Il progetto Solarbuild: fotovoltaico a concentrazione per l’autonomia energetica dell’edificio

Il Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Torino, insieme ai suoi partner Thesan SpA, Pegaso SRL e Ghidella SRL e con la collaborazione di Microla SRL, ha recentemente concluso un progetto finalizzato alla progettazione e costruzione di un dispositivo basato sulla tecnologia della concentrazione fotovoltaica capace di soddisfare il fabbisogno energetico di un edificio monofamiliare, sfruttando la conversione fotovoltaica per la produzione di energia elettrica e il calore recuperato dal circuito di raffreddamento per soddisfare il fabbisogno di energia termica.

La tecnologia della concentrazione dell’irraggiamento è stata originariamente concepita per limitare l’utilizzo di costose celle fotovoltaiche, utilizzando sistemi ottici molto più economici per intercettare il flusso di energia e concentrarlo su piccole superfici di materiale pregiato. Nel corso della maturazione della tecnologia si è presto giunti alla conclusione che la sua applicazione ottimale passa per l’utilizzo di celle ad elevata efficienza, a base di gallio, indio e germanio, caratterizzate da una tripla giunzione e che offrono un’efficienza di conversione molto superiore alle ben cnosciute celle al silicio grazie alla loro capacità di sfruttare una banda più ampia dello spettro luminoso.

Celle di questo genere sono tipicamente costruite in dimensioni molto piccole, comprese tra 5X5 mm e 10X10 mm, e hanno il massimo rendimento di conversione quando sono investite da un irraggiamento con potenza compresa tra 100 e 1000 kW/m², cioè tra 100 e 1000 volte quello disponibile che, come è ben noto, è pari a 1 kW/m². La figura 1 mostra una cella fotovoltaica a tripla giunzione utilizzata per la costruzione di moduli fotovoltaici a concentrazione.

Figura 1 – cella a tripla giunzione a elevata efficienza

La soluzione per utilizzare al meglio questi componenti prevede che la radiazione solare sia concentrata a questi valori da lenti o specchi, che hanno una superficie che è ovviamente compresa tra 100 e 1000 volte quella della cella fotovoltaica.

E’ però chiaro che per poter applicare in maniera efficace questa tecnologia occorre fare in modo che il fascio luminoso concentrato sia sempre diretto sulla cella fotovoltaica, ed è quindi necessario prevedere che il sistema possa orientarsi nel corso della giornata per mantenere questa condizione anche a fronte del moto apparente del Sole. Per ottenere elevati rapporti di concentrazione è necessario garantire un’ottima precisione nell’orientamento, ed assume estrema rilevanza anche la rigidezza del dispositivo meccanico di movimentazione.

Inoltre non è di minore importanza disporre di un sistema di raffreddamento che permetta di mantenere a un livello ragionevolmente basso la temperatura delle celle fotovoltaiche: come per le celle tradizionali l’efficienza di conversione diminuisce all’aumentare della temperatura, mentre superando i 90 – 100 °C il componente subisce danni irreversibili e perde ogni funzionalità.

Il progetto Solarbuild è partito quindi da queste considerazioni di base e si è posto l’obiettivo di sviluppare un sistema completo, composto da un inseguitore solare con elevate caratteristiche di precisione e rigidezza e da moduli fotovoltaici a concentrazione equipaggiati con un sistema di recupero del calore che renda disponibile ad un’utenza l’energia termica sottratta dal sistema di raffreddamento.

Per la realizzazione dell’inseguitore solare si è previsto l’utilizzo di una particolare architettura a cinematica parallela, una soluzione utilizzata per la costruzione di robot estremamente rigidi e precisi.

La struttura selezionata per il meccanismo è composta da due piattaforme collegate tra loro da tre bracci articolati, uguali tra loro, disposti a 120° come nello schema di figura 2, e da un braccio centrale vincolato ai centri delle due piattaforme con due giunti sferici.

Figura 2 – schema cinematico dell’inseguitore

Ciascuno dei tre bracci uguali è composto da due aste, unite tra loro da giunti sferici nei punti H_i e incernierate alle due piattaforme in corrispondenza dei punti F_i e C_i rispettivamente.

Questa particolare configurazione permette di regolare l’orientamento della piattaforma superiore mobile azionando tramite due servomotori i bracci attuati evidenziati in figura.

Affinché il meccanismo sia utilizzabile per l’inseguimento solare si sono analizzate le possibili configurazioni geometriche con lo scopo di individuare quelle che permettono di ottenere uno spazio di lavoro che vari tra 0 e 90° per l’angolo di zenith e tra -120° e 120° per l’angolo di azimuth. Sono rilevanti, a questo scopo, i rapporti esistenti tra le lunghezze dei vari bracci del cinematismo e il raggio del cerchio individuato dai tre punti di incernieramento dei bracci articolati alla base inferiore.

La soluzione individuata è stata quindi opportunamente dimensionata per consentire la movimentazione di una vela con superficie di circa 12 m² e massa complessiva di circa 700 kg.

La figura 3 mostra la struttura dell’inseguitore durante i test funzionali effettuati prima dell’installazione della vela fotovoltaica.

Figura 3 – inseguitore a cinematica parallela durante i testi di validazione

L’algoritmo di controllo utilizzato per garantire il puntamento dei moduli fotovoltaici verso il Sole utilizza una tecnica ibrida: un primo algoritmo determina l’orientamento teorico in funzione della località di installazione, dell’orientamento dell’inseguitore e dell’ora, in base ai valori di azimuth e zenith calcolati sulla base di un’equazione descrittiva del moto apparente del Sole.

Un secondo algoritmo, cosiddetto di “activetracking”, utilizza un sensore di orientamento per determinare una correzione del posizionamento finalizzata a compensare gli eventuali errori commessi a causa delle approssimazioni inevitabilmente esistenti nella determinazione dei parametri utilizzati per calcolare i valori attesi degli angoli di azimuth e zenith.

Parallelamente al dispositivo di puntamento si è proceduto allo sviluppo dei componenti del sistema di conversione dell’energia solare. E’ stata dedicata particolare attenzione allo studio del sistema per il raffreddamento e recupero del calore, concentrando l’attenzione sullo sviluppo di uno scambiatore di calore che fosse allo stesso tempo molto efficiente, economico e di facile montaggio.

Il risultato è stato ottenuto semplificando al massimo la forma del dispositivo di scambio e ottimizzando il coefficiente di scambio termico, ottenendo una resistenza termica complessiva stimata in 0,02 °C/W.

Si è poi scelto di utilizzare lenti di Fresnel per concentrare l’energia solare sulla cella fotovoltaica: queste lenti sono caratterizzate da una geometria pressoché piana, consentono di  concentrare la radiazione solare oltre 1000 Soli, e sono leggere ed economiche.

Le loro proprietà ottiche sono riconducibili a quelle di una lente di tipo tradizionale, e questo comporta che la radiazione sia concentrata su un piano relativamente distante da quello della lente, come illustrato schematicamente nella figura 4.

Figura 4 – lente di Fresnel e sua lunghezza focale

La lunghezza focale determina la distanza che deve essere prevista tra il piano delle lenti di Fresnel e il piano della cella fotovoltaica. Questo parametro nella lente selezionata per il progetto Solarbuild è pari a 63 cm, e di conseguenza i moduli fotovoltaici si presentano esternamente come dei parallelepipedi con spessore di poco superiore alla lunghezza focale, come indicato nella figura 5.

Figura 5 – moduli fotovoltaici a concentrazione, parte anteriore con lenti di Fresnel e parte posteriore con scambiatori di calore

La figura 6 mostra lo spot luminoso concentrato dalla lente diFresnel sulla cella fotovoltaica, ripreso su un dispositivo sperimentale costruito durante la fase di sviluppo per mettere a punto la geometria dei moduli e lo scambiatore di calore.

Figura 6 – concentrazione della radiazione solare sulla cella fotovoltaica

Allo stato attuale il sistema è stato installato presso il Parco Tecnologico di Via Baraggino a Chivasso (TO), ed è stato allestito un laboratorio di prova costituito da un serbatoio di accumulo con capacità 1000 l, da un circuito di circolazione del liquido termovettore e da un sistema di refrigerazione del liquido termovettore, che permette di simulare l’effetto del carico termico di un edificio.

Figura 7 – sistema sperimentale completo 

Il dispositivo costruito ha una superfice di 13,6 m², con efficienza di conversione stimata al 27% e una potenza di picco di 2937 kW_p, determinata considerando l’irraggiamento nominale di 800 W/m² come previsto per gli impianti ad elevata concentrazione. La produzione attesa di energia elettrica e di 5000 kWh/anno e quella di energia termica è di 15000 kWh/anno.

La sperimentazione in corso permetterà di verificar che i parametri indicati siano corrispondenti a quelli effettivamente riscontrabili.

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