Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio     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

L’Energia Solare 1350 W/m2 1000 300 W/m2 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

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

Celle fotovoltaiche: tecnologie disponibili  

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

Impianti stand alone: applicazioni Utenze isolate - Servizi

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

Impianti grid connected: applicazioni Piccoli impianti Centrali fotovoltaiche

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

Tipi di installazione - Sistemi a inseguimento (girasoli solari)

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

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 = ----- = 25 m2 0,12 E’ richiesta un’area minima di 25 m2.

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

SISTEMI SOLARI TERMICI

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)

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%

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%

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)

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

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

Impianto combinato con accumulo tank in tank

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%

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

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%

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

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)