Riassunto esame Sistemi Solari e Geotermici Modulo 1, prof. Morini, libri consigliati Dispense del corso redatte dal Docente, Duffie & Beckman, L’energia solare nelle applicazioni termiche, Liguori Editore (1974)

Riassunto per l'esame di Sistemi Solari e Geotermici M Modulo 1 del prof. Morini, basato su appunti personali e studio delle dispense, lucidi del docente a disposizione degli studenti e libri consigliati Duffie, Beckman, L’energia solare nelle applicazioni termiche, Liguori Editore (1974) Lazzarin R., Sistemi solari attivi: manuale di calcolo, F. Muzzio Editore (1981) Comini G. Savino S., La captazione dell’energia solare, Monografie CISM (2013).
Gli argomenti trattati possono essere divisi in 6 macro argomenti:
1) Radiazione solare e atmosfera. Energia solare: analisi delle principali reazioni nucleari di fusione. Disponibilità dell'energia solare. Calcolo dello spettro di emissione del sole e della costante solare. Irradianza solare all'estradosso dell'atmosfera terrestre. Proprietà notevoli dell'atmosfera terrestre e interazione con la radiazione solare. Proprietà notevoli della troposfera. Massa d'aria teorica e massa d'aria corretta. Bilancio energetico globale del sistema terra-atmosfera-sole. Calcolo della temperatura media al suolo e della temperatura media del sistema terra-atmosfera. Scambio termico nei satelliti.
2) Geometria solare e calcolo dell'irraggiamento. Coordinate spaziali e temporali per l'analisi del movimento apparente del sole. Angoli per la caratterizzazione delle superfici captanti. Calcolo dell'angolo di incidenza della radiazione solare su una superficie comunque orientata ed inclinata. Calcolo dell'irraggiamento solare giornaliero su una superficie posta all'estradosso dell'atmosfera terrestre. Rapporto di irraggiamento diretto. Esempio numerico sul calcolo dell'irraggiamento extra-atmosferico. Irraggiamento solare giornaliero su una superficie al suolo: calcolo della componente diretta, diffusa e riflessa. Esempio numerico sul calcolo dell'irraggiamento solare captato da una superficie al suolo. Calcolo dell'angolo di inclinazione ottimale di una superficie fissa per massimizzare l'irraggiamento solare raccolto. Calcolo dell'irraggiamento globale istantaneo su una superficie in funzione del tipo di cielo. Sistemi ad inseguimento ad 1 o 2 assi di rotazione: calcolo della componente diretta, diffusa e riflessa. Esempio numerico sul calcolo dell'irraggiamento solare captato da una superficie che ruota attorno ad 1 asse o a 2 assi. Differenze tra i due sistemi ad inseguimento. Ombreggiamento: diagramma solare. Esempi numerici sull'uso del diagramma solare. Calcolo della distanza minima tra file di superfici captanti al fine di evitare l'ombreggiamento reciproco.
3) Applicazioni solari per la produzione di energia termica a bassa temperatura. Pannelli solari termici. Rendimento istantaneo di un collettore solare. Curva caratteristica di un collettore. Determinazione sperimentale delle caratteristiche dei pannelli. Fattore angolare (IAM). Temperatura di stagnazione dei pannelli. Pannelli a circolazione naturale. Pannelli a circolazione forzata. Pannelli a svuotamento. Logiche di regolazione per evitare la stagnazione. Metodo F-Chart per il calcolo del fattore di copertura solare mensile. Definizione di X e Y secondo norma UNI TS 11300/4. Calcolo della temperatura media diurna dell'aria esterna. Descrizione della procedura di calcolo per la determinazione del fattore di copertura solare. Esercizio sul dimensionamento di un impianto termico a collettori solari e caldaia di integrazione per la produzione combinata di acqua calda sanitaria e riscaldamento secondo norma UNI TS 11300/4. Studio del ruolo dell'accumulo termico nei sistemi termici solari per la produzione di acqua calda sanitaria. Ricostruzione dei profili orari di carico e scarico del serbatoio di accumulo. Impianti solari per il riscaldamento di piscine scoperte: calcolo dei termini di perdita e di guadagno termico. Simulazione dinamica e impianti solari.
4) Sistemi a concentrazione. Equazione di bilancio termico di un sistema concentratore-ricevitore. Proprietà dei sistemi di concentrazione dell'energia solare. Sistemi a torre. Lenti di Fresnel. Concentratori parabolico-cilindrici. Dish Stirling. Calcolo del fattore di concentrazione geometrico: specchio cilindrico e sferico. Paraboloidi di rotazione e paraboloidi cilindrici. Caratteristiche dei ricevitori. Rendimento del sistema di concentrazione. Rendimento del ricevitore. Rendimento istantaneo utile. Temperatura massima raggiungibile da un ricevitore. Forni solari. Centrali elio-termoelettriche (solare termodinamico). Calcolo della temperatura ottimale del ricevitore di una centrale elio-termoelettrica e relazione con il fattore di concentrazione del sistema.
5) Solar cooling. Macchine ad assorbimento e STR. Valutazioni energetiche sull'uso accoppiato di macchine ad assorbimento e collettori solari termici. Dimensionamento della superficie captante dei pannelli solari da utilizzare per l'alimentazione di macchine frigorifere. Macchine combinate ciclo Rankine-ciclo frigorifero a compressione e macchine ad assorbimento. Curve di rendimento e influenza della temperatura di condensazione, della temperatura di evaporazione. Macchine ad assorbimento bi-stadio.
6) Sistemi fotovoltaici. Caratteristiche dei semi-conduttori; giunzioni p-n. Efficienza quantica e risposta spettrale. Efficienza energetica ideale. Efficienza energetica reale. Celle multi giunzione III-V. Modello elettrico equivalente di una cella fotovoltaica. Curva caratteristica. Potenza elettrica massima. Esempio numerico sul calcolo dell'efficienza di cella. Effetto della temperatura sulla curva caratteristica di una cella fotovoltaica. Mismatching di campi fotovoltaici. Calcolo dell'energia elettrica prodotta da un impianto fotovoltaico con il metodo della norma UNI TS 11300-4. Moduli solari ibridi PV/T. Sistemi fotovoltaici a concentrazione CPV.