Analisi tecnico-economica di sistemi lineari a bassa concentrazione per fotovoltaico ibrido per applicazione residenziale

In the last few years, the research about energy conversion technologies in order to sustain the traditional ones has increased because of the global primary energy request growth and in order to limit the CO2 emissions and to decrease the greenhouse effect and the global warming. The following work is linked to these intentions with the study of the optical efficiency of solar energy concentration systems for combined photovoltaic and thermal production. After a short presentation about the basic principles of the two technologies of separated conversion and about advantages of the hybrid systems, a theoretical analysis on the concept of concentration and on the ones of the studied systems is considered. The work analyses low concentration linear systems based either on reflection or refraction. Respectively Compound Parabolic Concentrators (CPC) and Lens or Fresnel’s lens with photovoltaic-thermal receiver have been employed. Thanks to a ray-tracing modelling software, SolTrace®, the optical efficiency of 27 CPCs have been estimated as a function of the incidence angle for different combinations of concentration factor and acceptance angle. Consequently, the yearly optical, thermal and electrical efficiencies have been evaluated to determine the most suitable option for a northern Italian residential application. The best tilt angle and the best orientation for a system without tracking have been evaluated too. In conclusion, an economic analysis shows that the CPC PV/T is able to sustain the contest against a PV panel and the best CPC depends on the reflector’s costs. The best results are an optical efficiency equal to 49,4%, a primary energy equal to 431 kWh/m2y and a NPV equal to 1175 € respectively for CPCs with CF=1,5, CF=2 and CF=1,75 and acceptance angle equal to 30°. Also the possibility to employ a concentrating lens system has been taken into account. Following the same procedure of the reflective case, an optical characterisation of three refractive systems has been proposed, but the best obtainable yearly optical efficiency is of about 27% lower than the best CPC case.

La ricerca di tecnologie non tradizionali per produrre energia è cresciuta di recente per l’aumento della richiesta energetica mondiale e per gli accordi internazionali per limitare la produzione di CO2 e contrastare l’effetto serra e l’innalzamento della temperatura del pianeta. Il lavoro svolto si inserisce a pieno in questo orizzonte, presentando le prestazioni ottiche di sistemi lineari a bassa concentrazione dell’energia solare per produzione combinata fotovoltaica e termica. Dopo una panoramica sui principi delle due tecnologie di conversione separate e sui vantaggi dei sistemi ibridi, si è considerata l’analisi teorica dei concetti della concentrazione e dei sistemi studiati. Sono oggetto di studio sia un sistema ottico lineare basato sul principio della riflessione che uno sul principio della rifrazione. Per il primo si sono considerati concentratori parabolici (Compound Parabolic Concentrators, CPCs) con assorbitore fotovoltaico, dotato di un sistema di recupero termico sottostante; per il secondo si sono sfruttate lenti e lenti di Fresnel. Usando una modellazione software di ray-tracing tramite Soltrace®, si sono analizzati 27 CPCs al variare di fattore di concentrazione e acceptance angle. Da qui sono state svolte le analisi per i rendimenti annuali ottici, termici ed elettrici per valutare il caso migliore da proporre per un mercato residenziale del Nord-Italia. Le analisi sono state realizzate con l’utilizzo di algoritmi che hanno previamente concesso di individuare per ogni caso considerato angolo di inclinazione e orientamento ottimali per un sistema senza tracking, per aumentarne la verosimiglianza con un uso residenziale e una riduzione dei costi complessivi. La conclusiva analisi economica mostra che i CPC riescono a sostenere il confronto con un pannello PV e la loro redditività dipende dai costi degli specchi. I risultati migliori si sono ottenuti tutti per acceptance angle pari a 30° e rispettivamente un’efficienza ottica annuale del 49,4% per un CF=1,5, un’energia primaria equivalente di 431 kWh/m2y per un CF=2 e un NPV di 1175 € per un CF=1,75. È anche studiata la possibilità di utilizzare un concentratore costituito da lenti o lenti di Fresnel. Seguendo lo stesso tipo di analisi del caso di ottica riflessiva, è stata condotta la caratterizzazione ottica di tre sistemi rifrattivi, concludendo che la migliore efficienza ottica annuale è inferiore di circa il 27% a quella del CPC.