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Titolo: Pannelli ibridi fotovoltaici termali

L'efficienza di conversione di una cella FV diminuisce all'aumentare 
della temperatura e quindi normalmente si cerca di eliminare il calore 
trasferendolo nell'aria circostante.
Ma se possiamo imbrigliare questa energia e trasferirla all'interno di 
un'edificio, l'efficienza del sistema puo' essere incrementata 
drammaticamente (si sale verso il 30-70% globale).
Due esempi di questo sistema sono in uso in Svizzera (Palazzo 
Scheidegger, solo nella sezione centrale) e in Spagna (Biblioteca Mataró 
ove l'aria calda a 60 gradi viene usata per contribuire al funzionamento 
di condizionatori ad assorbimento). Queste non sono pannelli costruiti 
in serie, ma di soluzioni "ad hoc".
Ma dove i panelli ibridi fotovoltaici termali sono interessanti e' nei 
sistemi a concentrazione a basso costo.
Infatti un'altro aspetto che forse a molti sfugge e' che l'energia 
prodotta da una cella fotovoltaica e' direttamente proporzionale 
all'energia radiante anche per intensita' superiori a quelle solari.
Questo vale anche per i pannelli solari al silicio.
Esempio, se un pannello FV ad 1 kW di potenza solare produce 120 W (per 
fare un'esempio), alla intensita' di 2 kW di potenza produce 240 W. Ma 
come si fa sottoporre una pannello a 2 kW di potenza radiante (in gergo 
a: 2 soli) ? Trasferendosi su Venere ? No :-) e' sufficiente raccogliere 
e concentrare i raggi da una superficie doppia di quella del pannello 
fotovoltaico.
Perche' normalmente non si fa ? Per quanto detto all'inizio, infatti 
nella prossimita' di un pannello FV ordinario la temperatura dell'aria 
arriva a 60 gradi, se concentriamo 2 soli, rischiamo di superare i 100 
gradi, con il risultato che l'efficienza della cella diminuisca cosi' 
tanto da rendere vana tutta la fatica. I valori che i produttori 
forniscono sono misurati con le celle mantenute a 25 gradi (quanti lo 
sanno ?). D'estate, a causa del caldo, la resa vera e' solo del 85% 
(raffreddate i vostri pannelli FV se avete bisogno di un picco di 
potenza). Per la precisione: la cella perde 0.003 volt per ogni grado 
superiore a 25 gradi. A 60 gradi, la perdita e di 0.1 volt. A 100 gradi 
la perdita di tensione e' di 0.22 volt (il doppio). Ora la potenza e' 
corrente x tensione. Percio' se I = 1 A al picco di potenza (cioe' circa 
  a 0.5 V, la potenza e' di 0,5 W a 25 gradi, 0,4 W a 60 gradi, 0,28 W a 
100 gradi. Dimenticavo, per definizione:  1 sole = 1'000 W/m2
Per questo, nei sistemi FV a concentrazione e' fondamentale raffreddare 
le celle. Ma raffreddare non vuol dire sprecare energia, infatti stiamo 
parlando di energia termica a temperature sopra i 40-60 gradi (la 
temperatura che si ottiene grazie al raffreddamento, altrimenti sarebbe 
molto piu' alta) e con quelle temperature ci sono molte cose che si 
possono fare. D'inverno, ad esempio, si puo' raccogliere calore per 
restituirlo di sera e di notte. Ed avere acqua calda sanitaria per 
lavarsi e lavare piatti e bucato. Ma anche d'estate, si puo' fare 
funzionare condizionatori ad assorbimento e non importa se l'efficienza 
non e' molto alta (lavorando solo a 60 gradi), dopotutto si tratta di 
energia gratis.
Come vedete e' una interessante situazione, in cui si possono ottenere 
piu' benefici contemporaneamente:
- raddoppiare l'energia elettrica prodotta dalla singola cella
- ottenere preziosa energia termica a temperature utili/interessanti
La soluzione e' anche semplice, perche'ad una modesta concentrazione di 
soli 2 soli e' possibile usare acqua per il raffreddamento. 
Eventualmente, dato il costo del sistema pannello celle foltovoltaiche, 
si puo' pensare ad un ciclo chiuso con acqua distillata e scambiatore di 
calore acqua/acqua che peraltro e' molto efficiente e poco voluminoso, 
come tutti gli scambiatori liquido/liquido. Infatti non vorremo dovere 
buttare il pannello perche' l'interno del tubo si e' incrostato di 
calcare. E' vero che si potrebbe anche lavare periodicamente con un 
blando acido, alla fine si tratta di valutare la soluzione con minore 
manutenzione/costo.
Come costruire questo pannello ? Si prende una striscia di rame, larga 
quanto una celletta e lunga quanto si vuole. Da una lato del rame si 
lamina sopra le cellette di silicio, con interposto un'isolante buon 
conduttore di calore, con lo stesso metodo di costruzione dei normali 
pannelli. Dall'altro lato del rame e' saldato un tubo, o meglio, due 
tubi, anche di rame entro cui scorre l'acqua.
Che efficienze ci si puo' aspettare ? Se ad esempio un pannello termico 
puro puo' raccogliere 1'000 kWh(termici)/m2 di energia, ed un pannello 
al silicio di un dato tipo 250 kWh(elettrici)/m2 nello stesso punto (si 
ricordi che il pannello FV continua a raccogliere energia utile, anche 
quando il pannello termale non ha piu' una termperatura interessante),
un pannello ibrido come sopra descritto puo' raccogliere con la stessa 
insolazione, usando le stesse celle, circa 750 kWh(termici) e 250 
kWh(elettrici). L'energia termica e' minore perche' parte e' stata 
convertita in energia elettrica.
Ma abbiamo parlato di concentrare. Ci sono varie possibilita' che 
richiedono solo un'economico (in rapporto al costo del pannello FV) 
foglio di alluminio anodizzato o fogli di alluminio laminato. Il profilo 
e' sempre di tipo parabolico, con il pannello nel fuoco. La parabola 
puo' essere simmetrica o con un'ala sola. Qui ognuno puo' sbizzarirsi a 
seconda del posizionamento e dell'orientamento della superficie di 
appoggio. Il concetto e' quello di concentrare la radiazione proveniente 
da un superficie doppia di quella del pannello.
Se un'impianto FV tradizionale da 10'000 euro ha una potenza di 3 kW 
elettrici, con una spesa di 12'000 euro potrebbe incrementare la potenza 
a 6 kW elettrici oltre ad aggiungere 18 kW termici che possono scaldare 
acqua a 60 gradi d'estate ed a 40 gradi d'inverno.
Normalmente si pensa gli impianti di concentrazione a sistemi 
sofisticati e costosi che percio' convengono solo che celle ad altissima 
efficienza, Ma quelli sono captatori che concentrano fino a 200 soli 
(200 cm2 captati per ogni 1 cm2 di celletta). Inoltre le temperature 
sono proibitive per le normali celle al silicio.
Invece un semplice raddoppio della superficie captante, combinato con il 
raffreddamento ad acqua e' compatibile anche con le ordinarie celle al 
silicio. Si noti che per ottenere un raddoppio della superficie captante 
a causa di inefficienze ottiche, si deve considerare una superficie 
tripla, in modo che il risultato finale si avvicini a 2 soli. Infatti 
non si vuole costruire un sistema ottico preciso e percio' costoso da 
costruire, ma un sistema costruttivamente economico, percio' con una 
efficienza che sia intorno al 60%.
Ho scritto questo post (invece di mettermi in proprio) perche' questi 
concetti e queste tecniche sono note fin dal 2001 e dovrebbero essere 
diffuse a tutti i produttori. Qui non si tratta piu' di ricerca ma di 
applicare. Invece vedo che in Italia continuano a produrre pannelli 
obsoleti. Infatti i pannelli ordinari, laminati su superficie isolanti 
non si prestano bene a modifiche a posteriori per il raffreddamento. 
Devono essere laminati in partenza sul rame. Inoltre le sezioni dei 
conduttori devono essere previste per correnti doppie o triple. Infatti 
all'aumentare della energia radiante, la tensione non supera mai i 
0,5-0,6 volt (per fortuna, altrimenti si brucia tutto), ma aumenta la 
corrente. Spero che almeno qualche artigiano o piccolo produttore faccia 
tesoro di queste informazioni ed immetta sul mercato pannelli che 
possono fare nascondere quelli delle multinazionali.
Un'altra cosa, i pannelli FV sul mercato sono troppo larghi. Se fossero 
costruiti in forme lunghe ma strette si prestano bene per semplici 
sistemi orientabili (a mo' di veneziane, ma piu' diradate) che 
permettono di massimizzare l'energia raccolta tutto il giorno, sequendo 
il sole, senza ingombranti sistemi di puntamento, ma con una semplice 
rotazione sull'asse lungo, che segua il sole dall'alba al tramonto, come 
fanno i girasoli. Ragazzi, qui si parla di impianti che costano migliaia 
e migliaia di euro, inclusa sofisticata elettronica. Possibile che non 
si posta trovare il posto per un semplice inseguitore con un motore 
passo-passo (e riduttore) che ruoti contemporaneamente tutte le stringhe 
con un'unico semplice leveraggio ?
Almeno, se proprio si vuole concentrare tali risorse pubbliche sul FV, 
lo si faccia bene. Ripeto un'ibrido con un semplice concentratore 3x 
produce molta piu' energia elettrica ed ha maggiore potenza per la 
stessa superficie di cellette. Ed ha come bonus una produzione di acqua 
mediamente a 50 gradi per una quantita' di calore pari a 3 volte 
l'energia elettrica prodotta. Il tutto per un costo solo il 20% 
superiore. O visto in altro modo. A pari potenza, il tutto costa il 40% 
in meno. Anzi forse e' questo il punto. Costa MOLTO meno.
Per chi ha i pannelli FV tradizionali c'e' ancora speranza. Si tratta 
sempre di concentrare ma usando un profilo che faccia in modo che quando 
il sole e' picco, la concentrazione e' x1 (capta solo il pannello), ma 
man mano che il sole scende (o mentre sale) la concentrazione aumenta 
fino ad un fattore x3 o x4, compensando la minore intensita' al m2 del 
sole. In questo modo si aumenta le ore di massima potenza, senza 
surriscaldare il pannello FV. Anche senza raffreddamento.
Caveat: fattore di dilatazione termica:
  silicio 2.33 x 10^-6 / grado C
  acciaio 13 x 10^-6 / grado C
  rame 17 x 10^-6 / grado C
  alluminio 25 x 10^-6 / grado C
da cui si vede che il rame e' meglio dell'alluminio, ma peggio 
dell'acciaio che pero' non e' un conduttore termico ottimale
per curiosita'
  platino 9 x 10^-6 / grado C
ma e' un po' costoso
oppure tungsteno con 4.3 x 10^-6 / grado C
che si puo' depositare per vaporizzazione sottovuoto.
Il problema e' che temperature elevate possono esasperare la differenze 
dei fattori di dilatazione, fino alla rottura delle celle, con riduzione 
definitiva dell'efficienza.
Caveat: un filtro degli UV (una lastra di vetro usata anche per tenere 
pulite le superficie riflettenti) allunga la vita delle celle (che 
altrimenti da 20 anni (massimo 30) si riduce a 10 anni, a causa della 
radiazione doppia).
R.L.Deboni

Complimenti per la riflessione!
Anche io da poco tempo mi ero proprio chiesto perchè nessuna ditta
produttrice di pannelli non pensi di mantenere bassa la temperatura dei
pannelli fotovoltaici recuperando il calore per il riscaldamento
dell'acqua sanitaria per esempio.
Cercando in rete, l'unica applicazione similare di sfruttamento
combinato del calore è stato un progetto sperimentale di una cucina
delle mense FIAT che recuperava il calore sotto i pannelli fotovoltaici
con un intercapedine d'aria e questo calore veniva sfruttato per
scaldare l'aria della cucina.
Avevo anche pensato come si potesse fare un semplice concentratore di
sole sui pannelli (anche termici) per migliorarne la resa; un qualcosa
del tipo una lamiera riflettente o qualcosa di simile... e perchè no,
magari motorizzata così da sfruttare al massimo il sole senza la
necessità di muovere grandi masse...ma mi sono fermato ad immaginare!
Tu hai qualche esperienza di concentratori?
Come si potrebbe farne uno rudimentale che non costri tanto, non abbia
problemi di sopportazione del vento, e non sia un pugno in un occhio?
Zano.
R.L. Deboni ha scritto:


 problemi di sopportazione del vento, e non sia un pugno in un occhio?
Il problema piu' grosso e' che i pannelli sono costruiti male. Sono cosi 
larghi che diventano ingombranti in impianti ad inseguimento, per non 
parlare l'inserimento in mezzo a dei concentratori.
Una cella fotovoltaica e' larga 10 cm, aggiungendo il profilo ambo i 
lati del pannello si ha una dimensione di 12 cm. Una fila di 9 celle 
fotovoltaiche occupa circa 92 cm (inclusi gli interspazi). Un pannello 
fotovoltaico da 36 moduli (che ha una tensione nominale di circa 16V), 
invece di essere 92x43 cm dovrebbe essere di 367x12 cm
Il vantaggio di una striscia cosi' e' che e' facilmente orientabile 
(lungo l'asse maggiore) con un minimo ingombro nella posizione piu' 
angolata. Inoltre la struttura riflettente (il profilo di alluminio) 
sarebbe intorno ai 40 centimetri, con uno spessore minore di 20 
centimetri per la curvatura. Amche se lunga quasi 4 metri, l'ingombro in 
altezza e per rotazione sarebbe minimo.
Lo svantaggio e' che e' di difficile trasporto (se non viene rinforzato 
potrebbe spezzarsi) ed il suo montaggio richiede un robusto 
telaio/travettino di supporto.
Il problema si puo' ridurre, mettendo due file parallele, cioe' con la 
misura del pannello di 184x22 cm. Il pannello acquista in robustezza ed 
e' piu' maneggiabile. Il problema e' che la superficie riflettente 
aumenta a circa 80 centimetri di larghezza e l'ingombro in altezza 
arriva ad oltre 40 centimetri. Pero' potrebbe essere un compromesso 
interessante. Un'altra soluzione e' fare pannelli da 18 moduli (strisce 
da 184x12 cm da mettere in serie per raggiungere le tensioni richieste.
In questa foto:
http://www.me.unlv.edu/research/cer/images/solarplantfield.jpg
ha l'esempio di una serie di grondaie paraboliche riflettenti. Consideri 
che invece del tubo di fluido, ci metta nel fuoco i suoi pannelli 
fotovoltaici a stringhe, ed ha completato il progetto. Le grondaie 
possono ruotare lungo l'asse in modo da seguire il sole mentre va da est 
ad ovest (ipotizzo che la foto e' presa al mattino e le grondaie sono 
tutte orientate ad est).
Le grondaie nelle foto sono enormi, ma provi ad immaginarle alte 40 cm 
(oppure 80 cm), con il pannello rovesciato, in modo da ricevere i raggi 
riflessi.
Qui ha una foto piu' particolareggiata:
http://www.me.unlv.edu/research/cer/images/solargenix3-4.jpg
Uno schizzo:
http://www.sustainable.energy.sa.gov.au/pages/advisory/renewables/types/solar/images/trough.gif
ove al ricevitore potete mettere il vostro pannello.
Una rappresentazione grafica della sezione di uno specchio parabolico 
lineare:
http://www.mathwords.com/p/p_assets/parabola%20features%20focus%20directrix%20vertex%20axis.gif
Notare che anche un semicilindro puo' essere usato per concentrare i 
raggi solari. Se R e' il raggio, il fuoco del cilindro si trova ad R/2 
di distanza dal centro, a meta' tra il fondo del cilindro ed il centro 
dell'asse di rotazione.
Se ho una superficie parabolico, come in:
http://www.analyzemath.com/parabola/focus_parabola.gif
per calcolare la posizione del fuoco, noto D, la larghezza dello 
grondaia parabolica, e d, la profondita' della grondaia, la posizione f 
la ottengo dalla formula:
f = D x D / (16 x d)
Le ricordo che la posizione del fuoco non e' critica in questo uso.
R.L.Deboni

 gradi), dopotutto si tratta di energia gratis.
le macchine ad assorbimento devono smaltire calore, probabilmente col calore 
a 60°C non ci fai nulla

 a 60°C non ci fai nulla
E' sufficiente raggiungere la temperatura per far bollire l'ammoniaca 
dalla miscela con l'acqua.
Lei sta probabilmente pensando ai agli assorbitori con bypass che 
funzionano a partire dagli 80 gradi C (senza bypass, sono 150 gradi C).
Ma il ciclo funziona anche con temperature del generatore piu' basse, 
cioe' 60 gradi. Naturalmente il COP e' anche molto basso (0,13), cioe' 
devo fornire molta piu' energia di quella che viene asportata, ma come 
detto, si tratta di energia gratuita.
R.L.Deboni

 calore a 60°C non ci fai nulla
Non è detto,esitono tecnologie,probabilmente ancora a livello di 
prototipo,che pssono lavorare anche a temp inferiori ai 50 gradi,anche 
semagari a Cop ridotti (ma tanto l'energia in enetrata è quella di 
cogenerazione).Come questa,basata sui sistemi ad adsorbimento
http://www.adsorptionchiller.bigstep.com/homepage.html
http://www.adsorptionchiller.bigstep.com/faq.html
si potrebbe anche usare l'acqua calda degli impianti di telelriscaldamento 
anche nei mesi estivi per gli usi di condizionamento
Ancora meglio,si potrebbe usare la stessa cqua calda di teleriscaldamento,a 
temp opportune,per attivare pompe di calore elettriche,questa volta con Cop 
decisamente > 1 
http://www.aem.it/home/cms/comunicazione/progetto_pompe_calore/come_funziona.html

 con l'aria ambientale (ovviamente nel clima italiano, non al polo nord) ?
in inverno?
con una torre evaporativa

 con una torre evaporativa
Suppongo sia la soluzione estiva. Sarebbe cosi' gentile da calcolare a 
spanne il consumo di H2O per un'impianto con 10 m2 di pannelli 
foltovoltaici ?
R.L.Deboni

 un'impianto con 10 m2 di pannelli foltovoltaici ?
non ho idea di quanto calore si debba dissipare
se volesse cortesemente fornirmi tale dato...