2. le celle fotovoltaiche

ISTITUTO TECNICO SETTORE TECNOLOGICO
“MARIE CURIE”
PON 2010-2011 – OBBIETTIVO B AZIONE 1
CORSO “ENERGIA IN … FORMAZIONE”
L'EFFETTO FOTOVOLTAICO
E
LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA
PhD ing. Mario S. D. Acampa
L'EFFETTO FOTOVOLTAICO E
LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA
1. LA RADIAZIONE SOLARE
2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
3. SISTEMI FOTOVOLTAICI
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L'EFFETTO FOTOVOLTAICO E LA PRODUZIONE DI ENERGIA
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Il Sole: fonte primaria di energia
È una sfera di gas riscaldati da
reazioni di fusione termonucleare
con una temperatura interna di
circa 15.000.000 °C e superficiale
esterna di circa 6000 °C.
Emette, come tutti i corpi
riscaldati,
una
radiazione
elettromagnetica su uno spettro
continuo 200 nm a 3000 nm ; tale
radiazione elettromagnetica è la
principale fonte di energia che
alimenta i processi vitali sulla
terra.
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L'EFFETTO FOTOVOLTAICO E LA PRODUZIONE DI ENERGIA
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Irraggiamento solare
La potenza del campo elettromagnetico incidente sulla
unita di superficie prende il nome di Irraggiamento solare
(misurato in W/m2).
La costante solare
L’irraggiamento solare all’esterno della atmosfera
terreste viene invece detto costante solare ed ha un
valore medio convenzionale di 1353 W/m2 (in realtà varia
durante l’anno per effetto dell’eccentricità dell’orbita
terrestre e per la variabilità dell’attività solare)
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L'EFFETTO FOTOVOLTAICO E LA PRODUZIONE DI ENERGIA
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Luce diretta, diffusa, assorbita e riflessa
Della radiazione solare incidente
sull’atmosfera terrestre una parte viene
o assorbita o riflessa dalla stessa
atmosfera e dalle nuvole; la radiazione
che
riesce
a proseguire viene
parzialmente diffusa dall’aria e dalle
particelle ivi sospese andando infine ad
incedere, separata in queste due
componenti diretta e diffusa sulla
superficie terrestre o degli oceani che
tuttavia riflettono ancora parte di questa
radiazione.
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L'EFFETTO FOTOVOLTAICO E LA PRODUZIONE DI ENERGIA
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Interazione della radiazione con l’atmosfera
La radiazione solare, nell’attraversare l’atmosfera, interagisce con
questa in funzione della lunghezza d’onda della radiazione stessa,
delle condizioni meteorologiche (pressione) e dello spessore di
atmosfera da attraversare.
Indice massa d’aria AM (Air Mass)
Rappresenta l’influenza che ha l’atmosfera terrestre sulla radiazione
solare in un punto della superficie terrestre e vale:
ϑ
AM=P/P0senϑ
Dove:
P è la pressione atmosferica nel punto ed istante considerati
P0 la pressione di riferimento (bel tempo al livello del mare) pari a
1,013x105 Pa
ϑ è l’angolo di elevazione del sole sull’orizzonte
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L'EFFETTO FOTOVOLTAICO E LA PRODUZIONE DI ENERGIA
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Valori significativi sono:
AM=0 superficie esterna all’atmosfera
AM=1 al livello del mare in una bella giornata
AM = AM0 = 0
Limite sup. dell'atmosfera assorbente
P/P
=
AM
(
sen
)
0
AM = AM1 = 1
Orizzonte locale
~ 10
0 km
Superficie Terrestre
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L'EFFETTO FOTOVOLTAICO E LA PRODUZIONE DI ENERGIA
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Distribuzione spettrale dell’irraggiamento solare
L’irraggiamento solare è distribuito in modo continuo su uno spettro
di lunghezze d’onda che va dall’ultravioletto agli infrarossi. Dalla
figura si può notare come della radiazione extra-atmosferica (in
giallo) arrivi sulla superficie terreste al livello del mare solo una
parte (in rosso) .
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L'EFFETTO FOTOVOLTAICO E LA PRODUZIONE DI ENERGIA
1. LA RADIAZIONE SOLARE
Energia dalla radiazione elettromagnetica
Dalla meccanica quantistica è noto che la radiazione
elettromagnetica ha un comportamento duale: da un lato si
comporta come un’onda, quindi dotata di proprie frequenze,
lunghezze d’onda ed intensità, dall’altro come particelle, dette
fotoni, dotate di una energia pari a
E=hc/λ
E è l’energia del singolo fotone
h è la costante di Planck pari a circa 6,626x10-34 Js
λ è la lunghezza d’onda della onda elettromagnetica associata al
fotone
c è la velocità della luce paria circa 300.000.000 m/s
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L'EFFETTO FOTOVOLTAICO E LA PRODUZIONE DI ENERGIA
1. LA RADIAZIONE SOLARE
È proprio l’energia posseduta dai fotoni
quella che si cerca di catturare ricorrendo
all’effetto fotovoltaico sfruttato nelle
celle fotovoltaiche
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L'EFFETTO FOTOVOLTAICO E LA PRODUZIONE DI ENERGIA
2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Cenni sulla struttura elettronica degli atomi
Ogni atomo possiede ai suoi livelli energetici più esterni una banda
di valenza nella quale si trovano i suoi elettroni più periferici, detti di
valenza, disponibili per l’interazione con altri atomi, che tuttavia
non sono liberi di muoversi liberamente fuori del legame che si
viene a costituire con altri atomi. Affinché si produca un effettivo
spostamento di cariche è necessario che l’elettrone acquisisca una
energia sufficiente a superare il gap di energia per portarsi nella
banda di conduzione
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L'EFFETTO FOTOVOLTAICO E LA PRODUZIONE DI ENERGIA
2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Caratteristiche conduttive dei materiali
Nei materiali isolanti gli elettroni di valenza sono bloccati nella
banda di valenza perché troppo elevato il gap di energia per passare
alla banda di conduzione.
Nei materiali conduttori le bande di valenza e di conduzione sono
sovrapposte e gli elettroni sono liberi di muoversi, e se sottoposti ad
un campo elettrico originano una corrente elettrica.
Nei materiali semiconduttori gli
elettroni di valenza sono bloccati nella
banda di valenza come negli isolanti,
ma in questo caso il gap di energia per
passare nella banda di conduzione è
molto piccolo e pertanto gli elettroni
possono passarvi con facilità.
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L'EFFETTO FOTOVOLTAICO E LA PRODUZIONE DI ENERGIA
2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Effetto fotovoltaico
Nei materiali semiconduttori l’interazione di un elettrone di valenza
con un fotone dotato di energia sufficiente può far passare
l’elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione,
rendendo il semiconduttore un conduttore. Questo fenomeno è
detto effetto fotovoltaico.
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Il silicio
Il
materiale
semiconduttore
per
eccellenza è il silicio, dotato di 14
elettroni di cui 4 di valenza, che si lega ad
altri atomi di silicio formando reticoli
cristallini nei quali ogni atomo stabilisce 4
legami covalenti con altrettanti atomi di
silicio. Trasmettendo una opportuna
energia agli elettroni questi passano
nella banda di conduzione, lasciando un
“buco” detta lacuna che può a sua volta
essere occupata da un altro elettrone; si
realizza quindi oltre ad un movimento di
elettroni anche un movimento apparente
di lacune.
Silicio
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Silicio
2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Il drogaggio negativo (N)
Il silicio puro tuttavia conserva una bassa
conduttività, perché nel passare dalla
banda di valenza alla banda di
conduzione occorre rompere un legame
covalente. Pertanto per aumentare la
conduttività si introducono nel reticolo
cristallino degli atomi con 5 elettroni di
valenza, come il fosforo, in modo che il
quinto elettrone, non potendosi legare a
nessun atomo passa molto più
facilmente nella banda di conduzione,
ottenendo un eccesso di cariche
negative; in questi casi si dice che il silicio
è drogato negativamente (N).
Donatore
Silicio
Fosforo
Elettrone
debolmente legato
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Il drogaggio positivo (P)
Se invece si introducono nel reticolo
cristallino degli atomi con 3 elettroni di
valenza, come il boro, accade che viene a
mancare un elettrone per formare un
legame covalente e si crea una lacuna
che si comporta a tutti gli effetti come
carica positiva, si ottiene quindi un
eccesso di cariche positive; in questi casi
si dice che il silicio è drogato
positivamente (P).
Accettore
Silicio
Boro
Lacuna
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
La giunzione P-N, Il Diodo a giunzione
Se si mettono in contatto un semiconduttore di tipo P ed un
semiconduttore di tipo N avviene che nella zona prossima alla
giunzione gli elettroni in eccesso del semiconduttore N tendono a
diffondersi nella zona P con un accumulo di carica negativa nella
zona P, viceversa le lacune in eccesso del semiconduttore P tendono
a diffondersi nella zona N con un accumulo di carica positiva nella
zona N; questo accumularsi di cariche crea un campo elettrico che si
oppone ad una ulteriore diffusione di elettroni e lacune fino a
raggiungere l’equilibrio. La zona prossima alla giunzione si svuota di
cariche disponibili in eccesso in banda di conduzione , questa viene
detta regione o zona di svuotamento. L’oggetto così creato prende il
nome di diodo a giunzione.
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Boro
Silicio
Boro
Silicio
Boro
Silicio
Boro
Silicio
Silicio
Distanza
Materiale P
La giunzione P-N
Densità
di carica
Giunzione
Silicio
Fosforo
-
Silicio
Materiale N
+
Fosforo
Silicio
Fosforo
Regione di
svuotamento
Silicio
Fosforo
Silicio
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Simbolo e caratteristica tensione-corrente del diodo a giunzione
V
I
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Caratteristica tensione-corrente del diodo
La caratteristica tensione-corrente del diodo (convenzione di segno
dell’utilizzatore) è la seguente
Dove:
I è la corrente che attraversa il Diodo
V è la tensione applicata al Diodo
I0 è la corrente di saturazione del Diodo
q è la carica elettrica dell’elettrone 1,6x10-19 C
k è la costante di Boltzman 1,38x10-23 J/K
T è la temperatura assoluta della giunzione
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Il Diodo polarizzato direttamente
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Il Diodo polarizzato inversamente
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
La cella fotovoltaica e la generazione di energia elettrica
Se la giunzione P-N viene investita da un fascio luminoso succede
che per l’effetto fotovoltaico nella zona circostante la giunzione P-N
si creano delle coppie lacuna-elettrone, le lacune si spostano nellala
zona P e gli elettroni nella zona N, venendosi così a creare una
differenza di potenziale utile a far circolare una corrente una volta
collegato un carico esterno. Anche nelle restanti parti del
semiconduttore si vengono a creare delle coppie lacuna-elettrone,
ma la loro energia non è sufficiente a superare la zona di
svuotamento e pertanto si ricombinano praticamente tutte.
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
La cella fotovoltaica e la generazione di energia elettrica
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Caratteristica tensione-corrente della cella fotovoltaica
La caratteristica tensione-corrente della cella fotovoltaica
(convenzione di segno dell’utilizzatore) è la seguente
Dove:
I è la corrente che attraversa la Cella fotovoltaica
V è la tensione applicata alla Cella fotovoltaica
I0 è la corrente di saturazione della Cella fotovoltaica
Isc è la corrente di cortocircuito della Cella fotovoltaica
q è la carica elettrica dell’elettrone 1,6x10-19 C
k è la costante di Boltzman 1,38x10-23 J/K
T è la temperatura assoluta della cella fotovoltaica
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Caratteristica tensione-corrente della cella fotovoltaica
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
Vm
Quadrante dove la
cella si comporta da
generatore di energia
elettrica
Voc
V
Punto di Massima Potenza
Isc
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Parametri caratteristici della cella fotovoltaica
Corrente di cortocircuito
La corrente di cortocircuito Isc aumenta con l’area della giunzione PN, valori tipici per il silicio cristallino sono compresi nell’intervallo
30÷35 mA/cm2.
Tensione a vuoto
Altro parametro è la tensione a vuoto Voc, si ottiene ponendo I=0
nella caratteristica della cella fotovoltaica e vale
La tensione a vuoto dipende essenzialmente dal tipo di
semiconduttore e per il silicio vale circa 0,5÷0,6 V
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Chiudendo la cella su di una resistenza R il punto di funzionamento si
ottiene intersecando la caratteristica della cella con quella della
resistenza V = RI, variando il cui valore varia il punto di
funzionamento, quando il punto di funzionamento è (Vm,Im) si ha che
la cella eroga la massima potenza possibile. La caratteristica della
cella per correnti inferiori a Im è prossima a quella di un generatore
ideale di corrente che mantiene costante la corrente al variare della
tensione.
Fill factor (fattore di riempimento)
È pari al rapporto
FF= VmIm/ VocIsc
tanto più è elevato il FF tanto più è “squadrata” la caratteristica della
cella, avvicinandosi alla caratteristica ideale; è quindi un indice della
qualità della cella, per le celle in commercio vale 0,70÷0,85.
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Caratteristica tensione-corrente e di potenza della cella fotovoltaica
(convenzione di segno del generatore)
I [A]
Isc Caratteristica I-V
Im
P [W]
V = R⋅ I
Punto di massima
potenza Pm= Vm⋅ Im
Andamento della
potenza P = V⋅ I
Vm
Voc
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Efficienza della cella fotovoltaica
Il rapporto tra la
potenza
elettrica
massima che eroga
la cella e la potenza
che riceve dal sole è
l’efficienza
di
conversione
della
cella η. Valori tipici
vanno dal 5% al
20%.
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Efficienza della cella fotovoltaica
Principali fenomeni che limitano l’efficienza della cella:
• fotoni con energia eccessiva rispetto a quella necessaria a produrre
la coppia elettrone-lacuna, l’energia in eccesso si trasforma in
calore
• fotoni con energia insufficiente rispetto a quella necessaria a
produrre la coppia elettrone-lacuna, l’energia si trasforma in calore
• Fenomeni di ricombinazione nella cella delle coppie elettrone
lacuna
• Riflessione sulla superficie incidente
• Presenza della griglia conduttiva superiore che scherma parte della
cella
• Perdite sulla resistenza interna della cella e nei contatti elettrici.
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Efficienza dell’effetto fotovoltaico
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 1150
nm.
Pertanto solo parte dello
spettro solare innescherà
l’effetto fotovoltaico (area
ombreggiata in figura). Solo
circa il 44% dell’energia si
trasforma in elettricità il
resto si dissipa in calore.
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Circuito equivalente di una cella fotovoltaica
Tutte le perdite possono essere tenute in conto introducendo nel
circuito equivalente della cella una resistenza in parallelo Rp che
tiene conto della diminuzione della corrente prodotta dalla cella e
da una resistenza in serie Rs che tiene conto della diminuzione della
tensione prodotta dalla cella.
La presenza di queste
Rs
resistenze
allontana
ulteriormente
la
Rp
caratteristica da quella
ideale con conseguente
diminuzione del fill factor.
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Variazione della caratteristica col variare dell’irraggiamento
Al aumentare dell’irraggiamento solare, aumenta anche il numero di
fotoni che colpisce la giunzione P-N e pertanto aumenta la corrente
Isc dalla cella, senza che vari apprezzabilmente la tensione Voc.
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
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22.0
V [V]
2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Variazione della caratteristica col variare della temperatura
All’aumentare della temperatura, diminuisce la tensione Voc e
pertanto varia la corrente erogata dalla cella, senza che vari
apprezzabilmente la corrente Isc.
1.00
0.75
0.50
0.25
0.00
0.00
CORRENTE DI
CORTOCIRCUIT
O ICC (V=0)
TENSIONE A
VUOTO – V0
(I=0)
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
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V [V]
2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
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)
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Celle al silicio monocristallino
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÷20 cm e lunghezza di
circa 200 cm;
Taglio. Il lingotto viene “affettato” con
particolari seghe in wafers con spessore
di 250÷350 µm (spinto sfruttamento del
lingotto contro un’estrema fragilità dei
wafers)
Efficienza η = 16÷19
% TECNICO SETTORE TECNOLOGICO “MARIE CURIE”
ISTITUTO
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Celle al silicio policristallino
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)
Efficienza η = 13÷17 %
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2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Celle al film sottile (silicio amorfo, CdTe, CuIS,…)
Forma. Il semiconduttore, sotto forma di gas, è depositato in strati
dell’ordine di 10 µm su qualsiasi superficie (tecnica dei film
sottili);
Maggiore variabilità delle prestazioni elettriche con irraggiamento
e temperatura.
Costi contenuti (rispetto al silicio policristallino)
Efficienza η = 5÷12 %
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PON 2010-2011 – OBBIETTIVO B AZIONE 1 - CORSO “ENERGIA IN … FORMAZIONE”
L'EFFETTO FOTOVOLTAICO E LA PRODUZIONE DI ENERGIA
2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
Celle multigiunzione
Tecnica della giunzione multipla. Con il drogaggio differente di vari
strati di semiconduttore collegati in serie si ottengono celle con
diverse sensibilità allo spettro solare. Il risultato si traduce in un
maggior rendimento e resa energetica;
Efficienza η > 20 %
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3. SISTEMI FOTOVOLTAICI
Modulo fotovoltaico
È un insieme di più celle fotovoltaiche collegate elettricamente in
blocchi di serie e parallelo ed assemblate in un unico
contenitore. Ciò perché una singola cella non ha caratteristiche
sufficienti a soddisfare gli impieghi più comuni. La tensione di
più celle collegate in serie è pari alla somma delle tensioni della
cella, la corrente di più celle collegate in parallelo è pari alla
somma delle correnti delle singole celle.
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3. SISTEMI FOTOVOLTAICI
Diodi di bypass
Necessari ad evitare che l’effetto mismatch (non perfetta
uguaglianza fra le caratteristiche delle celle)
o gli
ombreggiamenti provochino potenziali danni alle celle
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3. SISTEMI FOTOVOLTAICI
Struttura di un modulo fotovoltaico
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3. SISTEMI FOTOVOLTAICI
Struttura di un campo fotovoltaico
Schema elettrico e diodi di blocco
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3. SISTEMI FOTOVOLTAICI
Convertitori (regolatori di carica, inverter, …)
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