Produzione di Pannelli Fotovoltaici - Ottimizzazione Termodinamica

Astratto

Nel presente studio, la valutazione del potenziale miglioramento dell’efficienza complessiva di un comune pannello fotovoltaico, valorizzando il calore estratto da uno scambiatore di calore integrato nella sua parte posteriore, sia in opera utilizzando un motore Carnot endoreversibile, sia in freddo utilizzando un è stata realizzata una macchina tritermica endoreversibile costituita da una macchina frigorifera azionata dal calore operante tra tre sorgenti di temperatura e un lavello (tipo una macchina ad assorbimento di liquidi/gas). Un’analisi termodinamica semplificata del collettore fotovoltaico/termico mostra che esistono due temperature di esercizio ottimali

{\tilde{T}}_{h}

T_{h}^{*}

dei pannelli, che massimizzano rispettivamente l’exergia termica o l’exergia complessiva del pannello fotovoltaico. Il freddo prodotto dalla macchina tritermica endoreversibile durante le condizioni di funzionamento del collettore fotovoltaico/termico a

{\tilde{T}}_{h}

è maggiore con un coefficiente di prestazione (COP) di 0,24 grazie al maggiore potenziale di recupero del calore. Nel caso di utilizzo del freddo prodotto da una macchina tritermica per raffreddare attivamente un pannello fotovoltaico aggiuntivo al fine di aumentarne le prestazioni elettriche, le condizioni di funzionamento alla temperatura ottimale

T_{h}^{*}

forniscono un guadagno maggiore e più stabile: il guadagno è di circa il 12,2% rispetto al pannello fotovoltaico convenzionale quando la temperatura di esercizio del secondo pannello raffreddato varia da 15 a 35 °C.

1. Introduzione

La tecnologia fotovoltaica (FV) è attualmente una delle tecnologie più utilizzate per la produzione di elettricità rinnovabile con il 20,6% della produzione di elettricità rinnovabile da 6523 TWh in tutto il mondo nel 2018 [ 1 ]. Nel periodo 2009–2019, la tecnologia fotovoltaica è stata la tecnologia per l’energia rinnovabile in più rapida crescita, con un aumento medio cumulativo del 36% degli impianti connessi alla rete [ 1 ].

La conversione della radiazione solare direttamente in energia elettrica con la massima efficienza possibile è un tema di ricerca di grande interesse nella comunità scientifica. La conversione fotovoltaica per una semplice giunzione pn basata su Si è, tuttavia, limitata dal limite teorico di Shokley-Queiser: solo un massimo del 31% della radiazione solare non concentrata può essere convertito in elettricità [ 2 ]. Come mostrato in Figura 1 e proposto da Li et al. [ 3], che rappresenta il bilancio energetico della conversione fotovoltaica sotto lo spettro solare 1,5 AM, circa il 67,6% dell’energia radiativa in ingresso viene convertita in calore da pannelli fotovoltaici Si cristallini, che corrispondono al 50,2% alla termalizzazione dell’energia in eccesso dei fotoni con energia superiore al Ad esempio, il gap di banda e il 17,4% dell’assorbimento termico dei fotoni al di sotto del gap di banda. Il calore prodotto aumenta la temperatura delle celle, che a sua volta riduce la capacità del pannello fotovoltaico di generare elettricità. Per semplificare il confronto delle prestazioni dei pannelli fotovoltaici, le efficienze elettriche vengono generalmente misurate in condizioni di test standard (STC) in cui la temperatura del pannello è di 25 °C. La relazione ampiamente utilizzata tra temperatura ed efficienza delle celle fotovoltaiche in silicio monocristallino indica che la produzione di elettricità diminuisce di circa 0,004–0,005 K⁻¹ , definito anche come coefficiente di temperatura [ 4 , 5 ]. Oltre al degrado delle prestazioni dei pannelli fotovoltaici con la temperatura, l’analisi del ciclo di vita dei pannelli fotovoltaici guidata da Nehme e al. [ 6] mostra che la temperatura è anche uno dei parametri più impattanti che influenza il tasso di degradazione della durata del pannello fotovoltaico. Ogbomo et al. ha studiato l’impatto della temperatura della cella fotovoltaica sul degrado dell’interconnessione del giunto di saldatura per un modulo fotovoltaico in silicio cristallino in un clima caldo. Il modello di previsione sviluppato dagli autori prevedeva che la durata del modulo fotovoltaico, a causa del cedimento di parti specifiche come i giunti tra le celle, fosse rispettivamente di 18,5 anni a Londra e di 9 anni in un clima caldo. La durata del modulo a Londra è vicina alla garanzia di 25 anni. I 9 anni previsti nel clima caldo danno un’indicazione dell’alto tasso di guasto osservato nelle regioni calde e difficili [ 7]. La riduzione della temperatura di esercizio è quindi una soluzione chiave per aumentare la durata dei pannelli fotovoltaici e ridurre al minimo il degrado delle prestazioni.

Figura 1. Bilancio energetico della conversione fotovoltaica mediante cella Si cristallina secondo Li et al. [ 3 ].

Per migliorare la produzione elettrica delle celle fotovoltaiche, in letteratura vengono studiati due percorsi fondamentali. Il primo modo si concentra sullo sviluppo di nuovo materiale fotovoltaico più efficiente, cercando di ridurre le perdite di energia dovute al disadattamento spettrale. Per questo, vengono studiate e sviluppate in particolare molte associazioni di diversi materiali fotovoltaici (ad es. celle tandem) per valorizzare una parte superiore dello spettro solare e aumentare la conversione solare. Il secondo campo di ricerca è focalizzato sul controllo della temperatura delle celle solari. La ricerca sulla tecnologia di raffreddamento dei pannelli fotovoltaici sta attualmente ricevendo una maggiore attenzione al fine di migliorare le prestazioni dei pannelli fotovoltaici. In letteratura si possono trovare molti metodi di raffreddamento e nella maggior parte dei casi l’energia termica viene sprecata. Tuttavia, per quanto riguarda le tecnologie esistenti per la gestione termica dei pannelli fotovoltaici, sembra che poche di esse siano in grado sia di raccogliere che di valorizzare l’energia termica prodotta dal fotovoltaico. Questo articolo si concentra sul recupero di calore e sul modo per valorizzare questo calore. Questo sembra essere un modo promettente per aumentare l’efficienza complessiva dei pannelli fotovoltaici. L’energia termica del pannello fotovoltaico può essere utilizzata per soddisfare un fabbisogno di calore ma anche per pilotare processi termodinamici al fine di trasformarlo in ulteriore energia elettrica o freddo.

L’energia termica generata da un pannello fotovoltaico può essere utilizzata per essere convertita direttamente in energia elettrica. L’uso di un modulo generatore termoelettrico (TEG) che converte il calore in elettricità attraverso l’effetto Seebeck è stato studiato da Bjork et al. valutare le prestazioni teoriche massime dell’accoppiamento di un pannello fotovoltaico non concentrato e un TEG. Considerando le caratteristiche del materiale TEG, la sua efficienza di Carnot associata e un limite Shokley-Queisser del 33% per una singola cella di giunzione pn idealizzata con un valore di intervallo di banda di 1,34 eV, mentre è di circa il 31% per c-Si basato su una banda gap di 1,12 eV, questi autori hanno anche dimostrato che l’efficienza di conversione elettrica teorica può essere aumentata al 37,5% . Un’altra conversione diretta calore-elettricità è stata studiata da Fathabadi et al.: il ciclo elettrochimico termicamente rigenerativo (TREC), che si basa sull’effetto termogalvanico e sulla dipendenza dalla temperatura del potenziale dell’elettrodo. Questo ciclo si realizza caricando e scaricando una cella elettrochimica [. Durante la carica (processo di riscaldamento) si crea una differenza tra le tensioni dei due elettrodi carichi, consentendo la produzione di energia elettrica durante il processo di scarica della cella TREC. Questi autori hanno confrontato la produzione di elettricità dei dispositivi TEG e TREC posti dietro i moduli fotovoltaici. Hanno scoperto che l’uso di dispositivi TREC compensa circa l’85% della riduzione di potenza FV rispetto alle condizioni STC a causa dell’aumento della temperatura, mentre solo il 23% viene compensato quando viene utilizzato un modulo TEG .

I pannelli solari fotovoltaici-termici (PVT), a differenza dei tradizionali sistemi fotovoltaici, sono specificamente progettati per produrre sia elettricità che calore. A seconda dell’architettura di questi PVT e dei parametri di funzionamento, la produzione elettrica e/o la produzione di calore possono essere ottimizzate in base all’applicazione desiderata, portando ad una maggiore efficienza energetica complessiva rispetto ai pannelli fotovoltaici convenzionali . La resa elettrica o termica di un pannello PVT può essere migliorata a scapito dell’altro a seconda dell’applicazione prevista e dipende dalla scelta dei parametri: tecnologia PVT (vetrata o non vetrata), natura e portata massica del trasferimento di calore fluido, materiale della cella FV che influisce sull’efficienza FV, fattori di imballaggio, irraggiamento solare, velocità del vento e temperatura ambiente. Generalmente, l’energia termica generata dal pannello PVT viene utilizzata per soddisfare una richiesta di riscaldamento come il riscaldamento di un edificio da parte di un fluido di lavoro (acqua o aria). Chow et al. confrontato sperimentalmente e numericamente le prestazioni dei pannelli PVT vetrati e non smaltati all’acqua. Il PVT ad acqua smaltata ha raggiunto una resa energetica e una temperatura di uscita più elevate rispetto a quello non smaltato a causa della sua maggiore efficienza energetica termica. Molti autori hanno anche studiato un sistema combinato PVT-PCM che è attivamente raffreddato da un fluido termovettore (acqua o nanofluido). Sarafraz et al. ha studiato sperimentalmente ed eseguito un confronto dell’efficienza di un PV, PV-PCM autonomo, PVT-PCM raffreddato ad acqua e PVT-PCM raffreddato con nanofluido. Le migliori prestazioni si ottengono nel sistema PVT-PCM raffreddato con nanofluido grazie alla capacità termica del fluido termovettore di raffreddare efficacemente il pannello fotovoltaico, il che in cambio aumenta la produzione di elettricità .

Attualmente, la tecnologia delle pompe di calore azionate da PVT sta guadagnando sempre più popolarità nel campo della ricerca per le applicazioni edili . Tale combinazione consente un sistema di trigenerazione in grado di produrre elettricità, calore e freddo allo stesso tempo. L’unità collettore PVT può essere utilizzata per alimentare l’evaporatore della pompa di calore per riscaldamento, con effetto amplificato. D’altra parte, la pompa di calore può essere utilizzata anche per fornire un effetto di raffreddamento per scopi di condizionamento dell’aria. Zhou e ha valutato il potenziale e le prestazioni di un tale sistema a pompa di calore azionato da PVT di trigenerazione funzionante in condizioni climatiche naturali. Lo studio sperimentale che hanno condotto ha mostrato che l’efficienza elettrica, il coefficiente di prestazione di riscaldamento (COP) e il COP di raffreddamento raggiunti erano rispettivamente dell’8,7%, 5,3 e 2,3.

Per analizzare più precisamente le prestazioni di questi sistemi che possono produrre diversi effetti utili (elettricità, calore o freddo), possono essere utilizzati diversi criteri di prestazione:

Criteri basati sull’energia come l’efficienza elettrica che tiene conto solo dell’elettricità prodotta, l’efficienza termica che tiene conto solo della produzione di calore o l’efficienza complessiva che considera la somma delle energie di tutti gli effetti utili prodotti.
Criteri basati sull’exergia come l’efficienza dell’exergia che tiene conto dell’exergia associata a tutti gli effetti utili prodotti.

Tuttavia, un rendimento energetico complessivo basato su due diverse forme di energia (calore ed elettricità) è generalmente poco rappresentativo del reale potenziale dell’energia globale a causa della differenza di qualità energetica tra elettricità ed energia termica. Al fine di valutare il potenziale del rendimento energetico complessivo dei pannelli PVT, in letteratura vengono utilizzati diversi approcci per valutare e qualificare il potenziale dell’energia con diverse forme. Il primo si basa sul consumo di energia primaria per produrre le diverse forme di energia. In particolare si ipotizza che l’energia primaria (PE) necessaria per produrre una determinata quantità di energia elettrica segua il rapporto di circa 2,63 kWh _PE /kWh , che corrisponde all’efficienza di una centrale elettrica convenzionale del 38%. Il secondo metodo si basa su un’analisi termodinamica che utilizza la prima e la seconda legge, in cui l’energia complessiva prodotta dal pannello PVT è caratterizzata per tutto il suo contenuto di exergia. Il contenuto di exergia dell’energia è definito come il massimo lavoro che si può ottenere direttamente da questa energia (come per l’elettricità), oppure utilizzando una macchina di Carnot, convertendo idealmente questa energia (energia termica) in lavoro .

Per riassumere, la letteratura mostra che ci sono diversi modi possibili per utilizzare e valorizzare l’energia termica generata dai collettori fotovoltaici per aumentare l’efficienza energetica o energetica complessiva. Molti parametri influenzano le prestazioni dei collettori PVT in termini di produzione di energia elettrica e/o termica. Tale sistema deve essere opportunamente scelto in base all’utilizzo mirato delle energie da produrre e ai criteri da soddisfare. In questo lavoro viene condotto uno studio teorico di una nuova combinazione: un sistema fotovoltaico è accoppiato con un collettore termico. Tale sistema accoppiato fotovoltaico/collettore termico (PV/TC) può quindi essere utilizzato per alimentare termicamente una macchina ditermica o tritermica per la valorizzazione dell’energia termica. L’idea di base di tale associazione è di migliorare, da un lato, le prestazioni elettriche dei pannelli fotovoltaici limitandone l’aumento di temperatura e, dall’altro, valorizzare il calore raccolto sui pannelli fotovoltaici in lavoro aggiuntivo da una macchina ditermica o a freddo da una macchina tritermica, aumentando così il rendimento energetico ed energetico complessivo. Il freddo prodotto può essere utilizzato anche per coprire le esigenze di raffreddamento negli edifici o per consentire un raffreddamento attivo dei pannelli fotovoltaici, che favorisce la produzione di energia elettrica. Il recupero del calore generato dal pannello fotovoltaico e la sua valorizzazione per produrre un effetto di raffreddamento da parte della macchina tritermica, che consente ai pannelli di funzionare ad una temperatura inferiore o almeno prossima a quella ambiente e migliora il rendimento elettrico di i pannelli fotovoltaici. Queste condizioni operative sono originali rispetto ai sistemi usuali studiati in letteratura.

2. Materiali e Metodo: Metodologia di Valutazione Termodinamica

La metodologia qui presentata per la valutazione termodinamica del potenziale di valorizzazione del calore generato in un pannello fotovoltaico richiede di definire in una prima fase i diversi flussi energetici tra il sistema e il suo ambiente. In una seconda fase, vengono presentati diversi tipi di accoppiamento tra il collettore FV/TC e i processi azionati termicamente in base a diverse applicazioni mirate: valorizzazione del calore in lavoro aggiuntivo produzione che può essere ulteriormente convertita in elettricità, o convertita in freddo, che può essere utilizzata sia per il comfort termico degli edifici, sia per il raffrescamento di un pannello fotovoltaico aggiuntivo al fine di aumentare le prestazioni elettriche complessive.

2.1. Analisi energetica ed exergia di un sistema fotovoltaico/collettore termico

Nei pannelli PVT convenzionali, uno scambiatore di calore è solitamente integrato sulla superficie posteriore per assorbire il calore prodotto dal pannello FV e trasferirlo a un fluido di raffreddamento, che generalmente è acqua o aria. Tale approccio di integrazione del collettore termico può essere facilmente implementato in un pannello FV già installato senza modifiche sostanziali, dando origine a un sistema FV/TC. In questo modo, l’estrazione di calore dal pannello fotovoltaico limiterà l’aumento di temperatura del pannello e potrebbe idealmente ridurne la temperatura in prossimità di quella ambiente, consentendo, in questo caso, un massimo recupero del calore generato. Questa riduzione della temperatura di esercizio del fotovoltaico ci permette di migliorare notevolmente la produzione elettrica e di avvicinarci alle prestazioni ottenute in condizioni di prova standard (STC @ 25 °C/1000 W/m ²). Tuttavia, per queste condizioni di funzionamento, il calore estratto non può essere sfruttato a causa del suo livello di temperatura e del contenuto energetico troppo bassi. Questi ultimi devono essere prodotti a temperatura più elevata per essere sfruttati e valorizzati. Allo stesso tempo, a causa del degrado delle prestazioni elettriche all’aumentare della temperatura, la temperatura di esercizio dovrebbe essere ottimizzata per raggiungere prestazioni globali ottimali. Un altro punto da considerare è che all’aumentare della temperatura di esercizio del pannello fotovoltaico, la quantità di calore che si può estrarre diminuisce e diventa zero per la temperatura di ristagno ( T _st) per cui il pannello è in equilibrio termico con l’ambiente. Il comportamento termico del pannello fotovoltaico deve quindi essere effettuato da un punto di vista energetico per valutare la quantità di energia coinvolta, oltre che da un punto di vista exergetico per valutare il potenziale teorico di sfruttamento dell’energia termica estratta.

2.1.1. Analisi energetica di un sistema fotovoltaico/collettore termico

Vengono considerati i diversi tipi di flussi di energia coinvolti in un sistema FV/collettore termico (PV/TC), in base alle condizioni operative applicate al pannello nella Figura 2 .

Figura 2. Rappresentazione schematica dei flussi scambiati tra un pannello fotovoltaico/collettore termico e il suo circostante con quanto segue:

{\dot{E}}_{s}

è l’irradiazione solare in entrata assorbita,

{\dot{Q}}_{h}

è l’energia termica utile,

{\dot{W}}_{P V}

è la potenza elettrica prodotta,

{\dot{Q}}_{c o n v}

è la perdita di calore convettiva naturale e forzata, e

{\dot{Q}}_{r a d}

sono le dispersioni di calore radiativo.

Assumendo che la temperatura del pannello PV/TC sia omogenea, e che le superfici posteriore, laterale e laterale del pannello siano adiabatiche, si considerano solo gli scambi della superficie frontale con l’ambiente esterno (convettivo con l’ambiente e radiativo con il cielo). Applicando la prima legge della termodinamica sull’associazione PV/TC, che è considerata come un unico volume di controllo uniforme e in regime stazionario, si ottiene quanto segue:

e ˙ S - Q ˙ c o n v - Q ˙ r e d - w ˙ P V - Q ˙ h = 0

(1)

dove ${\dot{E}}_{s}$ è l’irradiazione solare in entrata assorbita, ${\dot{W}}_{P V}$ è la produzione di energia elettrica, ${\dot{Q}}_{h}$ è la produzione di energia termica, e ${\dot{Q}}_{c o n v}, {\dot{Q}}_{r a d}$ sono rispettivamente le dispersioni convettive e radiative.

L’energia solare totale che viene assorbita dal pannello fotovoltaico è la seguente:

e ˙ S = (ατ_) io G

(2)

dove $α$ è l’assorbimento solare degli strati fotovoltaici, $τ$ è la trasmittanza solare della vetrata, e $I_{G}$ è l’irradiazione incidente globale.

L’energia elettrica prodotta dalla cella è espressa dall’equazione (3) :

w ˙ P V = (ατ_) io G η P V = (ατ_) io G η r e f [1 - beta r e f (T ce l l_- T S T C)]

(3)

In quale

η_{P V}

è l’efficienza elettrica che dipende dalla temperatura operativa effettiva della cella e

η_{r e f}

è l’efficienza elettrica di riferimento del modulo fotovoltaico funzionante alle condizioni di prova standard (STC) T _STC = 25 °C con un irraggiamento solare globale I _G = 1000 W·m ⁻². Il coefficiente di temperatura

β_{r e f}

si basa sulle proprietà del materiale e _{la cella} T è la temperatura operativa della cella. I valori di

η_{r e f}

β_{r e f}

utilizzati per questo studio provengono da pannelli fotovoltaici commerciali standard.

Per determinare lo scambio termico tra il pannello e l’aria ambiente si considera un coefficiente di scambio termico globale convettivo (naturale e forzato). Prova et al. valutato sperimentalmente il coefficiente di scambio convettivo di una lastra posta in ambiente naturale ed è stata registrata la velocità del vento ad un’altezza di 1 m sopra la lastra. Sono stati in grado di sviluppare una correlazione lineare che viene utilizzata qui:

Q ˙ c o n v = h c o n v (T ce l l_- T a m b)

(4)

Il coefficiente di calore convettivo si trasferisce $h_{c o n v}$ dipende dalla velocità del vento V _w come segue:

h c o n v = 2 . 56 V w + 8 . 55

Il tasso di scambio termico radiativo è dato dalla legge di Stephan-Boltzman :

Q ˙ r e d = σ ε (T 4 ce l l_- T 4 sk y_)

(5)

dove $ε$ è l’emissività del pannello fotovoltaico e $σ$ è la costante di Stephan-Boltzmann. La temperatura del cielo T _sky dipende dalla temperatura ambiente T _amb ed è espressa come segue: $T_{s k y} = 0.0552 T_{a m b}^{1.5}$ .

L’analisi energetica può essere effettuata considerando i seguenti criteri di prestazione:

Efficienza elettrica:

η P V = w ˙ P V e ˙ S

(6)

Efficienza termica:

η t h = Q ˙ h e ˙ S

(7)

Efficienza complessiva:

η g l = η P V + η t h

(8)

2.1.2. Analisi exergetica del sistema fotovoltaico/collettore termico

L’analisi exergia permette di valutare la qualità dell’energia coinvolta in un sistema e di standardizzare la valutazione della qualità termodinamica di sistemi in cui sono coinvolte diverse forme di energia. L’exergia quantifica il lavoro massimo che può essere idealmente prodotto da un processo ideale reversibile, come un motore di Carnot, e può quindi essere definito come il contenuto di lavoro dell’energia. L’energia elettrica è un’energia di alta qualità ed è quindi considerata come pura energia in quanto può essere idealmente completamente convertita in lavoro utilizzando un motore elettrico ideale. L’exergia termica (caratterizzante della qualità dell’energia termica) dipende dalla sua temperatura ( T _h ) rispetto alla temperatura di riferimento ( T ₀), per il quale il contenuto di exergia dell’energia termica è zero (stato morto). L’exergia termica corrisponde alla massima quantità di lavoro che può essere idealmente prodotta da un ciclo di Carnot che consuma calore ${\dot{Q}}_{h}$ a T _he cedendo calore a T ₀ :

e x = Q ˙ h (1 - T 0 T h) = Q ˙ h . θ h

Il fattore Carnot

θ_{h} = 1 - \frac{T_{0}}{T_{h}}

viene introdotto per stimare il contenuto di exergia di una data quantità di energia termica disponibile ad una temperatura T _h . In quello studio, la temperatura di riferimento T ₀ è uguale a T _amb .

Per valutare il lavoro equivalente trasformabile e stimare l’exergia distrutta nel pannello FV/TC, e quindi la sua qualità termodinamica, un bilancio exergetico del sistema può anche essere espresso come:

e ˙ X S - w ˙ P V - e ˙ X Q ˙ h - (e ˙ X Q ˙ c o n v + e ˙ X Q ˙ r e d) - e ˙ X d es_= 0

(9)

In letteratura sono proposti diversi metodi [ 28 ] per determinare l’exergia solare Ex _s dell’irraggiamento in entrata. Uno dei metodi di calcolo più comunemente usati è proposto da Chow [ 14 ] considerando una temperatura T _s del sole di 6000 K:

e ˙ X S = e ˙ S (1 - T a m b T S)

(10)

Inoltre, l’esercizio del calore $\dot{E} x_{{\dot{Q}}_{h}}$ recuperato alla temperatura di esercizio della _cella T del pannello è espresso come segue:

e ˙ X Q ˙ h = Q ˙ h (1 - T a m b T ce l l _)

(11)

Poiché l’energia elettrica può essere idealmente interamente convertita in lavoro, per definizione l’esercizio della produzione di elettricità è il tasso di energia elettrica

{\dot{W}}_{P V}

Da queste definizioni, l’efficienza energetica, l’efficienza energetica termica e l’efficienza energetica complessiva di un sistema FV/TC possono essere calcolate dalle seguenti relazioni:

η e X P V = w ˙ P V e ˙ X S

(12)

η e X t h = e ˙ X Q ˙ h e ˙ X S

(13)

η e X g l = w ˙ P V + e ˙ X Q ˙ h e ˙ X S = η e X P V + η e X t h

(14)

2.2. Sistemi a guida termica accoppiati al pannello fotovoltaico/collettore termico per la valorizzazione del calore

In questa parte viene svolta un’analisi dei diversi sistemi di conversione energetica accoppiati ad un impianto FV/TC per la valorizzazione del calore prodotto. Il calore, infatti, può essere valorizzato nel lavoro utilizzando un ciclo motore ditermico, oppure a freddo utilizzando una macchina tritermica. Tale accoppiamento consentirà di ridurre la temperatura di esercizio del pannello fotovoltaico, migliorandone così le prestazioni elettriche, e di produrre lavoro o freddo che aumenteranno le prestazioni complessive dell’impianto. Le energie di uscita di ciascun giunto vengono analizzate e valutate per ciascuna configurazione per determinare le condizioni operative ottimali in base all’applicazione desiderata.

2.2.1. Sistema di collettore fotovoltaico/termico accoppiato a un motore di Carnot endoreversibile ditermico per la produzione di lavoro aggiuntivo

La prima combinazione consiste nell’accoppiare il sistema FV/TC con una macchina di-termica che sfrutta il calore prodotto dal FV/TC, al fine di produrre un lavoro utile che può essere successivamente convertito in energia elettrica aggiuntiva, come illustrato in Figura 3 .

Figura 3. Accoppiamento pannello fotovoltaico/collettore termico con ciclo motore Carnot endoreversibile.

La macchina ditermica considerata è un motore Carnot endoreversibile [ 29 ]. Questa macchina concettuale consente un’analisi più realistica rispetto a quella della macchina di Carnot. Tiene conto delle irreversibilità termodinamiche causate dal calore ceduto tra il ciclo e le fonti di calore e i dissipatori. Il ciclo quindi opera in modo reversibile tra le temperature interne ( T _h,i ) e ( T _0 ,i ), senza irreversibilità termodinamica interna. Pertanto, il lavoro ${\dot{W}}_{e n d o}$ che può essere prodotto dal consumo di una determinata quantità di potenza termica ${\dot{Q}}_{h}$ at T _h può essere stimato considerando i pinch termici necessari per lo scambio termico come:

w ˙ e e d o = Q ˙ h (1 - T 0 , io T h , io) = Q ˙ h (1 - T a m b + Δ T 0 T h - Δ T 1)

(15)

Con un ciclo di efficienza del motore di lavoro definito come segue [ 29 ]:

η e e d o = w ˙ e e d o Q ˙ h = 1 - T a m b + Δ T 0 T h - Δ T 1

(16)

Le differenze di temperatura Δ T necessarie per lo scambio di calore tra le sorgenti esterne con il motore endoreversibile di Carnot sono stimate in base a dati realistici coefficienti di scambio termico mediante le seguenti equazioni.

Q ˙ 0 = (U S) 0 Δ T 0

(17)

Q ˙ h = (U S) h Δ T 1

(18)

dove ( US ) ₀ e ( US ) _h sono la conduttanza termica globale tra il motore di Carnot endoreversibile con l’ambiente e il PV/TC, rispettivamente.

2.2.2. Sistema FV/Collettore Termico accoppiato ad una macchina tritermica per la produzione del freddo

La seconda combinazione consiste nell’accoppiare il sistema PV/TC con una macchina tritermica al fine di valorizzare il calore prodotto in freddo come illustrato in Figura 4 . Un sistema tritermico è un sistema termodinamico chiuso che scambia solo energia termica con le sorgenti termiche/pobitori esterni. Funziona tra tre diversi livelli di temperatura: una temperatura della sorgente calda rilevata T _h , una temperatura della sorgente fredda nota T _c e una temperatura del dissipatore di calore T _amb che generalmente corrisponde all’ambiente ambiente.

{\dot{Q}}_{h}

{\dot{Q}}_{c}

sono le quantità di calore scambiate tra il sistema e le sorgenti termiche esterne rispettivamente a T _h e T _c .

Figura 4. Vista schematica dell’accoppiamento di un impianto FV/TC con una macchina tritermica operante tra tre livelli di temperatura per la produzione di freddo utilizzabile nell’edificio.

Da un punto di vista termodinamico, il sistema tritermico può essere considerato come il risultato dell’accoppiamento di due cicli ditermici: un ciclo motore ed un ciclo frigorifero inverso. Pertanto, questo sistema tritermico può essere analizzato come una macchina endoreversibile consistente nell’accoppiamento di due cicli ditermici endoreversibili: un ciclo motore endoreversibile operante tra T _h e T _amb accoppiato ad un ciclo frigorifero endoreversibile operante tra T _c e T _amb . Le prestazioni complessive della macchina tritermica endoreversibile possono quindi essere realisticamente caratterizzate considerando le irreversibilità termodinamiche dovute solo allo scambio termico esterno come segue [30 ]:

C o P 3 T e e d o = η e e d o C o P 2 T e e d o

(19)

Con l’efficienza del ciclo motore endoreversibile

η_{e n d o}

definito dall’equazione (16).

Il lavoro prodotto dal primo ciclo viene consumato internamente dal secondo ciclo inverso per produrre freddo ( ${\dot{Q}}_{c}$ ) a T _c , cedendo calore ( ${\dot{Q}}_{0}$ ) anche presso T _amb . Questa prestazione di questo ciclo frigorifero può essere caratterizzata anche dal suo coefficiente di prestazione endoreversibile definito come:

C o P 2 T e e d o = Q ˙ c w ˙ e e d o = 1 T 0 , io T c , io - 1 = T c - Δ T 2 ( T a m b + Δ T 0 ) - ( T c - Δ T 2 )

(20)

dove le differenze di temperatura Δ T ₂ e Δ T ₀ necessarie per lo scambio termico tra le sorgenti esterne con il ciclo frigorifero sono stimate utilizzando rispettivamente le equazioni (17) e (18) nelle stesse condizioni.

Sostituendo le equazioni (16) e (20) nell’equazione (19), fornisce quanto segue [ 30 ]:

C o P 3 T e e d o = Q ˙ c Q ˙ h = (T c - Δ T 2 T h - Δ T 1) (( T h - Δ T 1 ) - ( T a m b + Δ T 0 ) ( T a m b + Δ T 0 ) - ( T c - Δ T 2 ))

(21)

Il freddo prodotto da una tale macchina tritermica può essere utilizzato in diversi modi. Può essere utilizzato per la climatizzazione di un edificio o per soddisfare una richiesta specifica, come il raffreddamento di dispositivi elettronici come gli inverter. Le uscite finali di energia di un tale sistema sono quindi elettricità e freddo, che devono essere ottimizzate a seconda dell’applicazione mirata.

2.2.3. Raffreddamento attivo di un pannello fotovoltaico aggiuntivo mediante una macchina tritermica endoreversibile

Un’altra applicazione del freddo prodotto dalla macchina tritermica è fornire un raffreddamento attivo di un’area aggiuntiva del pannello fotovoltaico per migliorare la produzione elettrica complessiva. L’impatto del pannello fotovoltaico di raffreddamento attivo da parte della macchina tritermica endoreversibile è quindi studiato qui. Come mostrato in figura 5 , il primo pannello (sorgente calda) è mantenuto ad una prima temperatura di esercizio T _h , mentre il secondo pannello è raffreddato e mantenuto ad una seconda temperatura di esercizio T _c (sorgente fredda) dalla macchina tritermica endoreversibile. Come la quantità di freddo prodotto

{\dot{Q}}_{c}

è fissato da queste temperature di esercizio, allora una data superficie S ₂ del secondo pannello fotovoltaico può essere mantenuta a quella temperatura T _c_.

Figura 5. Raffreddamento di un secondo pannello FV mediante una macchina tritermica endoreversibile accoppiata a un sistema FV/TC.

Le condizioni di lavoro del secondo pannello a tale temperatura consentono una migliore efficienza elettrica in quanto viene mantenuto ad una temperatura inferiore a quella ambiente o comunque a temperatura ambiente. Pertanto, per questa configurazione di accoppiamento, l’unica uscita di energia del sistema è il lavoro elettrico. Le prestazioni di entrambi i pannelli fotovoltaici devono essere ottimizzate in modo da raggiungere la massima prestazione elettrica globale. L’energia termica a T _h prodotta da una superficie S ₁ del primo pannello fotovoltaico viene utilizzata come fonte di calore di pilotaggio della macchina tritermica. Il freddo prodotto alla temperatura T _c mantiene la superficie del secondo pannello fotovoltaico S ₂ a questa temperatura. Quindi, a seconda della temperatura freddaT _c , la superficie S ₂ è determinata dal seguente insieme di relazioni che caratterizzano le prestazioni frigorifere del sistema di accoppiamento dei due pannelli fotovoltaici con la macchina endoreversibile:

C o P 3 T e e d o = Q ˙ c Q ˙ h = S 2 [ io r r - Q ˙ c o n v ( T c ) - Q ˙ r e d ( T c ) - w ˙ P V 2 ( T c ) ] S 1 [ io r r - Q ˙ c o n v ( T h ) - Q ˙ r e d ( T h ) - w ˙ P V 1 ( T h ) ]

(22)

C o P 3 T e e d o = Q ˙ c Q ˙ h = ( U S ) c Δ T 2 ( U S ) h Δ T 1

(23)

dove l’equazione (23) può essere sviluppata e scritta come equazione (21).

L’energia elettrica prodotta da questi due pannelli di superficie S ₁ e S ₂ viene quindi confrontata con la produzione della stessa superficie di un pannello puramente fotovoltaico ( S ₁ + S ₂ ) nelle stesse condizioni, ma senza essere raffreddato o recuperare calore (es. funzionando a temperatura di stagnazione T _st ). Il guadagno elettrico complessivo è definito come:

G un io n P V 1 + P V 2 = ( w ˙ P V 1 ( T h ) S 1 + w ˙ P V 2 ( T c ) S 2 ) - w ˙ P V ( T s t ) ( S 1 + S 2 ) w ˙ P V ( T s t ) ( S 1 + S 2 )

(24)

Questo guadagno elettrico complessivo può essere paragonato al guadagno elettrico ottenuto per ciascun pannello fotovoltaico che può anche essere definito come:

G un io n P V 1 = w ˙ P V 1 ( T h ) - w ˙ P V ( T s t ) w ˙ P V ( T s t ) un e d G un io n P V 2 = w ˙ P V 2 ( T c ) - w ˙ P V ( T s t ) w ˙ P V ( T s t )

(25)

3. Risultati e discussioni

I risultati delle analisi descritte in questa sezione sono eseguiti considerando le caratteristiche reali dei pannelli fotovoltaici prodotti da SUNPOWER (SPR-Max2-360-COM) e riassunti nella Tabella 1 . Lo studio viene eseguito considerando una temperatura ambiente di 40 °C, una velocità del vento di 1 m·s ⁻¹ e diversi irraggiamenti solari da 400 a 1000 W·m ⁻² . È stato sviluppato uno strumento di simulazione in ambiente Python per risolvere le equazioni del modello termodinamico presentato nella sezione precedente.

Tabella 1. Principali parametri considerati per la valutazione delle prestazioni di PV/TC.

3.1. Analisi energetica ed exergia di un solo pannello FV/TC

La figura 6 mostra l’evoluzione delle potenze elettriche e termiche generate da 1 m ² del pannello fotovoltaico prescelto, in funzione della temperatura di esercizio del pannello fotovoltaico per diversi irraggiamenti solari da 400 a 1000 W·m ⁻² . La temperatura del pannello fotovoltaico evolve da una temperatura massima (o di ristagno) T _stvariabile da 81 °C a 40 °C. Per questa temperatura di equilibrio ad un determinato irraggiamento solare, la produzione elettrica è la più bassa e non è possibile alcun recupero di calore: tutto il calore generato viene disperso nell’ambiente circostante. Quando il calore viene estratto dal pannello fotovoltaico, la temperatura del pannello diminuisce, il che aumenta l’energia elettrica prodotta e l’energia termica che può essere recuperata. Questa evoluzione è quasi lineare (anche se l’evoluzione delle perdite di radiazione non è lineare con il cielo) per l’energia globale del sistema. Come previsto, le migliori prestazioni si ottengono quando la temperatura di esercizio del pannello è uguale a quella ambiente.

Figura 6. Variazione termica (

{\dot{Q}}_{h}

con linee tratteggiate blu, rosse e nere) ed energia elettrica (

{\dot{W}}_{P V}

in linea continua blu, rossa e nera) del PV/TC e delle perdite (

{\dot{Q}}_{c o n v}

{\dot{Q}}_{r a d}

tratteggiata gialla) con la sua temperatura di esercizio per i diversi irraggiamenti solari.

Per quanto riguarda l’energia termica generata dal FV/TC, se non viene recuperato calore operando sotto un irraggiamento solare di 1000 W·m ⁻² , il pannello raggiungerà l’equilibrio termico con una temperatura massima raggiungibile corrispondente ad una produzione elettrica di 156 W ·m ⁻² e 0 W·m ⁻² di energia termica. La bassa temperatura del pannello FV/TC permette di ridurre le perdite di energia per raggiungere, a temperatura ambiente, una produzione massima di energia elettrica di 188 W·m ⁻² , una produzione massima di energia termica di 738 W·m ⁻², e le dispersioni convettive nell’ambiente che sono nulle. La temperatura di lavoro del pannello fotovoltaico ha una grande importanza; ha un impatto sull’utilità del calore recuperato, come si evince dall’analisi exergia che viene effettuata di seguito.

La Figura 7 mostra l’evoluzione dell’exergia termica, elettrica e complessiva del pannello FV/TC funzionante nelle stesse condizioni di funzionamento definite in precedenza nell’analisi energetica. Contrariamente all’evoluzione lineare delle diverse forme di energia, solo l’exergia elettrica evolve in modo lineare con il raffreddamento del pannello per la sua definizione di equivalente all’energia elettrica. L’exergia termica passa da 0 W·m ² quando il PV/TC è alla temperatura di ristagno T _st per raggiungere un valore massimo di 25 W·m ⁻² per un irraggiamento solare di 1000 W·m ⁻²e poi diminuisce con la diminuzione della temperatura del pannello FV per raggiungere nuovamente un valore nullo quando il pannello FV funziona a temperatura ambiente. Come si può notare nella figura 7 , per ogni irraggiamento solare, due temperature di esercizio ottimali

T_{h}^{*}

{\tilde{T}}_{h}

può essere definito come segue: il primo corrisponde alla temperatura che massimizza il contenuto energetico complessivo, e il secondo corrisponde alla temperatura che massimizza il contenuto energetico termico. Il contenuto energetico massimo dell’energia termica per irraggiamento solare di 1000 W·m ⁻² si ottiene quando il pannello fotovoltaico funziona a 62 °C, che corrisponde dalla Figura 6 ad una produzione di calore di circa 380 W·m ⁻² e ad un produzione di 170 W·m ⁻². Nonostante l’elevata quantità di calore recuperato a temperatura ambiente, l’exergia termica è nulla perché si raggiunge lo stato morto (equilibrio termico con l’ambiente), come si può vedere nell’Equazione (11). Per quanto riguarda l’evoluzione dell’exergia globale del PV/TC, essa aumenta con il raffreddamento dei pannelli fotovoltaici. Dopo la temperatura di 62 °C per cui l’exergia termica è massima, l’exergia complessiva continua ad aumentare anche se l’exergia termica si degrada perché l’exergia elettrica aumenta e compensa questo degrado. L’exergia complessiva raggiunge quindi un massimo di 200 W·m ⁻²per una temperatura di esercizio fotovoltaico di 54 °C e decresce leggermente per eguagliare l’energia elettrica ottenuta dal pannello fotovoltaico quando opera a temperatura ambiente. Si può notare che l’energia termica è molto inferiore a quella elettrica a causa della bassa temperatura di esercizio del collettore.

Figura 7. Variazioni del sistema FV/TC delle esergie termiche (linee tratteggiate blu, rosse e nere), elettriche (linee continue viola) e complessive (linee continue blu, rosse e nere) con la sua temperatura di esercizio per i diversi irraggiamenti solari . Temperature di esercizio ottimali

T_{h}^{*}

{\tilde{T}}_{h}

sono rappresentati da punti.

Le quantità di energia prodotte dai pannelli FV/TC dipendono dall’irraggiamento solare in ingresso. Quando l’irraggiamento solare diminuisce, diminuisce anche la temperatura di ristagno e le temperature ottimali che massimizzano l’exergia termica e complessivamente prodotta. Queste temperature ottimali diminuiscono quasi linearmente con la diminuzione dell’irraggiamento solare come illustrato nella Figura 8 . La temperatura di ristagno varia tra 81 °C e 46 °C con variazione dell’irraggiamento solare da 1000 W·m ⁻² a 200 W·m ⁻² . Questi valori sono simili a quelli ottenuti nello studio condotto da Jakhrani et al. [ 31], che ha proposto diverse correlazioni validate sperimentalmente per la valutazione della temperatura di stagnazione di un pannello fotovoltaico per vari irraggiamenti solari. Sebbene le condizioni ambientali operative non siano esattamente identiche, si può notare che i risultati presentati in questo lavoro sono vicini a quelli ottenuti da Jakhrani et al.

Figura 8. Variazione della temperatura di equilibrio T _st e delle temperature ottimali

T_{h}^{*}

{\tilde{T}}_{h}

con irraggiamento solare.

3.2. Analisi delle prestazioni dell’accoppiamento di un pannello PV/TC con un motore di Carnot endoreversibile

La figura 9 presenta il lavoro che può essere prodotto da un ciclo motore endoreversibile azionato da un collettore fotovoltaico/termico che fornisce calore a T _h . Le differenze di temperatura Δ T ₀ e Δ T ₁ sono calcolate utilizzando le equazioni (17) e (18) assumendo i valori di conduttanza termica globale come (US) ₀ = 300 W·K ⁻¹ e (US) _h = 50 W·K ^-1 . Questi valori sono presi per un coefficiente di scambio termico realistico in cui (US) ₀ è considerato maggiore di (US) _h , e quindi Δ T ₀ è minore di Δ T ₁ . Si può vedere dentroFigura 9 che il lavoro prodotto aumenta da zero ad un valore massimo e diminuisce dopo fino a zero quando la temperatura del pannello FV diminuisce, mentre la differenza di temperatura necessaria per lo scambio termico Δ T ₁ tra pannello FV e ciclo motore aumenta linearmente. Per un irraggiamento solare di 1000 W·m ⁻² , un Δ T ₁ di funzionamento ottimale per lo scambio termico di circa 5,5 °C consente di produrre un lavoro massimo di 16,5 W·m ⁻² , corrispondente ad una temperatura ottimale di esercizio di

{\tilde{T}}_{h}

= 68 °C per il pannello FV. Si noti che il ciclo motore endoreversibile considerato in questo studio è un modello semplificato di qualsiasi motore. Un approccio simile è stato considerato da Fudholi et al., che ha studiato sperimentalmente l’accoppiamento tra un pannello PVT e un modulo TEG, che è un generatore ditermico termoelettrico [ 22 ]. Per un irraggiamento solare di 1000 W·m ⁻² , la produzione aggiuntiva di elettricità del modulo TEG è di circa 12 W, che è dello stesso ordine di grandezza della produzione del motore ditermico endoreversibile qui considerato.

Figura 9. Variazione del lavoro prodotto dal sistema PV/TC accoppiato ad un motore endoreversibile con la sua temperatura di esercizio e per diversi irraggiamenti solari (curve continue nere, rosse e blu). Variazione della corrispondente differenza di temperatura di scambio termico

Δ T_{h}

richiesta tra il pannello fotovoltaico e il ciclo motore endoreversibile (linee rette tratteggiate nere, rosse e blu).

Considerando la produzione di elettricità e lavoro, la corrispondente efficienza energetica del sistema globale è valutata e rappresentata nella Figura 10 . Per l’efficienza dell’energia elettrica, l’evoluzione è simile all’evoluzione della potenza elettrica ( Figura 6 ) in quanto l’energia elettrica è considerata come energia totale: parte dal 15,5% per la temperatura massima di esercizio del pannello fotovoltaico di 81 °C (temperatura di stagnazione sotto un irraggiamento solare di 1000 W·m ⁻² ) e aumenta leggermente quando il pannello FV si raffredda. Il rendimento dell’exergia termica segue la stessa evoluzione del lavoro prodotto dal motore endoreversibile: parte da 0 per la temperatura di ristagno del pannello fotovoltaico, raggiunge un valore massimo di 1,67% a

{\tilde{T}}_{h}

, e si azzera al diminuire della temperatura del pannello fotovoltaico. Di conseguenza, l’efficienza energetica globale aumenta al diminuire della temperatura del pannello fotovoltaico, grazie in primo luogo al miglioramento della produzione di energia elettrica e in secondo luogo alla valorizzazione della crescente quantità di calore recuperata dal pannello fotovoltaico dal motore endoreversibile. Questo ciclo endoreversibile sfrutta questo calore recuperato prodotto per convertirlo in lavoro aggiuntivo: raggiunge un rendimento complessivo massimo di circa il 18,7% per una temperatura di esercizio ottimale di

T_{h}^{*}

= 62 °C sotto 1000 W·m ⁻² di irraggiamento solare. Tuttavia, quando la temperatura del pannello FV scende al di sotto di questa temperatura di esercizio ottimale

T_{h}^{*}

, anche se la produzione elettrica aumenta leggermente, l’efficienza energetica complessiva diminuisce a causa di una significativa diminuzione del lavoro prodotto dal motore endoreversibile.

Figura 10. Variazione del sistema PV/TC accoppiato a un motore endoreversibile dell’efficienza del motore di lavoro (linee tratteggiate blu, rosse e nere), dell’efficienza elettrica (linee continue viola) e dell’efficienza complessiva (linee continue blu, rosse e nere) in funzione della temperatura di esercizio del pannello fotovoltaico.

Infine, sfruttando l’energia termica recuperata dal pannello fotovoltaico per produrre lavoro aggiuntivo attraverso una macchina Carnot endoreversibile, dovrebbe essere possibile ottenere prestazioni complessive più elevate convertendo ulteriormente il lavoro prodotto in energia elettrica aggiuntiva. Le prestazioni elettriche complessive ottenute da tale accoppiamento dovrebbero essere vicine e superiori a quelle ottenute da un pannello fotovoltaico convenzionale funzionante a temperatura ambiente, qualunque sia l’irraggiamento solare. L’elettricità prodotta da questo pannello fotovoltaico operante in condizioni STC (condizioni ambientali a 25 °C sotto 1000 W·m ⁻² ) è di circa 188 W·m ⁻² , mentre l’energia totale raggiunta da questo pannello fotovoltaico operante a

{\tilde{T}}_{h}

= 62 °C accoppiato al motore endoreversibile è di circa 186 W·m ⁻² .

3.3. Analisi delle prestazioni dell’accoppiamento di un pannello PV/TC con una macchina tritermica endoreversibile per la produzione del freddo

Per ogni quantità di energia termica recuperata dal pannello fotovoltaico ad una temperatura T _h , si produce una quantità di freddo risultante, che dipende anche dalla temperatura di freddo desiderata T _c . Si può vedere dall’equazione (21) che minore è la temperatura raggiunta nella produzione del freddo, minore è la quantità di freddo prodotto. La figura 11 rappresenta l’evoluzione del freddo prodotto da tale macchina tritermica in funzione della temperatura di freddo desiderata quando accoppiata a 1 m ² di pannello che eroga calore

{\dot{Q}}_{h}

alle temperature di esercizio ottimali del pannello FV precedentemente definite,

{\tilde{T}}_{h}

T_{h}^{*}

Figura 11. Freddo prodotto a diversa temperatura Tc da una macchina tritermica endoreversibile accoppiata al sistema PV/TC funzionante a

{\tilde{T}}_{h}

(linee tratteggiate blu, rosse e nere) e at

T_{h}^{*}

(linee continue blu, rosse e nere).

Il freddo prodotto corrisponde a quello erogato nelle condizioni ottimali di funzionamento di un pannello fotovoltaico caldo che ne massimizza sia l’exergia complessiva (

T_{h}^{*}

) o solo la sua energia termica (

{\tilde{T}}_{h}

), come visto in precedenza nella Figura 10 . Per 288 W·m ⁻² di energia termica erogata dal pannello fotovoltaico a

{\tilde{T}}_{h}

= 68 °C ( Figura 6 ), 143 W·m ⁻² di freddo a 20 °C possono essere prodotti con un irraggiamento solare di 1000 W·m ⁻² , mentre solo 128 W·m ⁻² di freddo possono essere prodotti a 20 °C quando il pannello fotovoltaico funziona alla temperatura ottimale

T_{h}^{*}

= 62 °C, che massimizza la produzione energetica complessiva del pannello con 380 W·m ⁻² di energia termica recuperata. Come visto in precedenza nel sistema PV/TC accoppiato a un motore Carnot ditermico endoreversibile nella Sezione 2.2.1 , la quantità di freddo prodotta dalla macchina tritermica ottenuta alla temperatura

{\tilde{T}}_{h}

corrispondente alla massima energia termica prodotta dal pannello fotovoltaico è più importante del freddo prodotto a

T_{h}^{*}

. Inoltre, per una produzione a freddo a 20 °C, il coefficiente di prestazione della macchina tritermica endoreversibile è di circa 0,24 se azionata con calore fornito a

{\tilde{T}}_{h}

= 68 °C, mentre è 0,21 se operato a

T_{h}^{*}

= 62°C. Le prestazioni di raffreddamento di queste macchine tritermiche endoreversibili considerate in questo studio sono chiuse e simili a quelle ottenute dal ciclo di adsorbimento gel di silice/acqua operando nello stesso intervallo di temperatura [ 32 ].

3.4. Miglioramento delle prestazioni elettriche fornito da un raffreddamento attivo di un pannello fotovoltaico aggiuntivo mediante la macchina tritermica endoreversibile

L’evoluzione di questi guadagni elettrici è rappresentata nella Figura 12 in funzione della temperatura FV raffreddata, anche per i diversi irraggiamenti solari.

Figura 12. ( a ) Variazione per i diversi irraggiamenti solari dei guadagni elettrici di entrambi i pannelli PV ₁ (linee tratteggiate blu, rosse e nere) e PV ₂ (linee tratteggiate blu, rosse e nere) con la temperatura di PV _{2 raffreddata}T _c quando Il pannello PV ₁ funziona alla sua temperatura ottimale T _h^* . ( b ) Guadagno complessivo della produzione di elettricità (linee continue blu, rossa e nera).

La Figura 12 mostra che il guadagno del primo pannello PV ₁ funzionante alla temperatura di energia globale ottimale

T_{h}^{*}

non è influenzato dalla temperatura di esercizio del secondo pannello FV ₂Tc . Il suo guadagno è costante in quanto la sua temperatura di esercizio è mantenuta fissa e dipende solo dall’irraggiamento solare: il guadagno è di circa il 9,84% per un irraggiamento solare di 1000 W·m ⁻² e una temperatura ambiente di 40 °C. Per il secondo pannello che viene raffreddato attivamente al di sotto della temperatura ambiente, si può notare che più bassa è la temperatura, più importante è il guadagno con un’evoluzione lineare che può raggiungere il 40% del guadagno per queste condizioni operative.

Il guadagno complessivo di produzione di energia elettrica aumenta leggermente quando la temperatura di esercizio T _c del pannello refrigerato è prossima alla temperatura ambiente, perché in tale intervallo di temperatura la quantità di freddo prodotta dalla macchina tritermica aumenta da 80 W·m ⁻² a 430 W·m ⁻² e permette di mantenere una superficie maggiore S ₂ a T _c . La produzione elettrica del secondo pannello diventa più consistente e fa aumentare il guadagno complessivo fino a raggiungere il 12,81% quando il secondo pannello fotovoltaico è alla temperatura T _c = 30 °C.

3.5. Confronto con il sistema di raffreddamento convenzionale per dissipazione del calore

La Figura 13 mostra un confronto delle prestazioni di questo raffreddamento attivo di pannelli fotovoltaici eseguito da una macchina tritermica con un semplice sistema di dissipazione del calore dei pannelli fotovoltaici a temperatura ambiente, come uno scambiatore di calore raffreddato ad acqua o un materiale a cambiamento di fase posizionato su la parte posteriore del pannello fotovoltaico. Un tale sistema di dissipazione del calore consente convenzionalmente ai pannelli fotovoltaici di funzionare generalmente da 15 a 25 °C al di sopra della temperatura ambiente.

Figura 13. Guadagni elettrici ottenuti con un raffreddamento attivo ideale con macchina tritermica funzionante a

{\tilde{T}}_{h}

(linee tratteggiate blu, rosse e nere) e at

T_{h}^{*}

(linee continue blu, rosse e nere) e confronto con un sistema di dissipazione del calore (linee tratteggiate blu, rosse e nere).

Quando si opera con una macchina frigorifera tritermica endoreversibile, le prestazioni elettriche complessive sono leggermente superiori a quelle ottenute da un dispositivo di dissipazione del calore, come ad esempio uno scambiatore di calore sul retro del pannello fotovoltaico. I sistemi di dissipazione del calore mantengono i pannelli fotovoltaici almeno a T _amb + 15 °C, con convezione forzata dell’acqua o materiali a cambiamento di fase. Per fare un giusto confronto tra il raffreddamento attivo tritermico con i sistemi di dissipazione del calore si considera un caso di riferimento in termini di condizioni di funzionamento a questa temperatura di T _amb+ 15 °C, dove i due sistemi soddisfano le stesse prestazioni. Si può notare che la macchina tritermica consente una maggiore flessibilità in termini di guadagni ottenuti rispetto al sistema di dissipazione del calore. Per queste condizioni di funzionamento, a parità di superficie del pannello, il guadagno elettrico ottenuto dal sistema di dissipazione del calore mantenendo il pannello FV ad una temperatura ( T _amb + 15 °C) è uguale o inferiore al guadagno ottenuto quando il tritermico macchina funziona a

T_{h}^{*}

, qualunque sia la temperatura T _c del freddo prodotto. A differenza del sistema di dissipazione del calore, per garantire questo guadagno, i parametri di funzionamento della temperatura dei pannelli devono essere impostati a T _h = T _amb + 12/15 °C o inferiore. Infine, si può notare nella Figura 13 che i guadagni ottenuti nel

T_{h}^{*}

condizioni operative sono superiori ai guadagni ottenuti nel

{\tilde{T}}_{h}

condizioni operative. Questo perché, anche se la quantità di raffreddamento è maggiore a

{\tilde{T}}_{h}

condizioni operative e mantiene un’area S ₂ più ampia di PV ₂ a T _c , condizioni operative a

T_{h}^{*}

avere un guadagno maggiore di

{\tilde{T}}_{h}

per la stessa area S ₁ .

4. Conclusioni

L’obiettivo di questo studio è stato quello di indagare le potenziali condizioni operative per migliorare l’efficienza complessiva di un pannello fotovoltaico indotta dal recupero dell’energia termica prodotta da quest’ultimo e la sua eventuale valorizzazione in opera o freddo.

È stata presentata un’analisi termodinamica dell’accoppiamento di pannelli fotovoltaici con un motore Carnot endoreversibile che ha mostrato che ci sono due temperature ottimali di funzionamento del pannello

{\tilde{T}}_{h}

T_{h}^{*}

, rispettivamente, che consentono di massimizzare l’exergia termica prodotta dal pannello fotovoltaico, e quindi la sua potenzialità di essere valorizzata in lavoro (o energia elettrica) o di massimizzare l’exergia termica ed elettrica complessiva del pannello fotovoltaico.

L’analisi della valorizzazione del calore recuperato in freddo da parte di una macchina tritermica endoreversibile ha mostrato che la quantità di freddo prodotto è maggiore se il pannello fotovoltaico lavora a temperatura

{\tilde{T}}_{h}

che a

T_{h}^{*}

. Questa differenza è correlata al maggiore contenuto di energia termica disponibile su

{\tilde{T}}_{h}

T_{h}^{*}

. Di conseguenza, il coefficiente di prestazione di questa macchina tritermica endoreversibile è 0,24 quando si utilizza il calore fotovoltaico a

{\tilde{T}}_{h}

e 0,21 per

T_{h}^{*}

condizioni operative.

Nel caso di un raffreddamento attivo di una superficie aggiuntiva del pannello fotovoltaico, i guadagni elettrici ottenuti per queste due temperature ottimali di funzionamento aumentano congiuntamente quando la temperatura fredda prodotta è prossima alla temperatura ambiente. Tuttavia, il funzionamento alla temperatura ottimale

T_{h}^{*}

assicura un guadagno più stabile al variare della temperatura di esercizio del secondo pannello raffreddato, con un guadagno leggermente maggiore per le basse temperature del pannello raffreddato di circa il 12,8% rispetto alle condizioni di lavoro a

{\tilde{T}}_{h}

di circa 11,1% a T _c = 30 °C e 1000 W·m ⁻² .

Confrontando le prestazioni del sistema di raffreddamento attivo con i tradizionali sistemi di dissipazione del calore identificati come lo stato dell’arte, si rileva che la macchina tritermica endoreversibile consente di raggiungere prestazioni simili quando la temperatura del fotovoltaico raffreddato T _c è di 20 °C, in quanto i sistemi dissipativi consentono al pannello fotovoltaico di lavorare a T _amb + 15 °C. Di conseguenza, questa soluzione di raffreddamento attivo può essere considerata tecnicamente competitiva con i sistemi di dissipazione del calore basati su convezione forzata dell’acqua o heat pipe.

L’accoppiamento di tale macchina tritermica con pannelli fotovoltaici potrebbe essere rilevante per prevenire il deterioramento del pannello fotovoltaico nel tempo, grazie ad una temperatura media di esercizio più bassa. Le conclusioni di questo studio teorico devono essere confermate da un’analisi del comportamento transitorio del pannello fotovoltaico/collettore termico e da un approccio sperimentale.