Experimental investigation and techno-economic optimization of a hybrid solar system

In the last few decades, the worrying phenomenon of climate change has further proved the urgency to switch towards a more sustainable way of producing energy. In this perspective, many governments have set some ambitious goals that are mostly focused on the progressive abandonment of fossil fuels. For this reason, the spread of renewable energies represents one of the main paths to follow in order to rearrange the energy mix of the countries as well as to obtain a considerable decrease of the greenhouse gases emissions,one of the strongest threats for the environment. This kind of transition definitely requires time and major changes on a large scale, but it is still possible to take part of this challenging process adopting some smart solutions that can play a small but significant role in the construction of the future. An example of technological innovation that can be easily introduced is given by the so-called hybrid solar systems, in which a load is mainly fed by solar power, produced by photovoltaic panels and eventually collected in energy storage devices. This kind of configuration (differently from the stand-alone one) still requires the connection with the grid, which however comes into play only when the self-produced power is not enough to satisfy the load request. In this project, a hybrid solar system mainly constituted by a heat exchanger, a PV string and a battery pack, will be deeply analyzed in order to fully understand its behavior and critically evaluate its performances. In the second part of the work, a flexible Matlab® code will simulate the operation of a generic hybrid system, in which the user can choose and change the characteristics of each element. The model takes as inputs few information, such as the coordinates of the installation place or the main nominal parameters of the components, to perform a techno-economic analysis, based on some indicators as the percentage of self-production, the net present value and the pay-back period. At the end, the code will provide an idea of how good a specific solution is or what would be the most convenient configuration for the selected location.

Negli ultimi decenni, il preoccupante fenomeno del cambiamento climatico ha ulteriormente dimostrato l’urgenza di accelerare il passaggio verso metodi di produzione energetica sostenibili. In quest’ottica, molti governi hanno stabilito alcuni obiettivi ambiziosi, per lo più focalizzati sul progressivo abbandono dei combustibili fossili. A questo proposito, la diffusione delle energie rinnovabili rappresenta uno dei principali percorsi da seguire per rivedere il mix energetico dei paesi e per ottenere una drastica diminuzione delle emissioni di gas serra, una delle peggiori minacce per l’ambiente. Una transizione del genere richiede sicuramente tempo e grandi cambiamenti su larga scala, ma è comunque possibile partecipare a questo impegnativo processo, adottando qualche accorgimento tecnico che svolga un piccolo ma significativo ruolo nella costruzione del futuro. Un esempio di innovazione tecnologica che può essere facilmente introdotta è rappresentato dai cosiddetti sistemi solari ibridi, in cui un carico è alimentato principalmente da energia solare, prodotta da pannelli fotovoltaici ed eventualmente immagazzinata in dispositivi di accumulo di energia. Questo tipo di configurazione richiede comunque l’allacciamento alla rete elettrica, che però entra in gioco solo quando la potenza autoprodotta non è sufficiente a soddisfare la richiesta del carico. In questo progetto, un sistema solare ibrido costituito principalmente da uno scambiatore di calore, dei pannelli fotovoltaici e un pacco batterie, verrà analizzato al fine di comprendere appieno il suo comportamento e valutarne criticamente le prestazioni. Nella seconda parte del lavoro, un codice Matlab® simulerà il funzionamento di un generico sistema ibrido, in cui l’utente può scegliere e modificare le caratteristiche di ogni elemento. Il modello richiede in input poche semplici informazioni, come le coordinate del luogo di installazione o i principali parametri nominali dei componenti, per poi sviluppare un’analisi tecno-economica sulla base di alcuni indicatori come la percentuale di auto-produzione, il valore attuale netto e il periodo di rimborso. Alla fine, il codice fornirà un’idea di quanto sia vantaggiosa una specifica soluzione o quale sia la configurazione più conveniente in riferimento al luogo di installazione prescelto.