Solare termico, fotovoltaico e raffrescamento solare - Provincia di ...

qualenergia.it

Solare termico, fotovoltaico e raffrescamento solare - Provincia di ...

Dipartimento di Fisica

Università di Ferrara

POSSIBILI SVILTUPPI DEI SISTEMI

PV A CONCENTRAZIONE

Prof. Giuliano Martinelli

Dipartimento di Fisica - Università di Ferrara

Laboratorio ERG

POLO TECNOLOGICO


Attività del Laboratorio

Sensori e Semiconduttori

• Ricerche fondamentali in fisica della materia

e scienza dei materiali

• Sintesi di materiali per alta tecnologia

• Produzione e caratterizzazione di sensori di gas

e celle fotovoltaiche

Primo laboratorio di ricerca universitaria

in Italia ad essere certificato

ISO 9001-2000

per la progettazione e realizzazione di sensori

a film spesso e celle fotovoltaiche


Laboratorio

Semiconduttori e Sensori


EUROPA

Il biossido d’azoto fotografato dal satellite Envisat sulla Val Padana e sulle altre regioni industriali dell’Europa ha comuni origini legate ai prodotti della

combustione derivati da centrali termoelettriche, riscaldamento, attività industriale e traffico. Però l’intensità maggiore sulla Val Padana deriva da una

situazione ambientale ben diversa: qui la condizione climatica è più stagnante a causa dell’orografia rispetto ad altre regioni europee e ciò causa un

aggravamento dei valori inquinanti perché persistono più a lungo. Le medie elaborate riguardano gli ultimi due inverni e l’estate. La mappa è realizzata

con colori elaborati al computer: il blu evidenzia i livelli più bassi di inquinamento, il giallo quelli intermedi e il rosso i più alti


NORDAMERICA

Qui sono particolarmente penalizzate le zone dell’East Coast dove è distribuita la maggior intensità di popolazione. Quindi traffico, riscaldamento e

attività industriale sono protagonisti. Le Università di queste regioni hanno costituito un consorzio il quale ha realizzato una rete di rilevamento al

fine di esprimere delle «previsioni chimiche» sulla consistenza e i movimenti delle sostanze inquinanti nelle varie fasi dell’anno


ASIA

Sull’Asia la nuvola inquinante del biossido d’azoto raggiunge una vasta estensione che coinvolge Cina, Giappone e Corea. Oltre alle sorgenti comuni

all’occidente la Cina ha l’aggravante di essere il Paese con il maggior impiego di carbone avendo a disposizione consistenti miniere. Quindi si aggiunge anche

un pesante contributo di anidride solforosa. La nuvola cinese fa paura agli Usa perché i venti portano le sostanze nei cieli americani


AFRICA

Il Sudafrica, per quanto riguarda l’inquinamento dell’aria, soffre degli stessi problemi dell’Europa o degli Stati Uniti. Il biossido d’azoto è frutto della produzione

industriale e dei trasporti. Sono state rilevate anche nuvole inquinanti sugli oceani ma queste derivano dal trasporto effettuato dai venti. In particolare è stata

riscontrata la presenza di ossido di carbonio, una sostanza che resiste più delle altre nell’atmosfera


Energia da distrubuire ed energia “portatile”


La strategia europea per i combustibili

100%

75%

Oil Based Fuels

Gas Based Fuels

50%

Renewable Fuels

25%

Hydrogen

2000 2010 2020 2030 2040

2050 and beyond


Energia e Potenza

Un ciclista è in grado di sviluppare 100W di

potenza, anche con continuità, per lungo

tempo.

100W è la potenza utilizzata da una normale

lampadina ad incandescenza.

Se però è fermo, il

ciclista non eroga la

potenza di cui dispone.

Dieci ciclisti in

moto forniscono

1kW di potenza.

In un’ora

forniscono 1kWh

di energia.

La potenza del ciclista è la sua capacità di

“sviluppare” energia nel tempo.


Il ruolo dell’energia energia solare

Può l’energia solare fotovoltaica (i pannelli piani) fornire una risposta “pulita”

per soddisfare questo fabbisogno?

L’energia fotovoltaica come la si concepisce oggi è ottima per applicazioni

remote ma mal si adatta ad una generazione distribuita su larga scala.

Impianto al passo dei Mandrioli


LA CELLA SOLARE

Occorre un materiale estremamente puro per far sì che l’elettrone

liberato dalla radiazione giunga alla giunzione p-n capace di accelerarlo,

provocando la CORRENTE ELETTRICA


Silicio

policristallino

Silicio

monocristallino


Esistono alternative?

La proposta della concentrazione


Sistema sperimentale

13.5 m 2 fotovoltaico/termico

Qui viene

concentrata

la luce

100 m

Gli specchi che

concentrano la luce sul

ricevitore

I sistemi di

movimentazione

Questo è il

pannello

fotovoltaico


L’evoluzione del concentratore: Un

elettrodomestico solare

Concentratore solare

Pannello

L’idea

Energia elettrica

Il prototipo


È possibile creare un “elettrodomestico solare”?

Un sistema per “uso

domestico” è allo studio

costituito da moduli di 2.5

m 2 ciascuno.

Più moduli possono essere

uniti ove sia necessario


Photon Transition

Phonon transition

Bottom of conduction band

Active transition

Top of Valence band

High energy photons create hot carriers, in the photoactive material, with high

energy losses in form of phonons which heat the material.

Beam splitters are special glasses capable of transmitting some wavelengths

while reflecting others, acting effectively in a way similar to a prism in the

spectral division of light.

In our system, part of the light, where the photo conversion occurs at the

maximum efficiency, is sent on the cells.

The remainder is used for thermal or different applications.


Splitting del fascio di luce

Celle singole, tutto il fascio

Splitting fascio

Cella GaInP: ~15% efficienza

Cella Si : ~20% efficienza

Celle singole, fascio separato

Cella GaInP: ~15% efficienza

Cella Si : ~16% efficienza

Efficienza: ~15 % oppure ~20 % Efficienza: ~15 % + ~16 %

= ~31 %

Specchio dicroico


Flusso

luminoso

Flusso

luminoso

UV Visibile Infrarosso

Lungh. d’onda

GaInP

Si

Lungh. d’onda


Dichroic flat faceted concentrator:

The Real Device

Two Faceted Shells are

stacked one on the

other.

The upper shell is made

of transparent PMMA

and provided with a set

of flat dichroic mirrors.

The lower shell is higly

reflective.

The facets of the two

shells are designed to

generate two spatially

separated illuminated

areas


Dichroic flat faceted concentrator:

The Real Device


Il sistema dicroico

completo


I fuochi “colorati” del sistema dicroico


Il ruolo dell’idrogeno

• Le fonti “fossili” non offrono una risposta energetica a lungo termine

• L’idrogeno rappresenta una alternativa (in particolare per

l’autotrazione) ma…

Solo un idrogeno generato da fonti rinnovabili può offrire realmente

una strada “sostenibile” all’energia.

L’idrogeno prodotto da combustibili fossili (processi di reforming) non

risolvono il problema dell’inquinamento ma, al più, lo spostano al sito

di generazione dell’idrogeno.

Inoltre, l’idrogeno da reforming non è direttamente impiegabile nelle

celle a combustibile polimeriche, le più promettenti dal punto di vista

energetico.


=75% tra energia elettrica dal modulo e

energia chimica nell’idrogeno


=30% tra energia chimica

nell’idrogeno e energia elettrica al

motore.

5l a 200atm 1KWh


Il passaggio finale: dall’idrogeno alla corrente

elettrica

La teoria della cella a

combustibile

Una cella a combustibile

modulare


Multi tower solar array, a new concept in solar energy

A large mirror field can be used to concentrate solar light at

the top of small towers where PV receivers are located.

Additional technologies can be used to provide simultaneously

with cooling power (possibly by absorption cooling).

A more rational utilization of the solar

beam can be obtained by beam splitting

technologies that will maximize the

electric/cooling power cocktail.


Sistemi di refrigerazione ad assorbimento

Esistono sistemi commerciali

di refrigerazione che operano

partendo da un fluido caldo

(pompe di calore ad

assorbimento).

Tramite un “fluido caldo” si

separa (per esempio) una

soluzione di acqua ed

ammoniaca in acqua (in un

contenitore detto

condensatore) ed ammoniaca

(in un contenitore detto

evaporatore).

Li si lascia poi raffreddare

fino a temperatura ambiente

Il calore per la separazione della miscela può essere fornito tramite

sistemi solari a concentrazione termici in cui la luce solare

concentrata fornisce l’energia necessaria al posto del combustibile.


Sistemi di refrigerazione ad assorbimento

A questo punto si apre il

“restrittore” e si lascia che

i vapori di ammoniaca che

spontaneamente evapora

dall’evaporatore vengano

assorbiti dall’acqua

nell’altro contenitore (il

condensatore).

Poiché la maggiore quantità di calore dal sole è

disponibile in estate la possibilità di raffreddare

partendo da un fluido caldo è del massimo

interesse.

L’evaporazione

dell’ammoniaca assorbe

calore dall’ambiente che

contiene l’evaporatore

(sigillato) fornendo

refrigerazione

Quando tutta l’ammoniaca

è evaporata si riprende il

ciclo dalla fase di

riscaldamento


Sistemi di refrigerazione ad assorbimento

Esistono versioni dello stesso

sistema a funzionamento

continuo che hanno uno

schema leggermente più

complicato (ma basati sullo

stesso principio)e utilizzano

(eventualmente) composti

meno pericolosi

dell’ammoniaca (Bromuro di

Litio ed acqua)

L’efficienza cresce con la

temperatura del fluido che

separa i due composti nella

miscela.

Tali sistemi possono operare anche come pompe di calore “per

riscaldamento” con efficienze largamente superiori a quelle delle caldaie

permettendo un uso del sistema (eventualmente tramite uso di gas ove il

sole fosse insufficiente) anche nella stagione invernale.


Sistemi di refrigerazione ad assorbimento

La resa di tali sistemi è

dell’ordine di 1.2 … 1.4 kWh

termici (refrigeranti) per ogni

kWh di energia solare raccolta.

Per una casa

tipica di 100

mq possono

essere

necessari circa

8 m 2 di sistemi

ottici a

concentrazione

.

Fluido

Surriscaldato

Fluido

refrigerato

More magazines by this user
Similar magazines