TASP2: Two Axis SP2. Modifiche dello spettro solare a seconda dello spessore dello strato d acqua attraversato

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1 1 TASP2: Two Axis SP2 Le ricerche sviluppate da SIT sui sistemi fotovoltaici termici hanno portato all evidenza sperimentale di un netto aumento dell efficienza dei pannelli fotovoltaici quando coperti da uno strato di acqua di pochi centimetri. Complessivamente si trova un aumento di efficienza del panello immerso di pochi cm del 10-15% a seconda delle condizioni di lavoro e di insolazione. Questo è dovuto a due effetti illustrati nelle figure che seguono: a) Lo spettro solare viene ridotto dallo strato di acqua soprattutto nella componente infrarossa, ma la parte visibile, importante per la conversione fotovoltaica su silicio (o Telleruro di Cadmio) è sostanzialmente inalterata b) La deriva termica dei materiali a giunzione p-n riduce l efficienza del pannello PV di circa mezzo punto percentuale per grado di temperatura, il che significa una perdita di efficienza del 20-30% durante le giornate calde estive. L immersione in acqua termo statizza il pannello a temperature intorno ai 25 C migliorandone decisamente le prestazioni. I due effetti sono mostrati nelle figure qui sotto e sono stati documentati da oltre un anno di attività sperimentale con risultati in ottimo accordo con le simulazioni teoriche (patent pending). Modifiche dello spettro solare a seconda dello spessore dello strato d acqua attraversato Variazione % di efficienza per un pannello in acqua al variare della profondità: T=40C Ne consegue che è vantaggioso lavorare con pannelli immersi di pochi centimetri in bacini di acqua relativamente tranquilli. I vantaggi sono molteplici a) Maggiore efficienza: +10% in media durante l anno solare. b) Minore invasività. Gli impianti fotovoltaici di grandi dimensioni hanno problemi di localizzazione che possono essere risolti con impatto ambientale minimo. c) Stabilità in temperatura. Il fatto che i sistemi sono stabili in temperatura (escursione massima durante la giornata di 5 C) semplifica la struttura degli inverter e ne migliorale prestazioni. I cablaggi sono anch essi a bassa temperatura. d) Facilità di manutenzione e di pulizia con sistemi robotizzati già esistenti (piscine). e) Maggiore facilità di controllo e di protezione contro furti e vandalismi. I pannelli fotovoltaici sono inseriti in riquadri affioranti di qualche decina di mq che permettono di gestire gruppi di pannelli posizionati ad una profondità di qualche cm e poi ancorati a breve

2 2 distanza dalla riva. Questa struttura costituisce una striscia inagibile alla nautica ma poco visibile, se non per le boe, e quindi di invasività minima. La profondità è determinata da un tubo pieno d aria del diametro di 4-5 cm, che può essere allagato in modo da portare il sistema ad una profondità di 50 cm. Questo può essere necessario per manutenzione o per fronteggiare eventi atmosferici particolarmente intensi. Modulo di pannelli Modulo sommerso per sicurezza Un impianto completo

3 3 Un limite di questa configurazione è legato alla planarità dei pannelli e al fatto che questi sono fissi. Va osservato che a latitudini del basso mediterraneo (molti bacini sono disponibili in Sicilia per esempio) il guadagno tra una pannellatura piana ed una fissa di inclinazione ottimale è meno del 5%. E anche vero però che i sistemi di inseguimento solare, in particolare quelli a due assi danno vantaggi considerevoli e permettono di aumentare al radiazione catturata di almeno il 50%. Nella figura qui sotto si osserva che a 35 di latitudine (Sicilia) l incremento medio di radiazione solare catturata durante l anno è del 50% (limitando l inclinazione dei pannelli a 45 sul piano) mentre per la latitudine di 45 (Lombardia) l incremento è del 61%. Confronto tra flat panel (nero) e two axis tracking (blu) per 35 e 45 di latitudine Non a caso sono in fase di sviluppo i sistemi ad inseguimento e diamo nella figura qui sotto alcuni esempi di pannelli solari orientabili a due assi. E chiaro che i sistemi sono di una certa complessità in quanto si tratta di sostenere in aria strutture relativamente pesanti e soggette a forte sollecitazioni dovuti ai colpi di vento e questo ne aumenta considerevolmente i costi e la manutenzione. Diverse tipologie di pannelli ad inseguimento a due assi. Da questo punto di vista il sistema sommerso presenta una soluzione semplice e vantaggiosa.

4 4 Il principio di Archimede si fa carico del supporto fisico e lo strato d acqua di 5 cm, aumentabile a 1 metro con la tecnica dell immersione di sicurezza, mette al riparo da vento e anche da eventi estremi. Il vero problema è che per il silicio mono e policristallino non si possono immergere i pannelli per di più di 10 cm, senza essere penalizzati dall assorbimento dell acqua. Per questo ragione bisogna studiare configurazioni particolari e quello che proponiamo è la seguente struttura. I pannelli hanno una lunghezza di 1-2 metri ed una larghezza di soli 30 cm. L inclinazione massima consentita è di 45 : questo limita la cattura nei mesi invernali ma incide assai poco sul totale annuo. I pannelli sono assemblati in strutture modulari di dieci elementi e una struttura a pantografo, guidata da un galleggiante più o meno immerso ne definisce l inclinazione. L insieme delle strutture modulari e orientabile est ovest mediante una rotazione lenta e complessiva del sistema comandata da un sistema corda-vericello. Naturalmente alcune semplificazioni sono possibili. Per esempio scegliere una inclinazione fissa dei pannelli porta a perdite minime nella radiazione catturata durante l anno e semplifica considerevolmente il sistema che diventa quindi un semplice inseguitore est-ovest. Alle latitudini siciliane un angolo ottimale ( a seconda delle condizioni medie invernali) è di e la cattura complessiva è aumentata rispetto al pannello piano del 48%. In conclusione il sistema da noi proposto permette di realizzare a basso costo due obbiettivi: a) Eliminare le derive termiche con un aumento di efficienza medio durante l anno del 10% b) Permettere un inseguimento a due assi semplice e robusto ed esente dai limiti di sicurezza degli attuali sistemi. c) Complessivamente si stima anche il guadagno rispetto ad un convenzionale sistema fisso a terra sia del 50%. Il sistema proposto immerso in fase di manutenzione o sicurezza.

5 5 Dettaglio dei pannelli immersi piani Dettaglio dei pannelli inclinati di 30 Orientamento est ovest per un sistema di 1000 mq