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Misura dell'efficienza termica Misura dell'efficienza termica di pannelli solari PV/Tdi pannelli solari PV/T
2 dicembre 2010
Candidato: Paolo DamilanoRelatore: Prof. Paolo Gambino
Con questo lavoro sperimentale abbiamo voluto cercare di calcolare l'efficienza termica, in periodo autunnale, di un pannello solare ibrido non ancora commercializzato e abbiamo confrontato questa con quella di uno già in commercio e con quella
di un pannello termico semplice.
Obiettivo sperimentale
Pannelli PV/T
Un pannello pv/t (photovoltaic/termal),in italiano ibrido, è l'unione di un pannello fotovoltaico e di uno termico ed è quindi in grado di generare energia elettrica e termica contemporaneamente
Fig in alto: sezione di un pannello ibridoFig a sinistra: variazione delle temperature medie di moduli all'aumentare del tempo in una giornata priva di nuvole con irradiazione di circa 1000 W/mq e con vento minore di 3m/sLINEA NERA:°t ariaLINEA BLU: °t modulo senza vetroLINEA ROSSA: °t modulo senza vetroLINEA ROSA: °t modulo con vetro
I pannelli fotovoltaici convertono in elettricità solo una piccola parte della radiazione solare(circa il 15%) e il resto viene o riflesso o trasformato in calore
Pannelli PV/T
All' aumentare della temperatura
Corrente → aumenta leggermente (0,02÷0,08%)/°C
Tensione → diminuisce (-0,2÷-0,5%)/°C
Potenza → diminuisce (-0,2÷-0,5%)/°C
Efficienza → diminuisce (-0,2÷-0,5%)/°C
Pannelli PV/T
Nel nostroimpianto
P=portata(l/s)CH2O=calore specifico dell'acqua 4186 J/(Kg*K)
ΔT=°t uscita-°t entrata(°C)G=irraggiamento solare(W/m^2)Ap=superficie del pannello(m^2)
ΔT=°t uscita-°t entrata(°C)
Efficienza termica
P
OH
AG
TCP
2
Misura della quantità di fluido che attraversa una sezione di area del tubo nell'unità di tempo.
Il flusso dell'acqua agisce direttamente sulla turbina la cui rotazione viene trasformata in metri cubi dagli ingranaggi dell'orologeria.
Tipo : getto singolo con quadrante asciuttoPortata nominale. 1,5 m^3/h Portata massima: 3m^3/h Portata minima: 30 l/h Errore: ±5%
Portata
Radiazione elettromagnetica proveniente dal Sole
La misuriamo utilizzando solarimetro; in particolare piranometro che misura la radiazione globale totale(diretta+diffusa)
TIPO: piranometro a termopila
INTERVALLO DI MISURA: 1W/m 2 ÷ 2800 W/m2
SEGNALE IN USCITA: 9,14*10 -6 V → 1W/m2
ERRORE: ±1%
Irraggiamento
Per questa misura ci siamo serviti di termocoppie di tipo k con giunto a caldo esposto
Una termocoppia è costituita da due fili metallici(A e B) collegati ad un estremo avente una certa T1 (giunzione calda) e aventi all’altro estremo un'altra temperatura T2 (giunzione fredda)
TIPO : K Chromel(Ni-Cr)(+) / Alumel(Ni-Al)(-)
INTERVALLO DI MISURA : da -50 a +250 °C
ERRORE : ± 0,1 °C
Temperatura
Giunzione calda
Giunzione fredda
Temperatura
Effetto Seebeck:se prendo un filo metallico avente due temperature differenti; alle sue estremità,viene a formarsi una forza elettromotrice nota come Seebeck electromotive force (emf).
Con 2 metalli
i due metalli devono essere diversi
Sul giunto caldo, essendo la temperatura maggiore rispetto a quella del giunto freddo,avremo più stati occupati oltre il livello di Fermi e gli elettroni saranno maggiormente energetici rispetto all'altra estremità.
Gli elettroni tendono ad andare dove l'energia è più bassa quindi avremo una migrazione di questi dal giunto caldo a quello freddo e questo dà luogo a una fem(forza elettromotrice).
EFFETTO SEEBECK
Termocoppia
Giunto caldo Giunto freddo
Moto elettroni
TermocoppiaIl segnale in uscita dalla termocoppia non è un segnale linearela relazione tra la tensione e ladifferenza di temperatura può essere espressa con l'equazione polinomiale
Tabella di conversione del segnale in mV in una temperatura
Se temperatura giunto freddo
0 °C
Diversa da 0°C
Tecnica della compensazione del giunto freddo:V(T1-T0) = V(T1-T2) + V(T2-T0)
V(T2-T0) tensione di compensazione
Abbiamo avuto inizialmente problemi nel calcolo dell'efficienza poiché avevamo un grosso errore dovuto a un errato calcolo della temperatura con le termocoppie questo poiché non avevamo tenuto conto di una delle proprietà dell'effetto Seebeck
LEGGE DEL METALLO INTERMEDIO L'inserimento di un terzo metallo all’interno del circuito della termocoppia non cambia la tensione in uscita, purché le due nuove giunzioni siano alla stessa temperatura e il materiale inserito sia omogeneo
termocoppia con cavo rametermocoppia k
Termocoppia
Il nostro impianto
2 possibilità di scelta
Acqua fredda( 15°C)∼
acquedotto
Acqua calda(°t acqua riscaldata dai pannelli)
accumulatore
Se la °t del pannello era troppo bassa o troppo alta si attivava automaticamente una pompa che faceva circolare l'acqua nel pannello
Il nostro impianto
Pannello termico commerciale
superficie:
1,338 ± 0,02 m2
Il nostro impianto
Risultati sperimentali
Efficienza compresa tra 50 – 70 %
Tm = (Tin+Tout)/2Temperatura
pannello
Ta = temperatura aria
I = irraggiamento
Scartati
Pannello ibrido commerciale
superficie:
1,338 ± 0,02 m2
FV : 72 celle in silicio policristallino 125 mm
Voc: 43,4 V
Isc: 5,3 A
Efficienza: 13,0%
Il nostro impianto
Risultati sperimentali
0.00300 0.00400 0.00500 0.00600 0.00700 0.00800 0.00900
0
5
10
15
20
25
30
35
Efficienza pannello ibrido commerciale
08/11/10
17/11/10
(Tm-Ta)/I
Effi
cie
nza
[%]
Efficienza compresa tra 20 – 30 %
Prototipo pannello ibrido
superficie:
1,338 ± 0,02 m2
FV: silicio micromorfo a film sottile
Voc
: 165 V
Isc
: 1,13 A
Pmax
: 120 W
Il nostro impianto
Risultati sperimentali
Irraggiamento non costante – rapido susseguirsi di nubi
Efficienza tra 30 – 45 %
Conclusioni sperimentali
Termico: rendimento fra 50-70% a seconda delle condizioni atmosferiche
Ibrido Prototipo: tra 30 e 45 %
Ibrido commerciale: tra 20-30 %
TermicoTra vetro e assorbitore abbiamo camera d'aria (effetto serra-isolante)
Ibridoassorbitore a diretto contatto con il vetro
Questo spiega le differenze di efficienza tra diverse tecnologie
Conclusioni
VANTAGGI SVANTAGGI
Diminuzione dei costi di produzione e installazione
Maggiore rendimento di superficie(minore spazio occupato)
Recupero di energia termica
Miglioramento dell'efficienza elettrica
Se circola acqua calda si scalda pannello
Per soddisfare fabbisogno energetico-termico: 4-5 pv/t-elettrico:10-15 pv/t
Obbligo di collegare i pannelli termici in parallelo
Ringraziamenti