Affidabilità e valutazione delle prestazioni di un impianto solare fotovoltaico

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14174 (2023) Citare questo articolo

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Il funzionamento e l’efficacia di un sistema di pompaggio dell’acqua sotterraneo alimentato a energia solare sono influenzati da molti fattori ambientali e tecnici. L'impatto di questi fattori deve essere studiato per essere preso in considerazione durante lo sviluppo di questi sistemi e per garantirne l'affidabilità. Questo studio ha valutato l'affidabilità e le prestazioni del sistema fotovoltaico di pompaggio dell'acqua (PVWPS) in condizioni operative reali esaminando gli effetti dell'irraggiamento solare, della temperatura dei pannelli e dell'efficienza dei componenti. Da dicembre 2020 a giugno 2021, sono stati condotti esperimenti su un PVWPS da 10 hp situato a Bani Salamah, governatorato di Al-Qanater-Giza, Egitto, a latitudine 30,3° N, longitudine 30,8° E e 19 m sopra il livello del mare. I valori di irradianza hanno raggiunto 755,7, 792,7 e 805,7 W/m2 alle 12:00 rispettivamente nei mesi di dicembre, marzo e giugno. Inoltre, l’irraggiamento ha un impatto significativo sulla portata della pompa, poiché la quantità di acqua pompata durante il giorno ha raggiunto rispettivamente 129, 164,1 e 181,8 m3/giorno. Le temperature dei pannelli sono salite rispettivamente a 35,7 °C, 39,9 °C e 44 °C. È stato osservato che quando la temperatura aumenta di 1 grado Celsius, l'efficienza diminuisce dello 0,48%. L'efficienza media dei pannelli solari fotovoltaici ha raggiunto il suo valore più alto nel mese di marzo (13,8%) e il valore più basso nel mese di dicembre (13%).

La domanda di elettricità è aumentata a causa del rapido aumento sia della popolazione che della tecnologia mondiale. L’uso di combustibili fossili, che comporta il rilascio di una notevole quantità di CO2 nell’atmosfera, è uno dei fattori che hanno un impatto significativo sul cambiamento climatico. A causa di questi fattori, molte nazioni hanno iniziato a utilizzare una forma di energia pulita, accessibile, rinnovabile e sostenibile (principalmente l’energia solare)1,2. Le pompe diesel sono comunemente utilizzate per l'irrigazione. Tuttavia, a causa dell’aumento del prezzo del petrolio sul mercato internazionale, delle emissioni nocive derivanti dalla sua combustione, degli elevati costi di manutenzione e della breve durata, i produttori sono stati costretti a trovare un’alternativa. L’uso di energie rinnovabili può ridurre la necessità di combustibili fossili. Poiché l’energia solare è ampiamente disponibile, anche in aree remote, rappresenta una valida alternativa alle pompe dell’acqua alimentate a diesel3,4. L’energia solare è una fonte di energia rinnovabile e rispettosa dell’ambiente senza effetti negativi sull’ambiente rispetto alle fonti di combustibile fossili per la produzione di energia e l’energia può essere utilizzata nelle aree rurali dove l’elettricità non è facilmente accessibile. È una delle più importanti fonti di energia rinnovabile che può essere sfruttata per generare energia elettrica, che può poi essere utilizzata come fonte di energia per azionare una pompa elettrica dell’acqua per scopi di irrigazione5,6. L'energia derivante dalla radiazione solare viene utilizzata principalmente per creare energia termica ed elettrica. È un metodo sostitutivo per generare elettricità per una gamma più ampia di usi industriali e in altri campi come applicazioni edili, prodotti per la conservazione degli alimenti e usi agricoli per alimentare pompe, motori e diversi apparecchi industriali come ventilatori e frigoriferi7, 8. L'utilizzo di un sistema fotovoltaico autonomo (la nomenclatura è illustrata nella Tabella 1) nel settore dell'agricoltura per l'irrigazione sta diventando giorno dopo giorno sempre più popolare in tutto il mondo. L'uso dell'energia solare garantisce l'uso di energia verde nel sistema9,10. L'Egitto riceve molta radiazione solare diretta perché è un paese nella fascia solare, con quantità annuali che vanno da 2000 a 3200 kWh/m2 da nord a sud. La durata del soleggiamento varia dalle 9 alle 11 h, con qualche giornata nuvolosa durante tutto l'anno11,12. I sistemi di pompaggio ad energia solare forniscono acqua per una varietà di usi, compreso l’uso domestico e per soddisfare la domanda di acqua nel campo dell’irrigazione, dell’abbeveraggio del bestiame e dell’approvvigionamento idrico dei villaggi10,13. Un generatore di energia fotovoltaica, convertitori di potenza, un motore elettrico e una pompa sono i componenti di un sistema di pompaggio dell'acqua alimentato a energia solare14,15. L'energia solare può essere utilizzata termicamente utilizzando collettori solari termici per il riscaldamento e l'essiccazione, oppure fotovoltaica convertendo la luce solare in elettricità utilizzando celle solari costituite da materiali semiconduttori come il silicio. I pannelli solari, detti anche pannelli fotovoltaici, sono realizzati collegando le celle solari in serie. Entrambi i tipi hanno numerose applicazioni in ambito agricolo, semplificando la vita e contribuendo ad aumentare la produttività. L’elettricità generata dal sole può quindi essere utilizzata per alimentare la pompa dell’acqua o immagazzinata pompando l’acqua in un serbatoio alto durante il giorno e distribuendola per gravità dopo il tramonto. Sarà necessaria una batteria per immagazzinare l'energia generata durante il giorno per le applicazioni elettriche notturne16,17. Esistono due metodi per pompare l’acqua con un sistema fotovoltaico: nel primo metodo, noto come “pompaggio al sole”, l’energia solare viene consumata in “tempo reale”. Questa soluzione richiede lo stoccaggio dell'acqua in un serbatoio (l'acqua pompata durante il giorno viene immagazzinata per essere utilizzata successivamente la sera, ad esempio). La seconda tecnica consiste nell’utilizzare le batterie per immagazzinare energia. L'energia immagazzinata durante il giorno può essere utilizzata per pompare l'acqua in un secondo momento18. La potenza di uscita di un sistema fotovoltaico è influenzata da una serie di fattori, tra cui la radiazione solare, la temperatura della superficie fotovoltaica, l'ombra, l'angolo di inclinazione e l'accumulo di polvere. La progettazione di un sistema fotovoltaico dovrebbe considerare una serie di fattori e condizioni ambientali, inclusi ma non limitati all'angolo di inclinazione, all'irradiazione e alla temperatura. Queste variabili hanno un impatto significativo sulla potenza di uscita del fotovoltaico19,20,21. Quando la temperatura superficiale del pannello solare aumenta di 1 °C in estate e in inverno, l'efficienza diminuisce rispettivamente dello 0,48% e dello 0,42%22,23. La potenza in uscita di un sistema fotovoltaico è influenzata da una serie di fattori, tra cui la temperatura della superficie fotovoltaica, l'angolo di inclinazione e l'efficienza dei componenti del sistema. Questi fattori dovrebbero essere ricercati e considerati durante la progettazione e il funzionamento di un sistema fotovoltaico. Quando la superficie del modulo fotovoltaico è direttamente perpendicolare ai raggi del sole, si ottiene la massima energia in uscita da una cella fotovoltaica. Poiché l'orientamento dell'inseguitore è orientato alla massima irradiazione, produce più energia FV rispetto all'orientamento orizzontale24,25. Si è notato che molte delle stazioni fotovoltaiche di pompaggio dell'acqua, sebbene ben progettate da un punto di vista ingegneristico, incontrano successivamente problemi durante il processo di funzionamento e anche che le quantità di acqua pompata dalla stazione sono inferiori al previsto. Ciò è dovuto alla scarsa attenzione posta ai fattori ambientali e tecnici che influiscono negativamente sulla stazione e sulle sue prestazioni. Pertanto, lo scopo di questo lavoro era quello di studiare l'affidabilità e le prestazioni del sistema di pompaggio dell'acqua sotterranea alimentato da energia fotovoltaica in condizioni operative reali, indagare i fattori di impatto negativo sul sistema fotovoltaico e dimostrare la possibilità di fare affidamento su questo sistema come un sistema sicuro e alternativa affidabile ai sistemi energetici tradizionali che sono costosi e inquinano l’ambiente.