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MODELLAZIONE ED OTTIMIZZAZIONE DI UN SISTEMA TERMO-FOTOVOLTAICO A CONCENTRAZIONE

Il progetto di ricerca si propone di modellare ed ottimizzare un sistema termo-fotovoltaico a concentrazione (CPV/T), soprattutto in termini della temperatura della cella e della temperatura del fluido refrigerante. Le tecniche di analisi più recenti saranno combinate per ottenere nuove relazioni analitiche. I dati sperimentali permetteranno, inoltre, di dimostrare la validità del modello proposto. La determinazione delle temperature suddette permetterà di caratterizzare il funzionamento di un sistema CPV/T attraverso il calcolo della potenza elettrica, della potenza termica e del rendimento di conversione. Successivamente sarà affrontata la progettazione del circuito di recupero termico con la valutazione delle perdite di carico. Lo studio del modello in regime transitorio sarà affrontato attraverso il metodo degli elementi finiti (FEM) sottoponendo il sistema CPV/T a diversi cicli di simulazione volti alla determinazione della temperatura dell’acqua in uscita dal circuito. Sulla base dei risultati saranno valutati i livelli termici raggiunti in funzione dei possibili campi di applicazione. Inoltre, alcune configurazioni di sistemi CPV/T saranno valutate in termini di produttività elettrica e di convenienza economica. In particolare, il nucleo centrale del lavoro si svilupperà intorno ai sistemi CPV/T analizzando ciascun componente in base alle equazioni di progetto e ai principali modelli di riferimento. L’indeterminatezza di alcuni parametri caratteristici come la temperatura della cella multigiunzione e il rendimento, richiederà la combinazione di diverse tecniche analitiche e la procedura di calcolo sarà implementata in Matlab. Definito il modello di funzionamento della cella e l’effetto della concentrazione solare sui parametri dell’impianto CPV, saranno determinate le rese elettriche e termiche di un sistema CPV/T. Il dimensionamento del circuito di recupero sarà condotto in termini di portata volumetrica di fluido e diametro del condotto sulla base di regole empiriche di progettazione e delle perdite di carico; il tutto sarà implementato in Matlab. Definita la configurazione del modulo CPV/T si procederà allo studio del transitorio termico mediante la tecnica FEM al fine di condurre simulazioni multiple finalizzate alla determinazione della temperatura dell’acqua in uscita dal sistema. Le condizioni al contorno saranno variate in termini di fattore di concentrazione e di profilo di irraggiamento. Un metodo statistico di generazione di tali profili sarà impiegato per riprodurre le condizioni operative tipiche di diverse località geografiche in diversi periodi dell’anno. Si valuterà, in particolare, la capacità dei sistemi CPV/T di soddisfare il fabbisogno di acqua calda sanitaria, di riscaldamento e di raffrescamento di un'utenza domestica in presenza di un livello di irraggiamento compatibile con quello mediamente disponibile durante l’anno. Al fine di soddisfare la richiesta di energia termo-frigorifera occorrerà adottare configurazioni multiple di moduli fotovoltaici. Alla valutazione tecnica seguirà l’analisi di convenienza energetica ed economica. La simulazione della resa elettrica annua di un modulo CPV e il confronto con i modelli dei sistemi tradizionali permetterà di definire i requisiti tecnici minimi per l’applicabilità della soluzione a concentrazione in diverse città italiane.