MODELLIZZAZIONE DI SISTEMI SOLARI INNOVATIVI INTEGRATI NELL' INVOLUCRO EDILIZIO PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA TERMO-ELETTRICA

Following the various energy crises, it has been seen that Renewable Energy Sources (RESs) are on the one hand a resource, while on the other a necessity, therefore capable of reducing dependence on fossil fuels and reducing greenhouse gas emissions. Over the years, solar technology has become the most important of the RESs. Proof of this is the large production of scientific articles on the subject, the efforts to improve existing technologies and above all the numerous systems installed around the world. The improvement of existing technology also involves the use of hybrid photovoltaic/thermal (PV/T) systems, which simultaneously produce both electrical and thermal energy, increasing the exploitation of captured solar energy. This PhD thesis aims to study the performance of solar plants to produce electricity (photovoltaic plant) and thermal energy (solar thermal plant) or their cogeneration (hybrid photovoltaic/thermal plant), as well as the possibility of increasing performance through the use of nanofluids or phase change materials, and the installation of solar RESs in building envelopes. Through a pilot PV/T plant, installed at the DIEEI of the University of Catania, it was possible to analyse various scenarios. The system, monitored in all its parts, allows with its flexibility, to simulate any thermal or electrical load, but also allows the variation of its configuration: tilt angle, flow rates, electrical and thermal connections (series or parallel), and so on. An extensive experimental investigation made it possible to compare the thermal and electrical performance of the two PV/T modules making up the pilot plant, depending on the hydraulic configuration, connecting them once in series and another in parallel. In addition, the comparison was also performed by circulating the working fluid in only one panel, leaving the other in stagnation condition. Other analyses made it possible to evaluate the performance of the PV/T at varying thermal levels, and the possibility of managing electricity production to improve the thermal one was explored. The experimental investigation was subsequently expanded using numerical simulations. Through an application created in TRNSYS, and validated with experimental data, the performances among a PV/T system and different arrangements of conventional photovoltaic and solar thermal systems (PV-ST) were compared, when both the two solar systems, PV/T and PV-ST, occupies the same surface. Thus, when there could be competition for installing both the surfaces of PV and ST necessary for meet the energy needs of a building due to space scarcity (e.g. in residential tower buildings). The study is carried out considering both the first and second law approach of thermo-dynamic, as well as the economic analysis, having as target a residential unit located in the cities of Catania (IT), Split (HR) and Freiburg (D), which are representative of different geographic areas. A novel numerical model capable of simulating a complete PV/T system has been developed in Matlab and has been validated using the measured data in the pilot PV/T system. This model is based on the energy balance equations for each component of the PV/T system. The model allows us to study the impact that the various environmental, management and characteristic parameters have on producibility. The analysis carried out made it possible to evaluate the effect of the variation in the flow rate and temperature of the fluid on the performance of the system, as well as the performance over a continuous period of four days (spring season) considering real climatic data. Such information are crucial in PV/T real applications, in fact the validated numerical model is a very useful tool that can be used for the on-line monitoring of real installations to detect immediately faults or inefficient operative conditions through the comparison between calculated and measured variables and performances. Usually, the PV/T systems have some limitations to fulfil the thermal energy needs; therefore, it is necessary to improve their efficiency with the aim to increase the enthalpy level of the energy produced. Thus, using the Matlab model, the effects of changing the cooling fluid from pure water to a nanofluid composed by water and aluminium oxide (Al2O3) in a PV/T system are studied. The analysis is based on the thermodynamics viewpoint, considering both the total energy produced and its quality. Furthermore, the thermal level achievable by changing the heat transfer fluid, as well as the electrical efficiency considering various input conditions has been calculated. The possibility to improve the performances of the PV plants has been studied using a passive cooling technique, which use the phase change materials (PCMs) to control the PV cell temperature. Using the Fluent simulation software, a CFD model capable of simulating the transfer of heat, mass, and momentum of a PCM connected behind a photovoltaic module was developed. The analyses were carried out considering different periods of the year, and the simulations were performed for several consecutive days in such a way to not overlook the actual degree of solidification obtained during the night. The CFD model has allowed us to compare the thermal behaviour and the electrical performance of PV module equipped with two different types of PCM (PV-PCM) with those of a conventional PV module under the same operative conditions, showing an increase of electrical performance of PV-PCM respect to the conventional PV. One of the main objectives of nZEBs is to design high performance passive or active building envelope. The high-performance Passive Building Envelopes (PBE)s are facades, windows, roofs, etc., where the efficient design reduces thermal fluxes between outdoor and indoor space, as well as the overheating effect due to solar radiation. With this aim, it is proposed a comprehensive comparison of the thermal behaviour between an Opaque Ventilated Façade (OVF) and a conventional unventilated Façade (UF), considering both winter and summer period. Moreover, the analysis investigates different façade orientations and several states of windiness. These analyses were developed utilizing fluid-dynamic calculation under dynamic conditions, which allowed to determine the: hourly surface temperatures of the most external layer, temperature profiles for all the facade’s layers, airflow profiles inside the cavity and near the façade, and the hourly thermal fluxes that cross the façades. The installations of solar RESs applied or integrated into the building envelope (the so-called Active Building Envelopes “ABEs”) may represent an interesting opportunity to increase the fraction of the building energy demands supplied through solar energy. The performance of the different solar technologies (PV, ST, and PV/T) placed on the building facades were analysed, and the effect that these can generate on the thermal fluxes between indoor and outdoor environment. In detail, the application of a Building Solar Thermal Facade (BSTF) used for the production of Domestic Hot Water was analysed, considering different Italian climatic locations and two different types of solar collectors (Flat Plate Collector "FPC" and Evacuated Tube Collector " ETC). Another analysis concerned the integration of a PV/T system in the façade of the building (BIPVT) used to satisfy both thermal and electrical needs. Furthermore, the effect on the thermal fluxes that pass through the envelope was assessed by comparing the energy needs of the building equipped with BIPVT with an equivalent one without BIPVT. Finally, the addition of PV systems on the facade was analysed. Four scenarios were considered: (i) unventilated active façade with an added single-sided module (BAPV); (ii) ventilated active façade with an added monofacial module (V-BAPV); (iii) ventilated active façade with an added bifacial module (V-BAbPV); and (iv) ventilated active façade with an added bifacial module and reflective treatment in the internal wall (Vr-BAbPV). The analysis conducted reveals a good potential for ABE whatever its composition (ST, PV or PV/T), guaranteeing good yields and an improvement in the thermal behaviour of the building envelope.

A seguito delle varie crisi energetiche, si è visto che le Fonti Energetiche Rinnovabili (FER) sono da un lato una risorsa, dall'altro una necessità, quindi in grado di ridurre la dipendenza dai combustibili fossili e ridurre le emissioni di gas serra. Negli anni, la tecnologia solare è diventata la più importante delle FER. Ne è prova l'ampia produzione di articoli scientifici sull'argomento, gli sforzi per migliorare le tecnologie esistenti e soprattutto i numerosi sistemi installati nel mondo. Il miglioramento della tecnologia esistente prevede anche l'utilizzo di sistemi ibridi fotovoltaico/termico (PV/T), che producono contemporaneamente sia energia elettrica che termica, aumentando lo sfruttamento dell'energia solare catturata. Questa tesi di dottorato si propone di studiare le prestazioni degli impianti solari per la produzione di energia elettrica (impianto fotovoltaico) ed energia termica (impianto solare termico) o la loro cogenerazione (impianto ibrido fotovoltaico/termico), nonché la possibilità di aumentarne le prestazioni attraverso l'utilizzo di nanofluidi o materiali a cambiamento di fase e l'installazione di FER solari negli involucri degli edifici. Attraverso un impianto pilota PV/T, installato presso il DIEEI dell'Università degli Studi di Catania, è stato possibile analizzare diversi scenari. Il sistema, monitorato in tutte le sue parti, permette con la sua flessibilità, di simulare qualsiasi carico termico o elettrico, ma permette anche la variazione della sua configurazione: angolo di inclinazione, portate, collegamenti elettrici e termici (serie o parallelo), ecc... Un'ampia indagine sperimentale ha consentito di confrontare le prestazioni termiche ed elettriche dei due pannelli PV/T che compongono l'impianto pilota, a seconda della configurazione idraulica, collegandoli una volta in serie e un'altra in parallelo. Inoltre, il confronto è stato effettuato facendo circolare il fluido di lavoro in un solo pannello, lasciando l'altro in stagnazione. Altre analisi hanno consentito di valutare le prestazioni del PV/T al variare dei livelli termici, ed è stata esplorata la possibilità di gestire la produzione di energia elettrica per migliorare quella termica. L'indagine sperimentale è stata successivamente ampliata utilizzando simulazioni numeriche. Tramite un'applicazione realizzata in TRNSYS e validata con dati sperimentali, sono state confrontate le prestazioni tra un sistema PV/T e diverse disposizioni di sistemi fotovoltaici convenzionali e sistemi solari termici (PV-ST), considerando la stessa superficie per l’installazione. Infatti, quando la superficie disponibile per l’installazione degli impianti solari risulta limitata (ad esempio negli edifici a torre residenziali) si genera una concorrenza per l'installazione di entrambe le tecnologie solari, PV ed ST, al fine di soddisfare il fabbisogno termico ed elettrico dell’edificio. Lo studio viene condotto considerando sia l'approccio di prima e seconda legge della termodinamica che l'analisi economica, avendo come obiettivo un'unità residenziale situata nelle città di Catania (IT), Spalato (HR) e Friburgo (D), città rappresentative di diverse aree geografiche. Un nuovo modello numerico in grado di simulare un sistema PV/T completo è stato sviluppato in Matlab ed è stato convalidato utilizzando i dati misurati nel sistema PV/T pilota. Questo modello si basa sulle equazioni del bilancio energetico per ogni componente del sistema PV/T. Il modello permette di studiare l'impatto che i vari parametri ambientali, gestionali e caratteristici hanno sulla producibilità. L'analisi svolta ha consentito di valutare l'effetto della variazione della portata e della temperatura del fluido sulle prestazioni dell'impianto, nonché le prestazioni su un periodo continuativo di quattro giorni (stagione primaverile) considerando dati climatici reali. Tali informazioni sono cruciali nelle applicazioni reali di impianti PV/T, infatti il modello numerico validato è uno strumento molto utile che può essere utilizzato per il monitoraggio in linea di impianti reali, in modo da rilevare immediatamente guasti o condizioni operative inefficienti attraverso il confronto fra le prestazioni calcolate e quelle osservate in campo. Di solito, i sistemi PV/T hanno alcune limitazioni per soddisfare le esigenze di energia termica; è quindi necessario migliorarne l'efficienza al fine di aumentare il livello di entalpia dell'energia prodotta. Pertanto, utilizzando il modello Matlab, vengono studiati gli effetti sulle prestazioni in un sistema PV/T del cambiamento del fluido di raffreddamento da acqua pura in nanofluido composto da acqua e ossido di alluminio (Al2O3). L'analisi si basa considerando sia l'energia totale prodotta che la sua qualità. Inoltre, è stato calcolato il livello termico ottenibile variando il fluido termovettore, nonché il rendimento elettrico considerando le varie condizioni di ingresso. La possibilità di migliorare le prestazioni degli impianti fotovoltaici è stata studiata utilizzando una tecnica di raffreddamento passivo, che utilizza i materiali a cambiamento di fase (PCM) per controllare la temperatura delle celle fotovoltaiche. Utilizzando il software di simulazione Fluent, è stato sviluppato un modello CFD in grado di simulare il trasferimento di calore, massa e quantità di moto di un PCM collegato dietro un modulo fotovoltaico. Le analisi sono state effettuate considerando diversi periodi dell'anno, e le simulazioni sono state eseguite per più giorni consecutivi in modo da non trascurare l'effettivo grado di solidificazione ottenuto durante la notte. Il modello CFD ha permesso di confrontare il comportamento termico e le prestazioni elettriche di un modulo FV dotato di due differenti tipologie di PCM (PV-PCM) con quelle di un modulo fotovoltaico convenzionale a parità di condizioni operative, evidenziando un incremento delle prestazioni elettriche di PV-PCM rispetto al PV convenzionale. Uno degli obiettivi principali degli NZEB è progettare un involucro edilizio passivo o attivo ad alte prestazioni. Gli involucri passivi per edifici (PBE) ad alte prestazioni sono facciate, finestre, tetti, ecc., in cui il design efficiente riduce i flussi termici tra lo spazio esterno e quello interno, nonché l'effetto di surriscaldamento dovuto alla radiazione solare. A tal fine, si propone un confronto completo del comportamento termico tra una Facciata Ventilata Opaca e una Facciata Non Ventilata convenzionale, considerando sia il periodo invernale che quello estivo. Inoltre, l'analisi indaga i diversi orientamenti delle facciate e diversi stati di ventosità. Queste analisi sono state sviluppate utilizzando calcoli fluidodinamici in condizioni dinamiche, che hanno permesso di determinare: temperature superficiali orarie dello strato più esterno, profili di temperatura per tutti gli strati della facciata, profili di flusso d'aria all'interno dell'intercapedine e in prossimità della facciata, e la temperatura oraria termica flussi che attraversano le facciate. Le installazioni di FER solari applicate o integrate nell'involucro edilizio (i cosiddetti Involucri Edilizi Attivi “ABE”) possono rappresentare un'interessante opportunità per aumentare la frazione del fabbisogno energetico dell'edificio fornito attraverso l'energia solare. Sono state analizzate le prestazioni delle diverse tecnologie solari (PV, ST e PV/T) poste sulle facciate degli edifici e l'effetto che queste possono generare sui flussi termici tra ambiente interno ed esterno. In dettaglio, è stata analizzata l'applicazione di una Facciata Solare Termica di Edificio utilizzata per la produzione di Acqua Calda Sanitaria, considerando diverse località climatiche italiane e due differenti tipologie di collettori solari (Collettore Piano Vetrato "FPC" e Collettore a Tubi Sottovuoti "ETC”). Un'altra analisi ha riguardato l'integrazione di un sistema PV/T nella facciata dell'edificio (BIPVT) utilizzato per soddisfare sia le esigenze termiche che elettriche. Inoltre, l'effetto sui flussi termici che attraversano l'involucro è stato valutato confrontando il fabbisogno energetico dell'edificio dotato di BIPVT con uno equivalente senza BIPVT. Infine, è stata analizzata l'aggiunta di impianti fotovoltaici sulla facciata. Sono stati considerati quattro scenari: (i) facciata attiva non ventilata con aggiunto un modulo tradizionale (monofacciale) (BAPV); (ii) facciata attiva ventilata realizzata con modulo monofacciale (V-BAPV); (iii) facciata attiva ventilata con modulo bifacciale (V-BAbPV); e (iv) facciata attiva ventilata con modulo bifacciale e trattamento riflettente nella parete interna (Vr-BAbPV). L'analisi condotta rivela un buon potenziale di ABE qualunque sia la sua composizione (ST, PV o PV/T), garantendo buone rese e un miglioramento del comportamento termico dell'involucro edilizio.