Fotovoltaico a concentrazione:
stato e prospettive di sviluppo
AngeloSarno
Enea Centro Ricerche Portici
PVtech 2005
Milano 23 Novembre 2005
Fotovoltaico a concentrazione
Il concetto dell’utilizzo dell’energia solare
concentrata continua ad essere attraente perché
permette di sostituire superfici di materiale attivo
con materiale convenzionale a basso costo (lenti,
specchi);
La convenienza economica è legata ad un bilancio
positivo tra il risparmio ottenuto dalla riduzione
del dispositivo attivo ed i maggiori oneri dovuti
alla complessità del sistema (ottiche, strutture ad
inseguimento, smaltimento di calore);
Le possibilità di successo del fotovoltaico a
concentrazione
La tecnologia permette di realizzare celle adatte per la
concentrazione con valori di efficienze sempre maggiori
A differenza del PV flat il PV-C permette di cogliere con
immediatezza in termini economici i vantaggi derivanti dal
miglioramento tecnologico nell’efficienza di cella
Lo sviluppo di altri componenti critici (inseguitori, ottiche etc)
coinvolgendo un sistema industriale già consolidato può
assicurare una learning-curve più rapida.
Vantaggi del PV-C sulla generazione
elettrica
Il PV-C è la tecnologia che può permettere i più
alti valori di efficienze di sistema nella
conversione fotovoltaica (radiazione solare –
energia elettrica in AC);
A parità di potenza installata il PV-C permette di
ridurre l’ingombro effettivo di suolo;
Il profilo di produzione si presenta praticamente
piatto e per un numero di ore maggiore rispetto
al fotovoltaico piano
⌧il “capacity factor” arriva ad essere anche 1.25 volte quello del
piano
Vantaggi del PV-C di tipo
socio/economico e ambientale
Rapida manufacturing capacity scale-up; Investimenti più
accessibili – 100 MW/year – 30-50M$ ( 150-300 M$ per cSi e thin film)
“High local manufacturing content” ( escluse le celle );
Può essere una valida risposta al problema di feed-stock
del c-Si
I materiali usati sono in gran quantità di tipo standard
⌧bassa tossicità
⌧riciclabili
Operatori industriali
Amonix, Entec, Concentrating Technologies
Inc, Solar System Pty, Daido Steel, MicroPV
Inc
Guascor Group, Isofoton
Concentrix Solar Gmbh , Solar-Tec (spin-off)
Spectrolab, Sharp
Le tecnologie al momento
disponibili
Concentrazione
- Superfici riflettenti
* Parabolic trough (inseguitore su un asse)
* Solar Dish (inseguitori su due assi)
- Ottiche rifrattive (inseguitori su due assi)
* Lenti Fresnel
* Lenti prismatiche
Ricevitore
- c-Si ad alta efficienza
- MJ basate su III-V
EUCLIDES Concentrator Array
140 reflective parabolic trough mirrors casting the
light onto 138 linear receivers of 10 cells.
The length of the array is 84 meters and the
overall width is 3.60 m.
The aperture area is 250 m2,
Tracking by 1 N/S oriented axis, parallel to the
ground.
AMONIX-APS, Arizona, USA
Unità da 35 kW
Unità da 25 kW
Solar Systems (Australia) Solar farm - Alice Springs
Visitors
Parabolic Dish Australia. Solar Systems Pty
concentration ratio of 500X. Each dish is
nominally 20KW
Daido Steel - Toyota Dome-Shaped Fresnel lens
550X Concentrator System with
Dome-Shaped Fresnel realized by
injection molding;
Triple junctions η>37 % at
C=500X;
SOE glass rod kaleidoscope
homogenizer;
Module efficiency 28,9%
Altri esempi di impianti
Micro-dish- celle Spectrolab
Modulo Entec
Progetto PhoCUS
Sviluppo di una tecnologia per il fotovoltaico a
media concentrazione del tipo point-focus
Sviluppo di una filiera nazionale (collaborazione con
Università, Istituzioni ed operatori industriali
nazionali)
Sviluppo, realizzazione e sperimentazione dispositivi
e componenti per sistemi di taglia media (5-7 kW)
con possibilità di essere trasferiti in sistemi
dell’ordine del kW
Opzioni tecnologiche /target
Ricevitore: cella in c-Si ad alta
efficienza
Fattore di concentrazione: alcune
centinaia di X (200 X) (point
focus)
Dispositivo ottico di tipo rifrattivo
integrato nel modulo con assenza
di ottica secondaria
Configurazione impiantistica: del
tipo modulare (unità base)
Inseguitore su due assi con alta
accuratezza e precisione
(assenza del secondario)
Target cost nel medio termine 4,1 €/W
(5 MW/year)
Power related cost;
0,8 €/W ; 20%
Tracking; 1,25 €/W ;
30%
Cella; 0,35 €/W ; 9%
Ottica/cella
assembly; 0,4 €/W ;
10%
Modulo; 1,3 €/W ;
31%
PhoCUS: risultati ottenuti
Sviluppo e realizzazione di
dispositivi e componenti e
sistema
prototipali
con
caratteristiche tecniche e costi
tendenzialmente in linea con
quelli di target
PhoCUS ricevitore: cella ENEA
Breve termine:
Ottimizzazione di una
cella di cSi con
struttura convenzionale
basata su emitter
frontale
Lungo termine:
Celle ad alta efficienza
basso costo
Target: 22-23% a 100 soli
PhoCUS ricevitore: cella ENEA
24
23
18.6%
(1
sole)
22
21.1%
(28 soli)
18.1%
(178 soli)
21
Efficienza (%)
20.0%
(100 soli)
20
Soli
Jsc
(A/cm2)
Voc
(mV)
FF
(%)
Eff.
(%)
1
0.0360
631
82.0
18.6
28
1.02
718
81.6
21.1
100
3.57
744
74.7
20.0
154
5.54
751
69.8
18.9
178
6.41
753
66.9
18.1
19
18
17
16
15
14
1
10
100
Soli
PhoCUS: ricevitore commerciale
Peak of Efficiency (5 -10 W/cm2
T= 25°C )
HECO 252 SunPower Cell
25%
Typical Efficiency at 25 W/cm2
T= 25°C )
23.5%
Isc
11.3 A
Voc
820 mV
FF
0.77
Imp
10.3 A
Vmp
690 mV
PhoCUS Ottica: Elementi primari sviluppati
LENTE PRISMATICA- LP
LENTE FRESNEL mf –LFmf
MISURE DI EFFICIENZA
LP: η ~ 80% rispetto a 86,5%
LFmf: η~73% rispetto a 88,9%
Rifl
Pincl
Pscatt
Pcrom
η
Pd (0,2°)
η (0,2°)
Fresnel mf
8,57%
0,39%
1,60%
0,57%
88,87%
4,14%
84,73%
Prismatica
9,05%
1,10%
2,32%
1,04%
86,49%
0,76%
85,73%
Tipo Lente
PhoCUS Ottica: elementi in via di
sviluppo
Ottica primaria innovativa : del tipo ibrido
Ottica Secondaria (SOE)
Ridurre le perdite ottiche dovute a disallineamenti lente-cella;
Ridurre le perdite ottiche dovute a imprecisioni di tracking;
Riduzione della precisione richiesta all’inseguitore;
PhoCUS C-modulo: caratteristiche
(optical efficiency 85%)
Dimensionsi
Numero di celle connesse in serie
Voc (S.O.C)
Isc (S.O.C.)
Potenza di picco (S.O.C.)
Efficienza nominale (S.O.C)
1x0.68 m2
24 (6x4)
19 V
6.6 A
103 W
~20 %
PhoCUS C-modulo: prototipo sviluppato
( Brevetto ENEA-ENITECNOLOGIE)
PhoCUS C-modulo: prototipo sviluppato
Materiale: resina termindurente
caricata con fibre di vetro
Vantaggi:
a)
b)
c)
d)
Bassi costi di produzione e buone
caratteristiche elettriche
Peso contenuto in rapporto alla rigidità
strutturale
Durabilità: resistenza agli agenti atmosferici
Processo trasferibile a scala industriale ;
PhoCUS struttura di sostegno: specifiche
Basso costo di investimento e costi trascurabili di
O&M costs (free-maintenance and low energy
consumption)
Modulare per ridurre i costi di trasporto ed
installazione
Affidabilità, accuratezza e precisione vanno definiti
sulla base di una dettagliata analisi costi/benefici
Di area sufficiente per ospitare un generatore di 5
kW (35 m^2)
PhoCUS struttura di sostegno: Prototipo sviluppato
Supporto su palo
Movimentazione elettro-meccanica
Struttura generatore PV in carpenteria
metallica
Controllo a loop aperto con feed back a loop
chiuso
Installazione I° Prototipo
1 - Assemblaggio box riduttori
2 - Montaggio pannello
3 - Montaggio pannello
4 - Particolare flangia
5 - Inseguitore solare
6 - Montaggio moduli
PhoCUS unità Base
caratteristiche elettriche generatore
*
Specifiche della stringa
Numero moduli per stringa
n = 17
Tensione a vuoto stringa
Voc= 332 V
Corrente di cortocircuito
Isc= 6,1 A
Tensione alla massima potenza
Vm= 279 V
Corrente alla massima potenza
Im= 5,5 A
Potenza nominale stringa
Pn~ 1,5 kW
Specifiche del pannello
Numero moduli
n = 51
Numero di stringhe
n= 3
Tensione a vuoto
Voc= 332 V
Corrente di cortocircuito
Isc= 18,2 A
Tensione alla massima potenza
Vm= 279 V
Corrente alla massima potenza
Im= 16,6 A
Potenza nominale stringa
Pn= 4,6 kW
PhoCUS PCU: Specifiche
Inverter monofase-funzionamento autonomo
(lay-out elettrico di tipo distribuito / riduzione
dei costi di cablaggio ed maggiore affidabilità)
Tipo multistringa (MPPT su singola stringa per
ridurre le perdite per mismatch elettrico)
Inverter di piccola taglia (riduzione dei costi)
Progetto PhoCUS: attività in corso
Valutazione dei principali fattori di perdita e loro incidenza sulle
prestazioni:
disallineamento cella-ottica;
precisione del puntamento;
mismatch elettrico;
allineamento moduli;
effetto temperatura.
Sperimentazione di nuove ottiche con l’utilizzo di un secondario al fine di
ridurre la precisione di inseguimento ed i relativi costi;
Sperimentazione sulle celle/moduli realizzati con tecnologia ENEA
Interazione in termini di Power Quality ed affidabilità degli impianti di
generazione diffusa a concentrazione sulla rete elettrica di distribuzione in
bassa tensione.
Conclusioni
Principali risultati:
La dimostrazione della fattibilità tecnica
Lo sviluppo di competenze e di know-how specifici
La nascita ed il consolidamento di un interesse nazionale verso il
Fotovoltaico a concentrazione da parte del mondo scientifico ed
imprenditoriale
Resta da dimostrare la competitività economica
⌧ Passare dalla fase prototipale a quella di ingegnerizzazione
⌧ Individuare segmenti di mercato
⌧ Promuovere azioni per incentivare il mercato nazionale
