Energia solare

1. Energia solare

2. Il sole e lo spettro solare Emissione del sole • Raggio medio della terra pari a circa 6,37 x 106 m • Superficie di captazione Si = 1,27 x 1014 m2 Emissione fotosferica 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 = 1.350 W/m2 Potenza totale intercettata = 1,71 x 1011 MW

3. 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.

4. La costante solare Intensità media della radiazione solare incidente in direzione normale ad una superficie posta al di fuori dell’atmosfera terrestre w0 = 1.353 W/m2 (corrispondente alla distanza media Terra – Sole) Variazioni di w nel corso dell’anno (variazione della distanza reale Terra – Sole:

5. Distribuzione spettrale dell’energia solare Distribuzione spettrale dell’energia raggiante solareesternamente all’atmosfera terrestre.

6. Distribuzione spettrale dell’energia solare Distribuzione spettrale dell’energia raggiante solaresulla superficie terrestre per diversi valori della massa d’aria.

7. 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.

8. 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: • 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…). I=ID+Id+Ia 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.

9. 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

10. 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.

11. 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.

12. 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].

13. 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: • 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.

14. 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 1973-1995. Giorno medio mensile dell'energia solare incidente, valutata sia con la regressione di Angstrom-Page che con le medie aritmetiche

15. Mappe delle risorse solari Carta dell’energia radiante su scala mondiale (mese di gennaio) (mese di agosto)

16. Mappe delle risorse solari Carta della massima energia radiante (mese di gennaio) (mese di agosto)

17. Pannelli piani Lastra di vetro: • 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. 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. Descrizione

18. Pannelli piani Lastra assorbente: un elevato coefficiente di assorbimento medio as per l'energia raggiante solare; bassa emissione specifica l alla temperatura di esercizio Descrizione Andamento ideale del coefficiente di assorbimento spettraleadel materiale perfetto per una lastra assorbente di un collettore solare

19. 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 . • riflessione del vetro protettivo; • assorbimento del vetro protettivo; • riflessione della superficie assorbente. La differenza fra Ei ed Ea è dovuta a: 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.

20. 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.

21. 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:

22. Pannelli piani Recenti sviluppi ENEA ed ENEL sviluppando il progetto Archimede (tecnologia dei collettori parabolico lineari accoppiati ad un ciclo combinato gas-vapore)

23. Collettori parabolico-cilindrici Caratteristiche geometriche Sezione con piano normale all’asse focale F = fuoco della parabola; AB = corda della parabola.

24. Collettori parabolico-cilindrici I collettori parabolico - cilindrici presentano il vantaggio che il fluido vettore raggiunge temperature più elevate (si arriva anche a 600-700°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.

25. 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.

26. Collettori parabolico-cilindrici Rendimento istantaneo di un pannello parabolico - cilindrico in funzione della differenza di temperatura per diversi valori di Wi. Rendimento istantaneo 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

27. Wi Elettrone libero Lacuna 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 Cristallo drogato di tipo NCristallo drogato di tipo P Schema circuito

28. 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.

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

30. 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 GENERATORE DI SOCCORSO SERVIZI AUSILIARI INTERNI CARICO (RETE O UTENTI) Sistemi fotovoltaici Schema generale di un impianto fotovoltaico

31. 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

32. 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.

33. 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.

34. Costi Costo indicativo in €/W di un impianto fotovoltaico in funzione della potenza elettrica installata P (espressa in kW)

35. IL CONTO ENERGIA Criteri per l’incentivazione della produzione di energia elettrica mediante conversione fotovoltaica Il Ministro delle Attività Produttive di concerto col Ministro dell'Ambiente e della Tutela del Territorio ha emanato il 28/07/2005 il Decreto Ministeriale previsto all'art. 7 comma 1 del D.Lgs 29/12/2003 n° 387, che definisce i criteri per l'incentivazione dell'energia elettrica prodotta da impianti fotovoltaici. Successivamente l'Autorità per l'Energia Elettrica e il Gas (AEEG) ha adottato il 14/09/2005 la Delibera n° 188/05 nella quale è stato individuato il GRTN (oggi GSE) quale "soggetto attuatore" che eroga le tariffe incentivanti Successivi decreti (DM 06/02/2006 e DM 19/02/2007) hanno ridefinito le modalità di erogazione degli incentivi e i valori delle tariffe incentivanti. Soggetti beneficiatari: • Persone Giuridiche e fisiche; • Condomini • Soggetti pubblici

36. Posa su terrazzo Esempi: IMPIANTO NON INTEGRATO

37. Impianti PARZIALMENTE integrati Sono considerati impiantI PARZIALMENTE integrati gli impianti i cui moduli sono installati, senza sostituire i materiali su cui appoggiano: a) su tetti piani e terrazzi b) in modo complanare alle superfici su cui sono fissati

38. Posa “retrofit” sul tetto Esempi IMPIANTO PARZIALMENTE INTEGRATO

39. Impianti integrati architettonicamente Sono considerati impiantI integrati gli impianti: • in cui i moduli sostituiscono i materiali di rivestimento di tetti, coperture, facciate la struttura di copertura di pensiline, pergole e tettoie • i moduli costituiscono la parte trasparente di facciate • i moduli sostituiscono i pannelli di barriere acustiche • i moduli costituiscono dei frangisol • moduli costituiscono la parte di copertura di parapetti e balaustre

40. Posa integrata nella copertura Esempi

41. Posa integrata in facciata verticale Esempi Tipologia di istallazione non conveniente alle nostre latitudini

42. Tariffe incentivanti Tariffe valide fino al 31 dicembre 2008 Potenza nominale NON integrato parzialmente integrato Integrato 0,40 0,44 0,49 1 – 3 KWp 3 – 20 KWp 0,38 0,42 0,46 Maggiore di 20 KWp 0,36 0,40 0,44

44. Potenza Solare Fotovoltaica installata nel 2005