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Energia solare. Il sole e lo spettro solare Posizione e moto del sole Struttura interna Le prime determinazioni sul moto del sole furono ottenute da W.Herschel.

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1 Energia solare

2 Il sole e lo spettro solare Posizione e moto del sole Struttura interna Le prime determinazioni sul moto del sole furono ottenute da W.Herschel nel 1783: Moto rettilineo verso lapice (punto della costellazione di Ercole) alla velocità di circa 20 m/s ; Moto di rivoluzione attorno al centro della galassia ad una velocità di circa 230 km/s MOTO COMPLESSIVO=MOTO SPIRALOIDEO Moto di rotazione attorno al proprio asse (inclinato di 7° sul piano dellellittica) con velocità di rotazione piuttosto bassa (2 km/s allequatore) e variabile con la latitudine (possibile dato che il sole si trova allo stato fluido). Il sole è in equilibrio meccanico per leffetto dellazione di due insiemi di forze contrastanti: Pressione dei fluidi che tendono a spingere le masse verso lo spazio esterno; Forza di gravitazione che spinge le masse fluide verso il centro di gravità. È presente anche un terzo insieme di forze, di entità ridotta ma paragonabile alle precedenti:Pressione di radiazione Tende a spingere le masse fluide verso lesterno Dovuto allazione dei fenomeni quantistici di assorbimento di radiazione

3 Il sole e lo spettro solare Struttura interna Strati Strato interno: diametro km (80% del raggio nominale alla fotosfera); Strato in cui avviene il fenomeno principale della generazione denergia; Il trasporto denergia avviene per irraggiamento. Strato convettivo: diametro km (si arriva a coprire la quasi totalità del raggio nominale alla fotosfera); La trasmissione del calore avviene per fenomenni di tipo convettivo. Fotosfera, cromosfera e corona = atmosfera solare Fotosfera (Emette gran parte della potenza raggiante solare) oSpessore di circa 500 km; oTemperatura superficiale = K (leggi del corpo nero); oIrradiamento integrale = kW/m 2. Cromosfera oT = K (colore rossastro); oSpessore medio di 7000 ÷ km. Corona oPuò estendersi a distanze dal centro del sole dellordine di dieci volte il raggio.

4 Il sole e lo spettro solare Emissione del sole Emissione fotosferica Raggio medio della terra pari a circa 6,37 x 10 6 m Raggio medio della terra pari a circa 6,37 x 10 6 m Superficie di captazione S i = 1,27 x m 2 Superficie di captazione S i = 1,27 x m 2 Riesce ad intercettare meno di 1/10 9 dellenergia solare emessa Valore enorme se confrontato con la scala delle energie per i fabbisogni umani Densità energetica incidente=1.350 W/m 2 Potenza totale intercettata=1,71 x MW

5 Energia termica derivante dalla combustione del legno; Energia termica derivante dalla combustione del legno; Energia termica derivante dalla combustione di carbone, idrocarburi, gas naturale; Energia termica derivante dalla combustione di carbone, idrocarburi, gas naturale; Energia idroelettrica; Energia idroelettrica; Energia Eolica; Energia Eolica; Energia del moto ondoso. Energia del moto ondoso. Il sole e lo spettro solare Energie derivate dallenergia solare

6 La costante solare Intensità media della radiazione solare incidente in direzione normale ad una superficie posta al di fuori dellatmosfera terrestre 0 =1.353 W/m 2 0 =1.353 W/m 2 (corrispondente alla distanza media Terra – Sole) Variazioni di nel corso dellanno (variazione della distanza reale Terra – Sole: Data radiazione solare (W/m 2 ) Data radiazione solare (W/m 2 ) 1 Gennaio13991 Luglio Gennaio13993 Luglio Febbraio13931 Agosto Marzo13781 Settembre Aprile13551 Ottobre Aprile13535 Ottobre Maggio13321 Novembre Giugno13161 Dicembre1392

7 Distribuzione spettrale dellenergia solare ( ) (W/m 2 ) (da zero a ) (W/m 2 ) ( ) (W/m 2 ) (da zero a ) (W/m 2 ) zero1353 Distribuzione spettrale dellenergia raggiante solare esternamente allatmosfera terrestre.

8 Distribuzione spettrale dellenergia solare Distribuzione spettrale dellenergia raggiante solare sulla superficie terrestre per diversi valori della massa daria. [ ] ( ) [W/m 2 ] m=0m=1m=4m=7m= zero zero zero zero zero 1000zero

9 Alternanza del giorno con la notte; Alternanza del giorno con la notte; Variazione della posizione del Sole nel cielo e quindi variazione sia della massa d'aria attraversata che dell'angolo di incidenza; Variazione della posizione del Sole nel cielo e quindi variazione sia della massa d'aria attraversata che dell'angolo di incidenza; Dipendenza del coefficiente di trasparenza dell'atmosfera per l'energia raggiante solare dalla composizione dell'aria (vapor d'acqua e inquinamento); Dipendenza del coefficiente di trasparenza dell'atmosfera per l'energia raggiante solare dalla composizione dell'aria (vapor d'acqua e inquinamento); Le condizioni astronomiche e climatologiche si modificano nel corso delle stagioni; Le condizioni astronomiche e climatologiche si modificano nel corso delle stagioni; La massa d'aria attraversata dalla radiazione solare varia in funzione dell'altitudine sul livello del mare; La massa d'aria attraversata dalla radiazione solare varia in funzione dell'altitudine sul livello del mare; Gran parte dei parametri citati sono influenzati dalla posizione geografica della località considerata. Gran parte dei parametri citati sono influenzati dalla posizione geografica della località considerata. Disponibilità di energia solare sulla superficie terrestre L'energia solare disponibile sulla superficie terrestre è fortemente discontinua ed irregolare per le seguenti ragioni:

10 Stime di disponibilità di energia solare I D = radiazione diretta, attraversa il cielo senza essere deviata; I D = radiazione diretta, attraversa il cielo senza essere deviata; I d = radiazione diffusa dallatmosfera; I d = radiazione diffusa dallatmosfera; I a = radiazione di albedo o rinvio multiplo, relative al contesto (corpi limitrofi, etc…). I a = radiazione di albedo o rinvio multiplo, relative al contesto (corpi limitrofi, etc…). Non sempre sono disponibili misure dirette della radiazione solare per la località in esame, occorre allora supplire mediante il ricorso a modelli di calcolo semplificati: I=I D +I d +I a La componente diretta dà il suo massimo apporto alla radiazione totale nelle ore centrali della giornata. In caso di oscuramento totale del cielo il suo contributo è praticamente nullo. In termini percentuali la totalità della radiazione incidente extraatmosferica (con copertura annuale media del cielo del 50%), viene ripartita nel modo seguente: 30%raggiunge la terra come radiazione diretta; 17%raggiunge la terra come radiazione diffusa; 14%assorbito dai costituenti atmosferici, in particolare vapore acqueo; 9%perduto verso lo spazio in conseguenza della diffusione dellatmosfera; 30%rinviato nello spazio, di cui il 24% dalla parte superiore delle nubi ed il 6% dalla superficie terrestre.

11 Diffusività p= pressione p= pressione = concentrazione particelle = concentrazione particelle g= quantità dacqua precipitabile g= quantità dacqua precipitabile m= massa daria m= massa daria È responsabile delle differenze dellintensità di radiazione che si producono nel cielo, riconoscibile nel visibile dalla differenze di luminanza. E una funzione continua di ed è causata dallintercettazione della radiazione solare da parte delle molecole daria, aerosol e vapor dacqua disperse nellatmosfera

12 Assorbimento la CO2 ha un massimo per = 2.71 m; la CO2 ha un massimo per = 2.71 m; il vapore acqueo ha un forte assorbimento in quasi tutto linfrarosso; il vapore acqueo ha un forte assorbimento in quasi tutto linfrarosso; HDO, lacqua pesante (H e Deuterio) ha alto assorbimento tra 3-9 m. HDO, lacqua pesante (H e Deuterio) ha alto assorbimento tra 3-9 m. N e O2 assorbono nei raggi X; N e O2 assorbono nei raggi X; lozono O3 assorbe la radiazione ultravioletta, creando un vero e proprio schermo protettivo. lozono O3 assorbe la radiazione ultravioletta, creando un vero e proprio schermo protettivo. È rappresentabile con una funzione discontinua di che dipende principalmente dalla quantità e dalla temperatura delle molecole asimmetriche, in particolare della CO 2 ed H 2 O presenti nellatmosfera. Le bande di assorbimento dei componenti atmosferici dellinfrarosso risultano:

13 Parametri fondamentali relativi allenergia solare Angolo di incidenza Potenza ed Energia disponibili

14 Angolo dincidenza zenit:è il punto d'intersezione della sfera celeste con la verticale passante per l'osservatore; nadir:è il punto della sfera celeste diametralmente opposto allo zenit; poli celesti:sono gli zenit dei poli terrestri; equatore celeste:è il cerchio massimo appartenente alla sfera celeste e normale all'asse terrestre; cerchio orario:è il cerchio massimo appartenente alla sfera celeste, normale all'equatore celeste e passante per il Sole; meridiano:è il cerchio massimo appartenente alla sfera celeste che passa per i poli celesti e per lo zenit dell'osservatore. Per mezzo delle informazioni geografico - astronomiche si individua la posizione del Sole nel cielo e si determina l'angolo di incidenza della radiazione solare sulla superficie interessata

15 Angolo dincidenza, altitudineè l'angolo che la retta congiungente il punto di osservazione con il Sole forma con il piano orizzontale;, azimutè l'angolo che il meridiano passante per il punto di osservazione forma con il cerchio passante per il punto di osservazione, il suo zenit ed il Sole;, declinazioneè l'angolo che la congiungente il punto di osservazione con il Sole forma con il piano equatoriale; h, angolo orarioè l'angolo che il meridiano passante per il punto di osservazione forma con il cerchio orario. La posizione del Sole sulla sfera celeste è individuata dal valore assunto dagli angoli solari, i quali sono così definiti: Il diametro della Terra è estremamente piccolo rispetto alla distanza Terra – Sole; è praticamente indipendente dalla posizione del punto di osservazione sulla superficie terrestre e dipende soltanto dalla posizione della Terra nel suo moto di rivoluzione intorno al Sole; Considerando un unico valore della declinazione per tutta la superficie terrestre, per il suo calcolo può utilizzarsi la formula: sin = sin sin L + cos cos h cos L

16 Angolo dincidenza Si consideri una superficie piana rivolta verso Sud e formante un angolo con il piano orizzontale; sia i l'angolo formato dalla radiazione incidente con la normale alla superficie: l'angolo i può calcolarsi con la formula: In cui: declinazione solare Direzione dei raggi solari Equatore Terra Sole = azimut h = angolo orario = altitudine Meridiano Traiettoria giornaliera del sole

17 Potenza ed Energia disponibili La potenza Wid incidente sopra una generica superficie piana è data da: Sono stati svolti numerosi lavori scientifici per determinare algoritmi, a carattere semi - empirico, che consentissero di correlare i dati di soleggiamento con l'energia raggiante incidente (prima formula di Sabbagh del 1973): H 0 =energia totale incidente in un giorno (media mensile) sopra un piano orizzontale [MJ/m2 giorno] H 0 =energia totale incidente in un giorno (media mensile) sopra un piano orizzontale [MJ/m2 giorno] S =valore medio mensile del numero di ore giornaliere di insolazione; S =valore medio mensile del numero di ore giornaliere di insolazione; n =1, 2, 3, 4, 5, 6, 6, 5, 4, 3, 2, 1 per i mesi 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 (n = 1 per il mese di gennaio, ecc.); n =1, 2, 3, 4, 5, 6, 6, 5, 4, 3, 2, 1 per i mesi 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 (n = 1 per il mese di gennaio, ecc.); A =1.75 [MJ/m2 giorno]; A =1.75 [MJ/m2 giorno]; B =0.6 [MJ/m2 giorno]. B =0.6 [MJ/m2 giorno].

18 Potenza ed Energia disponibili Formula di Angstrom (1924), modificata da Page (1964) che tiene conto anche della latitudine: H 0 F =energia solare totale incidente in un giorno (media mensile) sopra un piano orizzontale situato subito fuori dell'atmosfera terrestre [MJ/m2 giorno]; H 0 F =energia solare totale incidente in un giorno (media mensile) sopra un piano orizzontale situato subito fuori dell'atmosfera terrestre [MJ/m2 giorno]; Z=valore medio mensile del numero di ore esprimente la durata del giorno; Z=valore medio mensile del numero di ore esprimente la durata del giorno; C, D=costanti arbitrarie, variabili con la situazione climatica; Duffie e Beckman, in alcuni calcoli da loro effettuati, hanno considerato A e B costanti, ponendo A = 0.30, B = C, D=costanti arbitrarie, variabili con la situazione climatica; Duffie e Beckman, in alcuni calcoli da loro effettuati, hanno considerato A e B costanti, ponendo A = 0.30, B = Valori delle ore giornaliere di insolazione S e radiazione solare totale su un piano orizzontale H 0 (media mensile), per diverse città italiane. GennaioFebbraioMarzoAprileMaggioGiugno STAZIONISH0H0 SH0H0 SH0H0 SH0H0 SH0H0 SH0H0 ANCONA BOLOGNA BOLZANO BRINDISI CAGLIARI GENOVA MESSINA MILANO NAPOLI PESCARA PISA ROMA TORINO TRAPANI TRIESTE VENEZIA LuglioAgostoSettembreOttobreNovembreDicembre STAZIONISH0H0 SH0H0 SH0H0 SH0H0 SH0H0 SH0H0 ANCONA BOLOGNA BOLZANO BRINDISI CAGLIARI GENOVA MESSINA MILANO NAPOLI PESCARA PISA ROMA TORINO TRAPANI TRIESTE VENEZIA

19 Potenziale solare per il Comune di Perugia Media mensile della radiazione solare totale giornaliera su superficie orizzontale (cal/(giorno cm²), per la stazione di Perugia-S. Pietro, per i diversi anni del periodo Anno GenFebMarAprMagGiuLugAgoSetOttNovDic ,9174,1281,2329,5478,7499,4522,8453,4353,2252,3153,7113,4311, ,6202,6294,7316,8420,0463,0533,2484,5356,0208,2154,1116,5307, ,1217,5200,1337,1374,7401,9575,6364,0296,9231,9133,1116,0282, ,9204,4293,1301,7422,5436,0396,8360,1235,8211,8113,597,8267, ,8137,8239,7356,6405,7434,3454,6337,7319,8215,9121,6105,8268, ,5124,7218,6241,1320,0391,7419,9356,6313,7216,7175,274,8246, ,2127,1174,1274,8440,0386,3401,1372,5296,0201,8132,982,2248, ,1205,6207,6283,2264,2367,3415,7359,0326,6185,4105,983,6240, ,6183,7214,4353,1407,7442,3469,0435,3307,9284,5136,081,7287, ,4200,9241,5382,1426,1466,1468,9424,4330,6213,1134,981,2289, ,9153,9231,0336,7404,6444,5484,7407,6334,7238,6144,199,9283, ,6153,9239,1307,2298,3475,5548,9410,8278,3204,4141,6115,8273, ,7160,5237,4351,2417,3491,9531,9490,0406,2245,5119,5110,7306, ,9162,5218,7292,5500,5463,3540,2516,2377,9272,4166,1121,7313, ,6146,9298,2397,9421,9545,3482,2470,6376,6203,3129,180,5305, ,0182,5265,6337,6378,3432,5527,6449,1344,8231,0151,8117,8295, ,5201,8305,8253,7456,1437,6407,2437,2323,2262,3150,8121,5292, ,2216,2294,7328,5464,6449,7507,5439,4288,5216,6148,8101,5299, ,4190,9268,1330,8338,6553,7507,4463,0344,7219,5114,2178,0305, ,8203,8263,1319,3456,8380,1486,1483,6360,6154,7120,598,8287, ,3231,7306,3324,4458,9454,6469,9450,8321,5205,8124,0100,0297, ,7191,4332,0290,8433,2461,7502,4469,8300,3241,5141,998,1299, ,7170,9243,4324,5378,2455,9495,9345,2290,9266,5149,199,0277,4 Media121,0180,2255,1320,5407,3449,3484,8425,3325,4225,4137,5104,2286,3 Giorno medio mensile dell'energia solare incidente, valutata sia con la regressione di Angstrom-Page che con le medie aritmetiche

20 Mappe delle risorse solari Le mappe su scala globale sono state realizzate dal Centro Ricerche NASA Langley (Hampton, Virginia, USA) nellambito del progetto SSE (Surface Meteorology and Solar Energy). Queste sono il risultato finale di modelli, che impiegando misurazioni satellitari ed altri dati come input, sono in grado di stimare varie grandezze meteorologiche caratteristiche. In questo modo, si sono ottenuti dati anche per quelle aree remote, particolarmente nei Paesi in via di sviluppo, non dotate di stazioni di monitoraggio a terra. I dati a disposizione sono stati interpolati su di una griglia che ricopre lintero globo terrestre, con celle aventi estensione pari ad un grado di latitudine ed uno di longitudine (68400 punti). I parametri presi in considerazione ai fini della redazione delle mappe sono: Energia radiante solare incidente in un giorno sul piano orizzontale [kWh/m 2 /giorno]; Energia radiante solare incidente in un giorno sul piano orizzontale [kWh/m 2 /giorno]; Energia radiante solare massima [kWh/m2/giorno]; Energia radiante solare massima [kWh/m2/giorno]; Numero di giorni con cielo sereno (percentuale di cielo coperto inferiore al 10%); Numero di giorni con cielo sereno (percentuale di cielo coperto inferiore al 10%); Velocità del vento [m/s]; Velocità del vento [m/s]; Direzione del vento [°]; Direzione del vento [°]; Distribuzione in frequenza della velocità del vento (negli intervalli 7-10 m/s e m/s). Distribuzione in frequenza della velocità del vento (negli intervalli 7-10 m/s e m/s).

21 Mappe delle risorse solari Carta dellenergia radiante su scala mondiale (mese di gennaio) (mese di agosto)

22 Mappe delle risorse solari Carta della massima energia radiante (mese di gennaio) (mese di agosto)

23 Mappe delle risorse solari Energia radiante globale su piano orizzontale - valore medio annuale (Wh/m 2 giorno)

24 Pannelli piani Descrizione un materiale in grado di produrre l'effetto serra: un materiale in grado di produrre l'effetto serra: molto trasparente per lunghezze d'onda inferiori a 2 3 m; molto trasparente per lunghezze d'onda inferiori a 2 3 m; fortemente assorbente (o, meglio ancora, riflettente) per lunghezze d'onda maggiori. fortemente assorbente (o, meglio ancora, riflettente) per lunghezze d'onda maggiori. MaterialeTrasparenzaCaratteristiche Teflon90% Bassa resistenza agli agenti atmosferici, poco robusto, basso costo Tedlar95% Resistente alle alte temperature, ingiallisce facilmente Mylar87% Degenera rapidamente con lesposizione ai raggi UV Sun-lite90% Basso costo, buona durata, elevata temperatura funziona da schermo di radiazione per l'energia raggiante emessa dalla lastra assorbente, poiché questa energia è in gran parte distribuita su lunghezze donda > 3 4 m alle quali la trasparenza del vetro è praticamente eguale a zero. funziona da schermo di radiazione per l'energia raggiante emessa dalla lastra assorbente, poiché questa energia è in gran parte distribuita su lunghezze donda > 3 4 m alle quali la trasparenza del vetro è praticamente eguale a zero. limita il calore disperso per convezione, poiché, all'interno della intercapedine fra lastra di vetro e lastra assorbente, l'aria si trova ad una temperatura più elevata di quella dell'aria esterna ed inoltre si muove solo per convezione naturale; limita il calore disperso per convezione, poiché, all'interno della intercapedine fra lastra di vetro e lastra assorbente, l'aria si trova ad una temperatura più elevata di quella dell'aria esterna ed inoltre si muove solo per convezione naturale; protegge le parti metalliche dall'azione aggressiva degli agenti atmosferici. protegge le parti metalliche dall'azione aggressiva degli agenti atmosferici. Lastra di vetro:

25 Pannelli piani Descrizione Lastra assorbente: un elevato coefficiente di assorbimento medio a s per l'energia raggiante solare; un elevato coefficiente di assorbimento medio a s per l'energia raggiante solare; bassa emissione specifica l alla temperatura di esercizio bassa emissione specifica l alla temperatura di esercizio Andamento ideale del coefficiente di assorbimento spettrale a del materiale perfetto per una lastra assorbente di un collettore solare

26 riflessione del vetro protettivo; riflessione del vetro protettivo; assorbimento del vetro protettivo; assorbimento del vetro protettivo; riflessione della superficie assorbente. riflessione della superficie assorbente. Pannelli piani Rendimento L'energia utile E u trasferita al fluido vettore è minore dell'energia assorbita E a ; questa, a sua volta, è minore dell'energia incidente E i. La differenza fra Ei ed Ea è dovuta a: La differenza fra Eu ed Ea è dovuta a: emissione per temperatura della superficie assorbente; emissione per temperatura della superficie assorbente; convezione dalla superficie assorbente all'aria; convezione dalla superficie assorbente all'aria; conduzione attraverso lo strato isolante ed i collegamenti fra lastra assorbente e supporto. conduzione attraverso lo strato isolante ed i collegamenti fra lastra assorbente e supporto.

27 Pannelli piani Rendimento Potenza termica raccolta dal fluido vettore Potenza raggiante incidente sul collettore POTENZA ASSORBITA – POTENZA PERDUTA W a =potenza assorbita W a =potenza assorbita W c =potenza termica ceduta dal collettore all'aria per convezione; W c =potenza termica ceduta dal collettore all'aria per convezione; W r = potenza radiante emessa dal collettore; W r = potenza radiante emessa dal collettore; W k =potenza termica trasmessa dal collettore per conduzione. W k =potenza termica trasmessa dal collettore per conduzione.

28 Pannelli piani Rendimento diminuisce linearmente all'aumentare della differenza cioè della temperatura del fluido riscaldato convezione dalla superficie assorbente all'aria; diminuisce linearmente all'aumentare della differenza cioè della temperatura del fluido riscaldato convezione dalla superficie assorbente all'aria; Il massimo di si verifica per T = T a Il massimo di si verifica per T = T a Il rendimento diventa eguale a zero quando T raggiunge il valore massimo, che è pari a: Il rendimento diventa eguale a zero quando T raggiunge il valore massimo, che è pari a: Rendimento istantaneo di un pannello solare piano in funzione della differenza di temperatura per diversi valori di W i. a s = 0.9; a s = 0.9; t s = 0.9; t s = 0.9; H 1 = 2.5 W/m2°C; H 1 = 2.5 W/m2°C; h r = 3.5 W/m2°C; h r = 3.5 W/m2°C; s is = 0.05 m; s is = 0.05 m; is = 0.05 W/m°C. is = 0.05 W/m°C.

29 Pannelli piani Sviluppi tecnologici: collettori a tubi evacuati Heat pipe Tubi di vetro sottovuoto ricoperti da uno strato altamente selettivo

30 Pannelli piani Schemi dimpianto Configurazioni impiantistiche ricorrenti Impianto solare per la produzione di acqua calda con integrazione elettrica Impianto solare per la produzione di acqua calda con resistenza elettrica addizionale ed integrato con una caldaia semplice istantanea o ad accumulo Impianto solare per la produzione di acqua calda con integrazione elettrica accoppiato ad una caldaia combinata Impianto solare per la produzione di acqua calda accoppiato ad una macchina frigorifera ad assorbimento

31 Pannelli piani Recenti sviluppi ENEA ed ENEL sviluppando il progetto Archimede (tecnologia dei collettori parabolico lineari accoppiati ad un ciclo combinato gas-vapore)

32 Collettori parabolico-cilindrici Caratteristiche geometriche Sezione con piano normale allasse focale F = fuoco della parabola; AB = corda della parabola.

33 necessità di un dispositivo meccanico di orientazione della parabola in modo che questa segua il moto apparente del Sole ed i raggi solari incidano sempre in direzione normale alla corda (dispositivo a funzionamento discontinuo; necessità di un dispositivo meccanico di orientazione della parabola in modo che questa segua il moto apparente del Sole ed i raggi solari incidano sempre in direzione normale alla corda (dispositivo a funzionamento discontinuo; necessità di una lavorazione sofisticata degli specchi parabolici, affinché il funzionamento reale approssimi quello teorico (assicurare che la geometria non si modifichi nell'arco di vita dell'impianto; necessità di una lavorazione sofisticata degli specchi parabolici, affinché il funzionamento reale approssimi quello teorico (assicurare che la geometria non si modifichi nell'arco di vita dell'impianto; per il rispetto del funzionamento ottico, l'asse del tubo deve coincidere con l'asse focale e questa situazione si deve conservare inalterata nel tempo; per il rispetto del funzionamento ottico, l'asse del tubo deve coincidere con l'asse focale e questa situazione si deve conservare inalterata nel tempo; se i paraboloidi non sono protetti, gli agenti atmosferici sporcano gli specchi, con rapida diminuzione dell'efficienza ottica, a meno di non ricorrere a frequenti operazioni di pulizia, con incremento dei costi di gestione; se i paraboloidi non sono protetti, gli agenti atmosferici sporcano gli specchi, con rapida diminuzione dell'efficienza ottica, a meno di non ricorrere a frequenti operazioni di pulizia, con incremento dei costi di gestione; a meno di non dotare i paraboloidi di un doppio movimento di orientazione, costoso e di difficile realizzazione, i raggi incidenti sono ortogonali al piano di chiusura che si appoggia sulle corde delle parabole soltanto due giorni per ogni anno. Negli altri giorni, variando l'altitudine del Sole, l'incidenza sarà obliqua. a meno di non dotare i paraboloidi di un doppio movimento di orientazione, costoso e di difficile realizzazione, i raggi incidenti sono ortogonali al piano di chiusura che si appoggia sulle corde delle parabole soltanto due giorni per ogni anno. Negli altri giorni, variando l'altitudine del Sole, l'incidenza sarà obliqua. Collettori parabolico-cilindrici I collettori parabolico - cilindrici presentano il vantaggio che il fluido vettore raggiunge temperature più elevate (si arriva anche a °C); a questo risultato positivo tuttavia si uniscono diversi inconvenienti, che sono: Sono dispositivi di captazione relativamente sofisticati e costosi; Sono dispositivi di captazione relativamente sofisticati e costosi; si prestano ad applicazioni di un certo rilievo tecnico ed economico, mentre non sembrano adatti, allo stato attuale delle tecnologia, a fasce di applicazioni meno selezionate. si prestano ad applicazioni di un certo rilievo tecnico ed economico, mentre non sembrano adatti, allo stato attuale delle tecnologia, a fasce di applicazioni meno selezionate.

34 Collettori parabolico-cilindrici Rendimento istantaneo I termini della precedente assumono forme differenti al caso di pannelli solari piani: Confrontandola con lequazione del rendimento per pannelli piani si osserva: nei collettori parabolici si devono portare in conto le perdite dovute alla riflessione sugli specchi parabolici (compare il termine rs < 1); nei collettori parabolici si devono portare in conto le perdite dovute alla riflessione sugli specchi parabolici (compare il termine rs < 1); nei collettori parabolici non si considerano le perdite per conduzione; nei collettori parabolici non si considerano le perdite per conduzione; il termine sottrattivo è moltiplicato per il rapporto d/D, che può essere notevolmente minore di uno ed è comunque un parametro di progetto del collettore sul quale è possibile intervenire. il termine sottrattivo è moltiplicato per il rapporto d/D, che può essere notevolmente minore di uno ed è comunque un parametro di progetto del collettore sul quale è possibile intervenire.

35 a s = 0.9; a s = 0.9; t s = 0.9; t s = 0.9; r s = 0.9 r s = 0.9 D/d = 10 D/d = 10 max = 0.73 max = 0.73 H 1 = 4.0 W/m 2 °C H 1 = 4.0 W/m 2 °C Collettori parabolico-cilindrici Rendimento istantaneo Rendimento istantaneo di un pannello parabolico - cilindrico in funzione della differenza di temperatura per diversi valori di W i. Dal confronto degli andamenti del rendimento per pannelli piani e per pannelli parabolico cilindrici si conclude che, per ottenere valori elevati della differenza di temperatura, il ricorso ai collettori concentratori è inevitabile. Si osservi che la figura fornisce valori di approssimati per difetto, in quanto si è considerato h r costante e pari ad un valore medio nel campo di temperature considerato. Confrontando la variabilità di h r con la temperatura, ovvero calcolando W r, si otterrebbero degli andamenti del tipo di quello indicato in figura per Wi = 800 W/m2 (linea tratteggiata). Rendimento collettori piani

36 Sistemi solari passivi MURO DI TROMBE

37 Produzione di energia elettrica Evoluzione storica L'effetto fotovoltaico è osservato per la prima volta nel 1839 da Edmond Bequerel; nel 1876 Adams e Day evidenziano l'effetto fotovoltaico nel Selenio. Cellule fotografiche al Selenio (fine 800), capaci di trasformare la luce incidente in un segnale elettrico. Il rendimento di trasformazione molto basso (1 ÷ 2 %); Cellule fotografiche al Selenio (fine 800), capaci di trasformare la luce incidente in un segnale elettrico. Il rendimento di trasformazione molto basso (1 ÷ 2 %); Celle al Silicio, presentate in un articolo di Chapin, Fuller e Pearson (1954) e messe in produzione dalla Bell Telephone: il rendimento di trasformazione del 5%, ma pochi anni dopo è portato a valori del 10%. Celle al Silicio, presentate in un articolo di Chapin, Fuller e Pearson (1954) e messe in produzione dalla Bell Telephone: il rendimento di trasformazione del 5%, ma pochi anni dopo è portato a valori del 10%. Oggi la tecnologia della conversione fotovoltaica si rivolge a tre tipi di utenze: Oggi la tecnologia della conversione fotovoltaica si rivolge a tre tipi di utenze: Applicazioni aerospaziali: si utilizzano i materiali più innovativi e costosi, con rendimenti molto elevati (30% allanno 2000); Applicazioni aerospaziali: si utilizzano i materiali più innovativi e costosi, con rendimenti molto elevati (30% allanno 2000); Applicazioni terrestri di tecnologia intermedia: alimentazione di piccole unità solari. Si fa uso di celle al Silicio cristallino, che raggiungono rendimenti fino al 20%, con un costo intermedio; Applicazioni terrestri di tecnologia intermedia: alimentazione di piccole unità solari. Si fa uso di celle al Silicio cristallino, che raggiungono rendimenti fino al 20%, con un costo intermedio; Impiantistica tecnica e produzione di quantità molto più elevate di potenza elettrica: lo spazio per l'installazione dei pannelli è disponibile, il problema è il costo, si adoperano celle in film sottile, molto meno costose ma con rendimenti che superano di poco il 10%. Impiantistica tecnica e produzione di quantità molto più elevate di potenza elettrica: lo spazio per l'installazione dei pannelli è disponibile, il problema è il costo, si adoperano celle in film sottile, molto meno costose ma con rendimenti che superano di poco il 10%.

38 Principi di funzionamento Produzione di energia elettrica WiWi Elettrone libero Lacuna Generazione della coppia elettrone libero-lacuna Cristallo drogato di tipo N Cristallo drogato di tipo P Schema circuito Caratteristica voltamperometrica di una cella fotovoltaica commerciale per diversi valori della potenza incidente

39 Efficienza delle celle solari riflessione: non tutti i fotoni che incidono sulla cella penetrano al suo interno; riflessione: non tutti i fotoni che incidono sulla cella penetrano al suo interno; fotoni troppo o poco energetici: per rompere il legame tra elettrone e nucleo è necessaria una certa energia. I fotoni troppo energetici, dissipando in calore lenergia eccedente a quella necessaria a staccare lelettrone dal nucleo; fotoni troppo o poco energetici: per rompere il legame tra elettrone e nucleo è necessaria una certa energia. I fotoni troppo energetici, dissipando in calore lenergia eccedente a quella necessaria a staccare lelettrone dal nucleo; ricombinazione: non tutte le coppie elettrone-lacuna generate vengono raccolte dal campo elettrico di giunzione e inviate al carico esterno; nel percorso dal punto di generazione verso la giunzione possono incontrare cariche di segno opposto e quindi ricombinarsi; ricombinazione: non tutte le coppie elettrone-lacuna generate vengono raccolte dal campo elettrico di giunzione e inviate al carico esterno; nel percorso dal punto di generazione verso la giunzione possono incontrare cariche di segno opposto e quindi ricombinarsi; resistenza parassite: le cariche generate e raccolte nella zona di svuotamento devono essere inviate allesterno; loperazione di raccolta viene effettuata dai contatti metallici, posti sul fronte e sul retro della cella; esiste una resistenza allinterfaccia che provoca una dissipazione ed una riduzione della potenza trasferita; resistenza parassite: le cariche generate e raccolte nella zona di svuotamento devono essere inviate allesterno; loperazione di raccolta viene effettuata dai contatti metallici, posti sul fronte e sul retro della cella; esiste una resistenza allinterfaccia che provoca una dissipazione ed una riduzione della potenza trasferita; resistenza che gli elettroni incontrano ai confini tra un grano e laltro e, ancor più nel caso di celle al silicio amorfo, per la resistenza dovuta allorientamento casuale dei singoli atomi. resistenza che gli elettroni incontrano ai confini tra un grano e laltro e, ancor più nel caso di celle al silicio amorfo, per la resistenza dovuta allorientamento casuale dei singoli atomi. I motivi della bassa efficienza sono molteplici e possono essere raggruppati in quattro categorie:

40 Celle disponibili e prestazioni Celle a film sottile Film fotovoltaico nei pannelli CIS Stratificazione del film al Tellurio di cadmio

41 Sistemi fotovoltaici Schema generale di un impianto fotovoltaico CAMPO FOTOVOLTAICO (MODULI) CONVOGLIAMENTO IN SERIE E PARALLELO DELLE CONNESSIONI TRA MODULI REGOLAZIONE DI CARICA/SCARICA BATTERIA CONVERSIONE DA c.c A c.a QUADRO DI DISTRUBUZIONE SERVIZI AUSILIARI INTERNI CARICO (RETE O UTENTI) GENERATORE DI SOCCORSO

42 Sistemi fotovoltaici Schemi particolari di alcune comuni applicazioni della conversione fotovoltaica CAMPO FOTOVOLTAICO INVERTERPOMPA AZIONAM. A FREQ. VARIABILE POMPAGGIO CAMPO FOTOVOLTAICO CONTROLLO DELLA CARICA BATTERIA CARICO OTTIMIZZATO (luce, frigo, tv) INVERTER PICCOLI UTILIZ. IN c.a. CASA ISOLATA CARICO CARICO CARICOCARICOCARICO DISTRIBUZIONE IN c.a. IN BT O MT INVERTER CAMPO FOTOVOLTAICO ACCUMULO CARICO BATTERIA DIESEL VILLAGGIO ISOLATO (Sistema ibrido fotovoltaico + Diesel) CARICO INVERTER CAMPO FOTOVOLTAICO RETEIMPIANTO COLLEGATO ALLA RETE

43 Campo fotovoltaico Il campo fotovoltaico è un insieme di moduli fotovoltaici opportunamente collegati in serie ed in parallelo in modo da realizzare le condizioni operative desiderate. Più moduli assemblati meccanicamente tra loro formano il pannello. Moduli o pannelli collegati elettricamente in serie, per ottenere la tensione nominale di generazione, formano la stringa

44 Applicazioni Produzione centralizzata di energia elettrica; Produzione centralizzata di energia elettrica; Usi domestici; Usi domestici; Impieghi rurali ed in località remote; Impieghi rurali ed in località remote; Applicazioni speciali; Applicazioni speciali; reti di protezione catodica di manufatti in c.a. oppure in ferro, di qualunque tipo; reti di protezione catodica di manufatti in c.a. oppure in ferro, di qualunque tipo; alimentazione di circuiti di allarme di eventi sismici; alimentazione di circuiti di allarme di eventi sismici; illuminazione di gallerie autostradali lontane dalle linee di alimentazione dell'energia elettrica; illuminazione di gallerie autostradali lontane dalle linee di alimentazione dell'energia elettrica; stazioni di radiocomunicazioni, ripetitori ed impianti di diverso genere inseriti in complessi sistemi di telecomunicazioni; stazioni di radiocomunicazioni, ripetitori ed impianti di diverso genere inseriti in complessi sistemi di telecomunicazioni; applicazioni ricreative: campus, campeggi, ecc… applicazioni ricreative: campus, campeggi, ecc… Applicazioni spaziali. Applicazioni spaziali.

45 Impianto a torre solare Campo di raccolta dellenergia solare Produzione di energia elettrotermosolare per mezzo di un impianto a torre solare, che prevede la trasformazione di energia solare in energia termica e poi la produzione di energia elettrica per mezzo di un ciclo termodinamico Potenza media disponibile W m W p = potenza di punta; W p = potenza di punta; A = coefficiente di impegno della superficie; A = coefficiente di impegno della superficie; B = coefficiente per l'alternanza giorno-notte; B = coefficiente per l'alternanza giorno-notte; C = coefficiente di riduzione (variabilità delle condizioni meteorologiche); C = coefficiente di riduzione (variabilità delle condizioni meteorologiche); D = rendimento ottico. D = rendimento ottico. W m = A x B x C x D x W p Schema della centrale a torre solare Solar Two

46 Costi Costo indicativo in /W di un impianto fotovoltaico in funzione della potenza elettrica installata P (espressa in kW) nel 2012

47 Tariffe Fotovoltaico per classi di potenza (kWp) nel 2012

48

49 Costi Programma del Ministero dellAmbiente nel settore fotovoltaico ( ) ProgrammiDestinatari Risorse MATT e Regioni (M) Contributo (%) Installazioni previste (MW) Bando nazionale (2001) Enti locali, Università 10,575%1,7 Bandi regionali ( ) Tutti3070%6 Bandi regionali ( ) Tutti4865%11 Rifinanziamento Enti locali, Università 1975%3,2 Bando alta valenza architettonica Enti locali1,685%0,15 Fondo 598 Ambiente Piccole-medie imprese 1060%3 TOTALE119,125,05

50 Impiego attuale del solare fotovoltaico in Italia Gli impianti solari fotovoltaici possono essere raggruppati nelle quattro categorie: residenze non collegate alla rete; residenze non collegate alla rete; utenze non abitative non collegate alla rete; utenze non abitative non collegate alla rete; impianti fotovoltaici distribuiti collegati alla rete; impianti fotovoltaici distribuiti collegati alla rete; impianti fotovoltaici centralizzati collegati alla rete. impianti fotovoltaici centralizzati collegati alla rete.

51 Quinto conto energia

52 Utilizzo attuale in Europa ed in Italia del solare termico e fotovoltaico Potenza Solare Fotovoltaica installata in Italia nel 2010

53 Fonte: European Photovoltaic Industry Association EPIA

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55 Europa: Potenza Solare Fotovoltaica installata

56 Potenza Solare Fotovoltaica installata nel mondo

57 Fotovoltaico Italia: Scenario previsto al 2016 Fonte: European Photovoltaic Industry Association EPIA

58 Solare termico in Europa

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