PRODUZIONE DI POTENZA DA FONTI RINNOVABILI
AA 2014-15
Appello del 26 Febbraio 2015
Prof. Silva e Manzolini
Tempo a disposizione: 1 ora e 30 min
Avvertenze per lo svolgimento del tema d’esame:
1) Indicare chiaramente nome e cognome su tutti i fogli che si intendono consegnare.
2) Il punteggio si riferisce ad esercizi svolti in modo completo con risultati numerici esatti. Risultati numerici corretti ma non accompagnati
dalle relative spiegazioni non saranno presi in considerazione. Il punteggio finale verrà normalizzato in base ai risultati medi.
3) Rispondere brevemente ma con chiarezza solamente ai quesiti posti. Calcoli e spiegazioni - pur corretti in sé - che non rispondono ai
quesiti posti non saranno considerati ai fini della valutazione.
4) Parlare con i colleghi e/o copiare prevede l’immediato annullamento del compito.
5)
Tutti gli strumenti necessari per la risoluzione del tema d’esame sono riportati sul tema stesso. NON è consentito l’utilizzo del materiale
didattico (libri, appunti, esercitazioni, esercizi svolti,…)
Quesito 1 (14 punti)
Si vuole realizzare un impianto fotovoltaico da circa 100 kWel nominali sulla copertura piana di una industria
con superficie disponibile 100 x 40 m e lato corto rivolto a sud.
L’impianto è costituito da pannelli di 60 celle collegate in serie con caratteristiche riportate in tabella. Individuare il numero di pannelli da installare e il loro allacciamento rispetto all’inverter, i cui limiti sono anch’essi
riportati in tabella. Identificare la configurazione che soddisfi contemporaneamente i vincoli tecnici
dell’inverter e l’obiettivo sulla potenza. (6 punti)
CELLA
Isc cella @ 25°C
Voc cella @ 25°C
Imp cella @ 25°C
Vmp cella @ 25°C
Coeff. di corrente (T)
Coeff. di tensione (T)
Coeff. di potenza (T)
T amb max
T amb minima
9.11 A
0.66 V
8.49 A
0.53 V
0.048 (%/°C)
-0.29 (%/°C)
-0.43 (%/°C)
60°C
-15°C
INVERTER
Potenza DC max
Rendimento nominale
Range MPPT
Tensione DC max
Corrente DC max
110 kWel
95%
340-600 V
700 V
240 A
Si considerino i pannelli installati a Milano (Lat 45°27’ N e Long 9°11’ E) si calcoli la distanza minima tra i
pannelli affinchè non ci sia ombreggiamento tra gli stessi il giorno 1 gennaio a mezzogiorno solare. I pannelli sono inclinati di 30° e hanno una dimensione pari a 1 x 1.66 m. (2 punti).Verificare se la superficie a disposizione consente di adottare questo criterio e definire il lay-out del tetto. (1 punto)
Calcolare l’energia annua prodotta da un pannello e dall’impianto considerando le seguenti condizioni e assumendo che la differenza di temperatura tra modulo e ambiente sia proporzionale all’irraggiamento incidente sul modulo (5 punti):
2
Irraggiamento annuo sulla superficie del pannello 1075 kWh/m
2
Radiazione diretta media (DNI) 575 W/m
2
Radiazione diffusa media 111 W/m
Angolo di incidenza medio 47°
Temperatura ambiente media 17 °C
2
Temperatura nominale di cella 45°C (NOCT @ 800 W/m e Tamb=25°C)
Formule per il calcolo della posizione solare (posizione del sole a mezzogiorno solare del giorno dn rispetto
alla posizione assunta il giorno dell’equinozio a mezzogiorno solare).
23.45 sin
360(d n 284)
365
Con dn = giorno progressivo dell’anno
Quesito 2 (16 punti)
Si consideri un impianto ibrido composto da una caldaia a biomassa e un campo solare a concentrazione
che alimentano in parallelo un circuito ad olio diatermico, che a sua volta fornisce calore a un ciclo a vapor
d’acqua di potenza elettrica netta pari a 15 MW.
Si disegni lo schema di impianto (1 punto). La caldaia a biomassa brucia cippato di legna (PCI ss=19,3 MJ/kg
biomassa secca, umidità = 0,30 kgH2O/kgtal quale). Si calcoli il potere calorifico inferiore della biomassa riferito
alla sostanza tal quale che entra in caldaia (2 punti) ( hev,H2O=2,45 MJ/kg, si trascuri la presenza di ceneri di
combustione).
Si determini la potenza utile nominale della caldaia (1 punto) e la portata nominale di biomassa in ingresso
(3 punti) sapendo che la caldaia deve essere in grado di alimentare autonomamente il ciclo a vapore alla
sua potenza nominale. Sono noti i seguenti parametri:
rendimento lordo del ciclo a vapore = 36%
consumo elettrico medio degli ausiliari di (caldaia + ciclo vapore + campo solare) = 3 MW
potenza termica dispersa negli scambiatori olio – vapore = 1% della potenza nominale ceduta al vapore
rapporto in massa fumi / biomassa entrante (tal quale) = 13
temperatura fumi a camino = 190 °C
perdite termiche caldaia = 2 % riferite al PCI del combustibile
cpfumi=1,1 kJ/kgK
temperatura ambiente media di esercizio 15°C
Sapendo che la disponibilità annua di biomassa è pari a 1.1*108 kg, calcolare la superficie dei collettori del
campo solare (4 punti) necessaria al fine di garantire il funzionamento del ciclo a vapore in condizioni nominali per tutto l’anno (si ipotizzi che le perdite termiche del campo solare siano presenti solamente durante il
funzionamento dello stesso). Sono noti i seguenti parametri:
ore medie di funzionamento del campo solare = 3500
DNI in condizioni medie di esercizio = 600 W/m2
riflettanza dello specchio = 0.97
trasmittanza del vetro del ricevitore = 0.975
assorbanza del tubo ricevitore = 0.98
fattore di intercettazione = 0.95
K = IAM*cos = 0.7
coefficiente globale di scambio termico verso l’ambiente (rif. alla superficie laterale del tubo ricevitore) = 8 W/m2K
perdite termiche del piping = 1 MW
fattore di concentrazione (Aperturacollettore/ Dtubo ricevitore) = 58
temperatura ambiente media di esercizio del campo solare = 28°C
temperatura media dell’olio nei collettori = 340°C
Si determini inoltre il rendimento solar to electricity annuale per l’energia attribuibile al campo solare (2 punti)
e il rendimento medio annuo di impianto riferito all’energia complessivamente entrante sotto forma di biomassa e radiazione solare (1 punto).
Calcolare il bilancio annuo di emissioni di NOX rispetto a un impianto tradizionale (400 mg/kWhel) sapendo
che la caldaia a biomassa presenta emissioni specifiche pari a 280 mg/kgfumi (2 punti).
