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Titolo: Fotovoltaico a bassa concentrazione solare

Il problema piu' grosso degli impianti fotovoltaici e' che se ne' stanno
a fare nulla o poco per quasi il 90% di un ciclo giornaliero.
Inoltre per una fetta significativa dell'anno, nel poche ore produttive
non riescono neanche a raggiungere la meta' della produttivita' nominale.
Con questo thread vorrei suggerire come migliorare questo.
Ci sono svariate soluzioni possibili, come potete anche vedere da questi
link:
http://www.abengoasolar.com/corp/web/en/technologies/photovoltaic/proprietary/concentration_tracker/index.html
http://www.abengoasolar.com/corp/web/en/technologies/photovoltaic/concentration/index.html
Prendete quelle immagini solo come indicazione che l'orientamento puo'
essere di vario tipo. Anche se le foto sono riferite ad installazioni ad
inseguimento a due assi, vorrei soffermarmi sui moduli fissati in
posizione immobile, quelli che ad esempio sono la soluzione tipica per
un'impianto fotovoltaico domestico.
Per cominciare analizziamo prima il problema della temperatura.
Una pre-condizione e' l'irradiazione, che per ora assumiamo sia quella
normata di 1000W/m2 ed AM(a)=1,5 (ma nel Nord Italia non si raggiunge e
su questo torneremo).
Una prima informazione: se il retro dei moduli fotovoltaici non e'
arieggiato, la temperatura raggiunta dalle celle puo' essere fino a
15-20 gradiC piu' alto che se i moduli hanno la possibilita' di essere
ventilati.
Secondo: la riduzione di potenza e' piu' sensibile a bassa irradiazione
che ad alta. Ovvero se il sole e' molto forte, la perdita di efficienza
e' minore che se, a pari temperatura, l'intensita' del sole e' piu'
bassa. Questo normalmente non si nota, perche' se l'intensita' del sole
lascia, la temperature diminuisce e quindi non si nota una minore
efficienza. Pero' in giornate in cui la temperatura dell'aria e' molto
elevata, allora occorre tenerne conto.
Terzo: coefficienti indicativi sono da -0,4% a -0,55% per ogni grado in
piu'. Questi coefficienti si intendono da applicare ai valori nominali
per ogni grado in piu' rispetto alla temperatura di riferimento di 25
gradiC, quindi d'estate basta gia' l'aria ambiente a fare perdere un
2,5%. Poi una cella solare in condizione operativa estiva si porta a
temperature da 50 a 75 gradiC ... cioe' da 25 a 50 gradi in piu' della
temperatura di misurazioni fatte in condizioni di laboratorio (insomma,
quando vi vendono le potenze, vi vendono parecchio fumo ... e non solo
perche' il sole intenso c'e' solo per poche ore al giorno).
Se prendiamo un coefficiente termico medio di -0,47%, abbiamo una
perdita dal 11,8% al 23,5% ma questo solo a massima intensita' solare
(1000W/m2). Per intensita' solari minori, se la temperatura resta a quei
livelli (ad esempio se l'impianto si trova in una zona surriscaldata,
per esempio prossima ad un parcheggio asfaltato o un tetto catramato)
anche quando il sole diminuisce la sua intensita', la perdita e' ancora
piu' significativa.
Fatte queste premesse possiamo fare un'elenco di casi in cui l'utilizzo
di riflettori concentratori non ha controindicazioni:
a) orientamento e/o inclinazione non ottimale (con gli specchi possiamo
rimediare al problema della minore produzione)
b) localita' con irradiazione non ideale (ad esempio nel Nord Italia)
c) nelle ore precedenti e seguenti il picco di energia
d) durante la stagione invernale (specialmente con riferimento anche
all'inclinazione che e' spesso meno che ottimale d'inverno)
e) ombreggiature (anche cicliche) - a proposito, quanti sanno che le
celle ombreggiate si surriscaldano ? Infatti smettono di produrre
energia e se le altre celle al sole sono in piena produzione, operano
come dei inefficienti conduttori. Inoltre una cella ombreggiata puo'
drasticamente ridurre la produzione di tutta la stringa, che puo'
scendere anche solo ad quinto di quella nominale.
Infine, il problema termico causato dalla concentrazione puo' essere
ridotto fissando i moduli almeno a 10 centimetri dalla superficie
sottostante ed evitando di fissare i moduli uno a fianco all'altro.
L'ultima condizione tra l'altro agevola l'uso con gli specchi, evitando
ombreggiature da parte degli specchi stessi..
Per quanto riguarda il punto c), se osservate la curva di produzione di
un modulo fotovoltaico, esso approssima una gaussiana. Un uso razionale
degli specchi concentratori puo' trasformare il grafico di produzione in
un trapezio, ovvero mantenere la piena potenza di erogazione dei moduli
per piu' ore di quanto sarebbe con il modulo senza concentrazione.
Tra l'altro la motorizzazione degli specchi e' semplificata anche dal
fatto che uno specchio e' piu' leggero di un modulo.
L'unico problema degli specchi e' che sono efficaci sono con la
radiazione diretta.
In conclusione, l'uso di bassi livelli di concentrazione solare puo'
permettere agli impianti nel Nord Italia di produrre quanto un'impianto
fotovoltaico nel Sud Italia ed in generale puo' aumentare la produzione
giornaliera, estendendo le ore di massima potenza di erogazione.
Il trucco insomma e' di non usare la concentrazione durante l'ora di
picco dell'intensita' di radiazione solare giornaliera/stagionale e di
attivarla ma mano che l'intensita' di radiazione diminuisce, insomma
mantenendo le celle fotovoltaiche costantemente in condizione di massima
produzione: elevata intensita' di radiazione, ma tenendo sotto controllo
la temperatura, anche per evitare un troppo rapido invecchiamento del
semiconduttore.
-- 
Roberto Deboni
[Messaggio Usenet via Tiscali su 
text.giganews.com
. Se leggete via Web
il sottoscritto informa che non conosce o partecipa al sito/forum Web.]

 giornaliera, estendendo le ore di massima potenza di erogazione.
Proviamo a fare quattro conti per vedere che cosa c'e' in gioco.
Supponiamo un semplice sistema a specchio che permetta al massimo una
concentrazione x2 (ovvero il raddoppio dell'intensita' solare locale).
Ho scelto una posizione cliccando al centro della pianura padana:
Nord: 45°27'51" Est: 9°50'37" Quota: 101 mt slm
Il responso del PVGIS per 1 kW potenza fotovoltaica nominale installata
(angoli ottimali: 36 gradi inclinazione e -1 grado azimut, insomma Sud):
Mese   kwh(elettrici) kwh(primari)/m2
--------------------------------------
Gennaio     2.01         2.42
Febbraio    2.24         2.75
Marzo       3.15         4.03
Aprile      3.45         4.54
Maggio      3.46         4.68
Giugno      4.01         5.51
Luglio      4.19         5.81
Agosto      3.91         5.41
Settembre   3.42         4.61
Ottobre     2.46         3.18
Novembre    1.92         2.38
Dicembre    1.61         1.94
--------------------------------------
Annuo    1090,00      1440,00
Possiamo osservare nella seconda colonna come l'intensita' della
radiazione primaria (o termica, se viene assorbita per produrre calore),
varia fortemente da Luglio a Dicembre. Uno potrebbe pensare che sia
legato al numero minore di ore di luce, ma in realta' e' anche il
risultato di un minore intensita' solare nei giorni invernali, perche'
il percorso del sole, inclinato verso l'orizzonte significa che i raggi
solari devono attraversare un maggiore spessore di atmosfera.
D'estate il sole arriva fino a 70 gradi rispetto all'orizzonte,
d'inverno arriva solo a 20 gradi di inclinazione.
Se poi guardiamo il grafico, vediamo che c'e' un picco che dura pochi
giorni, meno di un paio di settimane.
Prendiamo gli stessi dati per Priolo (centrale ENEL Archimede)
Nord: 37°9'23"  Est:15°11'17" Quota: 30 mt slm
Ottimali: 32 gradi inclinazione, -3 gradi azimut
Mese   kwh(elettrici) kwh(primari)/m2
--------------------------------------
Gennaio     2.87         3.63
Febbraio    3.46         4.43
Marzo       4.20         5.51
Aprile      4.63         6.15
Maggio      4.76         6.47
Giugno      4.82         6.68
Luglio      4.85         6.78
Agosto      4.83         6.8
Settembre   4.53         6.21
Ottobre     3.9          5.25
Novembre    2.99         3.9
Dicembre    2.62         3.34
--------------------------------------
Annuo    1470,00      1980,00
Nel grafico notiamo che il "massimo" e' molto piu' spalmato, durando per
mesi, da Maggio a fine Agosto. Quindi la maggiore produzione annua nelle
regioni del Sud (il 35% in piu') dipende da un lungo periodo di massima
produzione giornaliera.
Questo si riflette anche nel grafico della inclinazione del sole, che
non solo arriva fino ad un picco di 75 gradi (leggermente maggiore che
in Pianura Padana), ma resta sopra i 70 gradi per parecchie ore ogni
giorno. Insomma, i moduli fotovoltaici a Priolo sono sottoposti alla
massima radiazione locale per molti mesi all'anno per molte ore al
giorno. Inoltre in inverno, riesce a raggiungere almeno i 30 gradi di
inclinazione (contro i 20 gradi nella pianura padana).
Tutto questo ci dice che i moduli fotovoltaici installati nella Pianura
Padana si trovano ad operare per molte ore sotto le loro condizioni
ottimali, sicuramente molto peggio che a Priolo.
Ora, siamo tutti d'accordo che operare i moduli fotovoltaici ordinari al
di sopra delle temperature progettuali riduce la loro efficienza e
quindi probabilmente si mangia buona parte della teorica maggiore
produzione di una maggiore intensita' della radiazione solare.
Ma peggio ancora, il marginale incremento della produzione andrebbe a
scapito della vita, della durata dei moduli rispetto ai 20-25 anni
progettuali.
Pero' ... nella Pianura Padana, i moduli fotovoltaici operano per troppe
ore al di sotto delle loro potenziali prestazioni, ed anzi,
probabilmente non ci arrivano quasi mai alla intensita' radiattiva
normata di 1000W(primari)/m2 (infatti anche nei giorni di picco di
Luglio, il sole e' pur sempre inclinato di 70 gradi, ben lontano
dall'essere "a picco").
Io ritengo che questo significa che, pur restando entro le specifiche
progettuali/di costruzione, c'e' spazio per una blanda concentrazione
della intensita' solare durante l'ora di picco, per poi incrementarla
nella altre ore, con lo scopo di fare lavorare i moduli fotovolatico
secondo i parametri nominali. Cioe', gia' che mettiamo in opera questi
specchi concentratori (tra l'altro si tratta di semplici specchi piani,
perche' non vogliamo concentrare la radiazioni in un punto, ma su una
ampia superficie), tanto vale sfruttarli anche per incrementare anche la
produzione "prima" e "dopo" l'ora di massima intensita' giornaliera,
aumentando cioe' artificialmente le "ore di picco" insomma un "lungo"
mezzogiorno :-)
Ripeto: l'intento e' di fare lavorare i moduli a 1000W/m2, senza
superare le temperature progettuali e senza ricorrere a complessi
sistemi di raffreddamento, e questo per il maggior numero di ore
possibile con le capacita' di concentrazione messe in opera.
In pratica, se prendiamo la gaussiana che approssima la produzione
giornaliera, vogliamo, alzarla e troncarla (in modo da non superare in
ogni dato momento l'intesita' di 1000W/m2), approssimando un grafico a
trapezio.
Vediamo, in una giornata limpida di Luglio, come varia l'intensita'
della radiazione solare nella Pianura Padana:
Ora	W/m2
07:07	296
07:22	347
07:37	399
07:52	452
08:07	503
08:22	554
08:37	603
08:52	650
09:07	694
09:22	736
09:37	775
09:52	811
10:07	843
10:22	872
10:37	896
10:52	917
11:07	933
11:22	946
11:37	954
11:52	958
12:07	957
12:22	952
12:37	943
12:52	930
13:07	912
13:22	890
13:37	865
13:52	835
14:07	802
14:22	766
14:37	726
14:52	684
15:07	639
15:22	591
15:37	542
15:52	491
16:07	439
16:22	387
16:37	335
Possiamo vedere che il massimo (in ogni caso, inferiore a 1000) dura
dalle 11:20 circa fino alle 12:40 circa, poco piu' di un'ora.
Possiamo altresi vedere che l'intensita' si trova sotto i 500W/m2 prima
delle ore 8:00 e dopo le ore 15:50 circa.
Questo significa che possiamo percio' utilmente "concentrare" la
radiazione solare, dalle ore 8:00 alle ore 15:50, ovvero per circa 6
ore, con gli specchi siamo in grado di mantenere sui moduli fotovoltaici
una intensita' costante di 1000W/m2 potendo cosi' erogare la massima
potenza nominale, senza danneggiare i moduli o eccessive inefficienze.
A Luglio, l'energia primaria giornaliera ricevuta in una giornata
limpida e' pari a 6,8 kwh/m2 ed in corrispondenza abbiamo una produzione
fotovoltaica (in base alle ipotesi usate dal PVGIS:
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis
) di 4,8 kwh(elettrici)
con un calcolo semplicistico ho spezzato la produzione nelle frazioni di
quarto d'ora (invece di fare un'integrale matematico ho fatto una
integrazione aritmetica, moltiplicando la potenza per 15 minuti per ogni
frazione di tempo):
Time	W/m2	kwh/m2
----------------------
07:22	347	0.09
07:37	399	0.10
07:52	452	0.11
08:07	503	0.13  <<< da qui
08:22	554	0.14
08:37	603	0.15
08:52	650	0.16
09:07	694	0.17
09:22	736	0.18
09:37	775	0.19
09:52	811	0.20
10:07	843	0.21
10:22	872	0.22
10:37	896	0.22
10:52	917	0.23
11:07	933	0.23
11:22	946	0.24
11:37	954	0.24
11:52	958	0.24
12:07	957	0.24
12:22	952	0.24
12:37	943	0.24
12:52	930	0.23
13:07	912	0.23
13:22	890	0.22
13:37	865	0.22
13:52	835	0.21
14:07	802	0.20
14:22	766	0.19
14:37	726	0.18
14:52	684	0.17
15:07	639	0.16
15:22	591	0.15
15:37	542	0.14
15:52	491	0.12 <<<< a qui
16:07	439	0.11
16:22	387	0.10
16:37	335	0.08
--------------------
Totale		6.88
Il valore ottenuto e' solo leggermente superiore al valore di 6,8
calcolata con metodi piu' precisi dal PVGIS, percio' possiamo fare
tranquillo affidamento sul metodo piu' semplice.
[Notare che il valore di 5,81 kwh/m2 e' riferito alla media mensile che
include anche le giornate non limpide]
Ora, calcoliamo gli effetti di una intensita' costante dalle 8:00 alle
15:50 (ed il raddoppio prima e dopo):
Time	W/m2	kwh/m2
----------------------
07:22	694	0.17
07:37	798	0.20
07:52	904	0.23
08:07	1000	0.25
08:22	1000	0.25
08:37	1000	0.25
08:52	1000	0.25
09:07	1000	0.25
09:22	1000	0.25
09:37	1000	0.25
09:52	1000	0.25
10:07	1000	0.25
10:22	1000	0.25
10:37	1000	0.25
10:52	1000	0.25
11:07	1000	0.25
11:22	1000	0.25
11:37	1000	0.25
11:52	1000	0.25
12:07	1000	0.25
12:22	1000	0.25
12:37	1000	0.25
12:52	1000	0.25
13:07	1000	0.25
13:22	1000	0.25
13:37	1000	0.25
13:52	1000	0.25
14:07	1000	0.25
14:22	1000	0.25
14:37	1000	0.25
14:52	1000	0.25
15:07	1000	0.25
15:22	1000	0.25
15:37	1000	0.25
15:52	1000	0.25
16:07	878	0.22
16:22	774	0.19
16:37	670	0.17
--------------------
Totale		9.18
L'energia primaria irradiata sui moduli e' salita cioe' da 6,8 a quasi
9,2 kwh/m2, ovvero abbiamo il 35% in piu'.
Siamo riusciti cioe' a fare in modo che l'impianto fotovoltaico
installato nella Pianura Padana produca a Luglio come a Priolo.
Questo mi fa ipotizzare che la produzione di Luglio di 4,19 kwh/gg,
grazie all'uso della bassa concentrazione, possa essere aumentata a
circa 5,7 kwh/gg usando normali moduli cristallini.
Notare che sarebbe di piu' della produzione a Priolo senza
concentrazione (4,85 kwh/gg).
Andiamo all'estremo opposto e vediamo il mese di Dicembre in Pianura Padana:
Ora	W/m2
08:52	341
09:07	399
09:22	454
09:37	505
09:52	551
10:07	592
10:22	629
10:37	661
10:52	687
11:07	708
11:22	724
11:37	734
11:52	739
12:07	739
12:22	733
12:37	722
12:52	705
13:07	683
13:22	655
13:37	623
13:52	586
14:07	544
14:22	497
14:37	447
14:52	392
15:07	333
Le ore di luce sono decisamente meno, inoltre il picco giornaliero
arriva a malapena a 740W/m2. E pensare che con il freddo che c'e' i
moduli fotovoltaici potrebbero agevolmente lavorare anche a piu' di
1000W/m2 (e per questo mi oriento a spingere la radiazione a 1100W/m2)
Facciamo il calcolo frazionato dell'energia pervenuta:
Time	W/m2	kwh/m2
----------------------
08:52	341	0.09
09:07	399	0.1
09:22	454	0.11
09:37	505	0.13
09:52	551	0.14
10:07	592	0.15
10:22	629	0.16
10:37	661	0.17
10:52	687	0.17
11:07	708	0.18
11:22	724	0.18
11:37	734	0.18
11:52	739	0.18
12:07	739	0.18
12:22	733	0.18
12:37	722	0.18
12:52	705	0.18
13:07	683	0.17
13:22	655	0.16
13:37	623	0.16
13:52	586	0.15
14:07	544	0.14
14:22	497	0.12
14:37	447	0.11
14:52	392	0.1
15:07	333	0.08
Totale          3,85
 
Ricordo che il valore e' per una giornata limpida (quello medio
stagionale e' solo di 1,98 kwh/m2 con 1,6 kwh(elettrici) prodotti con un
kW(picco) di moduli installati.
Ora modifico il risultato concentrando 1100W/m2 finche' c'e' luce
sufficiente e raddoppiando prima e dopo:
Time	W/m2	kwh/m2
----------------------
08:52	682	0.17
09:07	798	0.20
09:22	908	0.23
09:37	1010	0.25
09:52	1100	0.28
10:07	1100	0.28
10:22	1100	0.28
10:37	1100	0.28
10:52	1100	0.28
11:07	1100	0.28
11:22	1100	0.28
11:37	1100	0.28
11:52	1100	0.28
12:07	1100	0.28
12:22	1100	0.28
12:37	1100	0.28
12:52	1100	0.28
13:07	1100	0.28
13:22	1100	0.28
13:37	1100	0.28
13:52	1100	0.28
14:07	1088	0.27
14:22	994	0.25
14:37	894	0.22
14:52	784	0.20
15:07	666	0.17
Totale		6.63
Ovvero la radiazione mandata sui moduli e' aumentata del 72% !!!
Questo e' dovuto al fatto che d'inverno si puo' lavorare con
concentrazioni maggiori, quasi verso il fattore 2 per molte ore.
Considerando che le giornate nuvolose e di maltempo sono incluse nel
calcolo di 1,98 kwh per kW(picco) installato ritengo ragionevole
applicare il 72% a quel valore e quindi stimare la produzione a
Dicembre, grazie alla concentrazione, pari a 3,41 kwh per kW(picco)
installato.
Considerando che andando verso l'estate, la maggiore produzione
possibile diminuisce, direi che possiamo mediare le due percentuali,
+72% e +35% ottenendo una ipotesi di incremento annuo intorno al 50%.
Insomma, un'uso occulato della concentrazione solare a bassa intensita',
seppure senza surriscaldare i moduli fotovoltaici, ci permetterebbe di
incrementare la produzione di energia elettrica da un'impianto
fotovoltaico installato nella Pianura Padana del 50%.
Guardate i pagamenti che vi arrivano dal GSE e fatte i vostri calcoli ...
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 Guardate i pagamenti che vi arrivano dal GSE e fatte i vostri calcoli ...
Ora, si tratta di vedere se l'aumento del 50% degli incassi si rapporta
con i costi per l'installazione degli specchi. Gli specchi costano
sicuramente molto meno dei moduli fotovoltaici, a parita' di superficie.
Il problema e' il costo della movimentazione automatizzata degli specchi
in modo da regolare l'intensita' al valore di 1000W/m2 durante la
giornata (1100W/m2 nei mesi invernali, a calare 1050W/m2 nei mesi delle
stagioni intermedie, a 1000W/m2 d'estate).
Vediamo: se abbiamo spesso 5000 Euro per installare 1 kW(picco) di
moduli fotovoltaici, riusciamo a starci entro i 2000 Euro (meglio se
meno) per applicare 10 m2 di specchi ?
Per il resto dell'impianto non ci sono problemi, perche' l'inverter e'
sicuramente dimensionato per la potenza di picco. Semplicemente lo
faremo lavorare per piu' ore ai valori di targa :-)
Modificare in modo ottimale un'impianto esistente puo' essere
problematico, e poi abbiamo alcuni costi persi (la prima installazione).
Pero' nel caso di un'impianto nuovo, direi che vale sicuramente la pena
fare quattro conti.
Dimenticavo: manca l'implementazione del sistema da parte di qualche
azienda che poi la offra sul mercato  :-)
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 stagioni intermedie, a 1000W/m2 d'estate).
Eventualmente si puo' trovare un compromesso, rinunciando a raggiungere
quel valore medio del 50% di aumento di produzione, in cambio evitando
la movimentazione degli specchi, ma posizionandoli (magari con
regolazione stagionale, ove possibile) in modo fisso e che mandi la
radiazione solare "integrativa" sui moduli al di fuori dell'ora di
picco. Quindi basso costo anche se abbiamo un minore incremento della
produzione annua.
Nota: quelli che si muovono sono gli specchi, non il modulo fotovoltaico
che resta fissato al tetto come prima (seppure distanziato dagli altri
moduli per evitare interferenze tra gli specchi).
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