Energia solare.

Presentazione sul tema: "Energia solare."— Transcript della presentazione:

1 Energia solare

2 Il sole e lo spettro solare
Posizione e moto del sole Le prime determinazioni sul moto del sole furono ottenute da W.Herschel nel 1783: Moto rettilineo verso l’apice (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 di rotazione attorno al proprio asse (inclinato di 7° sul piano dell’ellittica) con velocità di rotazione piuttosto bassa (2 km/s all’equatore) e variabile con la latitudine (possibile dato che il sole si trova allo stato fluido). Struttura interna MOTO COMPLESSIVO = MOTO SPIRALOIDEO Il sole è in equilibrio meccanico per l’effetto dell’azione 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 l’esterno Dovuto all’azione dei fenomeni quantistici di assorbimento di radiazione

3 Il sole e lo spettro solare
Strati Strato interno: diametro km (80% del raggio nominale alla fotosfera); Strato in cui avviene il fenomeno principale della generazione d’energia; Il trasporto d’energia 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) Spessore di circa 500 km; Temperatura superficiale = K (leggi del corpo nero); Irradiamento integrale = kW/m2. Cromosfera T = K (colore rossastro); Spessore medio di 7000 ÷ km. Corona Può estendersi a distanze dal centro del sole dell’ordine di dieci volte il raggio. Struttura interna

4 Il sole e lo spettro solare
Emissione del sole Emissione fotosferica Raggio medio della terra pari a circa 6,37 x 106 m Superficie di captazione Si = 1,27 x 1014 m2 Riesce ad intercettare meno di 1/109 dell’energia solare emessa Valore enorme se confrontato con la scala delle energie per i fabbisogni umani Densità energetica incidente = W/m2 Potenza totale intercettata = 1,71 x 1011 MW

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

6 (corrispondente alla distanza media Terra – Sole)
La costante solare Intensità media della radiazione solare incidente in direzione normale ad una superficie posta al di fuori dell’atmosfera terrestre w0 = W/m2 (corrispondente alla distanza media Terra – Sole) Variazioni di w nel corso dell’anno (variazione della distanza reale Terra – Sole: Data radiazione solare (W/m2) 1 Gennaio 1399 1 Luglio 1309 4 Gennaio 3 Luglio 1 Febbraio 1393 1 Agosto 1313 1 Marzo 1378 1 Settembre 1329 1 Aprile 1355 1 Ottobre 1350 4 Aprile 1353 5 Ottobre 1 Maggio 1332 1 Novembre 1374 1 Giugno 1316 1 Dicembre 1392

7 Distribuzione spettrale dell’energia solare
Distribuzione spettrale dell’energia raggiante solare esternamente all’atmosfera terrestre.  () () (W/m2)  (da zero a ) (W/m2) 0.15 0.07 0.008 0.65 1511 562.2 0.20 10.7 0.11 0.70 1369 634.3 0.25 70.4 2.63 0.75 1235 699.4 0.30 514 16.38 0.80 1109 758.0 0.35 1093 61.11 0.90 891 857.4 0.40 1429 118.1 1.00 748 940.2 0.45 2006 204.9 1.50 288 1172 0.46 2066 225.3 2.00 103 1265 0.50 1942 305.8 5.00 3.79 1346 0.55 1725 397.5 10.00 0.24 1352 0.60 1666 482.8 1000 zero 1353

8 Distribuzione spettrale dell’energia solare
 [] () [W/m2] m=0 m=1 m=4 m=7 m=10 0.15 0.07 zero 0.20 10.7 0.25 70.4 0.30 514 4.1 0.35 1093 481 40.8 3.5 0.3 0.40 1429 850 179 37.6 7.9 0.45 2006 1388 460 153 50.6 0.50 1942 1451 606 253 106 0.55 1725 1337 622 289 135 0.60 1666 1320 656 326 162 0.65 1511 1257 724 417 240 0.70 1369 1175 744 471 298 0.75 1235 1077 713 473 313 0.80 1109 981 679 470 0.90 891 449 184 92.3 50.0 1.00 748 580 354 224 144 1.50 288 151 88.3 60.2 39.4 2.00 103 69.9 36.1 17.9 6.5 5.00 3.79 2.78 1.71 0.54 10.00 0.24 1000 Distribuzione spettrale dell’energia raggiante solare sulla superficie terrestre per diversi valori della massa d’aria.

9 Disponibilità di energia solare sulla superficie terrestre
L'energia solare disponibile sulla superficie terrestre è fortemente discontinua ed irregolare per le seguenti ragioni: 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; 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; 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.

10 Stime di disponibilità di energia solare
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=ID+Id+Ia ID= radiazione diretta, attraversa il cielo senza essere deviata; Id= radiazione diffusa dall’atmosfera; Ia= radiazione di albedo o rinvio multiplo, relative al contesto (corpi limitrofi, etc…). 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 dell’atmosfera; 30% rinviato nello spazio, di cui il 24% dalla parte superiore delle nubi ed il 6% dalla superficie terrestre. 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.

11 Diffusività È responsabile delle differenze dell’intensità di radiazione che si producono nel cielo, riconoscibile nel visibile dalla differenze di luminanza. E’ una funzione continua di  ed è causata dall’intercettazione della radiazione solare da parte delle molecole d’aria, aerosol e vapor d’acqua disperse nell’atmosfera p= pressione = concentrazione particelle g= quantità d’acqua precipitabile m= massa d’aria

12 Assorbimento È rappresentabile con una funzione discontinua di  che dipende principalmente dalla quantità e dalla temperatura delle molecole asimmetriche, in particolare della CO2 ed H2O presenti nell’atmosfera. Le bande di assorbimento dei componenti atmosferici dell’infrarosso risultano: la CO2 ha un massimo per = 2.71m; il vapore acqueo ha un forte assorbimento in quasi tutto l’infrarosso; HDO, l’acqua pesante (H e Deuterio) ha alto assorbimento tra 3-9 m. N e O2 assorbono nei raggi X; l’ozono O3 assorbe la radiazione ultravioletta, creando un vero e proprio schermo protettivo.

13 Parametri fondamentali relativi all’energia solare
Angolo di incidenza Potenza ed Energia disponibili

14 Angolo d’incidenza 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 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.

15 sin  = sin  sin L + cos  cos h cos L
Angolo d’incidenza La posizione del Sole sulla sfera celeste è individuata dal valore assunto dagli angoli solari, i quali sono così definiti: sin  = sin  sin L + cos  cos h cos L , altitudine è l'angolo che la retta congiungente il punto di osservazione con il Sole forma con il piano orizzontale; , azimut è 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; , declinazione è l'angolo che la congiungente il punto di osservazione con il Sole forma con il piano equatoriale; h, angolo orario è l'angolo che il meridiano passante per il punto di osservazione forma con il cerchio orario. 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:

16 Traiettoria giornaliera del sole
Angolo d’incidenza d = declinazione solare Direzione dei raggi solari Equatore Terra Sole f = azimut h = angolo orario b = altitudine Meridiano Traiettoria giornaliera del sole 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:

17 Potenza ed Energia disponibili
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): La potenza Wid incidente sopra una generica superficie piana è data da: H0 = 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; 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]; B = 0.6 [MJ/m2 giorno].

18 Potenza ed Energia disponibili
Valori delle ore giornaliere di insolazione S e radiazione solare totale su un piano orizzontale H0 (media mensile), per diverse città italiane. Formula di Angstrom (1924), modificata da Page (1964) che tiene conto anche della latitudine: Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno STAZIONI S H0 ANCONA 2.4 4.2 3.7 7.2 4.7 11.2 6.7 16.5 8.6 20.1 9.0 21.4 BOLOGNA 2.8 3.6 6.9 10.3 6.2 15.8 7.7 18.3 19.9 BOLZANO 3.5 4.5 6.8 5.0 10.2 5.7 13.5 6.6 16.2 7.0 17.3 BRINDISI 5.2 5.1 5.5 10.5 7.1 14.9 9.1 18.1 10.0 19.5 CAGLIARI 8.9 12.7 16.1 19.6 9.5 20.3 GENOVA 4.1 4.6 5.4 6.3 13.9 7.6 17.0 8.4 18.7 MESSINA 4.9 8.3 11.0 15.0 18.0 20.4 MILANO 2.0 3.1 3.4 5.6 9.3 13.4 8.0 17.9 NAPOLI 3.8 9.4 13.2 8.2 16.7 18.5 PESCARA 3.2 4.3 7.3 4.8 8.7 19.1 PISA 4.0 14.3 8.8 17.5 19.2 ROMA 6.0 12.0 20.0 21.8 TORINO 10.6 7.5 17.7 TRAPANI 6.5 12.9 7.8 16.0 20.8 TRIESTE 4.4 14.0 17.4 18.2 VENEZIA 2.9 6.1 12.3 Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre STAZIONI S H0 ANCONA 10.4 22.1 9.5 19.6 7.1 14.9 5.2 9.8 2.5 4.9 2.1 3.6 BOLOGNA 9.6 20.0 8.6 17.4 7.0 13.2 4.8 2.0 4.2 3.4 BOLZANO 7.7 6.9 15.1 6.1 12.1 7.9 2.8 3.2 BRINDISI 11.2 19.8 17.9 8.3 13.7 6.6 4.4 5.9 3.5 4.3 CAGLIARI 10.7 21.8 10.2 19.2 6.3 6.8 5.1 GENOVA 19.3 8.7 16.7 12.4 5.5 4.7 3.9 MESSINA 10.6 19.5 10.0 9.4 3.3 MILANO 9.1 18.1 8.2 15.5 6.0 11.8 1.7 1.5 NAPOLI 18.8 9.9 16.4 8.1 12.7 6.4 4.1 3.0 4.0 PESCARA 19.9 7.4 5.7 5.4 2.7 PISA 16.9 7.5 13.6 9.2 ROMA 10.8 22.3 6.2 TORINO 8.4 18.0 15.9 11.7 4.5 7.8 2.9 TRAPANI 11.6 21.5 10.5 19.1 15.4 11.1 TRIESTE 8.8 17.3 13.1 5.8 3.8 VENEZIA 17.1 12.8 5.3 H0F = 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; 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 = 0.34.

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 Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic 1973 123,9 174,1 281,2 329,5 478,7 499,4 522,8 453,4 353,2 252,3 153,7 113,4 311,3 1974 135,6 202,6 294,7 316,8 420,0 463,0 533,2 484,5 356,0 208,2 154,1 116,5 307,1 1975 138,1 217,5 200,1 337,1 374,7 401,9 575,6 364,0 296,9 231,9 133,1 116,0 282,2 1976 140,9 204,4 293,1 301,7 422,5 436,0 396,8 360,1 235,8 211,8 113,5 97,8 267,9 1977 88,8 137,8 239,7 356,6 405,7 434,3 454,6 337,7 319,8 215,9 121,6 105,8 268,2 1978 98,5 124,7 218,6 241,1 320,0 391,7 419,9 313,7 216,7 175,2 74,8 246,0 1979 98,2 127,1 274,8 440,0 386,3 401,1 372,5 296,0 201,8 132,9 82,2 248,9 1980 83,1 205,6 207,6 283,2 264,2 367,3 415,7 359,0 326,6 185,4 105,9 83,6 240,6 1981 131,6 183,7 214,4 353,1 407,7 442,3 469,0 435,3 307,9 284,5 136,0 81,7 287,3 1982 108,4 200,9 241,5 382,1 426,1 466,1 468,9 424,4 330,6 213,1 134,9 81,2 289,8 1983 117,9 153,9 231,0 336,7 404,6 444,5 484,7 407,6 334,7 238,6 144,1 99,9 1984 103,6 239,1 307,2 298,3 475,5 548,9 410,8 278,3 141,6 115,8 273,1 1985 114,7 160,5 237,4 351,2 417,3 491,9 531,9 490,0 406,2 245,5 119,5 110,7 306,4 1986 126,9 162,5 218,7 292,5 500,5 463,3 540,2 516,2 377,9 272,4 166,1 121,7 313,2 1987 117,6 146,9 298,2 397,9 421,9 545,3 482,2 470,6 376,6 203,3 129,1 80,5 305,8 1988 123,0 182,5 265,6 337,6 378,3 432,5 527,6 449,1 344,8 151,8 117,8 295,1 1989 149,5 253,7 456,1 437,6 407,2 437,2 323,2 262,3 150,8 121,5 292,2 1990 143,2 216,2 328,5 464,6 449,7 507,5 439,4 288,5 216,6 148,8 101,5 299,9 1991 157,4 190,9 268,1 330,8 338,6 553,7 507,4 344,7 219,5 114,2 178,0 305,5 1992 127,8 203,8 263,1 319,3 456,8 380,1 486,1 483,6 360,6 154,7 120,5 98,8 287,9 1993 117,3 231,7 306,3 324,4 458,9 469,9 450,8 321,5 205,8 124,0 100,0 297,1 1994 126,7 191,4 332,0 290,8 433,2 461,7 502,4 469,8 300,3 141,9 98,1 299,2 1995 109,7 170,9 243,4 324,5 378,2 455,9 495,9 345,2 290,9 266,5 149,1 99,0 277,4 Media 121,0 180,2 255,1 320,5 407,3 449,3 484,8 425,3 325,4 225,4 137,5 104,2 286,3 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) nell’ambito 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 l’intero 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/m2/giorno]; Energia radiante solare massima [kWh/m2/giorno]; Numero di giorni con cielo sereno (percentuale di cielo coperto inferiore al 10%); Velocità del vento [m/s]; Direzione del vento [°]; Distribuzione in frequenza della velocità del vento (negli intervalli 7-10 m/s e m/s).

21 Mappe delle risorse solari
Carta dell’energia 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/m2giorno)

24 Pannelli piani Descrizione Lastra di vetro:
funziona da schermo di radiazione per l'energia raggiante emessa dalla lastra assorbente, poiché questa energia è in gran parte distribuita su lunghezze d’onda > 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; protegge le parti metalliche dall'azione aggressiva degli agenti atmosferici. un materiale in grado di produrre l'effetto serra: molto trasparente per lunghezze d'onda inferiori a 23m; fortemente assorbente (o, meglio ancora, riflettente) per lunghezze d'onda maggiori. Materiale Trasparenza Caratteristiche Teflon 90% Bassa resistenza agli agenti atmosferici, poco robusto, basso costo Tedlar 95% Resistente alle alte temperature, ingiallisce facilmente Mylar 87% Degenera rapidamente con l’esposizione ai raggi UV Sun-lite Basso costo, buona durata, elevata temperatura

25 Pannelli piani Descrizione Lastra assorbente:
un elevato coefficiente di assorbimento medio as per l'energia raggiante solare; 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 Pannelli piani Rendimento
L'energia utile Eu trasferita al fluido vettore è minore dell'energia assorbita Ea; questa, a sua volta, è minore dell'energia incidente Ei . La differenza fra Ei ed Ea è dovuta a: riflessione del vetro protettivo; assorbimento del vetro protettivo; riflessione della superficie assorbente. La differenza fra Eu ed Ea è dovuta a: emissione per temperatura della superficie assorbente; convezione dalla superficie assorbente all'aria; 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 Wa = potenza assorbita Wc = potenza termica ceduta dal collettore all'aria per convezione; Wr = potenza radiante emessa dal collettore; Wk = potenza termica trasmessa dal collettore per conduzione.

28 Pannelli piani Rendimento
Rendimento istantaneo di un pannello solare piano in funzione della differenza di temperatura per diversi valori di Wi. as = 0.9; ts = 0.9; H1 = 2.5 W/m2°C; hr = 3.5 W/m2°C; sis = 0.05 m; is = 0.05 W/m°C.  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 = Ta Il rendimento diventa eguale a zero quando T raggiunge il valore massimo, che è pari a:

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

30 Configurazioni impiantistiche ricorrenti
Pannelli piani Schemi d’impianto Impianto solare per la produzione di acqua calda accoppiato ad una macchina frigorifera ad assorbimento 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 con integrazione elettrica Configurazioni impiantistiche ricorrenti

31 ENEA ed ENEL sviluppando il progetto Archimede
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 all’asse focale F = fuoco della parabola; AB = corda della parabola.

33 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: 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; 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; 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. 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.

34 Collettori parabolico-cilindrici
Rendimento istantaneo I termini della precedente assumono forme differenti al caso di pannelli solari piani: Confrontandola con l’equazione 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 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.

35 Collettori parabolico-cilindrici
Rendimento istantaneo Rendimento istantaneo di un pannello parabolico - cilindrico in funzione della differenza di temperatura per diversi valori di Wi. 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 hr costante e pari ad un valore medio nel campo di temperature considerato. Confrontando la variabilità di hr con la temperatura, ovvero calcolando Wr , si otterrebbero degli andamenti del tipo di quello indicato in figura per Wi = 800 W/m2 (linea tratteggiata). as = 0.9; ts = 0.9; rs = 0.9 D/d = 10 hmax = 0.73 H1 = 4.0 W/m2°C 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 %); 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: Applicazioni aerospaziali: si utilizzano i materiali più innovativi e costosi, con rendimenti molto elevati (30% all’anno 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; 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 Produzione di energia elettrica
Caratteristica voltamperometrica di una cella fotovoltaica commerciale per diversi valori della potenza incidente Principi di funzionamento Generazione della coppia elettrone libero-lacuna Wi Elettrone libero Lacuna Cristallo drogato di tipo N Cristallo drogato di tipo P Schema circuito

39 Efficienza delle celle solari
I motivi della bassa efficienza sono molteplici e possono essere raggruppati in quattro categorie: 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 l’energia eccedente a quella necessaria a staccare l’elettrone 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; resistenza parassite: le cariche generate e raccolte nella zona di svuotamento devono essere inviate all’esterno; l’operazione di raccolta viene effettuata dai contatti metallici, posti sul fronte e sul retro della cella; esiste una resistenza all’interfaccia che provoca una dissipazione ed una riduzione della potenza trasferita; resistenza che gli elettroni incontrano ai confini tra un grano e l’altro e, ancor più nel caso di celle al silicio amorfo, per la resistenza dovuta all’orientamento casuale dei singoli atomi.

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

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 INVERTER POMPA POMPAGGIO AZIONAM. A FREQ. VARIABILE CAMPO FOTOVOLTAICO INVERTER CASA ISOLATA CONTROLLO DELLA CARICA CARICO OTTIMIZZATO (luce, frigo, tv) PICCOLI UTILIZ. IN c.a. BATTERIA CARICO CARICO CARICO CARICO CARICO VILLAGGIO ISOLATO (Sistema ibrido fotovoltaico + Diesel) DISTRIBUZIONE IN c.a. IN BT O MT INVERTER CAMPO FOTOVOLTAICO CARICO BATTERIA DIESEL ACCUMULO CAMPO FOTOVOLTAICO INVERTER RETE IMPIANTO COLLEGATO ALLA RETE CARICO

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;
Usi domestici; Impieghi rurali ed in località remote; Applicazioni speciali; reti di protezione catodica di manufatti in c.a. oppure in ferro, di qualunque tipo; alimentazione di circuiti di allarme di eventi sismici; 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; applicazioni ricreative: campus, campeggi, ecc… Applicazioni spaziali.

45 Impianto a torre 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 Campo di raccolta dell’energia solare Potenza media disponibile Wm Schema della centrale a torre solare Solar Two Wm = A x B x C x D x Wp Wp = potenza di punta; A = coefficiente di impegno della superficie; B = coefficiente per l'alternanza giorno-notte; C = coefficiente di riduzione (variabilità delle condizioni meteorologiche); D = rendimento ottico.

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

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49 Costi Programma del Ministero dell’Ambiente nel settore fotovoltaico ( ) Programmi Destinatari Risorse MATT e Regioni (M€) Contributo (%) Installazioni previste (MW) Bando nazionale (2001) Enti locali, Università 10,5 75% 1,7 Bandi regionali ( ) Tutti 30 70% 6 Bandi regionali ( ) 48 65% 11 Rifinanziamento 19 3,2 Bando alta valenza architettonica Enti locali 1,6 85% 0,15 Fondo 598 Ambiente Piccole-medie imprese 10 60% 3 TOTALE 119,1 25,05

50 Impiego attuale del solare fotovoltaico in Italia
Gli impianti solari fotovoltaici possono essere raggruppati nelle quattro categorie: residenze non collegate alla rete; utenze non abitative non collegate alla rete; impianti fotovoltaici distribuiti 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 2000-2011
Fonte: European Photovoltaic Industry Association EPIA

56 Potenza Solare Fotovoltaica installata nel mondo 2010-2011

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

58 Solare termico in Europa

59 Solare termico in Europa

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