Sviluppo di un metodo comparativo per la valutazione della tecnologia ibrida PVT a liquido : analisi delle applicazioni del metodo in ambiti rappresentativi

Il presente lavoro di tesi consiste nello studio dei pannelli termo-fotovoltaici a liquido (PVT, PhotoVoltaic Thermal) ed ha lo scopo di identificare un metodo che possa fornire dei criteri di valutazione e ottimizzazione di questa tecnologia ibrida, unione della tecnologia solare fotovoltaica e della tecnologia solare termica. Queste due tecnologie, che permettono rispettivamente di produrre energia elettrica ed energia termica da quella solare, applicate fino ad ora prevalentemente in modo separato, hanno raggiunto un buon grado di maturazione, sia dal punto di vista tecnologico, sia per il mercato. La loro applicazione combinata in un unico elemento capace di produrre contemporaneamente energia elettrica e termica, consente di beneficiare di alcuni vantaggi: il miglioramento delle prestazioni del modulo fotovoltaico, la riduzione dello spazio usato, migliore uniformità a vantaggio dell’estetica e dell’integrazione nel costruito. Per comprendere i concetti relativi alla tecnologia PVT sono state trattate le tematiche relative alla tecnologia fotovoltaica e solare termica, documentandone le principali caratteristiche, i materiali utilizzati, le forme, i concetti fondamentali e le applicazioni principali. Una breve escursione sulla geometria solare e sulla radiazione solare completa il panorama introduttivo. Dall’analisi dei principali lavori accademici e degli sviluppi commerciali dei PVT a liquido sono stati individuati dei collettori PVT rappresentativi dei quali è stato studiato il comportamento per la produzione domestica di acqua calda sanitaria (ACS). Per effettuare lo studio sono state individuate due tipologie di utenza rappresentative per l’utilizzo dei collettori solari PVT a liquido, entrambe afferenti al settore residenziale e relative alla produzione di ACS: l’abitazione unifamiliare e l’abitazione plurifamiliare. Di queste tipologie di utenza sono stati definiti i parametri dimensionali ed i fattori caratterizzanti quali: la localizzazione geografica (Milano), il fabbisogno di ACS giornaliera, la temperatura dell’ACS, l’orientamento, la configurazione spaziale dell’impianto solare, il profilo di consumo, l’impiantistica (dimensioni accumulatore, tubi solari, ecc). I fabbisogni di ACS tipo sono stati identificati in 120 l/giorno per l’abitazione unifamiliare e 1200 l/giorno per la plurifamiliare. Sulla base di queste impostazioni sono state effettuate delle simulazioni con il software Polysun mettendo a confronto differenti tipologie di PVT che si ottengono dalla combinazione di differenti collettori (collettore vetrato e non vetrato) e differenti celle fotovoltaiche (celle in silicio policristallino e celle in silicio amorfo a tripla giunzione). L’analisi dei risultati ha evidenziato l’importanza della Solar Fraction nelle performance dei collettori PVT. La Solar Fraction (SF) corrisponde alla quota di fabbisogno annuale di ACS coperta dalla fonte solare ed è stata identificata una correlazione tra i valori di Solar Fraction e le temperature raggiunte dai collettori PVT dalle quali dipende il rendimento della parte fotovoltaica. Questa correlazione è risultata essere indipendente dal valore di fabbisogno di ACS. La correlazione tra Solar Fraction e la temperatura del collettore è stata studiata al fine di verificare l’esistenza di una Solar Fraction ottimale, ovvero che consenta di massimizzare l’energia primaria equivalente prodotta e/o che massimizzi il ritorno dell’investimento un punto di vista economico. Per tutte le simulazioni effettuate sono state ricavate le produzioni termiche ed elettriche le quali sono state convertite in energia primaria equivalente secondo i fattori di conversione individuati in letteratura. In termini di energia primaria la Solar Fraction ottimale è risultata essere pari al 20%, ovvero la più bassa tra quelle considerate: a bassi valori di Solar Fraction corrispondono temperature medie del collettore più basse. Temperature medie inferiori del collettore consentono un aumento dell’efficienza del collettore solare (minori dispersioni termiche, minore differenza tra temperatura del collettore e dell’aria) e delle celle fotovoltaiche (riduzione del decremento di prestazioni legate alla temperatura). L’analisi economica è stata condotta partendo da un’analisi dei costi dei componenti di un impianto PVT, stimati sulla base dei prezzi di mercato e di offerte richieste ad aziende del settore. E’ stato considerato anche uno scenario in presenza di incentivi economici, corrispondente alla situazione italiana attuale (quarto conto energia e agevolazioni fiscali sul solare termico). E’ stata fatta un’analisi attualizzata dell’investimento secondo il Valore Attuale Netto per ogni combinazione corrispondente alle diverse configurazioni associate ai diversi valori di Solar Fraction. A titolo comparativo è stata affiancata un’analisi similare dimensionata sugli stessi valori di produttività termica ed elettrica ma ipotizzando una configurazione affiancata di PV e solare termico (PV+T). Dall’analisi delle versioni con e senza incentivi emerge un’indicazione relativa alla Solar Fraction: dal punto di vista della ritorno dell’investimento, la copertura ottimale è compresa tra il 40% e il 50%. Inoltre la versione con celle in policristallino consente un ritorno dell’investimento in minor tempo sia rispetto al silicio amorfo, sia rispetto alla versione in policristallino nella configurazione PV+T per Solar Fraction inferiori al 60%. Per un valore di SF del 50% le temperature operative del PVT risultano simili alle temperature operative delle celle PV nella configurazione affiancata PV+T: a parità di produttività questo si traduce in una sostanziale equivalenza tra le superfici coperte dai collettori PVT e le superfici della parte PV nella configurazione affiancata PV+T. Sotto il profilo delle dimensioni dell’impianto la differenza in termini di superficie occupata è quindi rappresentata dalla dimensione della superficie dei collettori solare termici nella configurazione PV+T. Inoltre le superfici coperte sono decisamente piccole rispetto ad un ipotetico spazio disponibile, sia per la versione unifamiliare, sia per la plurifamiliare: le ridotte dimensioni limitano anche la potenza elettrica installata per la parte PV. Nel rispetto dell’attuale normativa italiana si potrebbe pensare ad un’estensione delle dimensioni dell’impianto per un utilizzo combinato ACS + riscaldamento (previsto come obbligatorio a partire dai primi mesi del 2012 per una SF del 20% a crescere fino al 50% nel 2017) soprattutto per riscaldamento a bassa temperatura.