIMAGING (CPC) IMAGING (Lenti di Fresnel, Specchi parabolici)

6 PROPRIETA OTTICHE DI UN CPC IDEALE Lunghezza caratteristiche Rimedio: può essere troncato C geo A out =1cm L 70cm Flusso non omogeneo θ = 0 θ = 3 Rimedio: prisma all uscita del CPC, oppure deformazione della superficie θ = 5 6

7 Concentratore FV Rondine Ricavato da un CPC ideale dopo: i) troncatura; ii) deformazione superficie; iii) Squadratura apertura d ingresso Flusso distribuito sul ricevitore (simulazione con TracePro)

8 CONCENTRATORE SOLARE (Fotovoltaico 3-D a bassa-media concentrazione) Wp: = 39 W Eff.: = 12% C = 25X Wp: = 95 W Eff.: = 12% C = 25X 4kWp Rondine system, Ostellato (Italia) Lo staff CPower Università di Ferrara 8

9 No yellowing, Glass No hazing, No scratches Rondine Module Gen1 Module type Dimensions [± 2 mm] Optical surface [mm²] Cell type Cells dimensions [mm] 25X concentrator Aluminum case - Glass 740x188x x1120 Monocrystalline silicon 14x16 Number of cells 160 Tempered glass thickness [mm] 4 Weight [± 0,5 kg] 23 Peak power [W] * 90.2 Efficiency [%] 12.3 Maximum power voltage [Vmp] 23 Maximum power current [Imp] 4,15 Bypass diodes 4 * Peak power measured under 850 W/m 25 C

10 CARATTERIZZAZIONE OTTICA: METODO DIRETTO Direct Collimated Method (DCM)

11 Configurazione sperimentale metodo diretto (DCM) is1 w f ch ft ls δ pm1 pd di ra lock-in is2 Rondine Misura del flusso all uscita del Rondine

12 Metodo diretto (DCM) Preparazione sorgente lambertiana Fascio parallelo uniforme Fascio collimato dopo specchio parabolico laser fotodiodo Irraggiamento del Rondine rondine sfera fotodiodo

13 Sfere integratrici artigianali Tutte le sfere integratrici sono state realizzate a Ferrara partendo da globi in plastica, trattandoli con diversi tipi di rivestimenti, di cui quello interno finale di Solfato di Bario.

14 CARATTERIZZAZIONE OTTICA METODO INVERSO Inverse Lambertian Method (ILM)

15 Se inverti la vista delle cose avrai delle sorprese!

16 Metodo inverso simulato d Sorgente lambertiana Rondine apertura di uscita apertura di ingresso L inv θ ( θ, ϕ) E inc ( θ, ϕ) schermo: assorbitore ideale 1,0 Mappa di irradianza E inc (θ,ϕ) Profili x/y di irradianza E inc (θ) rel inv L ( θ ) = E rel inc 4 cos ( θ ) θ Radianza relativa 0,8 0,6 0,4 0,2 rondine1_5 profilo lato lungo metodo inverso con pareti laterali d=224cm 0, Angolo di emissione ( ) radianza inversa orizz.le L inv (θ)

17 Metodo inverso sperimentale sorgente z sfera integrante Rondine ia L inv d ( θ, ϕ) θ E inc L R ( θ, ϕ) ( θ, ϕ) diffusore lambertiano oa CCD I CCD ( θ, ϕ) L R ( θ, ϕ) E inc ( θ, ϕ) L inv ( θ, ϕ) I CCD ( θ, ϕ)

18 I CCD ( θ, ϕ) Elaborazione dati sperimentali rel inv L ( θ ) = I rel CCD 8 cos ( θ ) θ

19 SINTESI DELLE MISURE Consistenza dei risultati sia sperimentali che simulati sia nel metodo diretto che inverso Modulo Rondine+cella sperimentale Consistenza tra i dati sperimentali del Rondine+cella con quelli relativi al modulo

20 Riassunto degli angoli di accettanza Metodo RONDINE Gen1 Lato lungo Lato corto RONDINE Gen1 con CELLA Lato lungo 90% Eff 50% Eff 90% Eff 50% Eff 90% Eff 50% Eff Sim Dir. Sper Inv. Sim Sper

21 Misura dell efficienza a 0 is 1 ls Rondine is 2 CCD z Rondine-Gen1 L inv (0) LSphere η opt ( 0) = L (0) L inv Sphere η opt ( 0) = 84.0 ± 1.0%

22 CONCLUSIONI Studiate le proprietà ottiche del concentratore Rondine. Discussi due metodi di caratterizzazione: DIRETTO e INVERSO. Il Metodo Diretto richiede molte misure sperimentali o simulazioni a computer, e inoltre un apparato complesso. Il Metodo Inverso richiede una sola misura e l apparato è più semplice. Applicati i due metodi alla caratterizzazione del Rondine. Il confronto tra due metodi fornisce risultati congruenti. 22

23 CONCLUSIONI Caratteristiche del concentratore Nonimaging Rondine Il Rondine ha un grande angolo di accettanza rispetto ai concentratori classici. Angolo di accettanza ampio: utilizzo di tracciatori solari impiegati per pannelli piani (economia). La sua forma innovativa fornisce un flusso sufficientemente uniforme in uscita e quindi le celle solari non soffrono di hot spot.

24 GRAZIE PER L ATTENZIONE Per gli approfondimenti, visitare il sito: alla pagina: Antonio Parretta