Misura dell'efficienza termica Misura dell'efficienza termica di pannelli solari PV/Tdi pannelli solari PV/T

2 dicembre 2010

Candidato: Paolo DamilanoRelatore: Prof. Paolo Gambino

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.

Obiettivo sperimentale

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

Fig in alto: sezione di un pannello ibridoFig 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/sLINEA NERA:°t ariaLINEA BLU: °t modulo senza vetroLINEA ROSSA: °t modulo senza vetroLINEA ROSA: °t modulo con vetro

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

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

Pannelli PV/T

Nel nostroimpianto

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)

ΔT=°t uscita-°t entrata(°C)

Efficienza termica

P

OH

AG

TCP

2

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 asciuttoPortata nominale. 1,5 m^3/h Portata massima: 3m^3/h Portata minima: 30 l/h Errore: ±5%

Portata

Radiazione elettromagnetica proveniente dal Sole

La misuriamo utilizzando solarimetro; in particolare piranometro che misura la radiazione globale totale(diretta+diffusa)

TIPO: piranometro a termopila

INTERVALLO DI MISURA: 1W/m 2 ÷ 2800 W/m2

SEGNALE IN USCITA: 9,14*10 -6 V → 1W/m2

ERRORE: ±1%

Irraggiamento

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)

TIPO : K Chromel(Ni-Cr)(+) / Alumel(Ni-Al)(-)

INTERVALLO DI MISURA : da -50 a +250 °C

ERRORE : ± 0,1 °C

Temperatura

Giunzione calda

Giunzione fredda

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

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).

EFFETTO SEEBECK

Termocoppia

Giunto caldo Giunto freddo

Moto elettroni

TermocoppiaIl segnale in uscita dalla termocoppia non è un segnale linearela relazione tra la tensione e ladifferenza di temperatura può essere espressa con l'equazione polinomiale

Tabella di conversione del segnale in mV in una temperatura

Se temperatura giunto freddo

0 °C

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

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

termocoppia con cavo rametermocoppia k

Termocoppia

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

Il nostro impianto

Pannello termico commerciale

superficie:

1,338 ± 0,02 m2

Il nostro impianto

Risultati sperimentali

Efficienza compresa tra 50 – 70 %

Tm = (Tin+Tout)/2Temperatura

pannello

Ta = temperatura aria

I = irraggiamento

Scartati

Pannello ibrido commerciale

superficie:

1,338 ± 0,02 m2

FV : 72 celle in silicio policristallino 125 mm

Voc: 43,4 V

Isc: 5,3 A

Efficienza: 13,0%

Il nostro impianto

Risultati sperimentali

0.00300 0.00400 0.00500 0.00600 0.00700 0.00800 0.00900

0

5

10

15

20

25

30

35

Efficienza pannello ibrido commerciale

08/11/10

17/11/10

(Tm-Ta)/I

Effi

cie

nza

[%]

Efficienza compresa tra 20 – 30 %

Prototipo pannello ibrido

superficie:

1,338 ± 0,02 m2

FV: silicio micromorfo a film sottile

Voc

: 165 V

Isc

: 1,13 A

Pmax

: 120 W

Il nostro impianto

Risultati sperimentali

Irraggiamento non costante – rapido susseguirsi di nubi

Efficienza tra 30 – 45 %

Conclusioni sperimentali

Termico: rendimento fra 50-70% a seconda delle condizioni atmosferiche

Ibrido Prototipo: tra 30 e 45 %

Ibrido commerciale: tra 20-30 %

TermicoTra vetro e assorbitore abbiamo camera d'aria (effetto serra-isolante)

Ibridoassorbitore a diretto contatto con il vetro

Questo spiega le differenze di efficienza tra diverse tecnologie

Conclusioni

VANTAGGI SVANTAGGI

Diminuzione dei costi di produzione e installazione

Maggiore rendimento di superficie(minore spazio occupato)

Recupero di energia termica

Miglioramento dell'efficienza elettrica

Se circola acqua calda si scalda pannello

Per soddisfare fabbisogno energetico-termico: 4-5 pv/t-elettrico:10-15 pv/t

Obbligo di collegare i pannelli termici in parallelo

Ringraziamenti