Laboratorio di sintesi finale Sfruttamento dell’energia solare: fotovoltaica e termica

1. Politecnico di Milano – Sede di Como Facoltà di Ingegneria Corso di studi in Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio Laboratorio di sintesi finale Sfruttamento dell’energia solare: fotovoltaica e termica Docente di riferimento: prof. F. Inzoli  Sara Livio, matr. 647844 Paola Parravicini, matr. 646802

2. L’Energia Solare Il Sole emette con continuità energia sottoforma di radiazione elettromagnetica. All’ingresso dell’atmosfera, la costante solare vale circa 1350 W/m2 Al suolo, essa si riduce a 1000 300 W/m2 In seguito a fenomeni di riflessione e assorbimento

3. L’effetto fotovoltaico • Consiste nella conversione dell’energia elettromagnetica in energia elettrica, generalmente ad opera di materiali semiconduttori. Struttura di una cella fotovoltaica Produzione: 1÷1,5 Wp

4. Celle fotovoltaiche: tecnologie disponibili

5. Tipologie di impianto:impianti stand alone l’energia elettrica prodotta in eccedenza viene accumulata in batterie per essere utilizzata in momenti di bassa insolazione o di buio. Schema d’impianto

6. Impianti stand alone:applicazioni • Utenze isolate - Servizi

7. Tipologie di impianto:impianti grid-connected la corrente continua prodotta dai moduli viene convertita in corrente alternata e, se non è utilizzata, viene immessa nelle rete elettrica nazionale Schema d’impianto

8. Impianti grid connected:applicazioni • Piccoli impianti • Centrali fotovoltaiche

9. Tipi di installazione • Retrofit  applicato a superfici esistenti • Integrato  in sostituzione di elementi strutturali

10. Tipi di installazione - Sistemi a inseguimento (girasoli solari)

11. Criteri generali di dimensionamento • Quantificazione dei consumi energetici • Radiazione solare disponibile • numero di moduli  ev. numero di batterie. - Posizionamento dei moduli

12. Esempio di calcolo: superficie necessaria Per impianto domestico grid-connected da 3KWp, ipotizzando un rendimento dei moduli del 12% potenza elettrica erogata h = ------------------------ potenza elettromagnetica ricevuta 3 (KWp) 0,12 = -------------- 1 (KW/m2) · A (m2) 3 A = ----- = 25m2 0,12 E’ richiesta un’area minima di 25 m2.

13. Vantaggi Elevata affidabilità e durata (circa 25–30 anni); Bassi costi di manutenzione; Semplicità d’installazione; Modularità. Considerazioni sugli impianti fotovoltaici • Svantaggi • Costi di installazione elevati; • Bassi rendimenti di conversione; • Necessità di grandi superfici.

14. SISTEMI SOLARI TERMICI

15. SISTEMI SOLARI TERMICI Permettono la conversione della radiazione solare in energia termica. Conversione: • BASSA TEMPERATURA (< 100°C) • MEDIA TEMPERATURA (oltre 250°C) • ALTA TEMPERATURA (collettori solari termici ad alta concentrazione)

16. IL COLLETTORE SOLARE PIANO • Superficie selettiva trasparente • Piastra assorbente • Tubi in cui scorre il fluido termovettore • Strato isolante Rendimento: • Calore ceduto al fluido termovettore h = -------------------------- Radiazione incidente sul collettore η= 17 – 22%

17. COLLETTORE SOTTOVUOTO Struttura base: tubi di vetro concentrici. Nello spazio intermedio è creato il vuoto. Al centro dei tubi è inserito un tubo di rame a forma di U, dove scorre il fluido termovettore. • COLLETTORI TUBOLARI SOTTOVUOTO Rendimento: 70% • COLLETTORI HEAT PIPE Rendimento: 80%

18. SISTEMI A CIRCOLAZIONE NATURALE • Serbatoio di accumulo dell’acqua posto al di sopra del collettore. Non è necessaria la presenza di una pompa • VANTAGGI: • Costo limitato • Installazione semplice • SVANTAGGI: • Limitata portata • ridotte prestazioni energetiche • Problemi di mantenimento della temperatura dell’acqua nel serbatoio in inverno • Utenze piccole (4-5 persone)

19. SISTEMI A CIRCOLAZIONE FORZATA • Serbatoio di accumulo all’interno dell’edificio. Circolazione fluido avviene tramite pompa centrifuga • VANTAGGI: • Ampie possibilità soddisfacimento dell’utenza • Buona efficienza grazie alla stratificazione termica del serbatoio a alla possibilità di regolazione della portata • SVANTAGGI: • Costo superiore • Installazione più complessa

20. IMPIANTO SOLARE COMBINATO • Produzione di acqua calda sanitaria e integrazione al riscaldamento degli ambienti • Soluzione migliore: integrazione con sistemi di riscaldamento a bassa temperatura (pannelli radianti a pavimento,…) • Inclinazione pannelli supera 50° • Alternative impiantistiche: • Serbatoio “tank in tank” • Serbatoio di accumulo per acs e scambiatore di calore per circuito riscaldamento

21. Impianto combinato con accumulo tank in tank

22. Impianto combinato con accumulo tank in tank • Caratteristiche dell’utenza: • 5 persone • Superficie abitazione da scaldare: 140 m2 • Fabbisogno energetico: • 4.600 kWh/anno per acqua calda sanitaria • 12.000 kWh/anno per riscaldamento ambienti • Caratteristiche dell’impianto solare: • Superficie collettori: 14 m2 • Volume accumulo: 1000 l • Copertura energetica: • Acqua calda sanitaria: 90% • Riscaldamento ambienti: 40%

23. Impianto combinato: serbatoio di accumulo per acqua calda sanitaria e scambiatore di calore per circuito di riscaldamento

24. RISCALDAMENTO PISCINA Il fabbisogno maggiore è nel periodo estivo, quando c’è maggior disponibilità di energia solare In caso di riscaldamento combinato di piscina e acqua calda sanitaria, necessario un sistema di regolazione dell’afflusso di calore in base alla priorità. Copertura fabbisogno energetico: 100%

25. CONCLUSIONI:Valutazioni economiche E’ necessario tenere conto di • Tempo di ritorno economico • Esternalità ambientali

26. CONCLUSIONI:Valutazioni ambientali • Benefici in termini di riduzione annua di emissioni (in particolare di CO2) rispetto alle fonti energetiche tradizionali • Importanza di analizzare l’intero ciclo di vita del prodotto (dall’utilizzo di materie prime allo smaltimento finale)