Nuove frontiere per il solare a concentrazione: le applicazioni residenziali

Il fotovoltaico a concentrazione (CPV) è uno dei settori, nel campo delle energie rinnovabili, in maggior fermento negli ultimi anni. A tal proposito, si può considerare che a fronte di una potenza installata a livello mondiale di circa 360 MW nel 2015 ^[1] si prevedono nuove installazioni per oltre 800 MW entro il 2020 ^[2].

Tra i punti di forza di tale tecnologia si possono annoverare:
(i) l’elevata efficienza di conversione delle celle fotovoltaiche (superiore al 40% ^[3]),
(ii) la facile scalabilità e modularità (sono possibili installazioni da pochi kW fino a – teoricamente – diversi GW),
(iii) una maggiore regolarità produttiva durante il giorno (possibile con dispositivi di tracking),
(iv) la possibilità di applicazione cogenerativa (essendo necessario il raffreddamento delle celle).

Nell’immediato futuro sono attesi ulteriori incrementi dell’efficienza di conversione e importanti riduzioni del costo totale di investimento ^[2], così come evidenziato in Figura 1.

Le elevate efficienze di conversione e la riduzione dei costi di installazione, sembrano confermare la possibilità di applicare il solare a concentrazione anche al settore residenziale con un consistente vantaggio economico rispetto alla tradizionale produzione di energia basata sui pannelli fotovoltaici piani e fissi.

Un nuovo sistema fotovoltaico a concentrazione – chiamato SOLARIS ^[4-6] – è stato studiato e definito dall’INAF – Osservatorio Astronomico di Bologna. Il concentratore SOLARIS, schematicamente presentato in Figura 2, è caratterizzato da una grande ottica primaria formata da sette specchi riflettenti che focalizzano la radiazione solare in un unico punto – detto ricevitore – costituito da celle multigiunzione.

Il diametro di ogni specchio è pari a 2.6 m, per una dimensione totale del sistema pari a circa 35 m².

Il ricevitore, invece, è caratterizzato da celle multigiunzione commerciali con il 39% di efficienza nominale a 500 soli e a temperatura ambiente.

L’innovazione del concentratore in oggetto è rappresentata dall’aver elaborato una metodologia di deformazione controllata degli specchi sferici classici al fine di ottenere sul ricevitore un pattern d’illuminazione quadrato (Figura 2). Tale approccio consente di aumentare globalmente l’efficienza di conversione.

Figura 1

Figura 2

Dalla collaborazione tra INAF ed il DIN – Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Bologna è nata l’idea di poter applicare il concentratore SOLARIS come sistema cogenerativo in un contesto residenziale. Oltre infatti alla produzione di energia elettrica fotovoltaica, il sistema può produrre energia termica, tramite recupero di calore dal circuito di raffreddamento del ricevitore.

In condizioni nominali (irraggiamento diretto pari ad 1 kW/m2 ), il sistema SOLARIS, caratterizzato da un fattore di concentrazione pari a 500 soli, è in grado di fornire circa 10 kW elettrici e 23 kW termici con efficienze pari rispettivamente a circa il 29% ed il 65%. Al fine di valutare le prestazioni cogenerative del sistema è stata sviluppata un’analisi parametrica (al variare del numero di utenze) con l’obiettivo di minimizzare contemporaneamente lo scambio di energia elettrica con la rete (immessa o acquistata) e l’impiego delle caldaie per il soddisfacimento delle richieste termiche.

Le ipotesi alla base dello studio – sviluppato considerando un intero anno di funzionamento – sono state quelle di assumere:
(i) per ogni utenza, una richiesta annuale di energia elettrica, termica e frigorifera pari rispettivamente a 3200 kWh, 20000 kWh e 3500 kWh (corrispondenti a circa 1000 kWh di energia elettrica)
(ii) la radiazione solare secondo una latitudine pari a 44,51° e longitudine di 11,35° (corrispondenti alla città di Bologna).

Il risultato delle valutazioni svolte, ha permesso di valutare in 4 il numero ottimale di utenze residenziali servite dal concentratore SOLARIS, nell’ipotesi di integrarlo con un sistema di accumulo termico da 2 m3 ed un numero di batterie tali da garantire una capacità di 42 kWh.

Lo studio svolto ha messo in luce le potenzialità della tecnologia solare a concentrazione anche in applicazioni residenziali micro cogenerative. Il successo di tale tecnologia nel settore residenziale sarà però certo solo se l’immediato futuro confermerà la riduzione dei costi fissi previsti dalla curva in Figura 1.

BILIOGRAFIA
[1] Fraunhofer ISE and NREL (January 2015). “Current Status of Concentrator Photovoltaic (CPV) Technology”
[2] Top Solar Power Industry Trends for 2015 – www.ihs.com

[3] S. Kurtz. “Opportunities and Challenges for Development of a Mature Concentrating Photovoltaic Power Industry”
[4] Giannuzzi A, Diolaiti E, Lombini M, De Rosa A, Marano B, Cosentino G et al. Enhancing the efficiency of solar concentrators by controlled optical aberrations: method and photovoltaic application. Submitted to Applied Energy, in review.
[5] Giannuzzi A, Diolaiti E, Lombini M, De Rosa A, Marano B, Cosentino G et al. Concentratore solare e metodo di ottimizzazione dell’irradianza di tale concentratore solare. Italian patent pending n. TO2014A000016
[6] Giannuzzi A. Enhancing the efficiency of solar concentrators by controlled optical aberrations. PhD Thesis (2014), Università di Bologna.
[7] Bianchi M., Diolaiti E., Giannuzzi A., Marano B., Melino F., Peretto A. Energetic and Economic Analysis of a New Concept of Solar Concentrator for Residential Application, The 7th International Conference on Applied Energy – ICAE2015, March 28-31, Abu Dhabi, United Arab Emirates

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