I SISTEMI FOTOVOLTAICI
1
2
3
LA RADIAZIONE SOLARE
• Strumenti per la progettazione
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
• L’effetto fotovoltaico
• Celle e moduli
• Il generatore fotovoltaico
• Il BOS
APPLICAZIONI
• Sistemi isolati
• Sistemi connessi in rete
pag. 1
1
LA RADIAZIONE SOLARE
Radiazione Solare → l’energia elettromagnetica emessa dai
processi di fusione dell’idrogeno contenuto nel sole.
Densità di Potenza → radiazione solare per unità di tempo e
di superficie.
• Fuori l’atmosfera terrestre la potenza incidente su di
una superficie unitaria, perpendicolare ai raggi solari,
assume un valore di circa 1360W/m² (variabilità del ±3%
dovuta all’ellitticità dell’orbita terrestre), questo valore
prende il nome di Costante Solare
• Sulla superficie terrestre, a livello del mare, in
condizioni meteorologiche ottimali e sole a mezzogiorno,
la densità di potenza è di circa 1000W/m²
pag. 2
1
LA RADIAZIONE SOLARE
Per quantificare la diversa entità della radiazione, in funzione
della posizione del sole, si fa spesso riferimento al
concetto di:
Air Mass ‘AM’ → Rapporto tra la lunghezza del percorso
effettivo dei raggi solari e la lunghezza del loro percorso
più breve → AM = 1 / sin(h) dove h è l’angolo di zenit;
Air Mass One ‘AM1’ → condizione di AM in condizioni di
atmosfera standard, valutato sulla superficie terrestre e
misurato al livello del mare;
Air Mass Zero ‘AM0’ → condizione di AM fuori l’atmosfera.
pag. 3
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Costante solare → 1360 W/m2
1400
RADIAZIONE EXTRA ATMOSFERICA - [W/m2]
1380
1360
1340
1320
1300
Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set
Ott
Nov Dic
pag. 4
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Air Mass → AM = 1/sin(h)
AM = AM0 = 0
AM = AM1 = 1
~ 10
0 km
Limite sup. dell'atmosfera assorbente
h)
(
n
/ se
1
=
Angolo di zenit
AM
h
Orizzonte locale
Superficie Terrestre
pag. 5
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Spettro della radiazione solare
DENSITA' SPETTRALE DI POTENZA
[W /m ²]
1800
1350 W /m ² (AM 0)
1200
1000 W /m ² (AM 1)
800
RADIAZIO NE VISIBILE DALL'O CCHIO UM ANO
400
LUNG HEZZA D'O NDA
0
0,3
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5 [µm ]
pag. 6
1
LA RADIAZIONE SOLARE
La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre si
distingue in:
(1)
diretta
(2)
diffusa
(3)
riflessa
Le proporzioni di radiazione (1), (2) e (3) ricevuta da una
superficie dipendono da:
(a)
condizioni meteorologiche
(b)
inclinazione della superficie
(c)
presenza di superfici riflettenti
pag. 7
1
LA RADIAZIONE SOLARE
L’intensità della radiazione solare incidente su una superficie
al suolo è influenzata dall’angolo di inclinazione della
radiazione stessa: → più piccolo è l’angolo che i raggi del
sole formano con una superficie orizzontale → maggiore
è lo spessore di atmosfera che essi devono attraversare
pag. 8
1
LA RADIAZIONE SOLARE
Greenwich
Giugno
Latitudine φ
Declinazione δ
Longitudine
Settembre / Marzo
Dicembre
Equatore
pag. 9
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Confronto fra la radiazione solare giornaliera media incidente su
superfici con differenti angoli di inclinazione β ed orientate a Sud
(azimut γ=0). Località con latitudine φ=40° Nord e cielo sereno
[MJ/m2/giorno]
20
β = 30°
15
β = 60°
10
5
β = 30°
Orizzontale
0 Gen Feb
Verticale
Mar Apr Mag Giu
Lug Ago Set
Ott
Nov
Dic
pag. 10
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Andamento della radiazione solare giornaliera media annua
al variare dell’inclinazione della superficie captante,
orientata a Sud. Località con latitudine φ=43,68° Nord
[Wh/m2]
4300
4200
4100
4000
3900
max
3800
0
10
20
30
40
50
[gradi]
pag. 11
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Profilo dei percorsi solari e della linea d’orizzonte
Latitudine φ = 41°38’ – Longitudine 14°20’
22
22
20
20
21
19
22
giugno
mag. – 23 lug.
apr. – 23 ago.
mar. – 23 sett.
feb. – 23 ott.
gen. – 22 nov.
dicembre
Declinazione [gradi]
(1):
(2):
(3):
(4):
(5):
(6):
(7):
Azimut γ [gradi]
pag. 12
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Dati della Radiazione Solare
La radiazione solare su una superficie inclinata può essere
determinata mediante:
• Mappe isoradiative (generalmente non permettono di
distinguere le componenti della radiazione diretta e
diffusa) pubblicate da vari organismi
• Valori tabellati per ciascuna località (Servizio
Meteorologico Nazionale)
• Metodi di calcolo sperimentali (Norme UNI 10349 –
UNI 8477, metodo di Liu e Jordan, ecc.)
pag. 13
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Angoli di inclinaz. β e di orientaz. γ di una superficie
β
γ
Sud
pag. 14
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Metodo di calcolo sperimentale dell’irraggiamento su una
superficie orizzontale (Norma UNI 10349)
(1)
Noti, per le principali città, i valori della irradiazione giornaliera
media mensile [MJ/m²], sul piano orizzontale, nelle componenti
diretta e diffusa → si risale al valore dell’irradiazione per un
generico sito:
• Si identificano due località di riferimento
• Si calcola il valore dell’irradiazione come media ponderale dei
valori delle due località di riferimento pesate rispetto alla
latitudine, secondo la relazione:
Hr 2 − Hr1
H = Hr1 +
⋅ (ϕ − ϕr1)
ϕr 2 − ϕr1
H / Hr 1 / Hr 2
con:
ϕ / ϕr 1 / ϕr 1
Irradiazione e latitudine
rispettivamente di calcolo e
delle località di riferimento
pag. 15
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Metodo di calcolo sperimentale dell’irraggiamento su una superficie
comunque inclinata ed orientata (UNI 8477)
(2) Definita una superficie con una sua inclinazione β ed
orientazione γ, l’irraggiamento giornaliero medio H, su base
mensile, viene espresso in rapporto R al valore corrispondente
medio Hh sul piano orizzontale:
H = R ⋅ Hh = R ⋅ KT ⋅ Hh0
con:
Essendo Hh0 il valore medio mensile dell’irraggiamento
solare orizzontale extratmosferico - valore tabellato
⎛ Hd ⎞
Hd 1 + cosβ
1 − cosβ
R = ⎜⎜1 − ⎟⎟ ⋅ Rb ⋅ ⋅
+ρ⋅
2
2
Hh
⎝ Hh ⎠
Rb
Valore medio mensile del rapporto tra l’irraggiamento diretto
sulla superficie e quello sull’orizzontale
pag. 16
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Metodo di calcolo sperimentale dell’irraggiamento su una superficie
comunque inclinata ed orientata (UNI 8477)
con:
Hd
Irraggiamento solare diffuso [MJ/m²] o [kWh/ m²]
Hh
Irraggiamento solare globale orizzontale [MJ/m²] o [kWh/ m²]
valore tabellato
Frazione diffusa del soleggiamento
Hd
Hh
ρ
Riflettanza dell’ambiente circostante ∈ [0,04 - 0,75]
(relativamente a strade sterrate e neve fresca con film
di ghiaccio) – valore tabellato
In mancanza di dati climatici diretti il rapporto Hd/Hh è calcolato
facendo uso della correlazione con il coefficiente KT
Hh
KT =
Hh0
Indice di soleggiamento reale
pag. 17
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Metodo di calcolo sperimentale dell’irraggiamento su una superficie
comunque inclinata ed orientata (UNI 8477) - Calcolo di Rb
Il coefficiente Rb si ricava a partire dai valori di Hb e Hbh che
rappresentano rispettivamente il valore dell’irraggiamento solare
diretto con e senza ostruzioni:
Hb
Rb =
Hbh
Indice di soleggiamento reale
π
⎡
⎤
Hb = G0 ⋅ ⎢T ⋅
⋅ (ω' '−ω') + U ⋅ (senω' '−senω') − V ⋅ (cos ω' '− cos ω')⎥
⎣ 180
⎦
T = senδ ⋅ (senϕ ⋅ cosβ − cosϕ ⋅ senβ ⋅ cos γ )
con:
U = cos δ ⋅ (cosϕ ⋅ cosβ − senϕ ⋅ senβ ⋅ cos γ )
V = cos δ ⋅ (senβ ⋅ senγ )
pag. 18
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Metodo di calcolo sperimentale dell’irraggiamento su una superficie
comunque inclinata ed orientata (UNI 8477) - Calcolo di Rb
δ
G0
con:
Declinazione media mensile – angolo che la retta tracciata
dal centro della terra al sole forma con il piano equatoriale –
valori medi tabellati in funzione della latitudine
Costante solare – radianza su una superficie extratmosferica
perpendicolare ai raggi solari - pari a 1353 W/m2
π
⎡
⎤
Hbh = 2 ⋅ G0 ⋅ ⎢Th ⋅
⋅ ωs + Uh ⋅ senωs ⎥
⎣ 180
⎦
Th = senδ ⋅ senϕ
Uh = cos δ ⋅ cosϕ Coefficienti T, U e V valutati sul piano
Vh = 0
orizzontale (β = 0)
pag. 19
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Metodo di calcolo sperimentale dell’irraggiamento su una superficie
comunque inclinata ed orientata (UNI 8477) - Calcolo di Rb
ω
con:
ω' ω' '
ωs
Angolo orario (tiene conto della rotazione della terra attorno
al proprio asse), il suo valore (ω∈[0° 360°]) può essere
ricavato dall’espressione ω=15⋅(ts−12) dove ts, compresa
tra 0 e 24, è l’ora legale;
Angoli orari ω’ e ω’’ rispettivamente dell’apparire e dello
scomparire del sole per la superficie esposta; essi
dipendono dalla giacitura della superficie e da eventuali
ostruzioni;
Per un piano orizzontale, in assenza di ostruzioni, gli angoli
orari ω’ e ω’’ coincidono rispettivamente con -ωs e ωs
(angolo orario del sorgere e del tramonto astronomico).
pag. 20
1. LA RADIAZIONE SOLARE
ESEMPIO 1
Calcolo dell’energia solare annua, su base media mensile, captata da
una superficie s=10m2 caratterizzata da:
•
Inclinazione β=50°
•
Azimut γ=10°
•
Assenza di fenomeni di ombreggiamento (ω’=-ωs e ω’’=ωs)
•
Riflettanza ρ=0,20
Posta in una località priva di ombreggiamenti di Cassino (lat. ϕ=41°38’)
12
Energia solare annua =
∑
(Irraggiamento medio mensile)· sup.
1
pag. 21
1. LA RADIAZIONE SOLARE
ESEMPIO 1
Eanno =
∑(R
12
mese=1
R mese
)
o
⋅
H
⋅
n
h
mese
mese
giornimese ⋅ s
?
ρmese ≅ ρ
⎛ Hdmese ⎞
Hdmese 1+ cosβ
1− cosβ
⎟
⎜
⋅ Rbmese ⋅
⋅
+ ρmese ⋅
= ⎜1 −
⎟
2
2
Hhmese
⎝ Hhmese ⎠
Hdmese
Hhmese
Rapporto riportato nel Prospetto II della norma UNI
8477 in funzione dell’indice di soleggiamento → KT
Rbmese
Hbmese
=
= 1 Valore unitario in quanto abbiamo ipotizzato
l’assenza di fenomeni di ombreggiamento
Hbhmese
mese
?
pag. 22
1. LA RADIAZIONE SOLARE
ESEMPIO 1
Calcolo dell’irraggiamento globale orizzontale giornaliero medio mensile
[kWh/(m2· giorno)]:
Hh
mese
Dall’appendice B della UNI 8477 si evincono i valori di Hh relativi a diverse
località italiane. E’ possibile valutare l’irraggiamento giornaliero medio
mensile per la latitudine in esame (Cassino 41°38’) interpolando i valori di
due stazioni meteorologiche prossime alla lat. 41°38’
Località
Latitudine
Roma Ciampino
Foggia Amendola
Cassino
41°48'
41°32'
41°38'
Gennaio
1,78
1,75
1,76
Febbraio
2,45
2,63
2,56
Marzo
3,72
3,79
3,76
Aprile
5,2
5,34
5,29
Maggio
6,64
6,39
6,48
Mesi
Giugno
Luglio
7,24
7,41
6,85
7,24
7,00
7,30
Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre
6,44
4,87
3,27
1,94
1,47
6,41
4,86
3,35
2,06
1,5
6,42
4,86
3,32
2,02
1,49
pag. 23
1. LA RADIAZIONE SOLARE
ESEMPIO 1
Calcolo dell’indice di soleggiamento reale KT:
K Tmese
Hhmese
=
Hh0mese
Calcolati, per ciascun mese, i valori dell’irraggiamento Hh giornaliero medio
mensile e noti dal Prospetto I i valori medi mensili dell’irraggiamento solare
orizzontale extr'atmosferico Hh0 per le latitudini 41° e 42°, si ottengono per
interpolazione i valori di Hh0 [kWh/(m2· giorno)] per la latitudine 41°38’
Latitudine
42°
41°
41°38'
Gennaio
3,84
4,01
3,95
Febbraio
5,33
5,49
5,43
Marzo
7,29
7,42
7,37
Aprile
9,37
9,44
9,41
Maggio
10,87
10,89
10,88
Mesi
Giugno
Luglio
11,49
11,16
11,48
11,17
11,48
11,17
Agosto
9,93
9,99
9,97
Settembre Ottobre Novembre Dicembre
8,03
5,9
4,19
3,44
8,14
6,05
4,35
3,61
8,10
5,99
4,29
3,55
Calcolato l’indice KT, dal Prospetto II si evince il valore di Hdmese/ Hhmese :
KT
Hd/Hh
Gennaio Febbraio
0,45
0,47
0,44
0,42
Marzo
0,51
Aprile
0,56
Maggio
0,60
0,39
0,34
0,3
Mesi
Giugno
Luglio
0,61
0,65
0,29
0,25
Agosto
0,64
0,26
Settembre Ottobre Novembre Dicembre
0,60
0,55
0,47
0,42
0,3
0,35
0,42
0,47
pag. 24
1. LA RADIAZIONE SOLARE
ESEMPIO 1
Eanno =
∑(R
12
mese=1
R mese
[
)
o
⋅
H
⋅
n
h
mese
mese
giornimese ⋅ s
⎛ Hdmese ⎞
Hdmese 1+ cosβ
1− cosβ
⎟
⎜
⋅ Rbmese ⋅
⋅
+ ρmese ⋅
= ⎜1 −
⎟
2
2
Hhmese
⎝ Hhmese ⎠
]
Eanno = R gen ⋅ Hhgen ⋅ 31+ R feb ⋅ Hhfeb ⋅ 28 + ⋅ ⋅ ⋅ + Rnov ⋅ Hhnov ⋅ 30 + R dic ⋅ Hhdic ⋅ 31 ⋅ s
pag. 25
LA RADIAZIONE SOLARE
pag. 26
LA RADIAZIONE SOLARE
pag. 27
LA RADIAZIONE SOLARE
pag. 28
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La Conversione Fotovoltaica
La conversione diretta dell’energia solare in energia
elettrica, utilizza il fenomeno fisico dell’interazione
della radiazione luminosa con gli elettroni di
valenza nei materiali semiconduttori, denominato
Effetto Fotovoltaico
Caratteristiche elettriche
di un semiconduttore
pag. 29
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La Conversione Fotovoltaica
Silicio
L’atomo di silicio possiede 14
elettroni di cui 4 di valenza; in un
cristallo di silicio puro ciascun atomo
è legato in modo covalente con altri
quattro atomi: ogni elettrone di
valenza si lega con un elettrone di
valenza di un altro atomo.
Silicio
Il passaggio dalla banda di valenza a quella di conduzione
avviene trasmettendo all’elettrone una opportuna quantità di
energia. In tale passaggio l’elettrone si lascia dietro una
buca detta ‘lacuna’ che può venire occupata da un altro
elettrone. Il movimento degli elettroni comporta così anche
quello delle lacune.
pag. 30
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La Conversione Fotovoltaica
Donatore
Silicio
Fosforo
Elettrone
debolmente legato
pag. 31
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La Conversione Fotovoltaica
Accettore
Silicio
Boro
Lacuna
pag. 32
Boro
Silicio
Boro
Silicio
Boro
Silicio
Boro
Silicio
Silicio
Distanza
Materiale P
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Densità
di carica
Giunzione
Silicio
Fosforo
-
Silicio
Materiale N
+
Fosforo
Silicio
Fosforo
Regione di
svuotamento
Silicio
Fosforo
Silicio
pag. 33
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La conversione dell’energia solare in energia elettrica avviene
sfruttando l’effetto indotto da un flusso luminoso che
incide su un materiale semiconduttore ‘drogato’
Ogni fotone dotato di energia sufficiente, sulla base della
relazione E = h⋅ λ, con h costante di Plank ed λ
lunghezza d’onda della radiazione, è in grado di liberare
all’interno della giunzione P-N una coppia elettrone –
lacuna.
Utilizzando come semiconduttore il silicio, l’energia minima
necessaria a liberare una coppia elettrone – lacuna
corrisponde ad una lunghezza d’onda massima della
radiazione luminosa di 1.15μm.
pag. 34
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
DENSITA' SPETTRALE DI POTENZA
[W/m²]
Frazione dello spettro della radiazione
solare potenzialmente convertibile in energia
elettrica per un semiconduttore al silicio
75%
1800
1350 W/m² (AM0)
1200
Tuttavia al diminuire della
lunghezza d’onda, ai fotoni risulta
associata un energia sempre
maggiore ed in eccesso rispetto a
quella richiesta per liberare la
coppia elettrone - lacuna
1000 W/m² (AM1)
800
Radiazione con contenuto
energetico sufficiente a liberare
una coppia elettrone - lacuna
400
La percentuale di energia solare
che teoricamente possibile
convertire in energia elettrica non
supera il
44%
La rimanente parte, pari al
LUNGHEZZA D'ONDA
56%, è trasformato in calore
0
0,3
0,5
1,0
1.15 1,5
2,0
2,5 [µm]
pag. 35
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La Conversione Fotovoltaica
I principali semiconduttori utilizzati sono:
• Silicio (Si)
• Germanio (Ge)
• Arseniuro di Gallio (GaAs)
• Solfuro di Cadmio (CdS)
• Solfuro di Rame (Cu2S)
• Celle a giunzione multipla (Tandem)
pag. 36
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Circuito equivalente di una cella fotovoltaica
Il rendimento delle celle fotovoltaiche in silicio, anche nelle prove di
laboratorio è molto distante dal 44%, in quanto intervengono ulteriori
inefficienze:
1. Non tutti i fotoni incidenti sulla cella
fotovoltaica penetrano all’interno, alcuni
sono riflessi ed altri intercettati
dall’elettrodo frontale (resistenza Rs)
2. Alcune coppie elett.–lacuna si ricombinano
prima che queste possano essere
separate dal campo elettrico interno alla
giunzione (grado di purezza del Si)
3. Parte dell’energia potenziale ceduta alla
cella, risulta insufficiente per liberare la
coppia elettrone–lacuna (diodo)
IL
ID
RS
IC
RC
pag. 37
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Caratteristica Tensione – Corrente di una Cella Solare
I
Quadrante dove la cella si
comporta da semplice
diodo in conduzione diretta
Caratteristica alla luce
Caratteristica al buio
Quadrante dove
la cella passa in
conduzione
inversa
Im
Quadrante dove la
cella si comporta da
generatore di energia
elettrica
Vm
V
Punto di Massima Potenza
pag. 38
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Caratteristica Elettrica (I-V) in funzione della Temperatura
1.00
0.75
I [A]
CORRENTE DI
CORTOCIRCUITO
ICC (V=0)
0.50
0.25
TENSIONE A
VUOTO – V0 (I=0)
0.00
0.00
0.20
-40°C
-20°C
0°C
20°C
40°C
60°C
0.53 0.57 0.60 0.64 0.68 0.72
V [V]
pag. 39
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Caratteristica Elettrica (I-V) in funzione della Radiazione Solare
I [A]
3.5
1000 W/m2
900 W/m2
800 W/m2
700 W/m2
600 W/m2
500 W/m2
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
Caratteristica I-V di un modulo
commerciale da 50Wp a 40°
0.5
0.0
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
18.0
20.0
22.0
V [V]
pag. 40
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Caratteristica I-V di una Cella Solare ed andamento della Potenza
I [A]
P [W]
Caratteristica I-V
1.00
0.40
Im
Punto di massima
potenza Pm= Vm⋅ Im
0.75
0.30
0.50
0.20
0.25
0.10
Andamento della
potenza P= V⋅ I
0.00
0.00
0.00
0.20
0.40
Vm
0.60
V [V]
pag. 41
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Tipologie di celle fotovoltaiche
La maggior parte delle celle fotovoltaiche attualmente in
commercio è costituita da semiconduttori in silicio per i
seguenti motivi:
• Disponibilità pressoché illimitata (risorse del pianeta)
• • Largo utilizzo nell’industria elettronica (processi
tecnologici di raffinazione, lavorazione e drogaggio ben
affinati)
• • • Possibilità di riciclare gli scarti dell’industria elettronica
in quanto l’industria fotovoltaica tollera concentrazioni
di impurità tipicamente di 10-5÷10-6 (contro i valori di
10-8 ÷ 10-9 relativi all’industria elettronica)
pag. 42
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Tipologie di celle fotovoltaiche
Celle al silicio monocristallino
•
••
η ≈ 13.5%
Gemmazione e crescita cristallina - Il silicio a cristallo
singolo è ottenuto da un processo detto melting a partire
da cristalli di silicio di elevata purezza che, una volta fusi,
vengono fatti solidificare a contatto con un seme di
cristallo. Il silicio solidifica nella forma di un lingotto
cilindrico costituito da un unico cristallo del diametro di 13
÷20cm e lunghezza di circa 200cm;
Taglio – Il lingotto viene “affettato” con particolari seghe in
wafers con spessore di 250 ÷350μm (spinto sfruttamento
del lingotto contro un’estrema fragilità dei wafers)
pag. 43
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Tipologie di celle fotovoltaiche
Celle al silicio policristallino
•
••
η ≈ 9.0%
Forma - Il silicio policristallino è caratterizzato dalla presenza di più cristalli
aggregati fra di loro con forme, dimensioni ed orientamenti differenti;
Costi contenuti – (rispetto al silicio monocristallino)
Celle al silicio amorfo
η ≈ 6.0%
•
Forma – Il semiconduttore, sotto forma di gas, è depositato in strati
dell’ordine di 10μm su qualsiasi superficie (tecnica dei film sottili);
••
Instabilità delle prestazioni elettriche – ?
• • • Tecnica della giunzione multipla – Con il drogaggio differente di vari strati di
silicio collegati in serie si ottengono celle con diverse sensibilità allo spettro
solare. Il risultato si traduce in un maggior rendimento e resa energetica;
• • • • Costi contenuti – (rispetto al silicio policristallino)
pag. 44
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Tipologie di celle fotovoltaiche
La connessione elettrica tra le celle fotovoltaiche è ottenuta per
mezzo di due contatti metallici, uno sulla faccia esposta e
l’altro su quella opposta, normalmente ottenuti per
evaporazione sotto vuoto di metalli a bassissima resistenza
elettrica ed effettuando successivi trattamenti termici al fine
di assicurarne la necessaria aderenza alla superficie della
cella. Mentre la metallizzazione posteriore copre tutta la
faccia, quella frontale esposta alla luce deve avere una
configurazione geometrica tale da consentire un buon
compromesso tra trasparenza alla radiazione incidente e
massima raccolta degli elettroni liberi nel processo di
conversione
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I Sistemi Fotovoltaici
Il sistema fotovoltaico è un insieme di componenti
meccanici, elettrici ed elettronici che concorrono a
captare e trasformare l’energia solare disponibile,
rendendola utilizzabile dall’utenza in energia
elettrica.
La struttura di un sistema fotovoltaico può essere molto
varia; nella sua forma più generale può essere
schematizzato col seguente schema a blocchi:
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
CAMPO FOTOVOLTAICO
(MODULI)
CONVOGLIAMENTO IN
SERIE E PARALLELO TRA
LE CONNESSIONI DEI
MODULI
CONVERSIONE C.C./C.A.
GENERATORE DI
SOCCORSO
QUADRO ELETTRICO DI
DISTRIBUZIONE
CARICO (RETE - UTENTI)
SISTEMA DI
ORIENTAMENTO
BATTERIA
REGOLAZIONE DI
CARICA / SCARICA
BATTERIA
QUADRO
ELETT. C.C.
SERVIZI AUSILIARI
INTERNI
CARICO IN
C.C.
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I Sistemi Fotovoltaici
Dal punto di vista delle strutture di sostegno dei moduli, si parla di:
•
••
Sistemi ad inclinazione fissa - (struttura portante fissa)
Sistemi ad inseguimento attivi - single/double axis tracking systems
(caratterizzati da motori passo e elettronica di controllo)
• • • Sistemi ad inseguimento passivi – (principio di funzionamento basato
sulla differenza di pressione che si forma in due cilindri, contenenti
ciascuno particolari sostanze es. freon e olio)
Dal punto di vista elettrico si dividono in:
•
••
Sistemi isolati o “stand alone”
Sistemi connessi in rete “grid connected”
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I Sistemi Fotovoltaici – Schemi a blocchi
•
Sistema di Pompaggio
CAMPO FOTOVOLTAICO
••
INVERTER
Azionamento a
frequenza variabile
POMPA
Utenza Isolata
CAMPO
FOTOVOLTAICO
REGOLATORE
DI CARICA
BATTERIA
INVERTER
CARICO IN C.A.
CARICO IN C.C.
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I Sistemi Fotovoltaici – Schemi a blocchi
•••
Sistema Ibrido Isolato (fotovoltaico – eolico – diesel)
CAMPO
FOTOVOLTAICO
GENERATORE
EOLICO
DIESEL
REGOLATORE
DI CARICA
BATTERIA
INVERTER
CARICO IN C.A.
CARICO IN C.C.
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I Sistemi Fotovoltaici – Schemi a blocchi
• • • • Impianto Collegato alla Rete
RETE
CAMPO
FOTOVOLTAICO
INVERTER
QUADRO ELETTRICO
DI INTERFACCIA
UTENZA
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Il Campo Fotovoltaico
Il campo fotovoltaico è un insieme di moduli fotovoltaici
opportunamente collegati in serie e in parallelo in per
realizzare le condizioni operative desiderate
MODULO
CELLA
MODULO
PANNELLO
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Il Campo Fotovoltaico
PANNELLO
STRINGA
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Il Campo Fotovoltaico
CAMPO
STRINGA
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Il Campo Fotovoltaico
Nella fase di progettazione di un campo fotovoltaico devono essere
effettuate alcune scelte che ne condizionano il funzionamento:
•
Configurazione serie-parallelo dei moduli del campo (effetto di
mismatch dovuto alla disomogeneità delle loro caratteristiche
elettriche es.: → in una serie di moduli la corrente è limitata dal
modulo che eroga la corrente più bassa; → in un parallelo la
tensione è limitata dal modulo che eroga la tensione più bassa)
• • Scelta della tensione di esercizio
• • • Scelta della strutture di sostegno
• • • • Distanza minima tra le file dei pannelli per non avere
ombreggiamento
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Il Campo Fotovoltaico
COMBINAZIONE DI SERIE E DI PARALLELI
+
-
PARALLELI DI SERIE
+
-
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
DIODO DI STRINGA
Il Campo Fotovoltaico
+
-
PARALLELI DI SERIE
DIODO DI LATO
+
-
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