introduzione al fotovoltaico
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INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO Luigi Gozzi E-mail: [email protected] CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO Nozioni di base L’energia inesauribile Il potenziale del sole Il sole é una stella di forma pseudosferica, composta da idrogeno e elio, con un diametro di circa 1’391’000 km ed è situata a 149’598’000 km dalla terra. La temperatura al suo interno raggiunge i 107 °K. Il sole è una fonte di energia ancora poco utilizzata, ma con un grande potenziale. Ogni giorno arrivano sulla terra 970.000 miliardi di kWh. Un metodo per poter recuperare questa preziosa energia sono i moduli fotovoltaici. FOTOVOLTAICO Un primo sguardo Luce e Calore Le radiazioni emesse dal sole sotto forma di luce e calore possono essere utilizzate. - La luce può essere trasformata direttamente in elettricità per mezzo di pannelli fotovoltaici sfruttando le proprietà di materiali semiconduttori come il silicio. - Il calore può essere utilizzato per il riscaldamento dell’ acqua per mezzo di pannelli solari. La parte di energia solare che riesce a raggiungere la terra in un’ora equivale al consumo energetico di tutto il mondo di un anno. FOTOVOLTAICO Com’è costruito un modulo fotovoltaico Un primo sguardo Il componente base di un modulo fotovoltaico è la cella Cella Modulo Diverse celle assemblate Stringa Diversi moduli collegati Campo Diverse stringhe collegate FOTOVOLTAICO Com’è costruito un modulo fotovoltaico Un primo sguardo cella modulo Il silicio dopo l’ossigeno è l’elemento più abbondante sulla terra. FOTOVOLTAICO Un primo sguardo Com’è costruito un modulo fotovoltaico Un’immagine di un modulo in film sottile. In alcuni tipi di modulo non esiste il concetto di cella che infatti non la si può individuare. Questo perché il modulo viene realizzato ‘spruzzando’ del composto di silicio sulla superficie del pannello. Si parte quindi dal concetto di modulo. FOTOVOLTAICO Un primo sguardo Tipologie di moduli fotovoltaici Sono 3 le tipologie di moduli fotovoltaici più utilizzate: Silicio mono cristallino Famiglia Cristallino Silicio poli cristallino Silicio amorfo, CIS, CdTe Famiglia Film sottile FOTOVOLTAICO Un primo sguardo Vantaggi e svantaggi delle due famiglie Famiglia - Dimensioni più contenute Cristallino - Efficienza 12-16%* - Sensibili alle ombre - Dimensioni più ingombranti Famiglia Film sottile - Efficienza 6-9%* - Non sensibili alle ombre (produce anche con cielo nuvoloso) - Non richiede inclinazione dei pannelli - Meno influenzati dalla temperatura - Usufruisce di più ore di luce (produce prima al mattino e termina più tardi la sera) - Ritorno dell’investimento più veloce * in condizioni particolari di misurazione FOTOVOLTAICO Un primo sguardo Sistemi connessi alla rete elettrica Schema di un impianto fotovoltaico collegato alla rete L’energia prodotta attraverso i pannelli è autoconsumata o immessa nella rete elettrica. È possibile riprendere in un secondo momento l’energia prodotta e non auto-consumata. FOTOVOLTAICO Un primo sguardo Vita e garanzia dei moduli La vita media dei moduli fotovoltaici è dai 25 ai 30 anni con una diminuzione delle prestazioni energetiche inferiore al 20% . La garanzia dei fornitori sul rendimento (efficienza) arriva a coprire fino ai 25 anni. CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO Nozioni di base I moduli cristallini Tipologia delle celle cristalline Le celle che compongono i moduli fotovoltaici cristallino sono chiamate “wafer”. La cella in silicio monocristallino è realizzata a partire da un wafer la cui struttura cristallina è omogenea (monocristallo). Per ottenere una struttura semiconduttrice omogenea occorre aver estratto il silicio da sabbia di quarzo e averlo purificato, tramite un processo di cristallizzazione, fino ad ottenere silicio puro al 99,999%. In questo modo si creano i ben conosciuti “lingotti” di silicio. Il lingotto di silicio verrà successivamente squadrato e tagliato in wafer di 0,25-0,35 mm di spessore per ottenere la forma classica della cella fotovoltaica. La cella in silicio policristallino non è strutturalmente omogenea ma organizzata in grani localmente ordinati (policristallo). Questa particolare composizione è dovuta al fatto che le barre di silicio sono composte da resti di silicio puro. Gli scarti vengono compressi e modellati fino ad ottenere una barra quadrata delle dimensioni classiche. CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO Nozioni di base I moduli thin film Tipologia delle celle amorfe A causa dell’elevato costo, della maturità della tecnologia e per ridurre la quantità di silicio utilizzato, la maggior parte dei produttori di moduli FV sta sviluppando la tecnologia a film sottile. Questa tecnologia permette di depositare un sottilissimo strato di materiale semiconduttore direttamente su un supporto solido o flessibile (ad es. vetro, acciaio, plastica, stoffa…). Lo spessore ridotto (1-2 micron) permette di velocizzare il processo produttivo e di rendere insignificante il costo stesso del semiconduttore utilizzato. Gli attuali rendimenti dei moduli cristallini (circa 12-16%) sono superiori rispetto ai moduli a film sottile (6-9%), ma vi sono enormi possibilità di miglioramento per questi ultimi. CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO Nozioni di base Glossario Efficienza In una conversione di energia l’efficienza è il rapporto tra la potenza utile e la potenza fornita al sistema. L’efficienza è espressa come valore compreso tra zero e uno o sotto forma di percentuale. Un sistema con un efficienza uguale a 1 o 100% è un sistema privo di perdite dove l’energia primaria è convertita nella sua totalità in energia secondaria. L’efficienza di un modulo o di una cella è calcolata sulla base della misura della potenza massima. Conoscendo il valore della potenza massima (equivale alla potenza utile), le dimensioni del modulo in m2 e la potenza di irraggiamento (equivale alla potenza fornita al sistema), si può calcolare l’efficienza. La misura avviene tramite un irraggiamento costante di 1000 W/m2 come è definita dalle norme. CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO Nozioni di base Glossario Tensione e corrente al punto di massima potenza La tensione e la corrente al punto di massima potenza sono i valori che si misurano nel momento in cui il modulo fornisce la sua potenza massima. CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO Nozioni di base Glossario Rendimento Il rendimento di un’installazione fotovoltaica è la capacità di convertire l’energia solare ricevuta in energia elettrica, ed è la parte più difficile da calcolare, perché l’irraggiamento reale e le condizioni ambientali possono influenzare notevolmente il rendimento del modulo. In maniera generale i moduli cristallini hanno necessità di essere continuamente esposti in maniera ottimale nei confronti del sole, pena un calo dell’efficienza, e di conseguenza del rendimento. I moduli a film sottile sono meno sensibili alla posizione relativa del sole a tal punto che si possano installare indifferentemente in posizione verticale (facciata) o orizzontale (tetto) senza variazioni apprezzabili dell’efficienza. Per i moduli cristallini sono stati realizzati sistemi di intelaiatura mobile detti “inseguitori solari” che ruotano i pannelli in modo da mantenerli costantemente esposti perpendicolarmente rispetto al sole. CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO L’energia solare e la conversione fotovoltaica Introduzione L’irraggiamento solare I moduli fotovoltaici convertono la luce solare direttamente in energia elettrica. Da qui l’importanza di capire e studiare il raggio del sole. Al confine con l’atmosfera terrestre l’energia solare è una costante che ha un valore medio pari a 1367 W/m2, mentre a livello del suolo l’irraggiamento è molto variabile. La cartina accanto mostra l’energia a livello del suolo in Europa. CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO L’energia solare e la conversione fotovoltaica Lo spettro solare Lo spettro solare al livello del suolo A causa dei fenomeni di riflessione e assorbimento l’energia del sole a livello del mare è inferiore all’energia extra-atmosferica. U V Visibil Infraros e so Spettro solare Spettro solare a livello del mare L’atmosfera è composta da diversi gas, che riflettono o assorbono i raggi luminosi differentemente dalla lunghezza d’onda. Per questo motivo lo spettro solare non è attenuato in modo uniforme ma alcune lunghezze d’onda sono più attenuate o addirittura non presenti a livello del suolo. CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO L’energia solare e la conversione fotovoltaica La diffusione della luce Le tre componenti dell’irraggiamento al suolo -L’irraggiamento diretto: radiazione che giunge al suolo direttamente dal sole. -L’irraggiamento diffuso: è la radiazione che giunge al suolo dopo essere stata riflessa e in parte assorbita dall’atmosfera (aria, nuvole). -L’irraggiamento per albedo: è la radiazione riflessa dal suolo. Generalmente è la parte meno preponderante ma in condizioni particolari come nel caso di una superficie ghiacciata, la presenza di un lago o del mare può essere considerevole. CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO L’energia solare e la conversione fotovoltaica La fisica dei materiali L’effetto fotovoltaico Un modulo fotovoltaico è un dispositivo in grado di convertire l'energia solare direttamente in energia elettrica mediante effetto fotovoltaico. Questo tipo di conversione è possibile grazie a 3 fenomeni fisici: Assorbimento della luce nei materiali, Trasferimento dell’energia dei fotoni cariche elettriche, Il collegamento delle cariche elettriche. Il materiale utilizzato dovrà avere delle proprietà ottiche e elettriche specifiche per permettere la conversione fotovoltaica. alle CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO L’energia solare e la conversione fotovoltaica La fisica dei materiali Interazione della luce con la materia I raggi luminosi che incidono in un solido subiscono 3 modifiche ottiche. - La riflessione: la luce non riesce a penetrare nel corpo solido ed è rinviata verso l’esterno. - La trasmissione: La luce attraversa l’oggetto senza subire nessuna trasformazione. I(incidente) = A (assorbita) + T (trasmessa) + R (riflessa) - L’assorbimento: Le luce penetra nell’oggetto e non esce più. L’energia verrà restituita sotto un’altra forma (ad es. calore). Nei moduli fotovoltaici l’obiettivo è di aumentare la quota di luce assorbita, perché è l’unica parte che verrà trasformata in energia elettrica. CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO L’energia solare e la conversione fotovoltaica L’irraggiamento Energia utile e perdite I materiali utilizzati nei moduli FV hanno la proprietà di poter assorbire l’energia solare solamente in una zona limitata dello spettro. UV Visibile Vicino Infrarosso e infrarosso Energia dissipata in calore Energia utile Spettro solare a livello del mare AM=1 Zona utile alla trasformazione FV Energia non assorbita La zona blu rappresenta l’energia solare teoricamente convertibile in energia elettrica. La parte rimanente è dissipata in calore. Gli infrarossi invece non vengono assorbiti. CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO L’energia solare e la conversione fotovoltaica Principio della conversione I fotoni Luce di debole intensità Se la luce non è sufficientemente energetica si verifica un aumento della temperatura dovuta all’eccitazione degli elettroni. Energia termica Si Luce intensa Si I fotoni assorbiti trasferiscono la loro energia agli elettroni periferici che costituiscono la materia. Se la luce è sufficientemente energetica permetterà agli elettroni di liberarsi dell’attrazione del loro nucleo CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO L’energia solare e la conversione fotovoltaica La giunzione Creazione della giunzione Le cellule fotovoltaiche sono realizzate con un semiconduttore, principalmente il silicio. Per poter sfruttare l’effetto fotovoltaico però non è sufficiente un cristallo di silicio puro, ma bisogna creare una giunzione con delle proprietà speciali. Campo elettrico E Mediante il drogaggio del semiconduttore è possibile realizzare due strati distinti, uno positivo e l’altro negativo. Avvicinando i due strati si crea una zona intermedia neutra e il campo elettrico risultante permetterà di allontanare definitivamente l’elettrone, liberato dal fotone, dalla sua lacuna. CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO L’energia solare e la conversione fotovoltaica Il drogaggio Quali elementi servono Si L’atomo di silicio ha nell’orbitale periferico quattro elettroni. Il drogaggio avviene aggiungendo agli atomi di silicio degli atomi estranei. Questi elementi hanno la particolarità di avere nell’orbitale periferico un elettrone in più o in meno del silicio. Il fosforo ha nel suo orbitale periferico cinque elettroni mentre il boro solo tre. P B CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO L’energia solare e la conversione fotovoltaica Il drogaggio Come avviene il drogaggio? Lo strato negativo (n) si ottiene aggiungendo all’interno del cristallo di silicio qualche atomo di fosforo. Con questa procedura si ottiene uno strato di silicio con molti elettroni liberi. Lo strato positivo (p) si ottiene aggiungendo all’interno del cristallo di silicio qualche atomo di boro. Con questa procedura nel cristallo di silicio si ottengono delle lacune libere. CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO L’energia solare e la conversione fotovoltaica Funzionamento della giunzione La circolazione degli elettroni Griglia I Zona n q- E Si Giunzione p+ Zona p R L Le cariche liberate, per essere generatrici di energia, devono poter circolare. Bisogna quindi estrarle dal materiale semiconduttore e fornire loro un circuito elettrico. Quando i fotoni interagiscono con il modulo, si vengono a formare nella giunzione cariche positive e negative. Le cariche poi vengono immediatamente separate dal campo elettrico prima di potersi ricombinare. INTRODUZIONE AL MODULO Pramac Luce MCPH Moduli fotovoltaici con tecnologia Micromorfo Film sottile Introduzione MCPH CdTe CIS I moduli fotovoltaici attualmente sul mercato sono basati sulla tecnologia del silicio amorfo, ma si stanno affacciando sul mercato altri tipi di semiconduttori come il tellururo di cadmio (CdTe), il rame-indio-selenio (CIS), o la combinazione monocristallino - amorfo, ognuno con i suoi vantaggi e svantaggi. I pannelli "a film sottile", sono moduli fotovoltaici che possono essere ben integrati nelle facciate o come coperture di edifici (building integration). Offrono anche il vantaggio di produrre elettricità ad un costo inferiore rispetto alle tradizionali celle al silicio. Quella dei film sottile è la tecnologia più promettente per il futuro. INTRODUZIONE AL MODULO Pramac Luce MCPH Moduli fotovoltaici con tecnologia Micromorfo Film sottile micromorfo Introduzione Per aumentare il rendimento del modulo senza però rinunciare ai vantaggi della cella amorfa, e quindi continuare a ridurre il materiale attivo e i costi di produzione, sono state studiate e sviluppate celle amorfe abbinate alle microcristalline, con spessori molto basse. Se si pone in serie a una giunzione amorfa una giunzione microcristallina, si ottiene una cella micromorfa. Rispetto alle tradizionali celle fotovoltaiche al silicio, il film sottile Micromorph costa meno e, in confronto agli altri moduli in amorfo, è più efficiente: trasforma infatti il 10% dell'energia solare, contro il 6% dei moduli tradizionali. INTRODUZIONE AL MODULO Pramac Luce MCPH Moduli fotovoltaici con tecnologia Micromorfo Film sottile micromorfo La composizione della cella Con la tecnologia micromorfo lo spettro utile è maggiore grazie allo strato cristallino che ha la capacità di assorbire e convertire i fotoni appartenenti alla zona del vicino infrarosso. INTRODUZIONE AL MODULO Pramac Luce MCPH Moduli fotovoltaici con tecnologia Micromorfo Film sottile micromorfo La composizione della cella Nei moduli a film sottile lo strato assorbente pur essendo la zona più importante ha uno spessore assolutamente irrilevante rispetto al modulo stesso. Lo strato di silicio cristallino ha uno spessore di 2-3 mm mentre lo strato di silicio amorfo è dirittura di soli 300 nm, mentre il modulo ha uno spessore totale di 7 mm. 1 mm = 0,001mm = 0,0000001 m 300nm = 0,0003 mm =0,0000003 m INTRODUZIONE AL MODULO Pramac Luce MCPH Moduli fotovoltaici con tecnologia Micromorfo Fabbricazione Cella di un modulo a film sottile L’immagine qui a fianco mostra una porzione di 3 celle collegate in serie mediante gli strati di ossido. La corrente prodotta nella parte attiva (zona nera) può circolare nello strato di ossido inferiore per poi passare in quello superiore. INTRODUZIONE AL MODULO Pramac Luce MCPH Moduli fotovoltaici con tecnologia Micromorfo Introduzione Processo di fabbricazione Il processo di fabbricazione è rappresentato con lo schema a blocchi seguente. Nella prima parte si procede alla deposizione degli strati e dell’incisioni, mentre in seguito vengono creati e testati i contatti. In fine avviene la laminazione e il controllo delle proprietà elettriche. Pramac S.p.A. Loc. Il Piano 53031 Casole d’Elsa (SI) E-mail: [email protected] Web: www.pramac.com PRAMAC S.p.A. 2010 ECOPOWER.PRAMAC.COM
