Misura dell'efficienza termica di pannelli solari PV/T Candidato: Paolo Damilano Relatore: Prof. Paolo Gambino 2 dicembre 2010 1

Obiettivo sperimentale Con questo lavoro sperimentale abbiamo voluto cercare di calcolare l'efficienza termica, in periodo autunnale, di un pannello solare ibrido non ancora commercializzato e abbiamo confrontato questa con quella di uno già in commercio e con quella di un pannello termico semplice. 2

Pannelli PV/T Un pannello pv/t (photovoltaic/termal),in italiano ibrido, è l'unione di un pannello fotovoltaico e di uno termico ed è quindi in grado di generare energia elettrica e termica contemporaneamente 3

Pannelli PV/T I pannelli fotovoltaici convertono in elettricità solo una piccola parte della radiazione solare(circa il 15%) e il resto viene o riflesso o trasformato in calore Fig in alto: sezione di un pannello ibrido Fig a sinistra: variazione delle temperature medie di moduli all'aumentare del tempo in una giornata priva di nuvole con irradiazione di circa 1000 W/mq e con vento minore di 3m/s LINEA NERA:°t aria LINEA BLU: °t modulo senza vetro LINEA ROSSA: °t modulo senza vetro LINEA ROSA: °t modulo con vetro 4

Pannelli PV/T All' aumentare della temperatura Corrente → aumenta leggermente (0,02÷0,08%)/°C Tensione → diminuisce (-0,2÷-0,5%)/°C Potenza → diminuisce (-0,2÷-0,5%)/°C Efficienza → diminuisce (-0,2÷-0,5%)/°C Nel nostro impianto 5

Efficienza termica P=portata(l/s) CH2O=calore specifico dell'acqua 4186 J/(Kg*K) ΔT=°t uscita-°t entrata(°C) G=irraggiamento solare(W/m^2) Ap=superficie del pannello(m^2) 6

Portata Misura della quantità di fluido che attraversa una sezione di area del tubo nell'unità di tempo. Il flusso dell'acqua agisce direttamente sulla turbina la cui rotazione viene trasformata in metri cubi dagli ingranaggi dell'orologeria. Tipo : getto singolo con quadrante asciutto Portata nominale. 1,5 m^3/h Portata massima: 3m^3/h Portata minima: 30 l/h Errore: ±5% 7

Irraggiamento Radiazione elettromagnetica proveniente dal Sole La misuriamo utilizzando solarimetro; in particolare piranometro che misura la radiazione globale totale(diretta+diffusa) 8

Temperatura Giunzione calda Per questa misura ci siamo serviti di termocoppie di tipo k con giunto a caldo esposto Una termocoppia è costituita  da due fili metallici(A e B) collegati ad un estremo avente una certa T1 (giunzione calda) e aventi all’altro estremo un'altra temperatura T2 (giunzione fredda) Giunzione fredda 9

Temperatura Effetto Seebeck: se prendo un filo metallico avente due temperature differenti; alle sue estremità,viene a formarsi una forza elettromotrice nota come Seebeck electromotive force (emf). Con 2 metalli i due metalli devono essere diversi 10

Termocoppia EFFETTO SEEBECK Sul giunto caldo, essendo la temperatura maggiore rispetto a quella del giunto freddo,avremo più stati occupati oltre il livello di Fermi e gli elettroni saranno maggiormente energetici rispetto all'altra estremità. Gli elettroni tendono ad andare dove l'energia è più bassa quindi avremo una migrazione di questi dal giunto caldo a quello freddo e questo dà luogo a una fem(forza elettromotrice). Moto elettroni Giunto caldo Giunto freddo 11

Termocoppia V(T1-T0) = V(T1-T2) + V(T2-T0) Il segnale in uscita dalla termocoppia non è un segnale lineare la relazione tra la tensione e la differenza di temperatura può essere espressa con l'equazione polinomiale Tabella di conversione del segnale in mV in una temperatura 0 °C Se temperatura giunto freddo Diversa da 0°C Tecnica della compensazione del giunto freddo: V(T1-T0) = V(T1-T2) + V(T2-T0) V(T2-T0) tensione di compensazione 12

Termocoppia Abbiamo avuto inizialmente problemi nel calcolo dell'efficienza poiché avevamo un grosso errore dovuto a un errato calcolo della temperatura con le termocoppie questo poiché non avevamo tenuto conto di una delle proprietà dell'effetto Seebeck LEGGE DEL METALLO INTERMEDIO L'inserimento di un terzo metallo all’interno del circuito della termocoppia non cambia la tensione in uscita, purché le due nuove giunzioni siano alla stessa temperatura e il materiale inserito sia omogeneo 13

Il nostro impianto 14

Il nostro impianto 2 possibilità di scelta Acqua fredda(∼15°C) acquedotto Acqua calda(°t acqua riscaldata dai pannelli) accumulatore Se la °t del pannello era troppo bassa o troppo alta si attivava automaticamente una pompa che faceva circolare l'acqua nel pannello 15

Il nostro impianto Pannello termico commerciale superficie: 16

Risultati sperimentali Tm = (Tin+Tout)/2 Temperatura pannello Ta = temperatura aria I = irraggiamento Efficienza compresa tra 50 – 70 % Scartati 17

Il nostro impianto Pannello ibrido commerciale superficie: FV : 72 celle in silicio policristallino 125 mm Voc: 43,4 V Isc: 5,3 A Efficienza: 13,0% 18

Risultati sperimentali Efficienza compresa tra 20 – 30 % 19

Il nostro impianto Prototipo pannello ibrido superficie: FV: silicio micromorfo a film sottile Voc : 165 V Isc : 1,13 A Pmax: 120 W 20

Risultati sperimentali Efficienza tra 30 – 45 % Irraggiamento non costante – rapido susseguirsi di nubi 21

Conclusioni sperimentali Termico: rendimento fra 50-70% a seconda delle condizioni atmosferiche Ibrido Prototipo: tra 30 e 45 % Ibrido commerciale: tra 20-30 % Tra vetro e assorbitore abbiamo camera d'aria (effetto serra-isolante) Termico assorbitore a diretto contatto con il vetro Ibrido Questo spiega le differenze di efficienza tra diverse tecnologie 22

Conclusioni Diminuzione dei costi di produzione e installazione SVANTAGGI VANTAGGI Diminuzione dei costi di produzione e installazione Se circola acqua calda si scalda pannello Maggiore rendimento di superficie(minore spazio occupato) Per soddisfare fabbisogno energetico -termico: 4-5 pv/t -elettrico:10-15 pv/t Miglioramento dell'efficienza elettrica Obbligo di collegare i pannelli termici in parallelo Recupero di energia termica 23

Ringraziamenti 24