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Corso di Impianti Meccanici – Laurea Magistrale

Modulo 2. Impianti per la produzione di energiatermica, elettrica e frigorifera da energia solare

Sezione 2.3 Impianti fotovoltaici e solare termico

Prof. Ing. Cesare SaccaniProf. Ing. Augusto BianchiniDott. Ing. Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of BolognaViale Risorgimento 2, 40136, Bologna – Italy

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Generalità su fotovoltaico e solare termico

Fotovoltaico: impianti HENERGIA

Agenda

Solare termico: impianti HENERGIA

L’effetto fotoelettrico

La teoria fisica che spiega l'effetto fotoelettrico, del quale l'effetto fotovoltaicorappresenta una sottocategoria, fu pubblicata nel 1905 da Albert Einstein, cheper questo ricevette il Premio Nobel per la fisica nel 1921.

Quando una radiazione elettromagnetica investe un materiale può, in certecondizioni, cedere energia agli elettroni più esterni degli atomi del materiale e,se questa è sufficiente, l'elettrone risulta libero di allontanarsi dall'atomo diorigine. L'energia minima necessaria all'elettrone per allontanarsi dall'atomodeve essere superiore alla banda proibita del materiale.

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Generalità sul fotovoltaico

La cella fotovoltaica

La cella fotovoltaica è l’elemento di base che costituisce i moduli fotovoltaici ed in cuiavviene l’effetto fotoelettrico. La cella fotovoltaica è solitamente costituita da un sottilestrato di materiale semiconduttore, tipicamente silicio. Il silicio, nonostante non si trovilibero in natura, è l’elemento più diffuso sulla Terra dopo l’ossigeno. La fetta di silicioviene, di norma, intrinsecamente drogata, mediante l’inserimento nella strutturacristallina di atomi di tipo P (ad esempio, boro) e di atomi di tipo N (ad esempio, fosforo).

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Nella zona di contatto tra i due strati adiverso drogaggio (zona di svuotamento),quando la cella è esposta al Sole, sigenerano delle cariche elettriche, in misuratanto maggiore quanto più elevato èl’irraggiamento solare. Attraverso dei contattielettrici posti alle estremità superiore edinferiore della cella è possibile collegare lacella stessa ad un utilizzatore (carico) e cosìsi avrà in esso un flusso di elettroni sottoforma di corrente elettrica continua.

Il pannello fotovoltaico

Il pannello o modulo fotovoltaico è composto celle fotovoltaichecablate in superficie con una griglia di materiale conduttore chene canalizzi gli elettroni. Ogni cella viene connessa alle altremediante nastrini metallici, in modo da formare opportuni circuitiin serie e in parallelo. Sopra una superficie posteriore di supporto,in genere realizzata in un materiale isolante con scarsa dilatazionetermica, come il vetro temperato o un polimero come il tedlar,vengono appoggiati un sottile strato di acetato di vinile (EVA), lamatrice di moduli pre-connessi mediante i già citati nastrini, unsecondo strato di EVA e un materiale trasparente che funge daprotezione meccanica anteriore per le celle fotovoltaiche, ingenere vetro temperato. Dopo il procedimento di pressofusione,che trasforma l'EVA in mero collante inerte, le terminazionielettriche dei nastrini vengono chiuse in una morsettiera stagnageneralmente fissata alla superficie di sostegno posteriore, e ilrisultato ottenuto viene fissato ad una cornice in alluminio, chesarà utile al fissaggio del pannello alle strutture di sostegno atte asostenerlo e orientarlo opportunamente verso il sole.

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L’impianto fotovoltaico

L’impianto fotovoltaico è l’insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici checaptano l’energia solare, la trasformano in energia elettrica, sino a renderla disponibileall’utilizzazione da parte dell’utenza. Le tipologie impiantistiche sono essenzialmentedue:- impianti isolati (stand-alone);- impianti connessi ad una rete elettrica di distribuzione (grid-connected).

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Impianto stand-alone: l’energia generata alimenta direttamente il carico elettrico. Quella ineccesso viene accumulata in batterie che la rendono disponibile nei periodi in cui ilgeneratore fotovoltaico non è nelle condizioni di fornirla. Questi impianti rappresentano lasoluzione più idonea a soddisfare utenze isolate che possono essere convenientementeequipaggiate con apparecchi utilizzatori che funzionano in corrente continua. Il regolatoredi carica è un apparecchio elettronico che regola la ricarica e la scarica degli accumulatori.L’inverter, che trasforma la corrente continua proveniente dai moduli e/o dagli accumulatoriin corrente alternata convenzionale a 220V è necessario solo se l’utenza da alimentarenecessita di corrente alternata.

Impianto grid-connected: l’energia viene convertita direttamentein corrente elettrica alternata tramite inverter. L’energia prodottapuò alimentare le normali utenze oppure essere immessa nellarete, con la quale lavora in regime di interscambio. Nel quadroelettrico avviene la distribuzione dell'energia: in caso di consumielevati o in assenza di alimentazione da parte dei modulifotovoltaici la corrente viene prelevata dalla rete pubblica. In casocontrario, l’energia fotovoltaica eccedente viene di nuovoimmessa in rete.

L’impianto fotovoltaico – il dimensionamento dell’inverter

In un impianto fotovoltaico l'inverter è uno dei componenti più importanti, incidendo percirca il 10-20% sull’investimento complessivo. Inoltre, un errato dimensionamentodell’inverter può compromettere la prestazione stagionale di un impianto fotovoltaico.L’inverter ha il compito di convertire la corrente continua in corrente alternata a tensione220 Volt, rendendola adatta per l’immissione in rete e per l’autoconsumo.

L’inverter, a seconda della tecnologia e del tipo di applicazione, può svolgere numerosefunzioni: (i) regola la frequenza e la tensione dell’energia elettrica, (ii) protegge il sistemada cortocircuiti o sovratensioni di rete, (iii) monitora il funzionamento dell’impianto e (iv)segnala eventuali guasti interni.Il primo parametro di scelta di un inverter è la potenza di picco dell’impianto fotovoltaicoa cui deve essere collegato. Normalmente, la potenza nominale dell’inverter èequivalente (1:1), o leggermente sovradimensionata, alla potenza di picco dell’impianto.

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L’impianto fotovoltaico – il dimensionamento dell’inverter

I moderni inverter possiedono una particolare funzionedenominata MPPT, acronimo di «Maximum Power PointTracker». La funzione MPPT è indispensabile per sfruttare almeglio il punto di massima potenza di un impiantofotovoltaico, che corrisponde a determinati valori ottimali ditensione e corrente. Il punto di massima potenza non è maifisso, ma varia continuamente a seconda della radiazionesolare incidente sui moduli. La funzione MPPT, quindi, ha ilcompito di "inseguire" i valori ottimali di tensione e corrente,in modo da estrarre dall'impianto la massima potenzadisponibile al variare delle condizioni meteo. Ci sono svariatetecniche di realizzazione della funzione MPPT, che sidifferenziano per prestazioni dinamiche (tempo diassestamento) e accuratezza. Sebbene la precisione dell'MPPTsia estremamente importante, il tempo di assestamento lo è, intaluni casi, ancor più. Mentre tutti i produttori di inverterriescono ad ottenere grande precisione sull'MPPT (tipicamentetra il 99-99,6% della massima disponibile), solo in pochiriescono ad unire precisione a velocità.

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Il sistema MPPT definisce arbitrariamenteun valore di tensione, determina la correntecorrispondente e determina la potenza, poimodifica la tensione (e la correnteassociata) e confronta il nuovo valore dipotenza con il vecchio valore calcolato.

L’impianto fotovoltaico – le stringhe

In un impianto fotovoltaico i pannelli solari vengono disposti in stringhe. Le stringhefotovoltaiche sono dei sub impianti in cui i moduli fotovoltaici vengono collegati in serie,cioè uno dopo l'altro. La serie, è una configurazione degli elementi elettrici, dai pannelli,alle resistenze ai diodi e quant'altro, in cui il polo positivo di un elemento è connesso conil polo negativo dell'altro. In questo modo si sommano le tensioni generate da ognisingolo pannello. Un altro modo per collegare i pannelli o più spesso le stringhe dipannelli è in configurazione parallela: in questo modo si sommano le correnti.

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Stringa

Parallelo

Il numero di pannelli per stringa dipende ingenerale dalle caratteristiche dell'inverterche si vuole installare, ma sia il numero dipannelli che il numero di stringhe vienedeterminato anche in funzione dellacondizione specifica del luogo dove si deveinstallare l'impianto fotovoltaico.

Il solare termico

Il pannello solare termico cattura l’energia solare trasformandola in energiatermica e trasferendola ad un fluido di processo.

Gli impianti si distinguono solitamente in:

- impianti a basse temperature (fino a 120°C);- impianti a medie temperature (ca. 500°C);- impianti ad alte temperature (ca. 1000°C).

Gli impianti che lavorano su temperature medio-alte trovano applicazionesoprattutto in impianti industriali, mentre gli impianti a bassa temperatura sonoimpiegati anche in ambito residenziale per la produzione di acqua caldasanitaria (ACS) e/o per riscaldamento.

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Generalità sul solare termico

Il solare termico: pannelli piani vetrati

I pannelli piani vetrati sono costituiti da una piastra metallica posta all’interno diun involucro isolato termicamente, ricoperto anteriormente da una superficievetrata. La radiazione solare attraversa la superficie vetrata ed è assorbita dallapiastra metallica che si riscalda. Il vetro è utilizzato perché impedisce allaradiazione riflessa dalla piastra di essere dispersa nell’ambiente, realizzandoquello che viene definito “effetto serra”. Sul retro della piastra metallica sonosaldati i tubi in cui circola il liquido che trasferisce il calore dal pannello alserbatoio di accumulo.

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Questi pannelli hanno un buon rapportocosti/benefici e un buon rendimentotermico in applicazioni in cui le temperaturerichieste non sono molto elevate, adesempio per la produzione di acqua caldasanitaria, per il riscaldamento degliambienti con elementi radianti a pavimentoo per il riscaldamento delle piscine.

Il solare termico: pannelli sottovuoto

I pannelli sottovuoto sono caratterizzati da condotti di vetro posti sottovuoto, alcui interno sono posizionate le tubazioni che, assorbendo la radiazione solare,riscaldano il liquido in circolazione. I pannelli sottovuoto sono di più complessae costosa realizzazione rispetto ai pannelli piani. Allo stesso tempo però hannoun elevato rendimento grazie alle basse dispersioni di energia ottenute conl’impiego dei condotti sottovuoto. Il loro impiego si presta particolarmente perlocalità a bassa insolazione oppure per applicazioni in cui si richiedono elevatetemperature (come, per esempio, il riscaldamento attraverso radiatori o laproduzione di vapore).

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L’impianto solare termico: tipologie

Le principali tipologie impiantistiche in cui si possono catalogare gli impiantisolari termici, a seconda del modo in cui avviene la circolazione del liquido,sono due: impianti a circolazione naturale ed a circolazione forzata.

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Gli impianti a circolazione naturale sono costituiti da unpannello solare e da un serbatoio di accumulo posto alla suasommità. Quando il pannello assorbe la radiazione solare, illiquido al suo interno si riscalda e sale verso l’alto passandodal pannello al serbatoio; contemporaneamente, il liquido dalserbatoio scende nel pannello, dove si riscalda nuovamente.In questo modo il liquido circola portando l’acqua contenutanel serbatoio di accumulo alla temperatura desiderata.

Negli impianti a circolazione forzata, il serbatoio di accumuloè posto al di sotto del pannello e la circolazione del liquidoavviene grazie ad una pompa. Questa installazione è ideale,oltre che alla produzione di acqua calda sanitaria, anche allaproduzione di acqua per il riscaldamento degli ambienti,potendo in alcuni casi essere utilizzata anche in abbinamentoal sistema di riscaldamento tradizionale.

L’impianto solare termico: confronto tra tecnologie

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Pannello Efficienza ottica η0 Perdita termica a1 Perdita termica a2Ferroli VMF2.0 76,8% 3,570 W/m2K 0,016 W/m2K2

Sonnenkraft GK5-HP 81,0% 2,860 W/m2K 0,020 W/m2K2

Kloben-Sky Pro CPC 58 71,9% 1,063 W/m2K 0,005 W/m2K2

- l’efficienza ottica (η0) rappresenta il massimorendimento di un collettore (nella situazioneideale, cioè, di perdite termiche pari a zero);- i due parametri di perdita termica (a1 e a2)misurano quanto l’efficienza del collettore siasensibile alle condizioni operative (ad esempio,più questi coefficienti sono bassi e menodiminuisce l'efficienza quando aumenta ladifferenza di temperatura tra il fluido caldo nelcollettore e l'ambiente esterno);- kΘ: fattore che tiene conto dell’angolo diincidenza reale della radiazione solare.

Tm*=(Tm-Ta)/GTm: temperatura media fluido (ingresso-uscita)Ta: temperatura ambienteG: radiazione solare

Tipologia Costo [€/m2]Ferroli VMF2.0 370Sonnenkraft GK5-HP 407Kloben-Sky Pro CPC 58 675

∙ ∙ ∗ ∙ ∙ ∗

L’impianto solare termico: confronto tra tecnologie

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Agenda


HENERGIA – Laboratorio Fossil Fuel Free

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Impianti fotovoltaici: HENERGIA

Inaugurazione: Settembre 2013 Impianti fotovoltaiciSolar CoolingIdrogeno: elettrolisi, compressione e PEM fuel cellCaldaia a biomassa

Materiali e superficie occupata: esempio pannello fotovoltaico al siliciopolicristallino

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Produzione annua lorda non rinnovabile in Italia: 220.000 GWh

Ipotesi: 1.300 Wh per Wp installato

- 220.000/1.300= circa 169 GWp da installare con 215 Wp per un pannello- 169.000.000.000/215= circa 790 milioni di pannelli da installare

Circa 1.300 km2 di superficie occupata dai pannelli (50% della superficie totale impegnata)Circa 1,6 milioni di tonnellate di alluminio (struttura sostegno esclusa)

(Produzione mondiale alluminio: 33,6 milioni di tonnellate – dato 2006 –fonte CiAl)

Materiale % in peso

Vetro 74,16%

Cornice (alluminio) 10,30%

EVA (Etilene vinil acetato) 6,55%

Adesivi, materiali compositi 1,16%

Tedlar (Polivinilfluoruro) 3,60%

Silicio 3,00%

Altro (rame, argento, piombo, …) 1,23%

Caratteristica Valore

Potenza di picco 215 Wp

Superficie 1,650 m x 0,991 m

Rendimento 13,1%

Peso 19,5 kg

Energia dal fotovoltaico: problematiche

Produzione mondiale annua di energia elettrica:20.132.212 GWh (Fonte: IEA, 2009)

Ipotesi: 2.000 Wh per Wp installato (ipotesi nord-Africa)

- 20.132.212/2.000= circa 10.066 GWp da installare con 215 Wp di un pannello- 10.066.000.000.000/215= circa 47 miliardi di pannelli da installare

Circa 76.560 km2 di superficie occupata dai pannelli (50% superficie totale impegnata)Circa 94 milioni di tonnellate di alluminio (struttura sostegno esclusa)

(Produzione mondiale alluminio: 33,6 milioni di tonnellate – dato 2006 – fonte CiAl)

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Materiali e superficie occupata: esempio pannello fotovoltaico al siliciopolicristallino Materiale % in peso

Vetro 74,16%

Cornice (alluminio) 10,30%

EVA (Etilene vinil acetato) 6,55%

Adesivi, materiali compositi 1,16%

Tedlar (Polivinilfluoruro) 3,60%

Silicio 3,00%

Altro (rame, argento, piombo, …) 1,23%

Caratteristica Valore

Potenza di picco 215 Wp

Superficie 1,650 m x 0,991 m

Rendimento 13,1%

Peso 19,5 kg

Energia dal fotovoltaico: problematiche

Silicio monocristallino+amorfo (10 moduli, 2,40 kWp installata, ηe=16,2%)

Silicio policristallino (9 moduli, 2,16 kWp installata, ηe=14,7%)

Silicio amorfo (12 moduli, 1,46 kWp installata, ηe=8,5%)

Tellururo di cadmio (28 moduli, 2,24 kWp installata, ηe=10,4%)

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Impianti fotovoltaici tradizionali

Silicio monocristallino+amorfo (2,40 kWp installata, ηe=16,2%)

Modello: HIT-N240SE10Produttore: Panasonic

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La tecnologia HIT (Heterojunctionwith Intrinsic Thin layer) è basatasu un sottile wafer di siliciomonocristallino circondato da unfilm di silicio amorfo ultrasottile.Alle alte temperature le cellefotovoltaiche HIT sono in grado dimantenere una efficienza piùelevata delle celle solariconvenzionali di silicio cristallino.



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NOCT (Nominal Operating Cell Temperature):

E’ la temperatura raggiunta dalla cella indeterminate condizioni ambiente (800 W/m2,temperatura dell’aria a 20°C e velocità del ventoa 1 m/s).

Maggiore è l’NOCT, maggiore è la perdita diprestazione del pannello all’aumentare dellatemperatura del pannello.



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2.000€/kWp(fornitura, posa in operae allacci)

Silicio policristallino (2,16 kWp installata, ηe=14,7%)

Modello: 240PProduttore: CNPV

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Grandezza Unità di misura Modello 240PPotenza nominale Wp 240Tolleranza di potenza % ±3Tensione al punto di max potenza V 30,8Corrente al punto di max potenza A 7,80Efficienza della cella % 16,4Efficienza del modulo % 14,7Temperatura NOCT °C 45Coefficiente di temperatura Pmax %/°C -0,45

Silicio policristallino (2,16 kWp installata, ηe=14,7%)

Modello: 240PProduttore: CNPV

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2.000€/kWp(fornitura, posa in operae allacci)

Silicio amorfo (1,46 kWp installata, ηe=8,5%)

Modello: NA-F121(G5)Produttore: SHARP

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2.000€/kWp(fornitura, posa in opera e allacci)

Tellururo di cadmio (2,24 kWp installata, ηe=10,4%)

Modello: FS-380Produttore: FIRST SOLAR

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Tellururo di cadmio (2,24 kWp installata, ηe=10,4%)

Modello: FS-380Produttore: FIRST SOLAR

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NOCT (Nominal Operating Cell Temperature): 45°C


Attenzione!

Il rendimento del singolo pannello fotovoltaico ηe è calcolato in Condizioni diTest Standard (STC).

ηe = (V*I)/(G*A)

V: tensione misurata ai morsetti del pannello fotovoltaico (V)I: corrente misurata ai morsetti del pannello fotovoltaico (A)G: radiazione solare globale (W/m2)A: superficie del pannello fotovoltaico (m2)

Condizioni STC:

G= 1.000 W/m2

Temperatura cella 25°C

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Stazione meteo locale

Per valutare e comparare le prestazionidei diversi impianti fotovoltaici nellemedesime condizioni ambientali.La stazione meteo locale include:

- termo-igrometro,- pluviometro,- anemometro,- misuratore direzione vento,- misuratore radiazione solare globale.

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Dimensionamento inverter

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L’inverter va verificato in due condizioni estreme difunzionamento, quali ad esempio (per l’area di Forlì):

- Condizione critica estiva: radiazione solare 1000 W/m2,temperatura ambiente 35°C e temperatura pannello 75°C;

- Condizione critica invernale: radiazione solare 1000 W/m2,temperatura ambiente 0°C, temperatura pannello 10°C.

Da verificare che la tensione prodotta dall’impianto in questecondizioni non sia inferiore o superiore all’intervallo MPPT: seciò accade, l’inverter si spegne.

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Impianti fotovoltaici tradizionali: confronto prestazioni

Analisi dati giornalieri

Array Yield [h/die](CEI EN 61724)

YA =Σi (PCCi*ti)/(3600*Pnom) Rappresenta il numero di ore al giorno durante le quali la schiera di moduli dovrebbe funzionare allapotenza nominale Pnom per fornire la stessa quantità di energia giornaliera misurata.

Reference Yield [h/die](CEI EN 61724)

YR =Σi (Hgloi*ti)/(3600*Hnom) Rappresenta il numero di ore al giorno per cui la radiazione solare globale dovrebbe essere ai livellidell’irraggiamento nominale per produrre la stessa energia incidente misurata.

Performance Ratio delpannello

PRmod =YA/YR Consente di valutare l’effettiva produttività dei moduli fotovoltaici rispetto a quella attesa e rappresenta ilrapporto tra rendimento giornaliero in corrente continua e rendimento nominale.

Dati mancanti: malfunzionamento sistema acquisizione dati

Hglo: radiazione solare globale incidente [W/m2]Hnom: radiazione solare globale in condizioni standard (=1.000 W/m2]t: tempo [s]

PCC: potenza prodotta in corrente continua [W]Pnom: potenza di picco del pannello [W]

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Analisi mensile

Numerosità dati non sufficiente per calcolo media mensile

Array Yield [h/die](CEI EN 61724)

YA =Σi (PCCi*ti)/(3600*Pnom) Rappresenta il numero di ore al giorno durante le quali la schiera di moduli dovrebbe funzionare allapotenza nominale Pnom per fornire la stessa quantità di energia giornaliera misurata.

PCC: potenza prodotta in corrente continua [W]Pnom: potenza di picco del pannello [W]t: tempo [s]

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Analisi annuale

Le prestazioni annuali delle tecnologie tradizionali evidenziano come:- Le tecnologie a film sottile garantiscano la maggiore produttività;- Fatta 100 la produttività del pannello al silicio amorfo, che risulta il più

produttivo, si può rilevare come lo scostamento dell’altra tecnologia a filmsottile (TeCd) sia pari al 3%, mentre per le tecnologie al silicio lo scostamentoè più rilevante, sino al 7%.

- D’altro canto, l’analisi della densità energetica ribalta completamente leconsiderazioni sulla produttività: difatti, il pannello più efficace da punto divista dello sfruttamento della superficie risulta essere l’ibrido mono-amorfo,mentre il meno efficace è il silicio amorfo, che ha una efficacia quasidimezzata. La densità energetica è un fattore determinante quando lasuperficie a disposizione per l'installazione è limitata o costosa.

Tecnologia YA annuo [kWh/kW] Densità energetica [kWh/m2/anno]Ibrido mono-amorfo 1.075 (95%) 205 (100%)Policristallino 1.046 (93%) 153 (75%)

Tellururo di cadmio 1.093 (97%) 125 (61%)

Silicio amorfo 1.128 (100%) 96 (47%)

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Impianti fotovoltaici tradizionali: confronto prestazioniAnalisi economica

Non essendo più presenti regimi incentivanti per la produzione di energia elettrica dafotovoltaico, i benefici dipendono in maniera sostanziale dalla capacità di autoconsumodell’energia prodotta e, quindi, dal costo dell’energia elettrica.Il prezzo dell’energia elettrica è relativamente variabile ed è anche funzione del luogo incui sono installati gli impianti. In Tabella sono riportati i costi medi per utenza domesticae industriale. Sono anche riportati i prezzi di vendita della energia elettrica sul mercatolibero, così come il prezzo di ritiro minimo garantito. Come si può vedere confrontando lecifre, per una utenza industriale è l’autoconsumo a generare i benefici maggiori in quantoè 3-4 volte il prezzo di vendita di mercato o di ritiro minimo garantito. Pertanto, in caso diimpianto industriale, è importante che l’impianto sia dimensionato in maniera tale dagarantire la maggior quota possibile di autoconsumo sulla energia elettrica annuaprodotta.

Opzione Possibile ricavo/risparmio [€/kWh] NotaAutoconsumoUtenza domestica

0,229 Fonte: Eurostat (2013).Valore medio costo energia elettrica per il settore domestico.

AutoconsumoUtenza industriale

0,168 Fonte: Eurostat (2013).Valore medio costo energia elettrica per il settore industriale.

Vendita sul mercato libero 0,049 Fonte: GSE (2014).Valore medio annuo per la zona Centro-Nord, calcolato per la fascia oraria 8-17.

Ritiro minimo garantito 0,039 Fonte: GSE (2014).Applicabile fino a 1.500 MWh.

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Impianti fotovoltaici tradizionali: confronto prestazioniAnalisi economica

Per gli impianti fotovoltaici inferiori ai 20 kWp, esiste la possibilità di godere delbeneficio dello scambio sul posto e, inoltre, di beneficiare di una detrazione fiscale del50% della spesa sostenuta per la realizzazione dell’impianto fotovoltaico in 10 anni. Se lataglia dell’impianto rimane sotto i 200 kWp, però, l’impianto può godere dei benefici delloscambio sul posto a fronte del pagamento di un fee fisso annuale (circa 270€ per unimpianto da 200 kWp).Inoltre, esiste la possibilità per gli impianti industriali (< 20 MWp) di avvalersi delSistema Efficiente di Utenza (SEU), un meccanismo che permette al produttore di energiadi vendere direttamente l’energia prodotta all’utente finale, qualora produzione econsumo si trovino nello stesso luogo, diminuendo drasticamente oneri quali costi diintermediazione e di rete. Per gli impianti industriali inferiori ai 200 kWp, l’opzione piùvantaggiosa rimane indubbiamente quella dell’autoconsumo. Per gli impianti di tagliasuperiore, l’eventuale produzione in eccesso rispetto all’autoconsumo può esserevalorizzata attraverso un SEU: il SEU realizza per entrambi i soggetti coinvolti, produttoree consumatore, un vantaggio. Infatti, da un lato il produttore cede energia elettrica ad unprezzo più alto di quello di mercato o di ritiro minimo garantito, dall’altro il consumatoreacquista ad un prezzo più basso rispetto a quello di mercato sfruttando la prossimità conl’impianto di produzione.

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Analisi economica

VAN (Valore Attuale Netto): ,

dove t (anni) è il tempo, n (anni) è il periodo di tempo considerato per lavalutazione dell’investimento (assunto pari al periodo di ammortamento e alladurata del bene per semplificare la trattazione), i (%) è il tasso di rendimentoannuo (da differenziarsi nel caso di investimento per impianto domestico o perimpianto industriale) e Ft (€) è il flusso di cassa netto riferito all’anno t.

LCOE (Levelized Cost of Energy): calcola il costo di produzione dell'elettricitàgenerato da diverse fonti e con diverse tecnologie, includendol'ammortizzazione del capitale finanziario iniziale, il ritorno sull'investimento, ilcosto operativo, del combustibile (se presente), e della indispensabilemanutenzione. Il costo viene normalmente misurato in unità monetarie diviseper le unità di energia elettrica prodotta. Anche in questo caso, i costi sonoattualizzati in base a tasso di rendimento e inflazione.

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Analisi economica (impianti di taglia residenziale)

Le tecnologie ibrido mono-amorfo, policristallino e silicio amorfo hanno sostanzialmente lo stessoVAN (attenzione: non si è considerato l’eventuale costo della superficie di installazione). L’incentivofiscale riduce da 8 a 6,5 anni (-20% circa) il tempo di rientro per l’investimento. LCOE più basso èquello della tecnologia mono-amorfo: comunque, tutte e quattro le tecnologie hanno un LCOEinferiore al costo della energia per utenza residenziale (pari a 0,229 €/kWh).

Tempo di rientro dell’investimento

Tecnologia LCOE[€/kWh]

Mono-amorfo 0,129

Policristallino 0,135

Tellururo cadmio 0,174

Silicio amorfo 0,133

Silicio policristallino con inseguitore (0,96 kWp installata, ηe=14,7%)

Modello: 240PProduttore: CNPVInseguitore: monoassiale (inclinazione zenitale fissa)

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Impianti fotovoltaici tradizionali con inseguitore


Confronto: tecnologia con o senza inseguitore

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Tecnologia YA annuo [kWh/kW] Densità energetica [kWh/m2/anno]Policristallino 1.046 (85%) 153 (85%)

Policristallino con inseguitore 1.236 (100%) 181 (100%)

+18%

Confronto: tecnologia con o senza inseguitore

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Nel caso in oggetto, l’utilizzo dell’inseguitore incrementa il VAN a 20 anni del 17%, maincrementa anche il tempo di rientro dall’investimento (6,5 contro 6 anni, +8%). Il LCOEpassa da 0,135 (senza inseguitore) a 0,154 €/kWh (con inseguitore).

VAN +17%

Lente di Fresnel (1,76 kWp installata, ηe=26%)

Modello: Eco-Energy (customizzato)Produttore: ArimaInseguitore: biassialeCella fotovoltaica: tripla giunzioneFattore di concentrazione: 476:1

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Impianti fotovoltaici a concentrazione

3.500€/kWp(fornitura, posa inopera e allacci)


Modello: Eco-Energy (customizzato)Produttore: ArimaCella fotovoltaica: tripla giunzione

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Modello: Sunflower CPVProduttore: IsofotonInseguitore: biassialeCella fotovoltaica: tripla giunzioneFattore di concentrazione: 500:1

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Impianti fotovoltaici a concentrazioneOttica Cassegrain (1,14 kWp installata, ηe=29%)

Modello: GPS 600Produttore: GP III SolarInseguitore: monoassialeCella fotovoltaica: tripla giunzioneFattore di concentrazione: 600:1


Attenzione!

Il rendimento del singolo sistema fotovoltaico a concentrazione ηe è calcolato inCondizioni di Test Standard (STC).

ηe = (V*I)/(G*A)

V: tensione misurata ai morsetti del pannello fotovoltaico (V)I: corrente misurata ai morsetti del pannello fotovoltaico (A)G: radiazione solare globale (W/m2)A: superficie del pannello fotovoltaico (m2)

Condizioni STC:

G= 800 W/m2

Temperatura cella 25°C

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800 W/m2 concentrazionevs.

1000 W/m2 tradizionaleCOME CONFRONTO I RENDIMENTI?

Quale affidabilità per i sistemi a concentrazione?

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Giornate teoriche disponibili (01 Giugno 2013-28 Ottobre 2014) 515Totale assenza di dati 131Rilevazioni incongruenti 99Giornate con dati congruenti su produzione registrati 285 (55% delle teoriche disponibili)Giornate con dati congruenti stazione meteo locale registrati 192 (37% delle teoriche disponibili)

Impianti fotovoltaici tradizionaliTipologia impianto Giornate di funzionamento registrateIbrido silicio mono-amorfo (INV1) 285 (100%)Silicio policristallino (INV2) 285 (100%)Tellururo di cadmio (INV3) 285 (100%)Silicio amorfo (INV4) 285 (100%)Silicio policristallino (INV5) 285 (100%)Silicio policristallino (INV7) 285 (100%)

Impianti fotovoltaici a concentrazioneTipologia impianto Giornate di funzionamento registrateConcentratore con lente di Fresnel (INV6) 221 (78%)Concentratore con lente di Fresnel (INV8) 115 (40%)Concentratore con lente Cassegrain (INV9) 64 (22%)

Problematiche derivanti da: rotture meccaniche (cuscinetti, pistoni, riduttori), problemi dipuntamento.

Confronto: tecnologia tradizionale vs. lente di Fresnel

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Tecnologia YA annuo [kWh/kW] Densità energetica [kWh/m2/anno]Ibrido mono-amorfo 1.075 (95%) 205 (100%)Silicio amorfo 1.128 (100%) 96 (47%)

Fresnel 699 (62%) 112 (55%)


Picco di produzionea Luglio

Confronto: tecnologia tradizionale vs. lente di Fresnel

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Tecnologia LCOE[€/kWh]

Mono-amorfo 0,129

Silicio amorfo 0,133

Fresnel 0,336

LCOE Fresnel > costo energia elettrica: non conviene!

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Agenda



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Impianti solari termici: HENERGIA


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Impianto solare termico a concentrazioneCaratteristica GrandezzaPotenza di picco [kW] 11,5Potenza media [kW] 10,5Efficienza globale 73%Efficienza sistema ottico 86%Superficie collettore [m2] 15,9Fattore di concentrazione solare 254Diametro collettore [m] 4,5Altezza palo [m] 2,4Dimensioni assorbitore [cmxcm] 25,4x25,4Volume fluido nell’assorbitore [lt] 0,550Massima pressione di esercizio [bar] 1,72Peso totale [kg] 463Inseguitore BiassialePotenza motori inseguitori [W] 36

32.500 €(fornitura, posa inopera e allacci)

Costo HENERGIA –2.044 €/m2

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Impianto solare termico: incentiviIl Decreto Ministeriale del 28 dicembre 2012 ha dato attuazione al cosiddetto“Conto Termico”, un regime di sostegno specifico per interventi (Categoria 1) diincremento dell’efficienza energetica e (Categoria 2) per la produzione dienergia termica da fonti rinnovabili o sistemi ad alta efficienza di dimensionerelativamente ridotta (fino a 1.000 kW termici per pompe di calore o caldaie abiomassa, fino a 1.000 m2 di superficie solare lorda per solare termico). IlDecreto ha conferito al Gestore dei Servizi Energetici (GSE) S.p.A. il ruolo disoggetto responsabile della gestione del meccanismo, inclusa l’erogazionedegli incentivi ai soggetti beneficiari. I soggetti ammissibili al contributo sono:

- le amministrazioni pubbliche, relativamente alla realizzazione di uno o più degliinterventi di cui alle Categorie 1 e 2 (articolo 4, commi 1 e 2 del Decreto);- i soggetti privati, intesi come persone fisiche, condomini e soggetti titolari direddito di impresa o di reddito agrario, relativamente alla realizzazione di uno opiù degli interventi di cui alla sola Categoria 2 (articolo 4, comma 2 del Decreto).

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Impianto solare termico: incentiviIl Soggetto Responsabile viene definito dal Decreto come il soggetto che hasostenuto le spese per l’esecuzione degli interventi ed ha diritto all’incentivo,che stipula il contratto con il GSE per mezzo della scheda‐contratto e che puòoperare attraverso un Soggetto Delegato per la compilazione della schedadomanda e per la gestione dei rapporti contrattuali con il GSE. I soggettiammessi possono avvalersi del supporto di una ESCO (Energy ServiceCOmpany) per la realizzazione degli interventi. In questo caso la ESCO agiscecome Soggetto Responsabile siglando con i soggetti ammessi un contratto difinanziamento tramite terzi, di servizio energia o di rendimento energetico, aseconda della Categoria di intervento. Gli interventi ammissibili per la Categoria2 sono riassunti in Tabella.

Interventi di piccole dimensioni di produzione di energia termica da fonti rinnovabili e sistemi ad alta efficienza(art. 4, comma 2 del Decreto Ministeriale del 28 dicembre 2012)2.A Sostituzione di impianti di climatizzazione invernale esistenti con impianti di climatizzazione invernale dotati di

pompe di calore, elettriche o a gas, utilizzanti energia aerotermica, geotermica o idrotermica.2.B Sostituzione di impianti di climatizzazione invernale o di riscaldamento delle serre esistenti e dei fabbricati

rurali esistenti con impianti di climatizzazione invernale dotati di generatore di calore alimentato dabiomassa.

2.C Installazione di collettori solari termici, anche abbinati a sistemi di solar cooling.2.D Sostituzione di scaldacqua elettrici con scaldacqua a pompa di calore.

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Impianto solare termico: incentiviPrestazioni minime dei componenti/apparecchi da installare secondo leprescrizioni indicate negli Allegati I e II al Decreto

Tecnologia Descrizione Prestazione minimaPompa di calore elettrica Aria-aria COP>3,9

Aria-acqua (Pth<35 kW) COP>4,1Aria-acqua (Pth>35 kW) COP>3,8Salamoia-aria COP>4,3Salamoia-acqua COP>4,3Acqua-aria COP>4,7Acqua-acqua COP>5,1

Pompa di calore a gas Aria-aria COP>1,46Aria-acqua COP>1,38Salamoia-aria COP>1,59Salamoia-acqua COP>1,47Acqua-aria COP>1,60Acqua-acqua COP>1,56Emissioni ossidi di azoto < 120 mg/kWh (assorbimento)

< 180 mg/kWh (motore combustione interna)

Pompa di calore Solo acqua calda sanitaria COP>2,6Caldaia a pellet Potenza termica Pn<500 kW Conformità UNI EN 303-5 classe 5

Rendimento termico utile >87%+log(Pn)

Obbligo accumulo termicoEmissioni particolato: 30 mg/Nm3 O2 13%

Emissioni CO: 300 mg/Nm3 O2 13%

Pn=500-1.000 kW Rendimento termico utile >89%Emissioni particolato: 30 mg/Nm3 O2 13%

Emissioni CO: 300 mg/Nm3 O2 13%

Collettori solari Piani η > 0,7 – 7,5·Tm (0,01<Tm<0,07)Sottovuoto o aconcentrazione

η > 0,55 – 2,0·Tm (0,01<Tm<0,07)

Solar cooling m2 sup solare lorda/kWfr > 2

Tm [m2K/kW] calcolato secondo la UNI EN 12975-2 come Tm=(tm-ta)/G, dove tm è la temperatura media del fluido termovettore [°C], ta è la temperatura dell’aria esterna [°C] e G è l’irradianza solare globale [W/m2].

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Impianto solare termico: incentiviE il Decreto efficienza energetica?

Con riferimento agli obblighi di copertura dei fabbisogni di acqua calda sanitariae climatizzazione con fonti rinnovabili previsti dal D.Lgs. 28/11 (riassunti inTabella 16), è incentivata solo la quota eccedente tali obblighi.

Parametro Quota da fonte rinnovabileAcqua calda sanitaria 50% da fonte rinnovabileAcqua calda sanitaria + riscaldamento + raffrescamento

35% da fonte rinnovabile dal 1 Gennaio 201550% da fonte rinnovabile dal 1 Gennaio 2017

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Impianto solare termico: incentiviCome si calcola l’incentivo?

Per gli interventi di Categoria 2, gli incentivi sono calcolati in base a:- taglia del generatore installato;- producibilità presunta di energia termica dell’impianto/sistema installato, infunzione della taglia e della zona climatica;- coefficienti di valorizzazione dell’energia prodotta, come stabiliti dalle tabelleriportate in allegato al decreto;- coefficienti premianti (+ 20% oppure + 50%) nel caso di impianti con generatoria biomassa con livello di emissioni di particolato ridotte.

Nel caso di impianti solare termico o solar cooling, l’incentivo annuo vienecalcolato come di seguito: Ci·Sl

dove Sl è la superficie lorda dell’impianto solare termico espressa in metriquadri e Ci è un coefficiente definito dal Decreto. Per impianti di taglia inferiorea 50 m2 l’incentivo dura 2 anni, per taglie superiori la durata è pari a 5 anni.

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Impianto solare termico: incentiviCoefficienti di valorizzazione dell’energia termica prodotta da impianti solaritermici e di solar cooling.

Tipologia di intervento Superficie solare lorda< 50 m2

Superficie solare lorda> 50 m2

Impianto solare termico 2 anni, 170 €/m2 anno 5 anni, 55 €/m2 annoImpianto solare termico con solar cooling 2 anni, 255 €/m2 anno 5 anni, 83 €/m2 annoImpianto solare termico a concentrazione 2 anni, 221 €/m2 anno 5 anni, 72 €/m2 annoImpianto solare termico a concentrazionecon solar cooling

2 anni, 306 €/m2 anno 5 anni, 100 €/m2 anno

15,9 m2 * 221€ = 3.514€ all’anno(solo termico)

15,9 m2 * 306€ = 4.865€ all’anno (+38%)(solar cooling)

Costo HENERGIA: 2.044 €/m2

Costo pannelli tradizionali: 125-400 €/m2

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Impianto solare termico: prestazioniPrestazioni giornaliere: produttività

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Impianto solare termico: prestazioniPrestazioni giornaliere: produttività


Blocco impianto

Reference Yield [h/die] YR =Σi (Hgloi*ti)/(3600*Hnom) Rappresenta il numero di ore al giorno per cui la radiazione solare globale dovrebbeessere ai livelli dell’irraggiamento nominale (Hnom = 1000 W/m2) per produrre la stessaenergia incidente misurata Hglo.

System Yield [h/die] YF =Σi (Qi*ti)/(3600*Qnom) Rappresenta il numero di ore al giorno durante le quali l’impianto dovrebbe funzionarealla potenza nominale Qnom per fornire la stessa quantità di energia giornalieramisurata Q.

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Impianto solare termico: prestazioniPrestazioni giornaliere: temperatura media acqua calda in uscita

Reference Yield [h/die] YR =Σi (Hgloi*ti)/(3600*Hnom) Rappresenta il numero di ore al giorno per cui la radiazione solare globale dovrebbeessere ai livelli dell’irraggiamento nominale (Hglo pari a 1000 W/m2) per produrre lastessa energia incidente misurata.

Blocco impianto


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Impianto solare termico: prestazioniPrestazioni mensili e stagionali

Periodo considerato Temperatura mediain uscita [°C]

Energia termica mediagiornaliera [kWh/kW]

Autunno-Inverno(01/11/13-15/04/2014 e 15/10/2014-28/10/14)

48,9°C 1,19 kWh

Primavera-Estate(15/14/2014-15/10/2014)

67,0°C 2,53 kWh

Estate(15/06/2014-15/09/2014)

69,3°C 2,73 kWh

Solar Cooling?

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Impianto solare termico: prestazioniAffidabilità

Giornate teoriche disponibili (01 Giugno 2013-28 Ottobre 2014) 515Totale assenza di dati 101Rilevazioni incongruenti 99Giornate con dati congruenti su produzione registrati 315 (55% delle teoriche disponibili)

Giornate con dati congruenti stazione meteo locale registrati 192 (37% delle teoriche disponibili)

Dispositivi Giornate di funzionamento registrateConcentratore solare termico a disco con inseguitore biassiale 281 (89%)

Buona affidabilità.Problematiche derivanti da: blocco meccanico a seguito di messa in protezione del sistema,problemi di puntamento.

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Impianto solare termico: prestazioniAnalisi prestazioni: quali applicazioni sono possibili?

La temperatura dell’acqua calda prodotta dal concentratore solare è compatibilecon la produzione di acqua calda sanitaria (ACS), rilevando prestazioniinteressanti per il periodo invernale anche per tipologie di riscaldamento abassa temperatura (pavimento o soffitto radiante).

In estate, il concentratore puòessere abbinato ad un gruppofrigorifero ad assorbimento per ilraffrescamento (solar cooling),anche se le temperature medieraggiunte dall’acqua calda sono allimite per l’azionamento del gruppofrigorifero ad assorbimento (70°C)ed evidenziano quindi un probabilefunzionamento discontinuo delsistema.

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Impianto solare termico: prestazioniAnalisi economica


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Impianti solari termici: HENERGIA


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Impianto ibrido – Pannello fotovoltaico cogenerativo

Sulla superficie «cieca» del pannello fotovoltaico è posizionato uno scambiatoredi calore in cui fluisce il liquido di raffreddamento, il quale sottrae al pannello ilcalore che altrimenti sarebbe stato smaltito in maniera passiva verso l’ambienteesterno.

Impianto ibrido solare/fotovoltaico

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9.000 € per 4 pannelli(fornitura, posa inopera e allacci)- Costo HENERGIA

Caratteristica per 4 pannelli Grandezza

Potenza di picco elettrica [kW] 0,920

Potenza di picco termica [kW] (*) 3,200

Efficienza globale max (elettrico+termico) 62%

Portata fluido [lt/min] 4,8

Massima temperatura ammissibile [°C] 80

(*) non necessariamente coincidente con la condizione di picco di produzione del fotovoltaico

Impianto ibrido – Pannello fotovoltaico cogenerativo


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Impianto ibrido: prestazioni modulo fotovoltaico in modalità ibrida



73

Impianto ibrido: prestazioni solare termico in modalità ibrida


Datimancanti Dati mancanti

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Impianto ibrido: confronto prestazioni vs. solo fotovoltaico


Il confronto evidenzia come l’utilizzo o meno dell’impianto in versione ibrida non influisca sullaproduzione di energia elettrica, che ha sostanzialmente lo stesso andamento in funzionedell’irraggiamento solare. La produzione di energia termica, invece, presenta un andamento nonlineare. Ma a quale temperatura viene prodotta l’acqua calda?

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Impianto ibrido: temperatura acqua calda


Si è trovato un rapporto di dipendenza lineare tra temperatura media dell’acqua calda prodotta Tc etra il prodotto di Reference Yield YR e temperatura ambiente media Tamb al quadrato.

Tc=YR*Tamb^2

Impiego possibile: acqua calda sanitaria

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Analisi economica


Corso di Impianti Meccanici – Laurea Magistrale

Modulo 2. Impianti per la produzione di energiatermica, elettrica e frigorifera da energia solare

Sezione 2.3 Impianti fotovoltaici e solare termico

Prof. Ing. Cesare SaccaniProf. Ing. Augusto BianchiniDott. Ing. Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of BolognaViale Risorgimento 2, 40136, Bologna – Italy

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