Utilizzo del calore di scarto dei pannelli fotovoltaici per generare acqua calda residenziale

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I ricercatori del Multiphysics Interaction Lab (MiLab) negli Stati Uniti hanno sviluppato un nuovo progetto di sistema fotovoltaico-termico (PVT) che utilizza il calore di scarto dei pannelli fotovoltaici per generare sistemi residenziali di acqua calda.

Il sistema si basa su tubi d’acqua paralleli che vengono fissati sul retro dei pannelli solari e ne riducono le temperature di esercizio. “Il nostro studio introduce un approccio di raffreddamento semplice e pratico che migliora l’efficienza elettrica dei pannelli fotovoltaici e allo stesso tempo offre una soluzione sostenibile al fabbisogno di acqua calda nelle abitazioni”, hanno dichiarato gli scienziati.

Il sistema sperimentale si basa su un pannello fotovoltaico policristallino da 250 W orientato a sud con un coefficiente di temperatura di -0,45%/C e un angolo di inclinazione di 30 gradi. I tubi di raffreddamento in rame sono collegati tramite collettori a monte e a valle e sono coperti da una copertura in alluminio per fissarli al lato posteriore del pannello fotovoltaico.

L’impianto sperimentale comprende un serbatoio di accumulo dell’acqua calda e una pompa centrifuga da 11 W che mantiene una portata costante di 3 L/min.

L’apparato sperimentale Image: Multiphysics Interaction Lab (MiLab), International Journal of Thermofluids, Creative Commons License CC BY 4.0

“La portata dell’acqua viene monitorata con un flussimetro”, spiegano gli scienziati. “Per raccogliere dati precisi, una serie di termocoppie è posizionata strategicamente per misurare simultaneamente varie temperature, tra cui la temperatura dell’acqua in ingresso e in uscita dal sistema FV/T, la temperatura superficiale del pannello FV e la temperatura dell’aria ambiente”.

Il sistema utilizza anche un multimetro per misurare la potenza di uscita del modulo fotovoltaico e un piranometro per valutare la radiazione solare.

Gli studiosi hanno confrontato le prestazioni del pannello fotovoltaico raffreddato con un pannello di riferimento senza raffreddamento durante il mese di maggio presso il campus della Notre Dame University-Louaize, situato a Zouk Mosbeh, in Libano.

Illustrazione che mostra le diverse parti del sistema PVT Immagine: Multiphysics Interaction Lab (MiLab), International Journal of Thermofluids, licenza Creative Commons CC BY 4.0

L’analisi ha dimostrato che il pannello PVT può generare il 4% di potenza in più rispetto al modulo fotovoltaico, grazie all’effetto di raffreddamento dei tubi di rame. Tuttavia, hanno anche avvertito che un effetto di saturazione legato al mancato utilizzo dell’acqua calda immagazzinata nel serbatoio può limitare la capacità di raffreddare in modo ottimale i moduli fotovoltaici in una certa fase.

“Questa riduzione è probabilmente dovuta all’assenza di domanda di acqua residenziale nel sistema di recupero del calore residuo”, hanno spiegato i ricercatori. “Questa assenza fa sì che la temperatura dell’acqua di raffreddamento nel serbatoio dell’acqua calda aumenti gradualmente, riducendo così il tasso di rimozione del calore dal sistema FVT”.

I test hanno anche mostrato che il pannello PVT ha raggiunto un’efficienza elettrica media dell’11,5%, mentre il pannello PV senza raffreddamento ha raggiunto un’efficienza media del 10%. Gli scienziati hanno anche rivelato che l’efficienza totale del sistema PVT ha raggiunto circa il 75%, mentre quella del sistema fotovoltaico di riferimento era solo del 10%.

“L’efficienza termica media, che rappresenta il rapporto tra il calore di scarto recuperato e l’energia solare assorbita dal pannello fotovoltaico, è stata di circa il 60% nel sistema PV/T raffreddato”, hanno dichiarato. “Il sistema FV/T raffreddato non solo ha generato una frazione maggiore di energia elettrica, ma ha anche mostrato un tasso di perdita di calore dal lato posteriore del modulo FV superiore di circa il 40%, indicando un recupero efficiente del calore residuo”.

Il sistema è stato presentato nell’articolo “An experimental analysis of a hybrid photovoltaic thermal system through parallel water pipe integration”, pubblicato sull’International Journal of Thermofluids.

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