MIGLIORAMENTO DELL'EFFICIENZA DEI SISTEMI ENERGETICI INTEGRATI UTILIZZANDO ENERGIA TERMICA ED ELETTRICA FOTOVOLTAICA E TECNICHE NILM

TO ADDRESS GLOBAL WARMING BY CUTTING GREENHOUSE GAS EMISSIONS, SOLAR ENERGY IS GAINING MOMENTUM DUE TO ITS ABUNDANCE AND SUSTAINABILITY. PHOTOVOLTAIC (PV) PANELS ARE AMONG THE MOST ADAPTABLE RENEWABLE TECHNOLOGIES, USED FROM RESIDENTIAL ROOFTOPS TO LARGE-SCALE POWER PLANTS. HOWEVER, NOT ALL CAPTURED SOLAR ENERGY BECOMES ELECTRICITY; A SIGNIFICANT PORTION TURNS INTO HEAT, RAISING PANEL TEMPERATURE AND LOWERING EFFICIENCY. HYBRID PHOTOVOLTAIC/THERMAL (PV/T) COLLECTORS HAVE BEEN DEVELOPED TO RECOVER THIS THERMAL ENERGY, ACHIEVING COMBINED EFFICIENCIES ABOVE 80%. THESE SYSTEMS ARE IDEAL FOR APPLICATIONS NEEDING BOTH ELECTRICITY AND LOW-GRADE HEAT, SUCH AS COMBINED COOLING, HEATING, AND POWER (CCHP), DOMESTIC WATER HEATING, SOLAR DRYING, DESALINATION, AND HYDROGEN PRODUCTION. THIS THESIS INVESTIGATES STRATEGIES TO ENHANCE INTEGRATED ENERGY SYSTEMS BY UTILIZING BOTH THERMAL AND ELECTRICAL OUTPUTS FROM PV/T COLLECTORS. IT EXAMINES THE INTEGRATION OF THERMOELECTRIC GENERATORS (TEGS) WITH PV/T SYSTEMS AND THE USE OF PV/T AND CONCENTRATED PV/T (CPV/T) TECHNOLOGIES IN SOLAR-POWERED DESALINATION. FIRST, A PV/T-TEG SYSTEM IS MODELED IN MATLAB/SIMULINK AND EVALUATED ACROSS THREE LOCATIONS (MACAPÁ, ALMERÍA, AND VIENNA) UNDER VARIOUS TEG CONFIGURATIONS. ANNUAL PERFORMANCE IS ANALYZED FROM ENERGETIC, EXERGETIC, ECONOMIC, AND ENVIRONMENTAL PERSPECTIVES. RESULTS SHOW THAT ELECTRICITY OUTPUT CAN INCREASE BY UP TO 6.6% COMPARED TO PV/T ALONE, WITH EXERGY EFFICIENCY RISING BY 6.2% WHEN ONLY ELECTRIC ENERGY IS CONSIDERED. HOWEVER, TEGS ARE ECONOMICALLY UNFAVORABLE AND LESS EFFICIENT WHEN THERMAL ENERGY IS ALSO TREATED AS USEFUL OUTPUT. NOTABLY, A SMALL AMOUNT OF ELECTRICITY CAN BE GENERATED AT NIGHT. NEXT, TWO SOLAR-POWERED DESALINATION SYSTEMS ARE PROPOSED TO IMPROVE RECOVERY RATIO (RR) AND UTILIZE BRINE FROM REVERSE OSMOSIS (RO). BOTH SYSTEMS INTEGRATE ENERGY STORAGE AND MEMBRANE DISTILLATION (MD) UNITS IN SERIES WITH RO. SYSTEM A USES PV AND SOLAR THERMAL (ST) COLLECTORS; SYSTEM B COMBINES PV/T AND ST. SIMULATED OVER A YEAR IN ALMERÍA, SPAIN, BOTH OUTPERFORM STANDALONE RO. SYSTEM A BOOSTS WATER PRODUCTION BY 9.22% AND RR FROM 40.50% TO 44.23%; SYSTEM B INCREASES OUTPUT BY 8.60% AND RR FROM 42.04% TO 45.66%. PV/T INTEGRATION IN SYSTEM B ENHANCES RO PERFORMANCE VIA SEAWATER PREHEATING, REDUCED SPECIFIC ENERGY CONSUMPTION (SEC), AND IMPROVED PV EFFICIENCY, YIELDING AN 8.93% PRODUCTION GAIN AND 3.24% RR IMPROVEMENT OVER SYSTEM A. LEVELIZED COST OF WATER (LCOW) IS 5.01 USD/M³ FOR SYSTEM B AND 5.27 USD/M³ FOR SYSTEM A, HIGHER THAN CONVENTIONAL COSTS BUT LOWER THAN MANY SOLAR DESALINATION SYSTEMS. FINALLY, A FULLY AUTONOMOUS DESALINATION SYSTEM POWERED BY CPV/T IS ASSESSED. LIKE THE PREVIOUS SYSTEMS, IT INTEGRATES MD UNITS WITH RO TO REDUCE BRINE DISCHARGE. SIMULATED FOR ONE YEAR IN ALMERÍA, THE SYSTEM SHOWS A 7.99% INCREASE IN WATER OUTPUT AND RR IMPROVEMENT FROM 41.06% TO 44.34% FOR A PLANT OPERATING 10 HOURS DAILY IN JULY WITH A 10 M³/H INPUT FLOW. THE LCOW IS ESTIMATED AT 6.68 USD/M³, LOWER THAN MANY RENEWABLE-POWERED DESALINATION TECHNOLOGIES.

PER CONTRASTARE IL RISCALDAMENTO GLOBALE E RIDURRE LE EMISSIONI DI GAS SERRA, L’ENERGIA SOLARE STA GUADAGNANDO CRESCENTE INTERESSE GRAZIE ALLA SUA DISPONIBILITÀ E SOSTENIBILITÀ. I PANNELLI FOTOVOLTAICI (PV), TRA LE TECNOLOGIE RINNOVABILI PIÙ VERSATILI, TROVANO IMPIEGO IN CONTESTI CHE VANNO DAI TETTI RESIDENZIALI AGLI IMPIANTI INDUSTRIALI. TUTTAVIA, UNA PARTE DELL’ENERGIA SOLARE ASSORBITA NON VIENE CONVERTITA IN ELETTRICITÀ, MA IN CALORE, CAUSANDO UN AUMENTO DELLA TEMPERATURA DEI PANNELLI E UNA DIMINUZIONE DELLA LORO EFFICIENZA. PER RECUPERARE QUESTA ENERGIA TERMICA, SONO STATI SVILUPPATI COLLETTORI IBRIDI FOTOVOLTAICI-TERMICI (PV/T), CAPACI DI RAGGIUNGERE UN’EFFICIENZA COMPLESSIVA SUPERIORE ALL’80%. QUESTI SISTEMI SONO IDEALI PER APPLICAZIONI CHE RICHIEDONO ELETTRICITÀ E CALORE A BASSA TEMPERATURA, COME IMPIANTI CCHP (RAFFREDDAMENTO, RISCALDAMENTO E PRODUZIONE DI ENERGIA), RISCALDAMENTO DELL’ACQUA, ESSICCAZIONE SOLARE, DESALINIZZAZIONE E PRODUZIONE DI IDROGENO. LA PRESENTE TESI ANALIZZA STRATEGIE PER OTTIMIZZARE SISTEMI ENERGETICI INTEGRATI SFRUTTANDO SIA L’ENERGIA ELETTRICA CHE QUELLA TERMICA DEI COLLETTORI PV/T. VIENE STUDIATA L’INTEGRAZIONE DI GENERATORI TERMOELETTRICI (TEG) CON SISTEMI PV/T E L’IMPIEGO DI TECNOLOGIE PV/T E PV/T A CONCENTRAZIONE (CPV/T) PER LA DESALINIZZAZIONE SOLARE. IN UNA PRIMA FASE, È STATO MODELLATO UN SISTEMA PV/T-TEG IN MATLAB/SIMULINK E ANALIZZATO IN TRE LOCALITÀ (MACAPÁ, ALMERÍA E VIENNA) CON DIVERSE CONFIGURAZIONI TEG. LE PRESTAZIONI ANNUALI SONO STATE VALUTATE SOTTO PROFILI ENERGETICI, EXERGETICI, ECONOMICI E AMBIENTALI. I RISULTATI MOSTRANO CHE L’ELETTRICITÀ PRODOTTA PUÒ AUMENTARE FINO AL 6,6% RISPETTO AL SOLO PV/T, CON UN INCREMENTO DELL’EFFICIENZA EXERGETICA FINO AL 6,2% CONSIDERANDO SOLO L’ENERGIA ELETTRICA. TUTTAVIA, L’INTEGRAZIONE DEI TEG RISULTA MENO VANTAGGIOSA DAL PUNTO DI VISTA ECONOMICO E MENO EFFICIENTE SE SI CONSIDERA ANCHE L’ENERGIA TERMICA COME OUTPUT UTILE. È EMERSO INOLTRE CHE IL SISTEMA PUÒ GENERARE UNA PICCOLA QUANTITÀ DI ELETTRICITÀ ANCHE DURANTE LA NOTTE. SUCCESSIVAMENTE, SONO STATI PROPOSTI DUE SISTEMI DI DESALINIZZAZIONE SOLARE PER MIGLIORARE IL RECOVERY RATIO (RR) E VALORIZZARE IL CONCENTRATO SALINO DERIVANTE DALL’OSMOSI INVERSA (RO). ENTRAMBI INTEGRANO ACCUMULO ENERGETICO E UNITÀ DI DISTILLAZIONE A MEMBRANA (MD) IN SERIE CON RO. IL SISTEMA A UTILIZZA COLLETTORI PV E SOLARI TERMICI (ST), MENTRE IL SISTEMA B IMPIEGA COLLETTORI PV/T E ST. SIMULATI PER UN ANNO AD ALMERÍA, ENTRAMBI SUPERANO LE PRESTAZIONI DI UN IMPIANTO RO AUTONOMO. IL SISTEMA A INCREMENTA LA PRODUZIONE D’ACQUA DEL 9,22% E IL RR DAL 40,50% AL 44,23%; IL SISTEMA B MIGLIORA L’OUTPUT DELL’8,60% E PORTA IL RR DAL 42,04% AL 45,66%. L’INTEGRAZIONE PV/T NEL SISTEMA B CONSENTE IL PRERISCALDAMENTO DELL’ACQUA MARINA, RIDUCE IL CONSUMO ENERGETICO SPECIFICO (SEC) E AUMENTA L’EFFICIENZA PV, OTTENENDO UN GUADAGNO PRODUTTIVO DELL’8,93% E UN MIGLIORAMENTO DEL RR DEL 3,24% RISPETTO AL SISTEMA A. IL COSTO LIVELLATO DELL’ACQUA (LCOW) È DI 5,01 USD/M³ PER IL SISTEMA B E DI 5,27 USD/M³ PER IL SISTEMA A, VALORI SUPERIORI AI COSTI CONVENZIONALI MA INFERIORI RISPETTO A MOLTE SOLUZIONI SOLARI.