PRINCIPI DI INGEGNERIA ELETTRICA LS
Professore : Francesco Negrini
Anno accademico 2005 / 2006
LA CONVERSIONE
FOTOVOLTAICA DELL ’ENERGIA
IL FOTOVOLTAICO
1839 Il francese Alexandre Edmond Bècquerel scopre l’effetto fotovoltaico durante alcuni
esperimenti con le celle elettrolitiche, osservando il formarsi di una d.d.p. tra due elettrodi
identici di platino, uno illuminato e l’altro al buio; la d.d.p. dipendeva dall’intensità e dal
colore della luce.
1873 Willoughby Smith scopre la fotoconducibilità del selenio.
1876 Due scienziati britannici, Adams e Day, osservano il selenio convertire la luce del
sole direttamente in elettricità, senza riscaldare un fluido e senza utilizzare parti mobili.
1914 Il rendimento delle celle al selenio si aggira intorno all’1%. Oggi in laboratorio le celle
superano rendimenti del 30%.
1953 Gerard Pearson, fisico presso i laboratori della Bell, costruì involontariamente una
cella solare al silicio, più efficiente di quella al selenio.
1954 Altri due scienziati della Bell, Chapin e Fuller, perfezionarono la scoperta di Pearson
e realizzarono la prima cella in grado di convertire in elettricità sufficiente energia solare
per alimentare dispositivi elettrici di uso quotidiano. La prima cella commerciale al silicio
cristallino ha un rendimento del 6%.
LA CONVERSIONE FOTOVOLTAICA
La conversione fotovoltaica dell’energia avviene all’interno delle celle
fotovoltaiche, tipicamente realizzate in silicio.
Il silicio ha 14 elettroni, di cui 4 di valenza, che presentano legami elettrostatici che
possono essere spezzati se si trasmette una certa quantità di energia. L’elettrone
passa così ad un livello energetico superiore ed è quindi libero di muoversi all’interno
del semiconduttore. In questo passaggio viene lasciata una buca, che prende il
nome di lacuna; questa verrà occupata da un altro elettrone, che si lascerà dietro
una lacuna, e così via.
Il flusso di elettroni è orientato da un campo elettrico creato nella cella per mezzo
della sovrapposizione di due strati di silicio, in ognuno dei quali si introduce un
particolare elemento chimico. Nello strato drogato con fosforo, elemento di valenza
5, si costituisce una carica negativa debolmente legata (regione N); nello strato
drogato con boro, elemento di valenza tre, si costituisce una carica positiva in
eccesso (regione P).
Viene così a formarsi la giunzione p – n.
LA CONVERSIONE FOTOVOLTAICA
Affacciando i due strati si attiva un flusso elettronico dalla zona N alla zona P.
Il risultato è un campo elettrico interno al dispositivo che spinge gli elettroni verso
la zona N e le buche verso la zona P.
I fotoni della luce che dispongono di sufficiente energia possono strappare un
elettrone da uno stato legato ed elevarlo ad uno stato libero nella banda di
conduzione del materiale.
La conversione da luce a energia elettrica effettuata dalla cella fotovoltaica
avviene essenzialmente perché i portatori di carica liberi (l’elettrone libero nella
banda di conduzione e la buca libera nella banda di valenza), generati dalla luce,
sono spinti in direzioni opposte dal campo elettrico incorporato.
Una volta attraversato il campo, gli elettroni liberi non tornano più indietro, perché
il campo, agendo come un diodo, impedisce loro di invertire la marcia.
Perciò, quando la luce incide sulla cella fv le cariche positive sono spinte in
numero crescente verso la parte inferiore della cella e le cariche negative evrso
quella superiore, o viceversa, a seconda del tipo di cella.
Se il dispositivo è collegato ad un carico elettrico esterno si origina una corrente
di conduzione che viene raccolta mediante contatti metallici.
LA RADIAZIONE SOLARE
L’irraggiamento viene definito come la quantità di energia solare incidente su
una superficie unitaria in un determinato intervallo di tempo, tipicamente un giorno
(kWh/m2/giorno).
L’irraggiamento è influenzato dalle condizioni climatiche locali (nuvolosità,
foschia,ecc) e dipende dalla latitudine del luogo, cresce quanto più ci si avvicina
all’equatore.
In Italia l’irraggiamento medio annuale varia dai 3,6 kWh/m2/giorno della pianura
padana ai 4,7 kWh/m2/giorno del centro Sud e ai 5,4 kWh/m2/giorno della Sicilia.
Nel nostro Paese, quindi, le regioni ideali per lo sviluppo del fotovoltaico sono
quelle meridionali ed insulari. La raccolta di circa 2000 kWh da ogni metro
quadrato di superficie è l’equivalente energetico di 1,5 barili di petrolio.
I SISTEMI FOTOVOLTAICI
L’unità di base di un sistema fotovoltaico è la cella.
Più celle, di solito 36 disposte su 4 file parallele, collegate in serie costituiscono un
modulo.
Più moduli assemblati meccanicamente realizzano un pannello.
Un insieme di pannelli collegati in serie, così da ottenere una maggiore tensione in
uscita, costituisce una stringa.
Infine un insieme di stringhe, collegate il più delle volte in parallelo, costituiscono il
generatore fotovoltaico.
Una cella fotovoltaica esposta alla radiazione del sole si comporta come un
generatore di corrente con una curva caratteristica tensione / corrente che dipende
fondamentalmente dall’intensità della radiazione solare, dalla temperatura e
dall’area della cella.
In condizioni di corto circuito la corrente generata è massima, mentre in condizioni
di circuito aperto è massima la tensione; in entrambi i casi la potenza estraibile
sarà nulla.
Negli altri punti della caratteristica, all’aumentare della tensione aumenta la
potenza, raggiungendo un massimo in Vm e diminuendo rapidamente in
prossimità della Voc.
LA CELLA FOTOVOLTAICA
L’efficienza di una cella fotovoltaica è valutata come rapporto tra la massima
potenza elettrica prodotta e la potenza radiante incidente sulla superficie sensibile
della cella.
Pmax
1000 A cella
Convenzionalmente si fa riferimento ad una potenza
incidente di 1000 W/m2 ed una temperatura di
funzionamento di 25 °C.
Le perdite sono dovute a:
1. Riflessione di parte della radiazione incidente
2. Mismatch tra energia del fotone assorbito ed energia di banda
3. Ricombinazione
4. Resistenze parassite
I SISTEMI FOTOVOLTAICI
Le strutture che sorreggono i moduli possono essere di due tipi:
1.Sistemi ad inclinazione fissa
2.Sistemi ad inseguimento
I primi sono costituiti da moduli assemblati su una struttura portante fissa in
genere inclinata di un angolo pari alla latitudine del sito.
Nei secondi il piano su cui giacciono i pannelli può ruotare attorno ad un solo asse
o attorno a due assi realizzando così l’inseguimento totale del sole.
L’orientamento dei pannelli è fondamentale
per la resa dell’impianto.
I SISTEMI FOTOVOLTAICI
I sistemi fotovoltaici si distinguono anche in:
1.Isolati
2.Connessi alla rete
I primi sono generalmente dotati di accumulo non essendo collegati alla rete elettrica ed
essendo il campo fotovoltaico fornitore di energia soltanto nelle ore diurne.
Il dispositivo che permette l’accumulo è la batteria.
I requisiti principali sono:
Elevata efficienza
Elevata resistenza a forti escursioni termiche
Durata di vita elevata in regime di frequenti cicli di carica/scarica
Ridotta autoscarica
Elevato rapporto capacità - volume
Esercizio con ridotta manutenzione
Costi minimi
Gli impianti collegati alla rete elettrica funzionano nel modo seguente:
nelle ore in cui il generatore fotovoltaico non è in grado di produrre l’energia
necessaria a coprire la domanda di elettricità, la rete fornisce l’energia richiesta.
Viceversa, se il sistema fotovoltaico produce energia elettrica in più, il surplus
può essere trasferito alla rete o accumulato. Questi sistemi, ovviamente, non
hanno bisogno di batterie perché la distribuzione sopperisce alla fornitura di
energia elettrica nei momenti di indisponibilità della radiazione solare.
I SISTEMI FOTOVOLTAICI
All’interno di un sistema fotovoltaico troviamo un elemento fondamentale, ossia l’
inverter, il cui scopo è quello di trasformare la corrente da continua ad alternata.
I tiristori sono accoppiati, i diodi SCR1 e SCR4 vengono accesi ed interdetti
contemporaneamente e lo stesso avviene per i diodi SCR2 e SCR3.
Lo stesso meccanismo vale per i trifase, attenzione che non devono mai essere in
conduzione due tiristori connessi alla stessa fase
rischio di corto circuito
del generatore continuo.
Ciasun SCR rimane in conduzione per una certa frazione del periodo che
caratterizza la tensione alternata in uscita. Tipiche sono le sequenze di
accensione a 120° e a 180°.
Variando la sequenza di accensione è possibile modulare l’ampiezza del segnale
in uscita.
COSTI DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO
ESEMPIO : impianto da 3 kWp
Come evidenziato dalla figura sopra il costo maggiore è dovuto all’investimento in
materiali e in particolar modo nei moduli (62%), segue , con una percentuale ben
più bassa (13%), il costo per l’acquisto dell’inverter.
Il costo “chiavi in mano” per un’installazione standard di un sistema di 1 kWp è pari
a circa 7000 euro, con l’IVA al 10% esclusa.
Il preventivo è tanto più preciso quanto più si hanno informazioni sul sito dove
andrà localizzato l’impianto.
costo 18900 euro + IVA (10%);
vita utile dell’impianto 25 anni;
localizzazione centro Italia (produzione media di 3600 kWh/annui);
ricavi da incentivo 0,445 euro per kWh prodotto (fino al 20 esimo anno);
risparmio sulla bolletta elettrica 0,180 euro per kWh prodotto;
costi di manutenzione 190 euro / anno;
costi di esercizio 30 euro / anno.
Tempo di ritorno non
attualizzato dell’investimento :
11 ANNI
