4. Prove sperimentali CPV
4.2 Prove outdoor
4.2.1 Banco di prova outdoor
Per eseguire le prove outdoor oltre alle celle fotovoltaiche ed alle ottiche rifrattive viste nei capitoli precedenti si è utilizzato:
Sistema d’inseguimento solare; Lente di Fresnel;
Pireliometro;
4.2.1.1 Sistema d’inseguimento solare
Il sistema d’inseguimento solare è un componente fondamentale per il fotovoltaico a concentrazione; il tracker che ha permesso di eseguire le prove outdoor è stato progettato da S.TRA.TE.G.I.E..
Figura 123: Inseguitore solare a doppio asse
Il tracker è composto da 4 “fiori” di forma rettangolari ognuno capace di alloggiare 8 celle fotovoltaiche secondo una matrice 4×2 per un totale di 32 celle fotovoltaiche. Ogni fiore è composto da una piastra inferiore in alluminio dove vengono alloggiate le celle fotovoltaiche, e da una piastra
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superiore su cui sono ricavati gli alloggiamenti per le lenti Fresnel, una per ogni cella montata. La distanza tra la piastra superiore ed inferiore può essere modificata attraverso spessori di 1 mm. Il tracker è dotato di un sistema d’inseguimento a doppio asse di tip - tilt, quindi è in grado di seguire il moto apparente del sole. La movimentazione è garantita da 3 motorini passo-passo:
Uno per la rotazione di tilt, tramite un accoppiamento ruota dentata – vite senza fine; grazie al rapporto di riduzione viene impedito meccanicamente il moto retrogrado garantendo una maggiore precisione d’inseguimento.
Figura 124: Meccanismo rotazione tilt
Due per la rotazione di tip, ogni motore è collegato ad un sistema vite senza fine e ruota dentata elicoidale; ogni motorino muove un asse su cui sono installati solidalmente due fiori.
Figura 125: Meccanismo rotazione di tip
Questo design permette agli assi che si occupano della movimentazione del tilt e tip di avere uno span di 360°, ciò garantisce la massima flessibilità per quanto riguarda l’installazione. Grazie ad uno span angolare così elevato il tracker può essere installato sia su superficie orizzontali, verticali ed inclinate in quanto è possibile invertire gli assi di rotazione.
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La movimentazione dei motorini passo-passo è affidata ad un PLC che calcola tramite un algoritmo il numero di passi che ogni motorino deve effettuare [52], per ogni intervallo di tempo, in modo tale da inseguire il moto del sole. L’algoritmo d’inseguimento si basa sul algoritmo di Michalsky [53], che consente di conoscere, tramite i valori di latitudine e longitudine, la posizione del sole in un intervallo temporale compreso tra il 1950 ed il 2050 con un’approssimazione di 0,01°. A differenza di molti sistemi, questa soluzione adotta una strategia di controllo ad anello aperto; ovvero il motorino passo-passo non è azionato da un sensore solare che rileva la posizione del sole ma da l’algoritmo d’inseguimento astronomico, riducendo così la frequenza di movimentazione con conseguente risparmio di energia necessaria per azionare il sistema d’inseguimento [54]. Il PLC utilizzato è in grado di comandare fino a 90 motorini, ognuno con un proprio algoritmo di inseguimento; in questo modo il PLC può pilotare contemporaneamente tracker diversi con logiche d’inseguimento diverse.
Durante le prove il tracker è posizionato su di un tavolo composto da profilati in alluminio di elevata precisione in grado di diminuire i difetti di planarità. Il tavolo è dotato di 4 piedi regolabili che permettono di mettere il tavolo in bolla ed inoltre ci garantisce una elevata rigidità strutturale. Il tracker verrà posizionato sul tavolo di alluminio con l’asse di tip orientato lungo la direzione N-S.
Figura 126: Tavolo in alluminio
4.2.1.2 Lente di Fresnel
La lente Fresnel che sarà utilizzata durante le prove per concentrare la radiazione solare diretta è prodotta dall’azienda Kugler tramite lavorazioni eseguite su macchine a controllo numerico tramite utensili a punta diamantata che consentono di ottenere ridotti angoli di curvatura.
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Figura 127: Lente Fresnel
La lente ha una forma quadrata di lato 75 mm e spessore di 5 mm; la lente è realizzata in PMMA. Le proprietà ottiche della lente sono:
Distanza focale di 130 mm;
Concentrazione massima pari a 1300 soli; Angolo massimo di rifrazione di 22°; Distanza fissa dei grooves pari a 0,5 mm.
4.2.1.3 Strumenti di misura
Oltre al carico elettronico programmabile (Array 3710A DC) e alla scheda di acquisizione delle termocoppie con le relative termocoppie, già utilizzati nelle prove indoor, si è utilizzato un pireliometro.
Il pireliometro permette di misurare la radiazione solare diretta, è composto da un tubo dove ad una estremità si trova un’apertura che permette alla luce solare diretta di entrare al interno dello strumento e dalla parte opposta del tubo viene collocato il sensore che si comporta come un corpo nero; esso è caratterizzato da molte microcavità ed è colorato di nero al fine di avere un elevato livello di assorbimento della radiazione solare su tutto il suo spettro. Tale sensore utilizzato all’interno dello strumento si basa sul principio della termopila e dietro di esso sono posizionati due sensori di temperatura (Pt 100 e 10 kΩ Thermistor). Il sensore è composto da un elevato numero di giunzioni di termocoppie collegate tra loro in serie; quando lo strumento è allineato con il sole la radiazione entrerà in esso attraverso l’apertura e colpirà una delle giunzioni che prenderà il nome di giunzione
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attiva o giunzione calda. Tale giunzione si riscalderà ed aumenterà la propria temperatura. La differenza di temperatura tra la giunzione attiva e la giunzione di riferimento (anche chiamata giunzione fredda) genera una forza elettromotrice che sarà proporzionale alla differenza di temperatura. L’irraggiamento quindi viene determinato grazie alla differenza di potenziale letta ai capi delle termocoppie.
Il foro situato nella parte frontale del pireliometro, che permette alla radiazione solare di colpire il sensore, è coperto da un vetro in quarzo; tale vetro ha un coefficiente di trasmissione pari al 97-98%, in modo tale che soltanto una piccolissima parte della radiazione venga riflessa.
Il pireliometro utilizzato è il CHP 1 della Kipp & Zonen, il sensore utilizzato è di classe first class secondo la normativa ISO 9060. Il pireliometro per poter misurare la radiazione diretta necessita di un sistema d’inseguimento biassiale, per questo motivo è stato montato su un tracker ausiliario che sfrutta un sistema d’inseguimento di tipo azimuth – elevazione. Il sistema d’inseguimento del pireliometro viene movimentato dallo stesso PLC che movimenta il tracker.
Figura 128: Pireliometro montato su sistema inseguimento solare
Spettro di radiazione 200 – 4000 nm
Sensibilità 7 – 14 µV/W/m2
Tempo di risposta < 5 s
Offset < 1 W/m2
Sensibilità temperatura < 0,5%
Campo visivo (errore inseguimento < 0,75°) 5° ± 0,2° Non linearità < 0,2 %
Radiazione massima misurata 4000 W/m2
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