SISTEMI FOTOVOLTAICI. Introduzione CORRENTE CONTINUA!!!

SISTEMI FOTOVOLTAICI

Introduzione

CORRENTE CONTINUA!!!

Introduzione

• Componente fondamentale è la Cella fotovoltaica.

• Elemento più usato: Silicio.

• Altri materiali usati:

- Leghe di diselenurio di rame e indio;

- Tellurio di cadmio;

- L’arseniuro di gallio.

Effetto fotovoltaico

Si basa sul trasferimento d’energia dai fotoni della radiazione solare al sub-sistema elettronico dei semiconduttori ed al trattenimento di tale energia prima che venga trasferita alla cella, per esempio convertita in calore.

L’EFFETTO FOTOVOLTAICO: UNA SPECIE DI MAGIA

BANDA DI CONDUZIONE

FOTONE INCIDENTE

ELETTRONE

ELETTRONE

BANDA DI VALENZA

CALORE

CALORE

ASSE DELLE ENERGIE

ENERGIA DI GAP

Struttura del silicio

SiSi

Si Si Si

SiSi

• Ogni atomo di silicio è legato in modo covalente ad altri quattro atomi.

• Ogni elettrone di valenza si lega con l’elettrone di valenza di un’altro atomo.

• Flusso di elettroni ordinato e orientato per mezzo di un campo elettrico creato.

Et

Il drogaggio del silicio con fosforo:

creazione della zona N

Il drogaggio del silicio con boro: creazione della zona P

Giunzione P-N

Strato N

Strato P

Nello Strato N drogato con atomi di fosforo, elemento di valenza 5, si stabilisce una carica negativa debolmente legata, costituita dal quinto elettrone di valenza dell’atomo di fosforo.

Nello Strato P drogato con atomi di boro, elemento di valenza 3, si stabilisce una carica positiva in eccesso, composta da lacune degli atomi di boro quando si legano con quelli di silicio.

Effetto fotovoltaico

Flusso elettronico

Equilibrio elettrostatico:

- Eccesso di carica positiva nella zona N, dovuto agli atomi di fosforo con un elettrone in meno;

- Eccesso di carica negativa nella zona P, dovuto agli elettroni migrati dalla zona N.

- Una regione intermedia detta di svuotamento (in verde), spessa alcuni micrometri.

Il risultato è un campo elettrico (built-in) che si estende a cavallo della zona di svuotamento.

Strato N

Strato P

Effetto fotovoltaico

Fotoni

• Coppie elettroni lacune sia nella zona N che P.

• Il campo elettrico di built-in permette di dividere gli elettroni e le lacune, spingendoli in direzione opposte.

• Connettando con un conduttore esterno lo strato di giunzione, si ottiene un circuito chiuso, nel quale gli elettroni partono dallo strato N e arrivano a quello P.

Strato N

Strato P

Energia di GAP

•Non tutta la radiazione incidente è in grado di generare una coppia elettrone/lacuna

•I fotoni devono avere una certa energia, maggiore dell’energia di gap

•L’Energia di GAP dipende dai vari materiali, per il silicio

E= 1,1 eV

La cella

• Sottile wafer, di spessore 0,25-0,35 mm di silicio mono, poli-cristallino o amorfo;

• Forma quadrata di superficie sino ai 100 cm2;

• Si comporta come una batteria, producendo (1kW/mq e 25°C) una corrente di 3A e una tensione di 0,5V.

TECNOLOGIA DEL SILICIO CRISTALLINO

FUSIONE E CRISTALLIZZAZIONE

DEL SILICIO

SQUADRATURAE TAGLIO

TESTURIZZAZIONE

FORMAZIONE DELLA ZONA P – N

(DROGAGGIO)

DISPOSIZIONE CONTATTI METALLICI

RIVESTIMENTOANTIRIFLETTENTE

FUSIONE E CRISTALLIZZAZIONE

DEL SILICIO

SQUADRATURAE TAGLIO

TESTURIZZAZIONE

FORMAZIONE DELLA ZONA P – N

(DROGAGGIO)

DISPOSIZIONE CONTATTI METALLICI

RIVESTIMENTOANTIRIFLETTENTE

TECNOLOGIA DEL MODULO

www.leee.supsi.ch/

TECNOLOGIA DEI FILM SOTTILI• MATERIALI:

• SILICIO AMORFO

• CIS (diseleniuro di indio e di rame)

• CdTe (tellururo di cadmio)

• VANTAGGI:

• RIDUZIONE DEI COSTI

• FLESSIBILE, PESO CONTENUTO, ASPETTO UNIFORME

• CELLE SEMITRASPARENTI

• MINORE EFFETTO TEMPERATURA

• CELLE A GIUNZIONE MULTIPLA

• SVANTAGGI:

• BASSA EFFICIENZA (7-10%)

• EFFETTO STAEBLER – WRONSKY (-15/20% NEI PRIMI DUE MESI)

• SCARSA DIFFUSIONE (applicazioni di piccola potenza)

MERCATO FOTOVOLTAICO MONDIALE

49,6%

34,0%

11,8%

4,6%

Silicio monocristallino

Silicio policristallino

Silicio amorfo

Altri

CONDIZIONI STANDARD

• IRRAGGIAMENTO: 1000 W / m2

• Air Mass: 1,5

• TEMPERATURA CELLA: 25 °C

CONCETTO DI WATT DI PICCO (Wp)

LA CURVA CARATTERISTICA DI UNA CELLA IN SILICIO

CRISTALLINO

Fill factor =

Im * Vm / (Icc * Vca)

i

VVca

icc

im

Vm

Pmax

i

VVca

icc

im

Vm

PmaxEfficienza:

= Pmax / G * A

PARAMETRI CHE INFLUENZANO LE PRESTAZIONI DI UNA CELLA

i

V

75°C 50°C 25°C

SPETTRO SOLARE: AM1.5IRRAGGIAMENTO: 1000 W/m2

i

V

75°C 50°C 25°C

SPETTRO SOLARE: AM1.5IRRAGGIAMENTO: 1000 W/m2

i

V

1000 W/m2

SPETTRO SOLARE: AM1.5TEMPERATURA CELLA: 25°C

800 W/m2

600 W/m2

400 W/m2

200 W/m2

i

V

1000 W/m2

SPETTRO SOLARE: AM1.5TEMPERATURA CELLA: 25°C

800 W/m2

600 W/m2

400 W/m2

200 W/m2

Curva caratteristica I-V

Curva caratteristica I-V

La corrente è direttamente proporzionale all’irraggiamento, mentre la tensione a circuito aperto varia con il logaritmo dell’irraggiamento; inoltre entrambe dipendono dalla temperatura di funzionamento del pannello.

Il modulo

• Numero di celle in serie: 26, 64, 72.

• Celle ricoperte con un vetro temprato di circa 4mm di spessore.

• Tra il vetro e le celle viene posto un sottile strato di vinilacetato di etilene (EVA).

• A chiusura viene posto un foglio di Tedlar o un altro vetro.

Tipologie impiantistiche

Stand Alone System

• Composto da: Campo PV, sistema di accumulo, regolatore di carica ed eventuale sistema di conversione.

• Molto conveniente.

Grid-connected System

• Piccoli impianti: diffusione larga scala, potenza fino a qualche kW.

• Media-grande taglia: sviluppo successivo ai primi, grandi potenze.

• Esempi: ENEL (3,3 MWp a Serre) ed ENEA (600KWp).

Componenti di un impianto PV

Il generatore PV

• Insieme di moduli PV che generano energia elettrica in corrente continua e che devono essere collegati in serie o in parallelo in modo da ottenere la tensione e la corrente desiderata.

• Più moduli connessi in serie sono detti stringa; più stringhe vengono collegate in parallelo fino a raggiungere la potenza desiderata.

• In serie ad ogni stringa deve essere posto un diodo di blocco in modo che eventuali ricircoli di corrente dovuti a differenti punti di lavoro, portino la corrente verso le stringhe a minore potenziale.

Componenti di un impianto PV

Il sistema di accumulo

• La presenza di batterie permette di far fronte a punte di carico, senza dover sovradimensionare i generatori, garantire la continuità dell’erogazione anche in caso di basso irraggiamento o guasto dei generatori.

• Elevata efficienza, lunga durata in regimi di frequenti cicli di carica e scarica, elevata resistenza alle escursioni termiche, ridotta autoscarica, basso costo e scarsa manutenzione.

• Il collegamento degli accumulatori all’impianto PV non richiede particolari accorgimenti tecnici in quanto entrambi lavorano in corrente continua. La loro connessione però non è diretta bensì viene interposto il REGOLATORE DI CARICA, necessario per garantire stabilità all’accumulo in modo da non superare 2,5V/elemento.

Componenti di un impianto PV

Il controllo di potenza

• Proteggere l’accumulo da sovraccarichi e da eccessive scariche in modo da aumentarne la vita utile e farlo lavorare in un intervallo di tensioni adeguate all’utilizzo.

• Affidabilità: basso MTBF (tempo medio tra guasti), buona risposta al variare delle condizioni operative.

• Semplicità costruttive.

Componenti di un impianto PV

La conversione della potenza

• Apparecchi elettronici in grado di convertire le grandezze elettriche tensione e corrente in uscita di un circuito in valore e/o forma.

• Da un centinaio di W a decine o centinaia di kW.

• Alto rendimento, basso consumo in assenza di carico, bassa distorsione, dimensioni e peso limitati, elevata affidabilità.

Componenti di un impianto PV

Strutture di sostegno

• A palo.

• A cavalletto.

• Ad inseguimento.

Dimensionamento

Condizioni ambientali-tecniche-logistiche

• Modalità e tecniche di installazione dei moduli.

• Alloggiamento del convertitore e delle altre apparecchiature.

• Percorso dei cavi.

• Eventuali difficoltà logistiche in fase di costruzioni.

• Vincoli ambientali.

• Posizione migliore per l’installazione.

• Rilevazione ombre.

• Analisi della pianta della copertura del tetto.

Dimensionamento

Per Impianti Stand Alone è fondamentale:

• Individuazione in modo puntuale i carichi utilizzati sia per quanto riguarda la loro potenza che per quanto riguarda il loro utilizzo giornaliero.

• Analizzare la possibilità di alloggiamento dell’accumulo e delle altre apparecchiature elettriche in un locale riparato.

Dimensionamento

A = Energia total da sostituire o da produrre (in W/h);

B = Inclinazione ottimale dei moduli;

C = Energia totale raccolta nell’anno da 1 m2 di moduli (in W/h)

η = Rendimento globale stimato di impianto

Dimensionamento:

A = η x C x Wp A = η x Heq x Wp

Wp = potenza del campo PC necessario ;

Heq = ore equivalenti annue per la particolare località

Dimensionamento

Componenti degli impianti:

• Moduli PV

B.O.S.

• Quadri di campo

• Inverter

• Circuito di regolazione e controllo

• Quadri di consegna e distribuzione

• Cavi, ecc.

Dimensionamento

Rendimento globale dell’impianto:

Secondo le specifiche emesse da ENEA per i sistemi connessi a rete l’efficienza ha un valore minimo di

η =0,75

In realtà η è un variabile di sistema che dipende da vari parametri:

η = ηPV ηJ ηINV ηTR

Esempio dimensionamento

Tipo N° apparati P(W) h/giorno Wh/g

Illuminazione 10 15 4 600

Tv Color 1 60 5 300

Videoregistratore 1 30 2 60

Stereo 1 150 2 300

Frigo 1 100 10 1000

Stiro 1 500 0,7 350

Picoli elettrodoestici 1 300 0,5 150

Lavatrice 1 400 1 400

Totale giorno     W 3.160

Totale Anno     kWh 1.153,40

Utenza domestica medio-consumo

Esempio dimensionamento

CALCOLO SUPERFICIE CAPTANTE

• Località: Roma

• Mese dicembre, tilt 60°C per la maggiore insolazione media di quel mese pari a 3,05 kW/mq.

• Efficienza sistemi isolati con inverter 0.6

58,2180/)6,0/05,3

160.3(/)(

W

mqkWh

WhW

Irr

FEn pmm

• Occorreranno 22 moduli da cablare per mezzo di opportune scatole di giunzione in 11 paralleli di 2 moduli in serie per un totale di 1.760 Wp.

Progettazione degli impianti

Numero massimo di moduli connessi in seria in una stringa.

Va calcolato tenendo in considerazione le temperature invernali pari a -10°C. Infatti, all’abbassarsi della temperatura la tensione del modulo cresce. Tale tensione però non deve mai superare la massima tensione dell’inverter. Ricavato mediante il rapporto tra tensione max i ingresso all’inverter e la tensione di corto circuito per i moduli operanti a -10°C.

Numero minimo di moduli da collegare in una stringa .

Va calcolato tenendo in considerazione le temperature estive para 70°C. In estate l’impiant ha una tensione inferiore a quella STC. Se tale tensione scende al di sotto del valore minimo utile per la ricerca del MPPT, il generatore perde la possibilità di raggiungere il punto di massima potenza.