Giorgio Graditi, Carlo Privato ENEA - Centro Ricerche Portici (NA) Unità Tecnica Tecnologie, Laboratorio Tecnologie Fotovoltaiche (UTTP-FOTO) Relatore Giorgio Graditi La concentrazione fotovoltaica e l'attività di ricerca per i componenti fotovoltaici e di sistema Fiera di Roma ‐ 10 settembre 2010
50
Embed
La concentrazione fotovoltaica e l'attività di ricerca per ...old.enea.it/eventi/eventi2010/ZeroEmission100910/Graditi.pdf · Future, Calzavara, CREAR, Alitec, Consorzio Catania
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
La concentrazione fotovoltaicae l'attività di ricerca per i componenti
fotovoltaici e di sistema
Fiera di Roma ‐ 10 settembre 2010
SOMMARIO
L’impegno ENEA sul solare fotovoltaico a concentrazione
L’attività di ricerca ENEA per i componenti e sistemi fotovoltaici
POTENZIALITA’ DEL FOTOVOLTAICO A CONCENTRAZIONE
La concentrazione della radiazione solare permette di ridurre l’area
dell’elemento attivo
Nel medio‐lungo termine può coniugare alta efficienza e basso costo
‐materiali III‐V con struttura MJ‐ incremento del fattore di concentrazione
Lo sviluppo della tecnologia ha un impatto diretto sul BOS (inseguitori,
ottiche, sistemi di conversione, etc): coinvolgendo un sistema industriale già
consolidato può assicurare una learning‐curve più rapida
La tecnologia non ha ancora raggiunto la piena maturità industriale
E’ idonea per applicazioni energetiche: generazione centralizzata e
distribuita
Vantaggi ambientali e socio‐economici
ATTIVITA’ ENEA SUL FOTOVOLTAICO A CONCENTRAZIONE
2002‐2006 Obiettivi progetto
2007‐2010 Nuovi sviluppi: celle, componenti BOS
Progetto PhoCUS ‐ Photovoltaic Concentrators to Utility Scale
Progetti nazionali/europei e supporto all’industria
sviluppo di una tecnologia per il fotovoltaico a media concentrazione (Point Focus) per dimostrarne la fattibilità tecnica e la maggiore potenzialità nella riduzione dei costi
diffusione delle competenze e promozione di iniziative industriali
PROGETTO PHOCUS - PhotovoltaicConcentrators to Utility Scale
Sviluppo di un nuovo progetto di lente ibrida prismatica‐Fresnel (brevettoENEA) in PMMA da produrre in serie a bassimo costo con la tecnologia dello
“stampaggio a iniezione”
Efficienza = 82%
+ 2% rispetto
alla prismatica
PROGETTO PHOCUS ‐ ULTERIORI SVILUPPI
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 5 10 15 20Voltage (V)
Cur
rent
(A)
DNI Power 840 W, Tcell= 40°C
Introduzione di un’ottica secondaria per
Voc 18.58 V
Isc 6.61 A
FF 75 %
Rs 0.315
RSh 536
Efficienza = 18.7%
(riferita all’area otticamente attiva)
recuperare sulle perdite per disallineamenti aumentare l’angolo di accettanza mitigando le specifiche del tracker
Collaborazioni industriali: ANSA Compositi
PROGETTO PHOCUS ‐ ULTERIORI SVILUPPI
ENEA - ManfredoniaEliostato IIa serie
Sviluppo di un nuovo inseguitore diminor costo avente le seguenti
caratteristiche:
Collaborazioni industriali: ATEC
Piano in travi scatolate invece chereticolari saldate
Area eliostato pari a 35m2
Sostituzione dei riduttoriepicicloidali con trasmissione a catena
Massima precisione richiesta ± 0.4° a V < 40 km/h (invece di ± 0.2°)
Controllo con elettronica dedicatasviluppata da ENEA
PROGETTO PHOCUS ‐ ULTERIORI SVILUPPI
Collaborazioni industriali: ANSA Compositi
Sviluppo di un modulo integrato tipo PhoCUS con celle triple III‐V
Celle Spectrolab CDO‐100‐IC Efficienza = ~35% a 250 soli
Area cella 1cm2
Diodo di by‐pass integrato
Nuovo design ottica secondaria e dissipatore termici
Caratteristiche modulo
242XConcentrazione
130WPM
2.4AISC
67VVOC
24 in serieN. celle
1x0.68m2Dimensioni
PROGETTO PHOCUS ‐ ULTERIORI SVILUPPI
MJC MODULE I-V CURVE
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
0 10 20 30 40 50 60 70
VOLTAGE [V]
CU
RR
ENT
[A]
Voc 66.9 VIsc 2.41 AFF 82 %Rs 1.12 Rsh 358
MJC MODULE P-V CURVE
0
20
40
60
80
100
120
140
0 10 20 30 40 50 60 70VOLTAGE [V]
POW
ER [W
]
Efficienza = 26.7%
(riferita all’area otticamente attiva)
DNI 840 W Tcell= 45°C
Sviluppo di un modulo integrato tipo PhoCUS con celle triple III‐V
PROGETTO PHOCUS ‐ ULTERIORI SVILUPPI
Pirelli LabsTelecom Barra L’impianto da ~ 1kWp è stato
installato presso la sedeTelecom di Barra (NA).
Un tracker commerciale prodotto dalla DEGERenergie èstato modificato da ENEA per garantire una accuratezza di ±0,3° tramite un sensore difeedback è l’implementazione diuna logica di controllobrevettata.
Collaborazione con Pirelli Labs per lo sviluppo di sistemi modulari di piccola taglia
PROGETTO PHOCUS ‐ ULTERIORI SVILUPPI
L’esperienza PhoCUS ha dimostrato la fattibilità tecnica del FV a concentrazione con l’impiego di tecnologie mutuate da settori in cui l’industria italiana è all’avanguardia
E’ una tecnologia che consente ampi margini di miglioramento in tempi relativamente brevi
Il rapido sviluppo delle celle a multigiunzione in termini di efficienza e abbattimento dei costi può essere assimilato immediatamente e accelerare in misura significativa il percorso della tecnologia del FV a concentrazione verso la competitività
Approfondimenti sono necessari per determinare il degrado dei componenti a lungo termine
L’ESPERIENZA PHOCUS
APOLLON:Multi‐APprOach for high efficiency integrated and inteLLigent cONcentratingPV modules (Systems)
WP1 ‐ Optimisation of existing material and monolithic and discrete MJ cells (WP1 leader ENEA)
• Optimisation of cSi cells (in collaboration with NAREC)• AR for long term stability
WP2 ‐ Advanced MJ Solar cells
• Growth and characterization Epitaxial Ge/Si by PECVD
WP3 ‐ Development of Point Focus System
• Development of small area prismatic lens and parquet to increase optical efficiency
• Development in collaboration with ERSE, CRP, Tecnalia RBTK of the tracking devices for the module integrated position sensitive sensor and MPPT
PROGETTO APOLLON
Attività ENEA
PROGETTO APOLLON
WP5 ‐ Testing and Performance Evaluation
• Lens and mirror Testing • Solar cell Testing • Module characterization• Round‐Robin test plan on outdoor module testing
WP7 ‐ Dissemination of the Project Results
• ENEA having a decades‐long experience in the filed will support all consortium initiatives for the dissemination and/or exploitation of project results, and management of intellectual property
PROGETTO SCOOP
Filiere italiane integrate per la realizzazione e la diffusione commerciale di sistemi fotovoltaici innovativi
Integra sinergicamente quattro filiere produttive per lo sviluppo tecnologico, la realizzazione, l’implementazione industriale e la commercializzazione di sistemi C‐PV, nonché le strutture per la loro caratterizzazione e qualificazione.
I quattro prodotti sono destinati a coprire le aree di mercato di maggior interesse dei sistemi di generazione fotovoltaici
PROGETTO FOTOENERGIA
RB5: Celle solari Polimeriche
Studio di tecniche di incollaggio e sviluppo di trattamenti antiriflesso, antipolvere, antigraffio su lenti polimeriche realizzate in materiali resistenti all'UV
a4.3
Studio, sviluppo e realizzazione di ottiche innovative per aumentare l'angolo di accettanzanella media‐alta concentrazione
a4.2
Creazione di modelli, progettazione e realizzazione di ottiche a separazione spettrale per ricevitori fotovoltaici utilizzanti celle ottimizzate per specifici parti dello spetto per applicazioni diversificate
a4.1
RB4: Ottiche innovative per la concentrazione
RB3: Celle multistrato III‐V e basate su materiali innovativi
RB2: Celle a film sottile su substrati polimerici e flessibili
RB1: Celle di cSi ad alta efficienza per la concentrazione e le applicazioni speciali
LINEA DI ATTIVITA’
Componente BOS Ottiche per applicazioni solari a concentrazione
Coordinatore progetto: ENEA
Obiettivo
creazione di un laboratorio di eccellenza pubblico privato a livello internazionale per lo sviluppo di tecnologie e sistemi per la captazione e l’utilizzo dell’energia solaresotto forma di calore a media ed alta temperatura
PROGETTO ELIOSLAB
Il progetto prevede due linee di attività distinte
• Media Temperatura (MT): per la produzione di energia elettrica
• Alta Temperatura (AT): per la produzione di idrogeno
PROGETTO ELIOSLAB
ELIOSLAB
Materiali e pannelli riflettenti
Accumulo ad alta temperatura
Ricevitori solari ad alta temperatura
Fornace solare
Alta Temperatura 800°C
Ricevitori per collettori parabolici
lineari
Sistemi di accumulo a sali fusi
Generatori di vapore a sali fusi
Sviluppo di modelli tecnico‐economici
Media Temperatura 550°C
• sviluppo di materiali CERMET di nuova composizione per la realizzazione di coating spettralmente selettivi
• realizzazione di una macchina di sputtering per processi reattivi
• sviluppo di sistemi di accumulo di grande taglia con sali fusi
• prototipo di generatore di vapore a sali fusi
• sviluppo di materiali e substrati innovativi per superfici riflettenti
• sviluppo di metodologie di caratterizzazione ottica e geometrica di concentratori complessi
• sviluppo di un impianto solare ad alta concentrazione (circa 2000 soli) per processi ad altatemperatura
• sviluppo di sistemi di accumulo per calore ad alta temperatura con materiali refrattari solidi
PROGETTO ELIOSLAB
Attività ENEA
Media Temperatura
Alta Temperatura
INOA ‐ Istituto Nazionale di Ottica Applicata
Università degli studi di Napoli (Federico II)
CRIS ‐ Consorzio Ricerche Innovative per il Sud
Angelantoni
RONDA
PROGETTO ELIOSLAB
Collaborazioni
L’ATTIVITÀ DI RICERCA SUI COMPONENTI E SUI SISTEMI FOTOVOLTAICI
La funzione del convertitore DC‐DC è quella di regolare la potenza in uscita al pannello FV in modo da ottenere tensioni e correnti adatte all’interfaccia di rete utilizzata e/o al carico da alimentare.
DC-DC CONVERTER
32
Attività di ricerca
ottimizzazione del power stageottimizzazione delle logiche di controlloconvertitore distribuito
Obiettivi
individuazione di dispositivi e tecnologie con bassa dissipazione di potenza (elevato rendimento)alti valori di affidabilità (MTBF)basso costopreindustrializzazione di soluzioni e tecnologie
Collaborazioni
• Università di Salerno• Università di Palermo• STMicroelectronics
CONTROLLORE MPPT
La funzione del controllore MPPT è quella di massimizzare, in ogni istante, la potenza in uscita dal pannello agendo opportunamente sul duty cycle del converter in relazione al soleggiamento, alla temperatura e ai fenomeni di mismatching.
Tecniche di controllo
• Analogiche/Digitali
• Tensione/Corrente di picco/Corrente media
CONTROLLORE MPPT
Vengono preferite tecniche di controllo semplici e a basso costo basate sul metodo delPerturba & Osserva
Altre tecniche di controllo effettuano la correzione del punto di lavoro del convertitore(anche mediante reti neurali e logica Fuzzy) a partire dalla variazione di:
livello di soleggiamento temperatura corrente di corto circuito del pannello tensione di circuito aperto del pannello
Diverse prestazioni in termini di:
affidabilità velocità di convergenza costo complessità di implementazione
35
Attività di ricerca
L’attività di ricerca è orientata all’ottimizzazione delle tecniche di controllo in anche funzione della tipologia applicativa (piano, a concentrazione, ecc..)
Conduttanza Incrementale Ripple Correlation Control Perturba & Osserva
Obiettivi
Preindustrializzazione di soluzioni e tecnologie per fattibilità industriale ed economica
Collaborazioni
• Università• Aziende italiane ed europee
CONTROLLORE MPPT
PV BUILDING INTEGRATION
Lampione fotovoltaico “Stapelia”
(brevetto internazionale)
Modulo per integrazione architettonica “Boogie‐Woogie” (brevetto nazionale)
Attività
Prove in campo
Caratterizzazioni e test di invecchiamento accelerato
Sviluppo di componenti speciali
37
CARATTERIZZAZIONE E QUALIFICAZIONE DI COMPONENTI
Moduli fotovoltaici: servizio diretto a produttori, installatori e rivenditori
Prove indoor
• caratteristica I‐V sotto illuminazione• caratteristica I‐V al buio• impedenza complessa• capacità vs frequenza• capacità vs tensione• isolamento elettrico• analisi termica infrarossa• trasmittanza ottica• caratteristiche termiche
Prove accelerate indoor
• corrosione in camera salina• cicli termici• umidità e congelamento• prova al caldo umido• irraggiamento UV
ENEA ‐ Area Sperimentale di Manfredonia
CARATTERIZZAZIONE E QUALIFICAZIONEDI COMPONENTI
Inverter di piccola‐media taglia per applicazioni fotovoltaiche off‐on grid
prestazioni
inquinamento armonico
curve di potenza
islanding
39
Batterie di accumulatori stazionarie di tipo tradizionale ed innovativo per applicazioni fotovoltaiche (Progetto RINNOVA) (FIRB‐MUR)
CARATTERIZZAZIONE E QUALIFICAZIONEDI COMPONENTI
Attività
messa a punto ed esecuzione di test per la caratterizzazione elettrochimica di batterie al piombo di tipo tradizionale ed innovativo per applicazioni fotovoltaiche‐ prove di capacità estratta‐ prove di carica/scarica‐ prove di durata in cicli‐ cicli termici con controllo umidità
sviluppo ed implementazione di sistemi automatizzati (in ambiente LABView) per l’esecuzione delle prove e l’acquisizione dati.
Outdoor testing di moduli, inverter e sistemi grid-connected di piccola taglia
ENEA ‐ Area Sperimentale di Manfredonia (FG)
Outdoor testing di moduli, inverter e sistemi grid-connected di piccola taglia
Outdoor testing di moduli, inverter e sistemi grid-connected di piccola taglia
LABORATORIO MOBILE
ENEA ‐ Area Sperimentale di Manfredonia: Delphos (sezioni I‐II)
Sistemi di media e grande taglia: generazione centralizzata di energia
Design
Testing
Analisi tecnico‐economiche
PRODUZIONE IDROGENOFV-ELETTROLIZZATORE
Analisi energetica comparata Degrado moduli Affidabilità tracker Ottimizzazione logica di controllo
Inseguitori a due assi
4 standard unità FVdi 2,4 kWp
moduli Sanyo HIP200NHE1
2 Inverter SunnyBoySB4200TL da 4,4kVA
Sistema FV ad alte prestazioni energetiche
FV-ELETTROLIZZATOREPER LA PRODUZIONE DI IDROGENO
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
Jul
Aug Sep OctNov Dec Ja
nFeb Mar AprMay Ju
nAve
rage
INC
IDEN
T kW
h
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
PRO
DU
CED
kW
h
Incident kWh ('06-'08) Produced kWh ('06-'08)
DAILY SPECIFIC ELECTRIC POWER GENERATION
0
2
4
6
8
10
12
Jul
Aug Sep Oct Nov Dec Jan
Feb Mar Apr
May Jun
Averag
e
kWh/
kWp*
day
heq day ('06-'07) heq day ('07-'08) kWh/kWp*day ('06-'07) kWh/kWp*day ('07-'08)
Studio di soluzioni ottimizzate per l’interfaccia generatore FV ‐ elettrolizzatore
GENERAZIONE DISTRIBUITA E SMART GRIDS
Smart Grids: “rete elettrica in grado di integrare intelligentemente le azioni di tutti gli utenti connessi ‐ produttori, consumatori, o prosumers ‐ al fine di distribuire energia in modo efficiente, sostenibile, economicamente vantaggioso e affidabile”(SmartGrids European Technology Platform)
GENERAZIONE DISTRIBUITA E SMART GRIDS
Benefici attesi a seguito dell’introduzione del modello Smart Grids dipendono da diversi fattori legati alla specifica situazione di rete considerata e comprendono:
• riduzione delle perdite di rete
• miglioramento delle prestazioni di rete ed utilizzo degli asset
• integrazione e diffusione delle fonti rinnovabili di energia
• attivazione di gestione della domanda e di misure di efficienza energetica
• stimolo economico attraverso innovazione e creazione di “green jobs”
GENERAZIONE DISTRIBUITA E SMART GRIDS
Il programma di ricerca è articolato in quattro sottoprogrammi (SP):
SP1 ‐ Network Operation
SP2 ‐ Energy Management (coinvolgimento ENEA)
SP3 ‐ Control System Interoperability (coinvolgimento ENEA)
RSE (ex ERSE) ed ENEA coordinano il programma dell’European Energy ResearchAlliance (EERA), cardine della ricerca avanzata del SET‐Plan europeo sulle reti del futuro o “Smart Grids”.
Partecipano alcuni dei più importanti centri di ricerca europei: quali AIT austriaco, ECN olandese, LABEIN spagnolo, RISOE danese, SINTEF norvegese, LABORELEC e VITO belgi, VTT finlandese, IWES tedesco, TUBITAK turco,etc.