Prof.ssa Matilde Pietrafesa
Università Mediterranea
Reggio Calabria
Dipartimento DIIES
dell’Informazione, delle Infrastrutture
e dell’Energia Sostenibile
Sistemi fotovoltaici
24/03/2016
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Cenni storici
• 1839: Becquerel a 19 anni scopre l’effetto
fotovoltaico, osservando il formarsi di una ddp tra
due elettrodi identici di platino, uno illuminato e
l’altro al buio. Tale ddp dipendeva dall’intensità e
dal colore della luce
• 1905: Einstein pubblica la sua teoria sull’effetto
fotoelettrico, del quale l’effetto fotovoltaico
rappresenta una sottocategoria
• nei primi anni ’40 si possono osservare i primi
dispositivi basati sul silicio
• dal 1953, grazie alle applicazioni in elettronica, il
silicio diventa lo standard della produzione di celle
fotovoltaiche
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Effetto fotoelettrico
Quando una radiazione
elettromagnetica investe un materiale
può cedere energia agli elettroni più
esterni degli atomi del materiale.
L’effetto fotoelettrico è il fenomeno
fisico caratterizzato dall'emissione di
elettroni da parte di una superficie,
solitamente metallica, quando viene
colpita da radiazione elettromagnetica
contenente fotoni di determinata
lunghezza d'onda.
Emissione di elettroni
da parte di un metallo
1 eV = 1.6 x 10-16 J
Energia fotoni (eV)
Lunghezza d'onda
λ (nm) = c/f
Frequenza f (Hz)
= E(J)/h
Radiazione
Elettromagnetica
Potassio (K)
2,25 eV
552 nm
5,43 x 1014Hz
luce verde
Sodio (Na)
2,28 eV
544 nm
5,51 x 1014Hz
luce verde
Calcio (Ca)
3,20 eV
388 nm
7,74 x 1014Hz
luce viola
Torio (Th)
3,47 eV
357 nm
8,39 x 1014Hz
raggi ultravioletti
Zinco (Zn)
4,27 eV
291 nm
1,03 x 1015Hz
raggi ultravioletti
Rame (Cu)
4,48 eV
278 nm
1,08 x 1015Hz
raggi ultravioletti
Ferro (Fe)
4,63 eV
268 nm
1,12 x 1015Hz
raggi ultravioletti
Argento (Ag)
4,70 eV
263 nm
1,14 x 1015Hz
raggi ultravioletti
Nichel (Ni)
4,91 eV
252 nm
1,19 x 1015Hz
raggi ultravioletti
Metallo
Cellula fotoelettrica
L'effetto è sfruttato nella cellula fotoelettrica, in cui
gli elettroni emessi da uno dei due poli della cellula,
il fotocatodo, migrano verso l'altro polo, l'anodo,
per effetto di un campo elettrico applicato.
Effetto fotovoltaico
L’effetto fotovoltaico è invece il
fenomeno fisico che si realizza
quando in un materiale
semiconduttore un elettrone
della banda di valenza, che
corrisponde allo stato legato più
esterno
(guscio
atomico
esterno), assorbendo un fotone
sufficientemente
energetico
incidente, passa alla banda di
conduzione, ove non è più
legato
Sistemi fotovoltaici
Il fenomeno viene utilizzato per la produzione di
energia elettrica in celle fotovoltaiche.
Esse sono basate sulla capacità dei semiconduttori,
opportunamente trattati (drogati), di convertire
l’energia della radiazione solare in energia elettrica.
Conduttori, semiconduttori
isolanti
Se un materiale presenta un’unica banda di energia (banda di
conduzione) occupata solo in parte è un conduttore
Se invece un’estesa banda proibita (band gap) (Egap ≈ 6 eV)
separa la banda di valenza, piena, dalla banda di conduzione,
vuota, il materiale è un’isolante
Se l’ampiezza del band gap è relativamente piccola (Eg ≈ 1 eV) il
materiale è detto semiconduttore
Conduttori (Litio, Sodio, Potassio,
metalli nobili: Rame, Argento, Oro)
Semiconduttori (Silicio, Arseniuro di Gallio)
Isolanti (legno, plastiche)
Effetto della temperatura
sui semiconduttori
Nei semiconduttori, a bassa temperatura, in assenza di
radiazione la banda di valenza rimane al completo e
quella di conduzione libera, ed essi si comportano come
isolanti
Al crescere della temperatura, alcuni degli elettroni
della banda di valenza acquisiscono energia termica
superiore ad Eg, spostandosi verso la banda di
conduzione ed il materiale diviene perciò leggermente
conduttori (semiconduttore)
Band gap in isolanti e conduttori
Nel caso di materiali isolanti, il band gap risulta troppo
elevato per essere eguagliato dall'energia di un fotone
incidente, mentre per i materiali conduttori l'energia del
band gap è piccolissima e viene fornita direttamente
dalle fluttuazioni termiche.
Nei semiconduttori, invece il piccolo band gap può essere
colmato grazie all’energia fornita da un fotone incidente.
Banda proibita e fotone
Un fotone incidente, per far passare un elettrone dalla
banda di valenza alla banda di conduzione, deve
possedere un’energia minima, superiore a quella
corrispondente alla banda proibita del materiale.
L'assenza dell'elettrone viene detta lacuna.
Energia dei Fotoni
Solo i fotoni con contenuto energetico maggiore
dell’energia di band-gap Eg (E > Eg) sono in grado di
generare una coppia lacuna elettrone
Se E < Eg
si avrà solo il riscaldamento della cella
Se E >> Eg si avrà sia il salto elettronico che il
riscaldamento della cella.
Valori dell’Energy gap nei Semiconduttori
Il semiconduttore maggiormente diffuso è il silicio Si
Analogamente al caso dell’effetto
fotoelettrico, il livello di banda del
materiale determina la parte dello
spettro di luce solare che può essere
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assorbito
(IR-UV: 0.5-2.7 eV).
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Generazione di una corrente
elettrica in un semiconduttore
Quando un flusso luminoso investe un semiconduttore e
si verifica la transizione in banda di conduzione di un
certo numero di elettroni (al quale corrisponde un egual
numero di lacune che passa in banda di valenza) si
rendono disponibili portatori di carica, sfruttabili per
generare una corrente.
A tal fine è necessario creare un campo elettrico interno,
stabilendo eccessi di atomi caricati di segno opposto in
parti opposte del materiale.
Drogaggio di un semiconduttore
La creazione di un campo elettrico interno si ottiene
mediante drogaggio del semiconduttore.
Generalmente viene realizzato sostituendo atomi del
semiconduttore (silicio, appartenente al quarto gruppo, con
4 elettroni di valenza) con atomi del terzo, come il boro, con
3 elettroni di valenza, e del quinto (fosforo), con 5, per
ottenere strutture rispettivamente con eccesso di lacune e
con eccesso di elettroni.
Tavola periodica
Atomo di silicio
L'atomo di silicio possiede 14 elettroni, 4 dei quali di valenza,
che possono partecipare alle interazioni con altri atomi, sia di
silicio che di altri elementi, formando una struttura reticolare
molto forte
Struttura del Silicio
In un cristallo di Silicio chimicamente puro ogni atomo ha un
legame covalente con altri 4 atomi, cosicché non vi sono
elettroni liberi (ottetto elettronico). Tutti gli elettroni si
trovano in banda di valenza e per passare in banda di
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conduzione si ha un gap di 1.14 eV
Drogaggio del Silicio
Alcuni atomi di silicio nel cristallo
vengono sostituiti con atomi di
FOSFORO con 5 elettroni di
valenza, di cui 4 vengono usati per
formare
legami
con
atomi
adiacenti di silicio, mentre il quinto
diventa libero di muoversi nel
reticolo. Si parla di portatori di
carica negativi e di materiale di
TIPO N.
Se la sostituzione avviene con atomi di BORO, con 3 elettroni di valenza,
ci sarà un elettrone mancante per completare i legami con gli atomi
adiacenti di silicio, che agirà come se fosse un elettrone “positivo”,
chiamato
lacuna. Si parla in tal caso di portatori di carica positivi20e
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materiale di TIPO P.
Giunzione p-n
Lo strato drogato con elementi del terzo gruppo
presenta quindi un eccesso di carica positiva; di contro
quello drogato con elementi del quinto gruppo
presenta un eccesso di carica negativa.
Lo strato a carica negativa viene chiamato strato n,
quello a carica positiva strato p, la zona di separazione
è detta giunzione p-n.
Globalmente il materiale è neutro.
Corrente di Diffusione
Mettendo a contatto i due materiali così ottenuti, gli
eccessi di cariche di segno opposto in parti opposte del
materiale creano un campo elettrico, che instaura un
processo di diffusione, ossia gli elettroni cominciano a
diffondere dalla zona n alla zona p e le lacune in
direzione opposta, dando vita alla corrente di diffusione.
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Regione di svuotamento
Il processo di diffusione di elettroni e lacune determina vicino
alla giunzione (zona più interessata al fenomeno, risentendo
maggiormente della differenza di concentrazione) una zona
intermedia, detta regione di svuotamento (depletion region)
o di carica spaziale, spessa pochi micron, nella quale gli
elettroni liberi e le lacune si ricombinano, lasciando
ionizzati gli strati adiacenti di materiale: negativamente dalla
parte di tipo p, positivamente dalla parte di tipo n.
Corrente di Drift
Tale depletion region dà origine, a sua volta, ad un campo
elettrico dovuto agli atomi di impurezze ionizzati rimasti nelle
due zone, che si estende a cavallo della regione e che si
oppone ad un ulteriore scambio di portatori di carica: si
creeranno così due correnti, opposte a quelle di diffusione,
rispettivamente di elettroni dalla zona P alla zona N, e di
lacune dalla N alla P, dette correnti di Drift o di deriva.
Equilibrio
Appena l'intensità della corrente di Drift diviene tale da
contrastare la corrente di diffusione dei portatori di
carica si instaura un equilibrio stabile dinamico.
La Depletion region compresa dal campo elettrico risulta
di fatto svuotata da portatori e si comporta dunque
come un isolante.
Illuminazione della giunzione P-N
Se la giunzione viene illuminata con fotoni dalla parte
n, vengono a crearsi coppie elettrone-lacuna sia nella
zona n che nella zona p.
Più fotoni arrivano alla giunzione, più coppie di
portatori si generano
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Collegamento ad un carico
Il campo elettrico generato attraverso la giunzione spinge,
come già visto, le coppie elettrone-lacuna in direzioni
opposte.
Connettendo la giunzione con un conduttore esterno, si
otterrà un circuito chiuso nel quale il flusso di elettroni va
dallo strato n, a potenziale maggiore, verso lo strato p, a
potenziale minore fintanto che la cella è esposta alla luce.
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Collegamento ad un carico
Gli elettroni in tal caso, una volta oltrepassata la zona di
svuotamento, non possono più tornare indietro, perché
il campo, agendo come un diodo, impedisce loro di
invertire la marcia.
Corrente e tensione
Nei materiali con bassa
energia di banda Eg si
genererà un’elevata corrente
ed una bassa tensione, in
quelli con alta energia di
banda si genererà un’elevata
tensione ed una bassa
corrente
Cella fotovoltaica
Una cella fotovoltaica ha:
spessore: 0,25 - 0,35 mm,
forma: quadrata o
ottagonale
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superficie:
circa 100 cm2
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Caratteristiche della cella fv
Potenza
1.5 Wp in condizioni standard:
• Irraggiamento = 1 kW/m2;
• Temperatura = 25° C;
• Massa d’aria = 1,5
(in tali condizioni la potenza è detta di picco)
Superficie
Corrente
Tensione
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100 - 225 cm2
3-4 A
0.5 V
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Efficienza di una cella fotovoltaica
Di tutta l’energia che investe la cella solo una parte viene
convertita in energia elettrica.
Si definisce Efficienza il rapporto tra potenza elettrica
generata e radiazione solare incidente.
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Perdite di energia
Le cause della bassa efficienza delle celle possono essere
raggruppate in quattro categorie:
•riflessione: non tutti i fotoni che incidono sulla cella penetrano al
suo interno, dato che in parte vengono riflessi dalla superficie della
cella e in parte incidono sulla griglia metallica dei contatti;
•fotoni troppo o poco energetici: non tutti i fotoni incidenti
possiedono energia sufficiente per rompere il legame tra elettrone
e nucleo; i fotoni troppo energetici dissipano invece in calore
l'energia eccedente
•ricombinazione: non tutte le coppie elettrone-lacuna generate
vengono raccolte dal campo elettrico di giunzione e inviate al
carico esterno, dato che nel percorso dal punto di generazione
verso la giunzione possono incontrare cariche di segno opposto e
ricombinarsi;
Perdite di energia
• resistenze parassite: le cariche generate e raccolte nella
zona di svuotamento sono inviate all'esterno attraverso i
contatti metallici posti sul fronte e sul retro della cella.
Anche se viene effettuato un processo di lega tra silicio e
alluminio dei contatti, resta una certa resistenza
all'interfaccia, che provoca dissipazioni e riduce la potenza
trasferita al carico.
Nel caso di celle al silicio policristallino, l'efficienza è
ulteriormente diminuita dalla resistenza che gli elettroni
incontrano ai confini tra un grano e l'altro e, ancor più nel
caso di celle di silicio amorfo, dalla resistenza dovuta
all'orientamento casuale degli atomi
Materiali utilizzati - Grado di purezza
Il materiale attualmente più utilizzato è lo stesso silicio
adoperato dall’industria elettronica.
Il silicio ha diversi gradi di purezza, in base ai quali le
impurezze sono presenti in diverse quantità:
• Elettronico (1 parte su 100000)
• Solare (1 parte su 10000)
• Metallurgico (1 parte su 100)
Il silicio adoperato per la produzione di celle FV è di grado
solare, ottenuto prevalentemente dagli scarti di quello
elettronico. Per tale ragione il suo costo è pari a circa 1/10 di
quest’ultimo
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Tipologie ed efficienze
Monocristallino
Policristallino
A parità di produzione, la
superficie occupata da pannelli
in silicio amorfo sarà più che
doppia
rispetto
ad
un
equivalente campo fotovoltaico
in silicio policristallino e più
che tripla rispetto ad un campo
in silicio monocristallino
Efficienza
circa 21% per il silicio monocristallino
circa 15% per il silicio policristallino
circa 6% per il silicio amorfo
Amorfo
Due generazioni di Fotovoltaico
I moduli della prima generazione
hanno struttura cristallina (silicio
mono e poli cristallino) e sono
realizzati su supporti rigidi;
quelli di seconda generazione
sono realizzati attraverso
deposizione uniforme di
piccolissime quantità di
semiconduttore in un film sottile
spesso 1-2 micron (silicio
amorfo) su lamine di sostegno
(vetro, metallo, plastica)
Silicio amorfo
In questo caso è improprio parlare di celle essendo le superfici
ricoperte in modo continuo, ottenendo strisce di materiale
flessibile, leggero, facile da integrare nella struttura.
Il costo di produzione è
pressoché
trascurabile
rispetto agli altri costi, ma
l’efficienza è più bassa di
quella
della
prima
generazione ed è inoltre
soggetta ad un consistente
abbattimento, pari a circa il
20%, nei primi mesi di vita.
Riduzione dell’efficienza al
crescere della temperatura
Monocristallino
Policristallino
Amorfo
Riferimento
Celle fotovoltaiche in CIS
I moduli attuali in CIS (Rame Indio Selenio) hanno efficienza
vicina al 20% grazie alle ottime prestazioni anche con
illuminazione diffusa ed alle migliori risposte ai salti di
temperatura.
L’aspetto del prodotto
e la sua adattabilità
dimensionale
lo
rendono
elemento
architettonico
di
interesse per soluzioni
di design di stile
Celle fotovoltaiche in CdTe
Il Tellururo di cadmio (Cadmio, Tellurio) è un
semiconduttore cristallino con caratteristiche simili al
silicio (efficienza fino al 20%), ma meno costoso, poiché
sia il cadmio che il tellurio sono considerati materiali di
scarto (sono i pannelli a film sottile più economici). Ha la
capacità di assorbire la radiazione solare anche in
condizioni di luce diffusa
Esiste una documentata tossicità del cadmio, che è nella
lista dei materiali vietati nelle produzioni elettriche o
elettroniche, ma non il tellururo di cadmio.
Celle fotovoltaiche
a film sottile in CIGS
Il CIGS (Rame Indio Gallio Selenio) è tra le tecnologie più
promettenti, essendo composto da materiali con
prestazioni molto elevate (alta efficienza di conversione,
che ha l’ulteriore pregio di essere molto stabile nel tempo)
Alcuni moduli CIGS possono staccarsi e riattaccarsi come
adesivi, altri sono realizzati con macchinari a stampaggio,
che depositano uno strato di nano inchiostro assorbente
su di un sottile foglio metallico di alluminio.
Celle al Solfuro di Cadmio
Il CdS (Solfuro di cadmio) ha costi di produzione molto bassi
poichè la tecnologia impiegata non richiede il raggiungimento
delle temperature elevatissime necessarie alla fusione e
purificazione del silicio. Viene applicato ad un supporto
metallico con il processo di realizzazione a stampaggio roll-totoll.
Celle al Solfuro di Cadmio
Può anche essere applicato per spray-coating, cioè
letteralmente spruzzato come vernice, o realizzato in
uno strato uniforme di piccoli nano-parallelepipedi, alti
500 nanometri, in una matrice di Tellururo di Cadmio.
Tra gli svantaggi vi è la tossicità del cadmio ed il basso
rendimento.
Celle all’Arseniuro di Gallio
Il GaAs (Arseniuro di Gallio), una lega
binaria in grado di assicurare
rendimenti elevatissimi, sottilissime,
tuttavia ad un costo proibitivo
Fotovoltaico di terza generazione
A differenza delle generazioni precedenti, la terza comprende
una varietà di approcci: celle organiche, polimeriche, ibride,
multigiunzione, a concentrazione, a nanocristalli, etc.
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Celle polimeriche
Rispetto a quelle in silicio utilizzano
materiali abbondanti e non sono costose da
fabbricare, ma hanno efficienza molto bassa
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(2.5%)
e sono relativamente instabili.
Celle solari flessibili
di varia tipologia:
celle organiche, a
film sottile di
semiconduttori
depositati su
polimeri, ibride
(abbinano
semiconduttori
organici con
inorganici).
Celle a concentrazione
Sono innovativi pannelli solari
piani
che
utilizzano
concentratori
ottici
per
convogliare la radiazione su
una
cella
fotovoltaica
multigiunzione, caratterizzata
da un’efficienza più che doppia
rispetto ai pannelli tradizionali.
Celle multigiunzione
Si basano sulla tecnologia
Indio Gallio Arsenico a triplo
strato, nelle quali ogni
giunzione è in grado di
focalizzare selettivamente lo
spettro solare
Questa nuova tecnologia ha
fatto registrare un’efficienza
superiore al 40% e recenti
esperimenti mostrano un
potenziale che può sfondare
il muro del 50%
Celle a pigmenti sensibili
Sono un tipo di celle fotovoltaiche ibride che usa un
pigmento organico colorato.
Hanno bassa efficienza ma anche costo molto basso
Celle fotovoltaiche trasparenti
L’efficienza è molto bassa (intorno all’1%), ma si
stima di poter raggiungere il 5%.
Può sembrare talmente bassa da non rivestire alcun
interesse, ma se si pensa alle possibili applicazioni,
si comprende il ruolo chiave nella diffusione del
fotovoltaico.
Pannelli fotovoltaici termici
Coniugano in un’unico sistema elettricità e calore: le
celle fotovoltaiche generano elettricità ed una
serpentina posta sotto il pannello raccoglie energia
termica per utilizzarla per l’acqua calda sanitaria ed
il riscaldamento.
Pannelli fotovoltaici termici
Hanno il vantaggio di un minor costo, oltre a quello
di raffreddare i pannelli FV, aumentandone
l’efficienza. Dell’energia irradiata dal sole viene infatti
convertita in elettricità solo il 20% circa, il rimanente
80% viene dissipato in calore, sfruttabile per la
produzione di acqua calda sanitaria.
Efficienza delle diverse
tipologie di celle
Il modulo fotovoltaico
Le singole celle vengono connesse in
serie e/o in parallelo, al fine di ottenere
una tensione ed una corrente di taglia
maggiore, assemblandole in un’unica
struttura: il modulo fotovoltaico
I moduli possono avere dimensioni diverse (i più diffusi hanno
superfici che vanno da 1 m2 a 1,6 m2) e prevedono tipicamente
36, 64 o 72 celle collegate elettricamente in serie
Caratteristiche dei moduli:
Potenza di Picco (Wp) Potenza erogata in condizioni standard
Corrente nominale (A) Corrente erogata nel punto di lavoro
Tensione nominale (V) Tensione di lavoro
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Potenza ed efficienza
La potenza é proporzionale alla radiazione incidente.
L’efficienza dei moduli (e con essa la potenza) diminuisce
all’aumentare della loro temperatura
Le perdite per mismatch (1-5%) sono legate a squilibri nella
produzione elettrica dei moduli (es. nel voltaggio, se i moduli
o le stringhe sono collegate in parallelo)
La trasparenza del vetro si riduce con l’angolo d’incidenza
solare (nelle prime ore del mattino e al tramonto, fino al 15%
di riduzione)
La potenza trasferita al carico si riduce per la presenza di
resistenze parassite all’interfaccia tra i contatti e il
semiconduttore.
Generatore fotovoltaico
Impianti fotovoltaici
Un impianto fotovoltaico è un insieme di componenti
meccanici, elettrici ed elettronici che concorrono a
captare e trasformare l’energia solare rendendola
utilizzabile sotto forma di energia elettrica.
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Tipologie di impianti FV
Produzione di energia da
immettere in rete
impianti grid-connected
Produzione di energia per
utenze isolate
impianti stand alone
Impianti fotovoltaici
grid-connected
In tal caso la rete elettrica funge da serbatoio ad
accumulo infinito, prelevando l’energia prodotta in
eccesso nei periodi di esubero di produzione e
restituendola nei periodi di assenza (ore notturne).
L’energia in esubero viene venduta.
Impianti fotovoltaici stand-alone
L’integrazione dei moduli FV con sistemi di accumulo
energetico, di varia natura, consente di assicurare
all’utenza l’autosufficienza energetica.
In tal caso non si beneficia della remunerazione per la
vendita dell’energia prodotta, ma non se ne effettua più
l’acquisto, utilizzando solo l’energia autoprodotta.
Componenti degli impianti FV
Impianti grid connected
Impianti stand alone
Impianto fotovoltaico
grid-connected
Generatore fotovoltaico:
produzione energia elettrica
in corrente continua
Inverter:
Conversione DC/AC
Contatore
Utenza
L’inverter
converte
la
corrente continua prodotta
dai moduli in corrente
alternata, per renderla
disponibile all’utenza o
immetterla in rete
Componenti di un impianto
FV grid-connected
I principali componenti di un impianto FV connesso in rete sono:
• Moduli fotovoltaici
• Inverter per la conversione continua/alternata
(questi due componenti sono comuni a tutte le tipologie di
impianto)
• Contatore dell’energia prodotta dal generatore FV
• Dispositivo di interfaccia con la rete elettrica
• Contatore di energia bidirezionale scambiata con la rete
elettrica
Il contatore di energia misura l’energia prodotta dall’impianto
Il dispositivo di interfaccia con la rete assicura che la forma
d’onda dell’energia elettrica immessa abbia le caratteristiche
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richieste
dal fornitore locale
Componenti degli impianti stand alone
I principali componenti sono:
- Moduli fotovoltaici
- Inverter
- Regolatore di carica
- Sistema di accumulo (batterie)
La configurazione comporta che il campo FV venga
dimensionato in modo tale da permettere, durante le ore
di insolazione, sia l’alimentazione del carico che la ricarica
delle batterie.
Il carico viene alimentato, attraverso il regolatore di
carica, dal generatore o dal sistema di accumulo, in
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dipendenza
della produzione.
Regolatore di carica
Sistema di accumulo
Il regolatore di carica (o regolatore di
tensione) serve a preservare gli
accumulatori da un eccesso di carica ad
opera del generatore fotovoltaico e da un
eccesso di scarica dovuto all’utilizzazione.
Entrambe le condizioni sono nocive per la
corretta funzionalità e la durata degli
accumulatori.
Il sistema di accumulo serve ad
immagazzinare una parte dell’energia
prodotta dal campo fotovoltaico per
poi utilizzarla quando è necessario.
Ciò è fondamentale perché la potenza
richiesta dall’utente non segue
l’intensità della radiazione solare e di
conseguenza
la produzione elettrica.
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Sistemi di accumulo energetico
L'immagazzinamento (o stoccaggio) dell'energia
prodotta è possibile grazie ad una serie di tecniche e
processi che permettono di concentrare, su supporti
diversi, differenti forme di energia per essere
utilizzate successivamente.
I sistemi di stoccaggio in uso commerciale oggi
possono essere classificati in meccanici, elettrici,
chimici, biologici, termici.
Batterie e celle a combustibile
La soluzione più comune al problema di immagazzinare
energia ai fini elettrici è fornita dal un banco di batterie
ricaricabili, un dispositivo di accumulazione elettrochimico,
dimensionato in modo da garantire sufficiente autonomia di
alimentazione. Esse devono avere:
basso valore di autoscarica
lunga vita stimata
manutenzione quasi nulla
elevato numero di cicli di carica-scarica
Hanno tuttavia piccola capacità e costi elevati.
Altri dispositivi elettrochimici sono le celle a combustibile, per
convertire l’energia stoccata sotto forma di idrogeno.
Vari tipi di Batterie
•
•
•
•
•
•
Batterie alcaline
Batterie al litio
Batterie al litio-polimero
Batterie al nichel-cadmio
Batterie al nichel-metallo idruro
Batterie zinco-carbone
Impianti fv integrati negli edifici
Gli interventi di integrazione
architettonica si distinguono a
seconda del tipo di superficie
dell’edificio utilizzata:
– tetto piano (terrazza)
– tetto inclinato
– facciata
sistemi retrofit, applicati in contesti
edilizi già esistenti
sistemi integrati fin dalla fase di
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progettazione
dell’edificio.
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Impianti fv integrati negli edifici
Impianti su superfici piane
Se necessario, si può provvedere ad inclinare ed orientare in
maniera ottimale il sistema FV in maniera da massimizzare la
resa energetica, sostenendolo con strutture di supporto diverse
da quelle dell’edificio
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Impianti fv integrati negli edifici
Impianti su superfici inclinate
La loro inclinazione ed il loro
orientamento non sono liberi e la
resa energetica può non essere
ottimale, ma non vi è necessità di
strutture portanti, con il risultato di
una maggiore armonizzazione
estetica tra edificio e impianto
Si possono usare tegole fotovoltaiche
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Impianti fv integrati negli edifici
Impianti su facciate
L’installazione sulla facciata consente di realizzare impianti di
elevata valenza estetica, soprattutto combinando i moduli
con altri elementi, come superfici vetrate.
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Pensiline
Dimensionamento di
un impianto fotovoltaico
Il generatore dovrà essere dimensionato – ossia va
determinata la sua potenza di picco - sulla base dei
seguenti fattori:
- latitudine ed irraggiamento medio annuo del sito
- carico elettrico
- possibilità di collegamento alla rete elettrica
- superfici disponibili dell’edificio
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Fasi del dimensionamento
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
Verifica dell’idoneità del sito
Determinazione della radiazione solare nel sito
Scelta dell’inclinazione dei moduli
Determinazione del fabbisogno annuo di energia
Calcolo della potenza di picco del generatore
Valutazione dell’efficienza dell’impianto
Determinazione della potenza dell’inverter
Dimensionamento del sistema di accumulo
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a. Verifica dell’idoneità del sito
Presenza di ombre (vegetazione, costruzioni, alture)
Nebbie o foschie mattutine
Nevosità
Ventosità
Queste informazioni determinano
il collocamento del generatore
fotovoltaico, la sua esposizione
rispetto al Sud, l’inclinazione sul
piano orizzontale
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Radiazione solare
L’energia prodotta da un modulo è linearmente
proporzionale alla radiazione solare incidente sulla sua
superficie.
Il valore della radiazione solare sulla superficie terrestre è
pari a circa 1 kW/m2, con cielo sereno e sole allo zenit
kWh/m²
°C
250
30
25
200
20
150
15
100
10
50
5
0
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0
Irraggiamento specifico sull'orizzontale [kWh/m²]
Temperatura esterna [°C]
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b. Determinazione della
radiazione solare nel sito
Latitudine
Reggio C. 38°06’
Longitudine
15° 39’
Dalla norma UNI 10349 si ricavano i valori medi mensili
della radiazione solare su una superficie orizzontale,
ottenendo un valore totale annuo pari a:
I’ s = 1751 kWh/ (m2 anno)
c. Scelta dell’inclinazione dei moduli
La captazione di energia solare è massima quando il
pannello è orientato in posizione ottimale, verso SUD,
con angolo di inclinazione pari alla latitudine del sito
meno circa 10° .
Reggio Calabria: 38° - 10° = 28 °
Tale inclinazione rende minime le variazioni di energia
solare durante l’anno dovute alle oscillazioni della
direzione dei raggi solari (+/- 23°) rispetto alla normale
alla superficie
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Angolo di tilt
Radiazione solare e angolo di tilt
Radiazione solare giornaliera media annua a Firenze (lat.43,7N)
al variare dell’inclinazione della superficie, orientata a Sud
Coefficienti correttivi per
l’inclinazione
Per tenere conto dell’inclinazione dei moduli una tabella
consente di determinare il fattore correttivo della quantità I’s
Per Reggio Calabria (inclinazione 28°) i dati più prossimi
sono: inclinazione 30° e orientamento 0° (Sud), cui
corrisponde un coefficiente di maggiorazione pari a 1.11
Radiazione solare corretta
Il valore totale annuo della radiazione solare incidente
sull’impianto con inclinazione 30° sarà:
Is = 1.11∙ I’s = 1.11 x 1751 = 1944 kWh/m2anno
Distanza tra le file
Si opta ad avere assenza di ombre a mezzogiorno del
solstizio invernale, che in formule corrisponde:
D/A = sinβ*tg(23,5+φ) + cos β
d. Determinazione del
Fabbisogno energetico annuo
I consumi delle utenze da alimentare vanno considerati
in termini di energia richiesta giornalmente, per
determinare quella totale annua.
Si suppone un fabbisogno annuo pari a 4335 kWh/anno
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Esempio
Energia = Potenza x Tempo di utilizzo
2 Lampade (15 W cad.) da alimentare per 5 h/giorno
1 TV color (60 W) da alimentare per 3 h/giorno
Energia giornaliera totale necessaria
2 x 15W x 5 h/giorno + 60W x 3 h/giorno = 330 Wh/giorno
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e. Calcolo della potenza di picco
del generatore
ORE EQUIVALENTI heq:
periodo di tempo in cui l’energia incidente I’s nel sito
all’inclinazione dei pannelli è equivalente a quella prodotta
da un irraggiamento standard di 1 kW/m2
Tempo = Energia / Potenza
Iʹs
heq =
1 kW/m2
1944 kWh/m2·anno
heq =
= 1944 h/anno
1 kW/m2
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Determinazione della potenza di picco
La potenza di picco P’p si ottiene, al lordo delle perdite,
dividendo il fabbisogno annuo (energia necessaria
annualmente) per il numero di ore equivalenti:
P’p =
eq
4335 kWh
P’p =
= 2.23 kWp
1944 h
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f. Valutazione delle perdite di impianto
E’ necessario tener conto delle perdite nel campo
fotovoltaico e di quelle introdotte dai componenti che
costituiscono l’impianto (inverter, batterie, regolatori di
carica, cavi di collegamento,..)
Ipotizzando una percentuale per le perdite totali
dell’impianto, è necessario aumentare della stessa
percentuale la potenza di picco del generatore
fotovoltaico.
Viene utilizzata a tal fine un’efficienza η dell’impianto.
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Efficienza dell’impianto
L’entità delle perdite nel campo fotovoltaico varia dal 10 al
15% dell’energia elettrica prodotta ed almeno la metà è
dovuta all’aumento della temperatura delle celle.
A queste perdite vanno sommate quelle nel resto
dell’impianto, dovute all’inverter, ai cavi e agli altri
componenti elettrici, valutabili intorno al 5-10%.
Complessivamente il rendimento dell’impianto varierà nel
range 75-85%. Considerando un rendimento medio dell’80%,
la potenza di picco, al netto delle perdite, risulterà:
P’ 2.23
P=
=
= 2.79 kWp
η
0.8
g. Calcolo della potenza dell’inverter
Viene determinata in modo differente a seconda che si
tratti di impianto collegato in rete oppure in isola.
Nel primo caso, essa eguaglia la potenza del generatore,
mentre nel secondo è necessario valutare la potenza
totale massima che dovrà essere collegata all’inverter.
Potenza totale = 2 x 15W + 1 x 60W = 90W
POTENZA INVERTER > 90 W
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h. Dimensionamento del sistema
di accumulo (impianti Stand Alone)
In caso di impianti stand alone è necessario
dimensionare l’accumulo in modo tale da garantire
un’alimentazione del carico anche per un prefissato
numero massimo di giorni consecutivi con assenza di
insolazione.
Il campo fotovoltaico viene dimensionato in modo
da permettere, durante le ore di insolazione, sia
l’alimentazione del carico che la ricarica delle
batterie di accumulo.
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Produzione di energia
L’energia prodotta da un pannello è data da:
E = S η Is
Is = radiazione incidente sul pannello
S = superficie del pannello
η = efficienza del pannello
Caratteristiche dei pannelli
Tipo di pannello
ηr (%)
β (°C-1)
NOCT
Mono-Si
14,0
45
0,40
Poli-Si
11,0
45
0,40
a-Si
5,0
50
0,11
CdTe
7,0
46
0,24
CIS
7,5
47
0,46
Effetto della temperatura
L’efficienza η di un pannello diminuisce al crescere della temperatura:
η = ηr [1-β(tc-tr)]
dove
ηr = efficienza del modulo alla temperatura di riferimento tr (25°C)
β = coefficiente di temperatura del pannello
tc = temperatura della cella, che può essere stimata da:
tc = ta +
s
con
ta = temperatura ambiente
NOCT = Nominal Operating Cell Temperature (°C)
Efficienza dell’inverter
La potenza disponibile sarà data poi dall’energia
prodotta ridotta delle perdite dell’inverter.
Ed = Eηi
con ηi efficienza dell’inverter
Produzione annua di energia
Fabbisogno familiare = circa 300 kWh/mese
Produzione energetica e superficie
La quantità di energia prodotta da un
generatore FV varia nel corso dell’anno
Alle latitudini dell’Italia centrale, 1 m2 di pannello può
produrre in media:
0,3-0,4 kWh/giorno nel periodo invernale
0,6-0,8 kWh/giorno nel periodo estivo
In totale circa 180 kWh/anno
Considerando un valore medio di 0,5
kWh/m2 giorno ed un fabbisogno medio,
per una famiglia, di 10 kWh/giorno,
occorre installare 20 m2
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Fabbisogno annuo e superficie
Il fabbisogno medio di energia elettrica di una
famiglia italiana si aggira attorno ai 3000 – 4500 kWh/anno.
Un impianto fotovoltaico può generare:
circa 200 kWh/ m2 anno a CATANIA
circa 150 kWh/ m2 anno a MILANO
Installando 20 m2 si ottengono:
4000 kWh/anno a Catania e 3000 kWh/anno a Milano
In villette monofamiliari in genere c’è spazio sufficiente
per ospitare i pannelli sulla falda meglio esposta
Accumulo – Storage on grid
Incentivi Statali
Per diversi anni il Governo Italiano ha promosso la
diffusione della tecnologia fotovoltaica attraverso
incentivi finanziari
Il programma Tetti fotovoltaici (2001-2003) ha
erogato contributi in conto capitale per la
costruzione di impianti fotovoltaici di piccola potenza
(da 1 a 50 kWp) collegati alla rete elettrica
Il Conto Energia (2005-2013) non ha più previsto un
contributo per l’acquisto, ma la remunerazione per
20 anni dei kWh prodotti, sia per uso proprio sia se
immessi in rete, ad un prezzo superiore a quello di
mercato.
Forme di incentivazione
attuali
Detrazioni IRPEF
È possibile scaricare il 50% del costo di investimento nei
10 anni successivi
Scambio sul posto
Il contributo ripaga l’utente per l’energia che ha immesso
in rete ed in più rimborsa parte dei servizi
Le due forme di agevolazione, cumulabili fra loro, sono
equiparabili, stanti gli attuali prezzi degli impianti, agli
incentivi in precedenza previsti dal “Conto Energia”
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Meccanismo di scambio sul posto
Prevede un conto scambio, ma il bilanciamento viene effettuato
tramite coefficienti legati ai prezzi di mercato di vendita ed
acquisto dell’energia al momento dello scambio:
Cs = min [Oe; Cei]
Oe (Contributo Onere dell’energia), prezzo dell’energia elettrica
prelevata dalla rete e pagata dall’utente (prodotto tra i kWh prelevati
ed il prezzo unico nazionale, PUN). Il PUN è variabile in base ai prezzi di
mercato ed è una media nazionale dei prezzi rilevati mensilmente in
ogni regione.
Cei (Controvalore dell’energia immessa), prezzo dell’energia immessa
in rete (prodotto tra i kWh immessi ed il prezzo zonale Pz dell’energia
sul “mercato del giorno prima”): infatti ogni giorno come una vera e
propria borsa, i prezzi di acquisto e vendita dell’energia fluttuano in
base alle dinamiche del mercato.
Meccanismo di scambio sul posto
E’ previsto inoltre il pagamento delle eventuali eccedenze fine anno
Eccedenza = Cei - Oe = (Pz x Eout) – (PUN x EIN)
(Eout ed EIN indicano l’ energia immessa in rete e quella prelevata)
ed il rimborso di parte dei servizi di rete (distribuzione,
dispacciamento, misura e oneri del sistema), imposte escluse,
versati per l’energia prelevata:
Cusf x Es
Cusf (Corrispettivo unitario di scambio forfettario): conteggia le
tariffe di trasmissione, distribuzione, dispacciamento e alcuni oneri
Es (Energia scambiata), i kWh prima immessi e poi riprelevati.
Corrisponde al minimo tra i kWh immessi e quelli prelevati durante
l’anno
Cosa succedeva con il Conto Energia
DM 28/07/2005
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107
Energia elettrica: spese in Italia
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108
Energia elettrica: spese in Italia
24/03/2016
109
Spese in Italia
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Obbligo dell’uso di
fonti rinnovabili in edilizia
Obbligatorio impianto solare termico per coprire il
50% del fabbisogno di acqua calda sanitaria
Obbligatorio impianto fotovoltaico con potenza
P = S/K
S = Superficie in pianta dell’edificio
K = 50 a pieno regime del decreto, 65 fino al 2016. (A regime 2 kW
ogni 100 m2).
Capacità mondiale
Benefici ambientali
Per ogni kWh prodotto da fonte rinnovabile (non
prodotto da fonte fossile) si evita l’emissione di
700 g di CO2
Nell’arco della vita utile di un impianto familiare
si evitano:
40 tonnellate di CO2
Fotovoltaico e impatto ambientale
La conversione fotovoltaica dell’energia solare ha
caratteristiche tali da essere ritenuta la fonte rinnovabile più
rispettosa dell’ambiente.
Gli impianti FV non generano emissioni inquinanti e, per la
loro modularità, possono assecondare la morfologia dei siti
di installazione. Inoltre, producono energia in prossimità dei
carichi elettrici evitando perdite di trasmissione.
Il loro impatto ambientale, tuttavia, non può essere
considerato nullo
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Impatti ambientali
inquinamento derivante dal processo produttivo
Inoltre, soprattutto per impianti non integrati negli edifici:
utilizzazione del territorio
impatto visivo
impatto su flora, fauna e clima locale
La dimensione di questi impatti è tuttavia decisamente
inferiore di quella di altre tecnologie energetiche
convenzionali
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116
Processo produttivo
L’uso di materie prime, di energia e le conseguenti
emissioni provocate dal processo di produzione
dipendono dalla tecnologia usata, ma il silicio proviene
in genere dal reimpiego degli scarti dell’industria
elettronica.
Inoltre, i pannelli alla fine della loro vita devono essere
smaltiti con riciclaggio.
Sarebbe necessaria, quindi, un’attenta analisi del ciclo
di vita degli impianti, dalla fase di realizzazione, alla fase
di funzionamento e di dismissione.
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Life Cycle Assessment
Un impianto fotovoltaico non genera
emissioni inquinanti durante il suo utilizzo,
ma bisogna considerare quelle prodotte
durante tutto il suo ciclo di vita (Life Cycle).
Il Life Cycle Assessment è una verifica
quantitativa completa degli impatti
ambientali associati ad un prodotto, un
processo o un servizio
Vengono analizzate le principali attività
intraprese nel corso del suo ciclo vitale,
dalla culla alla tomba, ossia attraverso le
fasi di acquisizione dei materiali grezzi, di
produzione, trasporto, uso, fino allo
smaltimento ed il riuso
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Utilizzazione del territorio
L’unico impatto del fotovoltaico è sostanzialmente
riconducibile al suolo e all’habitat sottratti.
Il fabbisogno di territorio dipende dall’impiego:
decentrato o centralizzato in grandi impianti.
Nel primo caso il territorio utilizzato può essere ridotto
quasi a zero perché i pannelli vengono installati su
superfici già sottratte all’ambiente (tetti, facciate, …).
L’uso di impianti centralizzati richiede invece un’enorme
quantità di territorio la cui estensione dipende dalle
caratteristiche dei moduli utilizzati.
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Impatto visivo e su flora e fauna
L’impatto visivo dipende dalle dimensioni dell’impianto
oltre che dal tipo di paesaggio.
Quello sulla flora e la fauna può ritenersi trascurabile.
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