Impianti e tecnologie per le energie rinnovabili

Oggetto:

Impianti e tecnologie per le energie rinnovabili

Oggetto:

Anno accademico 2010/2011

Codice dell'attività didattica

MFN0833

Corso di studi

008510-102 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica Biomedica
008510-104 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica delle Tecnologie Avanzate
008510-106 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica Nucleare e Sub-nucleare

Anno

1° anno

Tipologia

C=Affine o integrativo

Crediti/Valenza

6 (mutuato)

SSD dell'attività didattica

ING-IND/11 - fisica tecnica ambientale

Mutuato da

attivo se attivato al Politecnico

Oggetto:

Obiettivi formativi

Al termine del corso gli allievi devono essere in grado di conoscere le principali tecnologie per lo sfruttamento delle energie rinnovabili, dimensionare correttamente i principali componenti di impianto, valutare l’energia utile che può essere prodotta, effettuare una analisi costi-benefici, tenendo conto anche dell’impatto ambientale.

Oggetto:

Generalità sulle fonti rinnovabili.
Loro importanza ai fini ambientali (Protocollo di Kyoto). Ruolo delle fonti rinnovabili nei bilanci energetici italiano e mondiale. Potenza di picco e producibilità annua: concetto di ore equivalenti. Prospettive di sviluppo.
Il calcolo della radiazione solare.
Calcolo della posizione del sole sulla volta celeste e dell’angolo di incidenza fra il Sole e il piano del collettore. Modelli atmosferici a cielo sereno e cielo medio. Banca dati di radiazione solare sul piano orizzontale (UNI 10349). Calcolo dell’irradianza globale (diretta, diffusa e riflessa) e dell’irraggiamento solare globale sul piano inclinato secondo la norma UNI 8477.
Impianti solari termici.
Tipologie di collettori solari e loro efficienza. Bilancio termico di un collettore solare e analisi della distribuzione di temperatura sulla piastra. Equazione di Hottel.
Applicazioni e tipologie impiantistiche. Impianti per la produzione di acqua calda sanitaria. Impianti per il riscaldamento ambiente. Impianti al servizio di piscine. Ruolo dell’accumulo, degli scambiatori di calore, della regolazione.
Metodi per la previsione delle prestazioni stagionali degli impianti termici solari: il metodo f-chart. Analisi costi-benefici.
Cenni su alcuni temi avanzati.
• i sistemi solari termici ad alta temperatura per la produzione di elettricità per via termodinamica,
• i sistemi di raffrescamento ad assorbimento
• sistemi passivi per l’edilizia.
• Impianti con accumulo stagionale di calore
Biomasse e RSU.
Caratterizzazione del combustibile biomassa dal punto di vista merceologico, energetico, ambientale ed economico. Tecnologie di centrali per la produzione di energia termica e per la cogenerazione da biomassa e sui loro principali componenti. Rifiuti Solidi Urbani (RSU). Sistemi per il controllo delle emissioni.

Solare fotovoltaico.
Caratterizzazione spettrale dell’energia solare.
Struttura dei dispositivi fotovoltaici: bande energetiche nei semiconduttori; drogaggio di tipo “p”, “i”, and “n”; giunzione e campo elettrico; foto-corrente come coppie elettrone - lacuna; perdite nel processo di conversione. Risposta spettrale ed efficienza delle principali tecnologie: silicio mono-cristallino, poli-cristallino ed amorfo, tellururo di cadmio e diseleniuro di indio-rame (gallio). Principio di funzionamento e circuito equivalente della cella solare con tre o cinque parametri. Curve caratteristiche corrente - tensione e potenza - tensione. Potenze standard di moduli FV commerciali.
Statistiche di diffusione delle installazioni FV nel mondo. Schemi di impianto e costi della potenza installata e dell’energia prodotta. Vantaggi e svantaggi del fotovoltaico. Valutazione della produzione energetica FV:
o Il conto energia come incentivo per la diffusione della tecnologia
o Calcolo convenzionale dell’energia FV
o Fonti di perdita nella producibilità
o Una nuova procedura per la valutazione energetica
o Sistema automatico di acquisizione dati
o Circuiti di misura ad hoc
o Risultati sperimentali su alcuni impianti FV funzionanti
o Analisi economica col metodo del Valore Attuale Netto (VAN)
Approfondimento su un problema applicativo: connessione di celle in serie / parallelo; mismatch delle caratteristiche corrente – tensione e shading effect; hot spots and breakdown; diodi di bypass e di blocco.
Energia eolica
Caratterizzazione del vento: velocità e direzione; densità di potenza; rugosità della superficie; distribuzioni statistiche.
Struttura di una turbina eolica: pale, mozzo, moltiplicatore di giri, generatore elettrico e torre. Principio di funzionamento di una turbina eolica: portanza e resistenza in una pala; regolazioni del passo e di imbardata; variazioni del passo verso la messa in stallo / bandiera. Circuiti equivalenti delle macchine a induzione e sincrona; curva di potenza in funzione della velocità del vento. Una soluzione per le turbine a velocità variabile: il generatore a induzione a doppia alimentazione (DFIG).
Centrali eoliche: interferenza tra le turbine. Impatto ambientale delle turbine: rumore acustico. Taglie di potenza, diffusione delle installazioni eoliche nel mondo. Vantaggi e svantaggi.

General information about renewable energies.
Importance of renewable energy sources in the frame of environmental problems (Kyoto Protocol). Their role in the Italian and world energy balances. Peak power and yearly productivity. Perspectives for future development.
Calculation of solar radiation.
Position of the Sun in the sky and calculation of incidence angle between the Sun and the collector plane. Atmospheric models for clear and average skies. Data bases of horizontal solar radiation energy (UNI 10349). Calculation of global (direct, diffuse and reflected) irradiance and global solar irradiation on a tilted surface (UNI 8477).
Solar thermal installations.
Solar collectors typologies and definition of efficiency. Thermal balance of a solar collector and analysis of temperature profile of the plate. Hottel equation. Thermal characterization of plate, glazed cover, ducts, and insulation.
Installation typologies, components and applications. Production of domestic hot water, ambient heating, swimming pools. The role of thermal storage. Methods for the evaluation of seasonal performance of solar thermal installations. The f-chart method. Cost-benefit analysis. Some hints on advanced topics:
• seasonal storage systems
• high temperature collectors for thermodynamic electricity generation
• solar cooling through absorption refrigeration and
• passive solar systems.
Biomass and SUW (Solid Urban Waste).
Characterization of biomass fuel (wood, short rotation forestry, special crops, biogas from animal waste, etc.) as a commercial product, and under the energy, environmental and economic points of view. Main features and components of Heat and CHP (Combined Heat and Power) biomass generation installations. Solid Urban Waste. Emission control. Availability of biomass under its different forms with special attention on Piedmont situation.

Solar Photovoltaic installations.
Spectral characterization of solar energy. Structure of photovoltaic devices: energy bands in semiconductors; “p”, “i”, and “n” types of doping; junction and electric field; photocurrent as electron - hole pairs; losses in the conversion. Relative spectral response and efficiency of the major technologies: silicon mono-crystalline, poly-crystalline and amorphous, cadmium telluride and copper-indium diselenide. Operation principle and equivalent circuit of the solar cell with three or five parameters. Current-voltage and power-voltage characteristics. Standard power of commercial PV modules. Statistics of PV installations diffusion in the world. System schemes and costs of installed power and of produced energy. Advantages and drawbacks of photovoltaics. Assessment of PV energy production:
• Italian feed-in tariff as incentive for technology deployment
• Conventional calculation of PV energy
• Sources of losses in productivity
• A new procedure for energy evaluation
• Automatic data acquisition system
• Proper measuring circuits
• Experimental results on some operating PV plants
• Economic analysis by Net-Present-Value method
Focus on some practical application problems: cell connection in series/parallel; mismatch of current-voltage characteristics and shading effect; hot spots and breakdown; bypass and blocking diodes.

Wind Energy installations
Characterization of the wind: speed and direction; power density; surface roughness; statistic distributions.
Structure of a wind turbine: blades, hub, gearbox, electric generator, tower. Operating Principle of a wind turbine: lift and drag in a blade; pitch and yaw regulations; adjustment toward stall/feather. Equivalent circuits of induction and synchronous machines and power curve vs. wind speed. A solution for variable speed wind turbines: the doubly-fed induction generator.
Wind farms: interference among wind turbines. Environmental impact of wind turbines: noise. Power size, diffusion of wind installations in the world. Schemes, cost of installation and energy. Advantages and drawbacks.

Laboratories or exercises
- Preliminary design of solar thermal installation for domestic hot water production using different simulation methods. Cost-benefit analysis and calculation of optimal area.
- Preliminary design of a grid connected decentralized photovoltaic installation (solar roof): analysis of technical data on the basis of commercial catalogues. Software for the simulation of grid connected photovoltaic installation Parameters of the equivalent circuit f the solar cell and inverter losses for grid connection. Load diagrams. Daily simulation, Calculation of energy given and drawn from the grid on a yearly basis. Cost-benefit analysis
- Preliminary design of a wind installation.

Descrizione