Studio di un sistema fotovoltaico a bassa concentrazione per produzione di energia elettrica e termica

During the last decades, the worldwide increase of energy demand and the developing debate on climate change have addressed energy industry towards renewable resources. This work aims to analyze the performances of concentrating PV-thermal hybrid systems for residential use. Concentrating hybrid systems combine the production of heat and electricity with an overall reduction of required area. Moreover, the PV cells surface area, which represents the main cost of a PV system, is also reduced. Hybrid systems with low concentrating compound parabolic concentrators, which concentrate solar radiation on traditional PV cell, are studied. Performances of the PV cells subjected to a concentrated radiation and heat recovery for domestic applications, are analyzed. By developing a ray-tracing program, the optical efficiency of several Compound Parabolic Concentrators (CPC) is estimated: the analysis takes into account different concentration factors and acceptance angles. After simulating performances of the concentrating systems, yearly electrical and thermal energy productions for the different type of CPC can be calculated using two models which describe the performances of both the PV cells and the recovery thermal system. Furthermore, the impact of tracking systems on CPC performances is also determined. An economic analysis, relating to a CPC PV-thermal system characterized by installed electric power of 3 kW is carried out, comparing the costs of this hybrid power plant with the costs of two different PV and solar thermal traditional power plants which produce the same yearly energy production. The analysis enstablishes a reduction of the installation costs in the range of 10-35%, depending on the type of CPC, orientation and tracking. Furthermore a reduction of required area about 25-50% is also assessed.

Negli ultimi decenni, la crescita mondiale della richiesta di energia e il crescente dibattito riguardante i cambiamenti climatici hanno indirizzato il sistema energetico verso lo sfruttamento delle energie rinnovabili. In questo contesto si inserisce il presente lavoro che analizza le prestazioni di un sistema fotovoltaico-termico a concentrazione destinato ad un uso residenziale. Attraverso l’utilizzo di sistemi a concentrazione ibridi, si ottiene una produzione combinata di calore ed elettricità ed una riduzione delle superfici delle celle fotovoltaiche, che incidono fortemente sul costo di un impianto fotovoltaico. Sono stati presi in considerazione sistemi a bassa concentrazione mediante concentratori parabolici applicati a celle fotovoltaiche tradizionali. Sono state così determinate le prestazioni delle celle fotovoltaiche con una maggiore radiazione; le stesse celle sono raffreddate con acqua al fine di produrre calore destinato al soddisfacimento dei carichi termici di una utenza domestica e contemporaneamente raffreddare le celle. Si sono valutate, attraverso lo sviluppo di un programma di ray-tracing, le prestazioni ottiche di 11 differenti modelli di Compound Parabolic Concentrators (CPC), con diversi fattori di concentrazione, ed angoli limite. Una volta determinate le prestazioni ottiche dei diversi sistemi di concentrazione, sono state valutate l’energia elettrica e termica prodotte annualmente al variare del della tipologia di CPC. Questa analisi è stata svolta mediantel’utilizzo di due programmi appositamente sviluppati che determinano le prestazioni delle celle fotovoltaiche e del sistema di recupero termico. Inoltre, si sono valutate le prestazioni dei sistemi ibridi in presenza di sistemi di inseguimento e al variare delle possibili orientazioni. Il lavoro si è concluso con un’analisi economica riguardante i costi di un sistema CPC PV-termico dimensionato per una potenza elettrica di 3kW; questo sistema è stato poi confrontato con uno fotovoltaico e uno solare termico tradizionali a pari produzione annuale di energia termica ed elettrica. L’analisi ha dimostrato una potenziale riduzione dei costi compresa tra il 10 e il 35% a seconda della configurazione di CPC, dell’orientazione e del sistema di inseguimento. Inoltre si è calcolata una riduzione della superficie occupata dagli impianti intorno al 25-50%.