Progettazione di sistemi per serre basate su fotovoltaici e pompe di calore geotermiche
Nov 15, 2021
Gli scienziati dell'Università Yaşar in Turchia hanno sviluppato un concetto di design per serre che si basano sul fotovoltaico come fonte di elettricità per l'illuminazione a LED e una pompa di calore utilizzata per il riscaldamento e il raffreddamento.
“Abbiamo originariamente sviluppato il sistema nel 2017 e all'epoca il valore del tempo di ammortamento del sistema era di 5,7 anni,” ha detto il ricercatore Levent Bilir alla rivista pv.“Non sono sicuro che il tempo di ammortamento sia più breve oggi rispetto al 2017, poiché i prezzi dell'energia sono in aumento.”
Il sistema ibrido è stato modellato assumendo una serra di 5 x 30 m con una superficie di 150 m2, l'uso di 66 pannelli solari orientati a sud con una potenza di 200 W ciascuno che coprono il 50% del tetto della serra, e l'implementazione di una pompa di calore geotermica, che è un tipo di pompa di calore che può essere utilizzata sia per il riscaldamento che per il raffreddamento. La location scelta è la città di Izmir, nella Turchia occidentale, dove la temperatura di riferimento è di 25 gradi Celsius e l'irraggiamento solare è di 1.367 W/m2.
I valori massimi di efficienza dell'array in un anno sono stati stimati tra il 14,17% e il 16,14%, con un angolo del tetto di 38,4 gradi. I pannelli sono stati posizionati sul tetto creando un'intercapedine tra le file dei moduli in modo da far raggiungere una radiazione solare più uniforme all'interno della serra, che è composta da telai in alluminio e finestre con doppio vetro con uno strato d'aria di 13 mm. Quando l'impianto fotovoltaico produce più energia di quella necessaria alla serra, l'eccedenza viene immessa in rete. Allo stesso modo, quando la sua produzione non è sufficiente, l'elettricità viene prelevata dalla rete.
Il team di ricerca ha valutato le prestazioni complessive del progetto di serra proposto considerando la coltivazione di pomodoro, cetriolo e lattuga, che richiedono diverse temperature interne rispettivamente di 28, 36 e 24 gradi Celsius. Poiché i carichi di raffreddamento degli impianti sono estremamente elevati, la coltivazione viene interrotta nei mesi di luglio e agosto. La serra viene riscaldata o raffrescata 24 h/giorno dalla pompa di calore.
Gli scienziati hanno calcolato il carico di riscaldamento, raffreddamento e illuminazione, nonché la domanda elettrica mensile e annuale tenendo conto del coefficiente dei valori di prestazione (COP) in riscaldamento e raffreddamento. Inoltre, hanno calcolato i valori del rapporto di copertura mensile e annuale per ogni coltura e i costi per l'impianto fotovoltaico e la pompa di calore, nonché i costi per l'assicurazione e il funzionamento e la manutenzione.
La loro analisi ha mostrato che durante i mesi di funzionamento estivo, che sono maggio, giugno e settembre, l'impianto fotovoltaico è in grado di coprire la domanda di elettricità con un range di copertura del 33,2-67,2%, che spiegano con il fatto che la potenza necessaria per soddisfare il carico di raffreddamento per la coltivazione di tutte le colture è molto alta.“Tuttavia, per i mesi di funzionamento invernale, si riscontrano valori di coefficiente di copertura più elevati,” ha evidenziato il gruppo di ricerca.“Il tasso di copertura per la coltivazione del pomodoro va da un minimo del 67,4% a dicembre ad un massimo del 522,3% a ottobre, mentre per la coltivazione del cetriolo si registra un tasso di copertura minimo del 37,6% a dicembre e un tasso di copertura massimo del 185,3% per Ottobre.”
Un'analisi economica dei dati raccolti ha mostrato che il tempo di ammortamento per la coltivazione del pomodoro è di 7,2 anni, mentre quelli del cetriolo e della lattuga sono rispettivamente di 7,4 e 7,0 anni.“Il valore del tempo di ammortamento dei gas serra del sistema era di 5,7 anni e 2,6 anni, basati rispettivamente sulla generazione di gas naturale e di elettricità a base di carbone.”
Guardando al futuro, Bilir ha affermato che il lavoro futuro dovrebbe includere analisi più dettagliate e considerare l'archiviazione come un'opzione aggiuntiva.“Forse si possono incorporare diversi tipi di energia rinnovabile,” ha concluso.
