Anno formativo 2007/2008
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Concorso Energiaingioco 2008 |
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Impianto fotovoltaico progettato e messo in opera dagli allievi presso la scuola di Schio.
Stiamo per presentarVi un sistema molto affidabile per la rotazione di pannelli solari fotovoltaici; questo apparecchio permette di far ruotare il pannello fotovoltaico solare sempre in direzione del sole permettendo così lo sfruttamento massimo dell'energia solare durante l'arco della giornata. La cellula fotovoltaica ha il massimo rendimento se é orientata ad angolo retto verso la sorgente d'energia - il sole. Qualsiasi altra angolatura di ricezione dell'energia diminuisce drasticamente la pressione di radiazione solare, e quindi anche diminuisce l'energia prodotta dal pannello. Per questo e' molto più conveniente usare un sistema per l’inseguimento del sole massimizzando l’energia prodotta rispetto a quella ottenuta da un sistema fisso. L'energia consumata dal sistema per l’inseguimento solare è irrilevante rispetto all'energia di lavoro ottenuta. Il movimento del sistema avviene automaticamente .
Ottimizzazione della potenza ad inseguimento solare
Introduzione
Questa relazione descrive il lavoro svolto con i ragazzi del CFP CNOS-FAP SALESIANI di SCHIO per realizzare la messa in servizio di un impianto fotovoltaico a inseguimento solare.
L’approvvigionamento energetico basato sul petrolio compromette la qualità dell’ambiente in modo significativo nel corso degli ultimi anni, l’uso sempre più massiccio delle fonti fossili che ha reso particolarmente critica la situazione ambientale, sia dal punto di vista delle emissioni inquinanti, sia riguardo i cambiamenti climatici globali; la crescita dell’economia mondiale, dovuta in particolar modo ai paesi orientali, hanno alimentato un forte desiderio di avviare una transizione, o addirittura una rivoluzione energetica che si inserisca gradualmente nelle problematiche attinenti allo sviluppo sostenibile.
Considerando le Fonti di Energia Rinnovabili (FER) le FER sono fonti non fossili praticamente inesauribili che si distinguono in: solare, idraulica, eolica, geotermica biomasse, correnti marine e di marea,. Inoltre, una rilevante fonte di energia rinnovabile è rappresentata dal cosiddetto risparmio energetico, in quanto è il metodo più immediato ed economico che consenta la riduzione delle emissioni di contaminanti-nell’atmosfera. Esaminando il costo del chilowattora prodotto con le FER si evince che il fotovoltaico ha un costo di circa dieci volte superiore rispetto alle fonti fossili ed al nucleare, che non può essere ridotto se non con un sensibile aumento del rendimento dei moduli solari (attualmente solo del 14%), tale rendimento si può ottenere con un impianto a inseguimento solare.
Gli impianti fotovoltaici riducono la domanda di energia da altre fonti tradizionali contribuendo così alla riduzione dell'inquinamento atmosferico (emissioni di anidride carbonica generate altrimenti dalle centrali termoelettriche). L'emissione di anidride carbonica "evitata" ogni anno è facilmente calcolabile. E' sufficiente moltiplicare il valore di energia elettrica prodotta dall'impianto fotovoltaico per il fattore del mix elettrico italiano (0,531 Kg Ci2/kWhel).
Es. 1000 kWhel/kWp x 0,531 Kg = 531 Kg Co2
Moltiplicando poi l'anidride carbonica "evitata" ogni anno per l'intera vita
dell'impianto fotovoltaico, ovvero per 30 anni, si ottiene il vantaggio sociale
complessivo. Nel precedente esempio, l'impianto fotovoltaico durante la sua vita
"evita" la produzione di 15.930 Kg di CO2 e facilita il rispetto del Protocollo
di Kyoto.
Nella fase di produzione
dei pannelli solari l'impatto ambientale è assimilabile a quello di qualsiasi
industria o stabilimento chimico. Nel processo produttivo sono utilizzate
sostanze tossiche o esplosive che richiedono la presenza di sistemi di sicurezza
e attrezzature adeguate per tutelare la salute dei lavoratori e dell’ambiente
circostante perché in caso di guasti l'impatto sull'ambiente può essere forte
anche se pur sempre locale. L'inquinamento prodotto in caso di malfunzionamento
della produzione incide soprattutto sul sito in cui è localizzata la produzione.
A seconda della tipologia di pannello solare fotovoltaico si avranno differenti
rischi. La produzione del pannello solare cristallino implica la lavorazione di
sostanze chimiche come il triclorosilano, il fosforo ossicloridrico e l'acido
cloridrico. Nella produzione del pannello amorfo troviamo il silano, la fosfina
e il diborano. Infine nella produzione dei CIS spicca il seleniuro di idrogeno e
in quella dei CdTE il cadmio, quest'ultimo ad elevata tossicità e forte impatto
sulla salute. In conclusione, l'impatto ambientale della produzione dei pannelli
solari FV è assimilabile a quello di una qualsiasi produzione industriale
chimica. Fase della fine vita del prodotto. Un pannello solare ha una
durata di 25 anni, ben più lunga di qualsiasi bene mobile di consumo o di
investimento. Al termine del loro ciclo di vita si trasformeranno in un rifiuto
speciale da trattare. I moduli dei pannelli solari FV si caratterizzano per
l'essere composti da numerosi elementi. Un pannello solare include sostanze
tossiche come il rame, il piombo, il gallio, il selenio, l'indio, il cadmio e il
tellurio.
La separazione e il recupero dei metalli non è un processo facile. Un pannello solare FV giunto alla fine della sua vita diventa pertanto un problema per le attività di riciclaggio. Vanno però aggiunte alcune importanti osservazioni. La vendita su scala dei pannelli solari FV sta trovando soltanto in questi ultimi anni un primo boom commerciale. E' molto probabile che nei prossimi anni le attività di riciclaggio dei moduli ricevano investimenti dalle stesse case costruttrici del settore fotovoltaico per recuperare e rigenerare una parte dei metalli necessari per le nuove produzioni.
Le aziende avranno un interesse diretto a produrre pannelli solari con maggiore cura nel futuro recupero dei materiali (es. riciclo pannelli guasti).Durante l'utilizzo di un pannello solare non si riscontra alcun rischio o impatto sulla salute dovuto alla loro presenza. In questa fase può essere considerato critico soprattutto l'impatto paesaggistico. Pensiamo ad esempio alle città d'arte italiane o all'occupazione del suolo agricolo. La tutela del paesaggio sarà comunque garantita con l'integrazione architettonica dei pannelli negli edifici di nuova costruzione e con la diffusione dei pannelli flessibili. Dal punto di vista dell'occupazione del suolo una soluzione pratica arriva dall'uso polifunzionale dei pannelli in aree marginali non utilizzate (es. terrazze, tetti dei capannoni o delle pensiline ecc.). A nostro avviso l'impatto sul paesaggio ha un legame molto forte con la cultura e la percezione della collettività, una volta apprezzati i vantaggi della generazione distribuita dell'energia anche il senso critico-estetico tenderà ad ammorbidirsi.
Origine e potenza della radiazione solare
Nel centro del sole avvengono processi di fusione nucleare in cui due nuclei d’idrogeno (basso numero atomico) si uniscono e formano un nucleo di elio (numero atomico superiore). La fusione nucleare libera enormi quantità di energia in quanto la massa del nucleo risultante è minore della somma delle masse dei nuclei iniziali. La differenza di massa è convertita in energia ( E = m * c2 ).
L’energia liberata equivale ad una massa pari a 4 milioni di tonnellate il secondo (t/s). La fusione nucleare produce un flusso di gas d’alta energia dal centro verso lo strato superficiale della stella (fotosfera), la quale ha una temperatura di circa 6000K. L’intensità (potenza) della radiazione sulla superficie solare (fotosfera) è di 63 MW/m2. Ciò vuol dire che da ogni m2 della fotosfera vengono irradiati in un ora 63000 kWh, corrispondenti all’energia contenuta in 6300 litri di gasolio, una quantità sufficiente per riscaldare ogni anno 3 villette unifamiliari.
La terra dista dal sole circa 150 milioni di km. A questa distanza l’intensità della radiazione emessa dal sole è mediamente di 1.37 kW/m2 (figura 1.1.1) .
Sistema di inseguimento solare.
Apparato sensoriale progettato presso il centro Cnos-fap (scuola dei salesiani di Schio).
Sfera in acciaio cromato di diametro interno 33cm contenete 5 sensori fotosensibili a lettura lineare, invisibili nella foto.
L’acquisizione è bufferizata da 5 amplificatori operazionali per garantire la corretta trasmissione dei segnali analogici dal vertice del pannello solare fino alla console di comando (12 metri) dove vengono acquisiti dal PLC. (scheda elettronica visibile nella foto)
Sistema di controllo automatico con PLC.
I sensori sono distribuiti secondo coordinate azimutali e equatoriali rispetto agli assi della sfera la quale concettualmente dovrà puntare il suo sensore centrale sempre a perpendicolo rispetto all’emissione solare incidente. All’atto della deriva del sole i motori ripristinano la condizione di perpendicolarità.
Il programma all’interno del PLC imposta dei sistemi di disequazioni aventi come uscita i teleruttori dei due motori azzimatale e di correzione orizzontale.
PLC siemens S7-200 modello 222 con espansioni analogiche installato all’interno della console di comando.
Il PLC è in grado di inviare dati a un sistema di controllo remoto rendendo l’impianto telecontrollabile sia da una stazione allacciabile “al volo” a una presa disponibile nella console che tramite sistemi di supervisione raggiungibili sia tramite rete locale LAN che tramite modem.
E’ possibile monitorare la situazione di produzione energetica come creare e gestire un database per un utilizzo futuro dei dati raccolti (statistiche, grafici, ecc).
Nella console sono presenti le seguenti spie luminose.
Elettronica interna alla console.
Tutta l’elettronica interna alla console di comando è stata progettata e sviluppata dagli allievi del centro di formazione dei salesiani di Schio.
Scheda di visualizzazione posizioni angolari azimut e orizzonte.
Il potenziometro è installato in maniera coassiale agli assi del pannello e costituisce il trasduttore angolare. I LED sono disposti a croce.
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I circuiti integrati utilizzati sono dei semplici comparatori di tensione collegati ad una rete a scala di resistenze.
Schema elettrico del display di visualizzazione angolo di posizionamento pannello solare.
Scheda di visualizzazione intensità ai sensori (bargraph).
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Aspetto delle schede dei bargraph installati sul pannello frontale della console (nella foto solo due canali)
La console integra due alimentatori di potenza per l’alimentazione dell’elettronica e degli apparati sensoriali a bordo macchina. Dai medesimi alimentatori si preleva energia per l’accensione del PLC.
Circuito stampato e layout componenti dell’alimentatore di potenza.
Ottimizzazione del rendimento. (visualizzazione grafica)
Comparazione tra un sistema fotovoltaico tradizionale e il nostro sistema ad inseguimento.
E’ intuitivo che il grafico superiore produce energia per oltre il 50% in più nell’arco della giornata.
Con due pannelli solari identici uno orientato nel modo classico e uno con l'inseguitore per un totale di 7h e 30 minuti (in corto circuito) si sono ottenuti i risultati qui raffigurati:
Le classi che hanno presentato il progetto
1à elettrici/elettronici
Gli insegnanti
Ing. Garbin Luciano
Dott. Marco Gottardo
Direttore del centro di formazione di Schio
Ing. Luigi Coffele.
