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Efficienza energetica, Risparmio Energetico, Energie rinnovabili

Efficienza energetica, Risparmio Energetico, Energie rinnovabili

Efficienza energetica, Risparmio Energetico, Energie rinnovabili

Cos'è l'effetto fotovoltaico che sta alla base degli impianti ad energia solare.

In questo articolo, primo di una serie sulle energie rinnovabili, scopriremo cos'è e come funziona l'effetto fotovoltaico, che sta alla base della produzione di energia elettrica dalla luce solare negli impianti fotovoltaici.

Effetto fotovoltaico: un po' di storia

Lo scopritore dell'effetto fotovoltaico fu Antoine Cesar Becquerel, fisico francese nato a Châtillon-Coligny nel 1820 e morto a Parigi nel 1878. Nel 1839 Becquerel scoprì per caso che la luce solare aveva degli effetti su una cella elettrolitica con elettrodi di platino che stava studiando. Nel 1870 fu il tedesco Heinrich Hertz (Amburgo, 1857 - Bonn, 1894) a studiare l'effetto fotovoltaico sul selenio, mentre nel 1876 Willoughby Smith, William Grylls Adams e Richard Evans Day conclusero che le celle elettrolitiche erano in grado di convertire la luce in elettricità con una efficienza tra l'1% e il 2%.

La spiegazione scientifica dell'effetto fotovoltaico fu data solo da Albert Einstein nel 1905, scoperta che gli valse il Premio Nobel per la fisica nel 1921. Dovettero tuttavia passare oltre 30 anni prima che questo fenomeno potesse avere un'applicazione pratica: la prima cella fotovoltaica fu realizzata in silicio nei laboratori Bell ad opera di Gerald Pearson, Calvin Fuller e Daryl Chapin.

Il principio di funzionamento dell'effetto fotovoltaico

La cella fotovoltaica altro non è che ciò che in elettronica viene definita una giunzione p-n, come quella del diodo, realizzata partendo dal silicio cristallino puro e drogandone una parte con un elemento di tipo P ( come il Boro ) e l'altra parte con un elemento di tipo N ( come ad esempio il Fosforo ).

Nella giunzione non può entrare la luce, quindi quando i fotoni incidono sul silicio delle celle ne urtano gli atomi e, se il fotone presenta un'energia sufficiente, scalza un elettrone dal proprio posto. L'elettrone scalzato viene quindi catturato dal campo elettrico creato dalla giunzione P-N che lo trascina nella zona N. Dalla zona N può fluire attraverso i contatti della griglia elettrica fino al carico elettrico e, quindi, tornare attraverso i conduttori nella zona P. Qui si ricombinano con le lacune , cioè le cariche positive che sono state trascinate nella zona P.

Quando la luce, attraverso un numero elevato di fotoni di energia sufficiente, mette in atto il moto di un elevato numero di elettroni attraverso il processo sopra descritto, provoca il passaggio di una corrente elettrica.

Funzionamento di una cella fotovoltaica e della giunzione P-N

Abbiamo detto che il processo descritto nel paragrafo precedente si innesca solo se il fotone ha un'energia sufficiente. Solo una parte dei fotoni incidenti genera una corrente elettrica e non tutta l'energia posseduta dal fotone ( E = v * h ) si trasforma in energia elettrica. Questo determina un'efficienza piuttosto bassa delle celle fotovoltaiche : le più efficienti possono arrivare ad un rendimento di circa il 14% .

Vediamo nel dettaglio cosa può accadere a un fotone di luce solare che incide sulla cella. Le varie casistiche si possono suddividere in due comportamenti:

  1. generare una coppia di portatori di carica ( lacuna-elettrone );
  2. non generare una coppia di portatori di carica.

La coppia di generatori di carica non viene generata se:

  1. il fotone viene riflesso senza neanche entrare nella cella fotovoltaica;
  2. il fotone incide sulla griglia metallica e quindi non entra nella cella. Questo spiega perché la griglia metallica dovrà al tempo stesso avere molti conduttori per raccogliere la corrente in forma capillare, ma al tempo stesso averli molto sottili per permettere a più luce possibile di passare;
  3. il fotone ha lunghezza d'onda maggiore di 1.100 mm e quindi energia inferiore a 1.1 eV3 , questa è troppo bassa per poter creare coppie lacuna-elettrone e quindi il fotone non da origine ad alcun fenomeno apprezzabile;

Nei casi invece in cui viene generata la coppia di portatori di carica, questo può avvenire:

  1. all'interno della regione di carica spaziale della giunzione; il campo elettrico che è presente in questa regione porterà quindi l'elettrone verso la zona N e la lacuna verso la zona P, dando così origine alla fotocorrente;
  2. all'esterno della regione di carica spaziale, ma raggiungerla ugualmente per diffusione e si crea ugualmente la fotocorrente;
  3. all'esterno della regione di carica spaziale, ricombinandosi senza raggiungerla e senza dare quindi origine alla fotocorrente.

 

Rendimento ed efficienza di una cella fotovoltaica

Delle 6 casistiche descritte nel paragrafo precedente, solo in 2 casi si origina una corrente fotovoltaica. Questo spiega il rendimento relativamente basso delle celle fotovoltaiche, che raramente supera il 20%. La sfida perché le energie rinnovabili siano sempre più convenienti, anche senza l'elargizione di incentivi da parte dei governi, è ovviamente legata a tecnologie costruttive sempre più efficienti.

In particolare l'efficienza è molto legata alla tipologia di silicio impiegata. Infatti:

 

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Monitoraggio energetico con domotica e building automation

Il monitoraggio energetico è un'esigenza sempre più necessaria sia per le imprese che per gli edifici , privati e pubblici , tanto che per incentivare il risparmio energetico sono stati introdotti gli obblighi della diagnosi energetica dal legislatore , come spiegato in un altro articolo in questo sito.

In questo senso , sia in ambito civile che industriale che terziario , sono di notevole importanza la domotica e la building automation che stanno trasformando gli edifici in fabbriche intelligenti ( smart factories e industria 4.0 ) e in case intelligenti ( smart home ). La possibilità di posizionare sul campo moduli di misurazione e monitoraggio collegati tramite bus a sistemi di elaborazione e monitoraggio dotati di appositi software , rendono questa operazione quasi naturale e molto meno costosa rispetto ad un intervento "da zero".

Vediamo quindi una panoramica delle soluzioni offerte dai principali costruttori e integratori di sistemi elettrici e di building automation .

ABB : ABB propone interessanti soluzioni sia in ambito industriale/aziendale su protocolli Modbus RTU, TCP e SNMP v1, 2 e 3 , sia in ambito civile / terziario su protocolo KNX :

1) Il sistema ABB per il monitoraggio energetico a servizio delle industrie e del grande terziario si chiama CMS 700 , in cui l'acronimo sta per Circuit Monitoring System . Attraverso una unità di controlllo con webserver integrato permette di monitorare fino a 96 sensori , di facile installazione , sia per via dei molteplici protocolli di comunicazione utilizzati , sia perché i sensori si possono fissare direttamente ai cavi o montare su interruttori esistenti ABB , non necessitando quindi di modificare i cablaggi dei quadri elettrici.

Ogni sensore permette di monitorare una linea , quindi per raccogliere correnti ed energie di linee monofase è sufficiente un solo sensore , mentre per le linee trifasi sono necessari 3 sensori. Il webserver permette di interrogare da remoto i dati di monitoraggio e integrarli con sistemi di gestione e controllo. In questo modo CMS 700 è ideale per il monitoraggio energetico di industrie , piccolo e medio terziario , centri commerciali / direzionali e ospedali.

Eccellente anche la comunicazione e la presentazione del prodotto , il cui funzionamento può essere compreso in anteprima tramite appositi video formativi sul canale Youtube di ABB.

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2) Il sistema ABB per il monitoraggio e controllo dei carichi in ambito di domotica e building automation , basato su standard KNX , ha invece applicazioni più nel settore civile e terziario e permette non solo il monitoraggio , ma anche una logica di controllo dei carichi che permette di agire direttamente sul risparmio energetico , non solo elettrico ma anche di gas , acqua e sistemi di riscaldamento.

Sono infatti presenti moduli "Energy Analyzer" e di "Monitoraggio carichi" , che in base a logiche di controllo impostate in fase di programmazione , permette non solo di monitorare lo stato di controllo ma anche di inserire e disinserire i carichi attraverso gli attuatori.

Tra i prodotti , citiamo gli Energy Analizer QA/S3.16.1 , QA/S3.64.1 , QA/S4.16.1 , QA/S4.64.1 , il modulo di monitoraggio carichi EM/S3.16.1 e il modulo di interfaccia ZS/S1.1 , che raccoglie i valori di energia e li invia sul bus sotto forma di telegrammi KNX . 

3) Schneider Electric : Il sistema di monitoraggio di Schneider Electric si chiama PowerLogic ed è composto da un'ampia gamma di strumenti :

3A) Software di monitoraggio Power Management System , disponibile sia nella versione per installazione su PC e Server , denominata PowerExpert , che può generare report e indicatori di performance per chi si occupa di gestione dell'energia e contabilità in azienda che nella versione SCADA ( PowerScada ) , con tutti i vantaggi del monitoraggio real time sul campo.

3B) Ad interfacciare i sistemi di monitoraggio con i dispositivi da campo sono i Gateway come Link150 , su rete ethernet , PowerLogic Comx che permette di integrare nello stesso dispositivo un Energy Server e un datalogger , il PowerLogic G3200 , un gateway che si appoggia al protocollo Modbus , molto diffuso nella comunicazione in ambito di automazione industriale.

3C) Venendo ai dispositivi terminali abbiamo :

- gli strumenti di misura multifunzione , come i multimetri delle serie PowerLogic PM3200 , PowerLogic PM5000 e PM5300R
- i contatori di energia trifase , come gli iEM2000 e iEM3000 o il PowerTag
- strumenti di misura multifunzione , con analisi anche della Power Quality ( armoniche , sovratensioni , buchi di tensione ) : il PowerLogic PM8000 per l'analisi base della qualità dell'energia e l'ION8800 per l'analisi avanzata.

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Che cos'è un Esperto in Gestione dell'Energia , EGE

EGE è l'acronimo di Esperto in Gestione dell'Energia. La figura è prevista dalla norma UNI-CEI 11339 e per diventare Esperto in Gestione dell'Energia bisogna sostenere un esame presso il SECEM , Sistema europeo per la certificazione in energy management . Lo stesso SECEM permette poi di consultare il registro degli EGE suddivisi per regione , area di interesse ( civile o industriale ) e attività in grado di svolgere , quali analisi del sistema energetico , conduzione e manutenzione degli impianti , consulente energetico , contabilità energetica analitica e valutazione dei risparmi , contrattualistica e analisi dei contratti di fornitura e cessione dell'energia.

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Che cos'è una E.S.Co , Energy Service Company

E.S.Co è l'acronimo di Energy Service Company ovvero una società di servizi energetici. Tali società devono certificarsi ai sensi della norma UNI CEI 11352 dimostrando di avere al proprio interno figure tecniche tali da essere in grado di svolgere l'audit preliminare , in base agli esiti scegliere le azioni di risparmio energetico e poi verificare gli esiti di questo efficientamento. Il servizio fornito dall'Energy Service Company si ripaga spesso grazie ai risparmi conseguiti .  

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Cos'è la diagnosi energetica o Audit Energetico : definizioni e normative

La diagnosi energetica o audit energetico , viene definito dalla legislazione italiana , attraverso il Decreto Legislativo nr.102 del 4 Luglio 2014 , come "una procedura sistematica volta a fornire un'adeguata conoscenza del profilo di consumo energetico di un edificio o gruppo di edifici, di una attivita' o impianto industriale o di servizi pubblici o privati, ad individuare e quantificare le opportunita' di risparmio energetico sotto il profilo costi-benefici e riferire in merito ai risultati " .

Secondo tale definizione , quindi , l'oggetto di una diagnosi energetica può essere un edificio ( pubblico o privato ) o un'attività industriale o di servizi. I riferimenti normativi che definiscono obblighi e prescrizioni riguardo alla diagnosi energetica , sono i seguenti , tra cui appunto il decreto sopra citato:

1) il D.Lgs 102 del 4 Luglio 2014 riguarda le grandi imprese o le imprese energivore . Tale decreto legislativo , che recepisce la Direttiva Europea 2012/27/UE , obbliga le grandi imprese e le imprese a forte consumo di energia a redigere una diagnosi energetica almeno ogni 4 anni a partire da Dicembre 2015 o in alternativa a certificarsi ai sensi della norma ISO 50001 . La diagnosi energetica deve essere svolta da una Energy Service Company( ESCO ) o da un Esperto in Gestione dell'energia certificato ( EGE ). Sulla definizione di ESCO ed EGE , come su quella delle grandi imprese , imprese a forte consumo di energia , rimandiamo al nostro glossario in fondo all'articolo .

2) La Legge nr. 90 del 2013 e i suoi decreti attuativi , del 26 Giugno 2015 , riguardano gli edifici e il cosiddetto APE ( Attestato di Prestazione Energetica ) degli stessi , che viene spesso indicato con APE 2015 , per distinguerlo dall'attestato richiesto prima di tale data , molto meno stringente. I decreti attuativi in particolare sono tre e riguardano Requisiti minimi , Certificazione Energetica e Relazione tecnica. Nel decreto Requisiti minimi si specifica che la diagnosi energetica è necessaria in caso di ristrutturazione o di nuova installazione di impianti termici di potenza termica nominale del generatore maggiore di 100 kW .

3) per gli edifici pubblici o in uso alle pubbliche amministrazioni , l'obbligo di diagnosi energetica è stato introdotto molto prima. Infatti il Decreto Legislativo nr. 115 del 30 maggio 2008 prevede l'obbligo della diagnosi energetica sia nel caso di ristrutturazione degli impianti termici , sia in caso di ristrutturazione edilizia che coinvolga almeno il 15% dell'edificio.

Soprattutto con riferimento alle attività del punto 1 , riguardanti le imprese , l'audit energetico consiste nella raccolta e analisi dei dati di consumo energetico , sia tramite lo studio delle fatture o bollette di energia elettrica , gas e acqua , sia tramite rilievi e installazione di strumenti di misura ove non presenti. In base a questa analisi viene stilato un piano di azione , che può consistere nella sostituzione di apparecchiature ( parti dell'impianto termico o elettrico ) , modifiche strutturali per ridurre la dispersione e/o il cambio di gestore della fornitura di energia elettrica e gas. Il risparmio energetico così prospettato deve tradursi anche in un risparmio economico che permetta di ammortizzare e recuperare i costi dell'audit energetico e deve poi essere verificato nuovamente mediante monitoraggio e raccolta dati.

Glossario e riferimenti :

E.S.Co ( clicca sul link per andare alla voce del glossario ) 

EGE ( clicca sul link per andare alla voce del glossario )

Grande Impresa : la definizione di grande impresa , che determina l'obbligo di redigere l'audit energetico ogni 4 anni ( se non certificata ISO 50001 ) , è data dal Ministero dello Sviluppo Economico ( MISE ) . In base all'ultima definizione , risalente al 2016 , un'impresa rientra in tale categoria se occupa più di 250 persone e se ha un fatturato superiore a 50 milioni di euro o un bilancio totale superiore a 43 milioni di euro.

Impresa energivora : anche la definizione di Impresa a forte consumo di Energia o Impresa Energivora viene fornita dal MISE . In base all'ultimo aggiornamento , le imprese energivore sono quelle che consumano almeno 2.4 GWh o sono caratterizzate da un'incidenza tra costo dell'energia e fatturato pari o superiore al 3% .

Bibliografia e testi per approfondire :

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