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
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