MODELLIZZAZIONE DI SISTEMI SOLARI INNOVATIVI INTEGRATI NELL' INVOLUCRO EDILIZIO PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA TERMO-ELETTRICA

A seguito delle varie crisi energetiche, si è visto che le Fonti Energetiche Rinnovabili (FER) sono da un lato una risorsa, dall'altro una necessità, quindi in grado di ridurre la dipendenza dai combustibili fossili e ridurre le emissioni di gas serra. Negli anni, la tecnologia solare è diventata la più importante delle FER. Ne è prova l'ampia produzione di articoli scientifici sull'argomento, gli sforzi per migliorare le tecnologie esistenti e soprattutto i numerosi sistemi installati nel mondo. Il miglioramento della tecnologia esistente prevede anche l'utilizzo di sistemi ibridi fotovoltaico/termico (PV/T), che producono contemporaneamente sia energia elettrica che termica, aumentando lo sfruttamento dell'energia solare catturata. Questa tesi di dottorato si propone di studiare le prestazioni degli impianti solari per la produzione di energia elettrica (impianto fotovoltaico) ed energia termica (impianto solare termico) o la loro cogenerazione (impianto ibrido fotovoltaico/termico), nonché la possibilità di aumentarne le prestazioni attraverso l'utilizzo di nanofluidi o materiali a cambiamento di fase e l'installazione di FER solari negli involucri degli edifici. Attraverso un impianto pilota PV/T, installato presso il DIEEI dell'Università degli Studi di Catania, è stato possibile analizzare diversi scenari. Il sistema, monitorato in tutte le sue parti, permette con la sua flessibilità, di simulare qualsiasi carico termico o elettrico, ma permette anche la variazione della sua configurazione: angolo di inclinazione, portate, collegamenti elettrici e termici (serie o parallelo), ecc... Un'ampia indagine sperimentale ha consentito di confrontare le prestazioni termiche ed elettriche dei due pannelli PV/T che compongono l'impianto pilota, a seconda della configurazione idraulica, collegandoli una volta in serie e un'altra in parallelo. Inoltre, il confronto è stato effettuato facendo circolare il fluido di lavoro in un solo pannello, lasciando l'altro in stagnazione. Altre analisi hanno consentito di valutare le prestazioni del PV/T al variare dei livelli termici, ed è stata esplorata la possibilità di gestire la produzione di energia elettrica per migliorare quella termica. L'indagine sperimentale è stata successivamente ampliata utilizzando simulazioni numeriche. Tramite un'applicazione realizzata in TRNSYS e validata con dati sperimentali, sono state confrontate le prestazioni tra un sistema PV/T e diverse disposizioni di sistemi fotovoltaici convenzionali e sistemi solari termici (PV-ST), considerando la stessa superficie per l’installazione. Infatti, quando la superficie disponibile per l’installazione degli impianti solari risulta limitata (ad esempio negli edifici a torre residenziali) si genera una concorrenza per l'installazione di entrambe le tecnologie solari, PV ed ST, al fine di soddisfare il fabbisogno termico ed elettrico dell’edificio. Lo studio viene condotto considerando sia l'approccio di prima e seconda legge della termodinamica che l'analisi economica, avendo come obiettivo un'unità residenziale situata nelle città di Catania (IT), Spalato (HR) e Friburgo (D), città rappresentative di diverse aree geografiche. Un nuovo modello numerico in grado di simulare un sistema PV/T completo è stato sviluppato in Matlab ed è stato convalidato utilizzando i dati misurati nel sistema PV/T pilota. Questo modello si basa sulle equazioni del bilancio energetico per ogni componente del sistema PV/T. Il modello permette di studiare l'impatto che i vari parametri ambientali, gestionali e caratteristici hanno sulla producibilità. L'analisi svolta ha consentito di valutare l'effetto della variazione della portata e della temperatura del fluido sulle prestazioni dell'impianto, nonché le prestazioni su un periodo continuativo di quattro giorni (stagione primaverile) considerando dati climatici reali. Tali informazioni sono cruciali nelle applicazioni reali di impianti PV/T, infatti il modello numerico validato è uno strumento molto utile che può essere utilizzato per il monitoraggio in linea di impianti reali, in modo da rilevare immediatamente guasti o condizioni operative inefficienti attraverso il confronto fra le prestazioni calcolate e quelle osservate in campo. Di solito, i sistemi PV/T hanno alcune limitazioni per soddisfare le esigenze di energia termica; è quindi necessario migliorarne l'efficienza al fine di aumentare il livello di entalpia dell'energia prodotta. Pertanto, utilizzando il modello Matlab, vengono studiati gli effetti sulle prestazioni in un sistema PV/T del cambiamento del fluido di raffreddamento da acqua pura in nanofluido composto da acqua e ossido di alluminio (Al2O3). L'analisi si basa considerando sia l'energia totale prodotta che la sua qualità. Inoltre, è stato calcolato il livello termico ottenibile variando il fluido termovettore, nonché il rendimento elettrico considerando le varie condizioni di ingresso. La possibilità di migliorare le prestazioni degli impianti fotovoltaici è stata studiata utilizzando una tecnica di raffreddamento passivo, che utilizza i materiali a cambiamento di fase (PCM) per controllare la temperatura delle celle fotovoltaiche. Utilizzando il software di simulazione Fluent, è stato sviluppato un modello CFD in grado di simulare il trasferimento di calore, massa e quantità di moto di un PCM collegato dietro un modulo fotovoltaico. Le analisi sono state effettuate considerando diversi periodi dell'anno, e le simulazioni sono state eseguite per più giorni consecutivi in modo da non trascurare l'effettivo grado di solidificazione ottenuto durante la notte. Il modello CFD ha permesso di confrontare il comportamento termico e le prestazioni elettriche di un modulo FV dotato di due differenti tipologie di PCM (PV-PCM) con quelle di un modulo fotovoltaico convenzionale a parità di condizioni operative, evidenziando un incremento delle prestazioni elettriche di PV-PCM rispetto al PV convenzionale. Uno degli obiettivi principali degli NZEB è progettare un involucro edilizio passivo o attivo ad alte prestazioni. Gli involucri passivi per edifici (PBE) ad alte prestazioni sono facciate, finestre, tetti, ecc., in cui il design efficiente riduce i flussi termici tra lo spazio esterno e quello interno, nonché l'effetto di surriscaldamento dovuto alla radiazione solare. A tal fine, si propone un confronto completo del comportamento termico tra una Facciata Ventilata Opaca e una Facciata Non Ventilata convenzionale, considerando sia il periodo invernale che quello estivo. Inoltre, l'analisi indaga i diversi orientamenti delle facciate e diversi stati di ventosità. Queste analisi sono state sviluppate utilizzando calcoli fluidodinamici in condizioni dinamiche, che hanno permesso di determinare: temperature superficiali orarie dello strato più esterno, profili di temperatura per tutti gli strati della facciata, profili di flusso d'aria all'interno dell'intercapedine e in prossimità della facciata, e la temperatura oraria termica flussi che attraversano le facciate. Le installazioni di FER solari applicate o integrate nell'involucro edilizio (i cosiddetti Involucri Edilizi Attivi “ABE”) possono rappresentare un'interessante opportunità per aumentare la frazione del fabbisogno energetico dell'edificio fornito attraverso l'energia solare. Sono state analizzate le prestazioni delle diverse tecnologie solari (PV, ST e PV/T) poste sulle facciate degli edifici e l'effetto che queste possono generare sui flussi termici tra ambiente interno ed esterno. In dettaglio, è stata analizzata l'applicazione di una Facciata Solare Termica di Edificio utilizzata per la produzione di Acqua Calda Sanitaria, considerando diverse località climatiche italiane e due differenti tipologie di collettori solari (Collettore Piano Vetrato "FPC" e Collettore a Tubi Sottovuoti "ETC”). Un'altra analisi ha riguardato l'integrazione di un sistema PV/T nella facciata dell'edificio (BIPVT) utilizzato per soddisfare sia le esigenze termiche che elettriche. Inoltre, l'effetto sui flussi termici che attraversano l'involucro è stato valutato confrontando il fabbisogno energetico dell'edificio dotato di BIPVT con uno equivalente senza BIPVT. Infine, è stata analizzata l'aggiunta di impianti fotovoltaici sulla facciata. Sono stati considerati quattro scenari: (i) facciata attiva non ventilata con aggiunto un modulo tradizionale (monofacciale) (BAPV); (ii) facciata attiva ventilata realizzata con modulo monofacciale (V-BAPV); (iii) facciata attiva ventilata con modulo bifacciale (V-BAbPV); e (iv) facciata attiva ventilata con modulo bifacciale e trattamento riflettente nella parete interna (Vr-BAbPV). L'analisi condotta rivela un buon potenziale di ABE qualunque sia la sua composizione (ST, PV o PV/T), garantendo buone rese e un miglioramento del comportamento termico dell'involucro edilizio.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2021

Author dc:creator

• ANELI, STEFANO

Contributors dc:contributor

• GAGLIANO, Antonio

• Renewable energy sources, Pilot PV/T system, Experimental analysis, Building integrated solar systems
• Fonti energetiche rinnovabili, Impianto PV/t pilota, Analisi sperimentali, Impianti solari integrati negli edifici

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

ita

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/581338

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/581338