Confronto dell'efficienza tra collettori solari piani inseguitori e fissati in modo ottimale

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12712 (2023) Citare questo articolo

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Investighiamo l'orientamento ottimale per un collettore solare a piastra piana fisso utilizzando il modello del cielo sereno. La componente di riflessione del suolo dell'irradiazione che colpisce la superficie del collettore viene ignorata a causa della sua grandezza relativamente piccola rispetto al fascio diretto e alle componenti diffusive del cielo. I calcoli analitici dimostrano che, indipendentemente dalla latitudine del collettore, l'angolo azimutale più efficace, \(\gamma ^*\), è 0, che generalmente corrisponde a una direzione nord-sud. Tuttavia, l'angolo di inclinazione ottimale, \(\beta ^*\), dipende sia dal giorno dell'anno (DoY) che dalla latitudine locale del raccoglitore. Per le latitudini tipiche delle zone climatiche di media altitudine, possiamo calcolare l'angolo di inclinazione ottimale e l'energia massima che il collettore può raccogliere durante ogni DoY. Confrontiamo l’energia massima ricevuta quotidianamente – che è la somma delle energie del raggio diretto e dell’energia diffusiva del cielo – associata a questo orientamento ottimale con i loro valori corrispondenti quando la lamina piatta insegue il Sole. L'aumento relativo dell'energia totale dovuto all'inseguimento del Sole dipende in modo critico dal DoY, con un valore minimo di circa \(17\%\) all'inizio dell'inverno e un valore massimo di \(40\%\) su un ampio intervallo.

Dispositivi come collettori solari, pannelli e concentratori sono progettati per raccogliere energia dalla radiazione solare1,2,3,4,5,6,7. Massimizzare le loro prestazioni ed efficienza è fondamentale e il modo più efficace per raggiungere questo obiettivo è orientare il collettore lungo il raggio del sole, noto come Direction Normal Irradiance (DNI). Tuttavia, ciò richiede un sistema di tracciamento, poiché la posizione apparente del Sole nel cielo cambia durante il giorno. Sebbene i sistemi di tracciamento possano migliorare significativamente l’efficienza, possono anche essere costosi e richiedere energia aggiuntiva per il funzionamento8. Inoltre, anche il loro funzionamento e la loro manutenzione sono costosi. Per ridurre questi costi, è auspicabile posizionare i collettori solari con un orientamento fisso ma ottimale e regolare periodicamente tale orientamento secondo necessità. Tuttavia, trovare l’orientamento ottimale non è un compito facile e dipende da diversi fattori estrinseci, comprese le condizioni climatologiche e meteorologiche9,10. In genere, l'orientamento ottimale di un collettore solare viene determinato empiricamente su base giornaliera, mensile, trimestrale o annuale. Ci sono alcuni fattori che possono influenzare la quantità di irradiazione ricevuta da un collettore solare. L'irradiazione ricevuta può dipendere dalla geometria e dalla forma del collettore solare. Inoltre dipende dalla latitudine del luogo, dal giorno dell'anno e anche dal clima. Di conseguenza, determinare l’orientamento ottimale può essere un processo complesso e dipendente dalla posizione. Molti collettori solari hanno una superficie piana, come i collettori piani e i pannelli fotovoltaici, mentre altri hanno una curvatura concava, come i piatti solari o i canali parabolici. Tuttavia, nel caso dei collettori curvi, la superficie effettiva esposta al sole (apertura) è piatta. L'orientamento di un collettore ad apertura piatta può essere specificato da due angoli di inclinazione, \(\beta\), e azimut, \(\gamma\). Negli ultimi anni diversi gruppi di ricerca hanno esaminato l’ottimizzazione dell’orientamento dei collettori solari per diverse località in tutto il mondo. Sono state utilizzate diverse tecniche, inclusi algoritmi genetici e ricottura simulata11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29, 30,31,32,33,34,35,36,37,38. Per una revisione dettagliata vedere 39. La maggior parte degli articoli che affrontano il problema dell’orientamento ottimale per i collettori a superficie piana lo hanno fatto su scala geografica locale e non universale. Come regola pratica, si suggerisce che nell’emisfero settentrionale (sud), l’orientamento ottimale sia rivolto a sud (nord) e che l’angolo di inclinazione annuale ottimale dovrebbe essere lo stesso della latitudine locale. Tuttavia, altri articoli hanno proposto un intervallo più ampio per l'angolo di inclinazione ottimale11,15,16. Sfortunatamente, molte di queste indagini soffrono della mancanza di un approccio matematico completo e rigoroso. In questo articolo, miriamo ad affrontare il problema dell'ottimizzazione dei collettori solari ad orientamento fisso utilizzando un quadro matematico rigoroso. Può sembrare intuitivo che l'orientamento ottimale del collettore sia perpendicolare alla direzione dei raggi solari a mezzogiorno, poiché in quel periodo la luce solare splende quasi direttamente sopra la nostra testa. Tuttavia, come vedremo, considerando il contributo dell'energia di irradiazione diretta nell'arco della giornata, compresa la radiazione del primo mattino e del pomeriggio, l'angolo di inclinazione ottimale si discosta da questa congettura. Come vedremo, dipende in modo cruciale sia dalla latitudine che dal giorno dell'anno. L'irradiazione solare totale ricevuta al suolo è costituita da tre componenti principali: fascio diretto, diffusiva del cielo e riflessione del suolo. Mentre il contributo della riflessione del suolo è trascurabile, il contributo della radiazione diffusiva del cielo è significativo. In questo studio, ci concentriamo sul fascio diretto e sulle componenti diffusive del cielo, ignorando la riflessione del suolo. Nello specifico, calcoliamo separatamente i contributi energetici dovuti al fascio diretto e alla radiazione diffusiva del cielo, quest'ultima indagata utilizzando un'approssimazione isotropa. In questo articolo non consideriamo l'impatto dell'angolo di incidenza dell'irraggiamento sulle caratteristiche di conversione dell'energia solare. Ad esempio, l'efficienza dei pannelli solari fotovoltaici è influenzata dall'angolo con cui i raggi solari colpiscono il pannello40,41,42 o nei concentratori solari, l'irradiazione diffusiva non può essere raccolta. Questo problema importante e impegnativo richiede ulteriori indagini. Inoltre l’efficienza dipendente dalla tecnologia potrebbe essere interessante per considerazioni future. In questo caso, il nostro focus principale è sull’energia di irraggiamento complessiva ricevuta da un collettore piano piuttosto che approfondire i dettagli sulla conversione dell’energia e sull’efficienza del pannello. Questo articolo è organizzato come segue: nella sezione “Un po' di astronomia”, vengono presentati alcuni prerequisiti dell'astronomia matematica; nella sezione “Formulazione e metodologia: orientamento ottimale di un ricevitore a piastra piana”, discutiamo l'orientamento ottimale di un collettore solare piano e forniamo una soluzione analitica per gli angoli ottimali; nella sezione “Confronto con una piastra piana con tracciamento”, confrontiamo l’energia totale raccolta da una piastra piana fissa e da una con tracciamento e presentiamo i nostri risultati; La sezione “Confronto con i risultati esistenti in letteratura” è dedicata al confronto dei nostri risultati con risultati simili esistenti in letteratura. E infine concludiamo il lavoro con alcune considerazioni finali.