Sistemi e Componenti per la Conversione dell’Energia da Fonti Rinnovabili ing. Vincenzo Mulone Dipartimento di Ingegneria Meccanica telefono (06 7259 7170) [email protected] Solare Fotovoltaico Impianti fotovoltaici: Cenni Storici • 1839: Becquerel scopre l’effetto fotoelettrico – I semiconduttori sono stati scoperti 100 anni dopo, la tecnologia non era dunque adatta per sfruttare l’effetto al meglio • I laboratori Bell hanno prodotto la prima cella fotovoltaica nel 1954, con efficienza del 5% per applicazioni spaziali • Oggi le celle fotovoltaiche hanno raggiunto efficienza del 25% (risultati di laboratorio), ed i costi sono stati abbattuti, anche se ancora sono decisamente maggiori rispetto alle soluzioni tradizionali L’effetto fotoelettrico • Il fotone è una particella neutra che ha energia dipendente dalla frequenza, e che ha massa a riposo nulla • La luce attraverso i fotoni può fornire energia per spostare gli elettroni attraverso gli orbitali – E (lambda=1.1 micron)=E_gap(Si) (valore tipico)=1.12 eV – visibile tra i 380 nm (violetto) e i 760 nm (rosso) • L’energia di ionizzazione consente di separare completamente l’elettrone dal nucleo (external photo-electric effect) • Nel caso dell’H2 il fotone deve avere lunghezza d’onda più bassa di 90 nm (X-ray) • Nel caso delle celle fotovoltaiche, i fotoni appartengono al visibile, ultravioletto ed infrarosso (energia più ridotta rispetto a X-ray): si parla in questo caso di internal photo-electric effect Livelli energetici e semiconduttori • Nei singoli atomi gli elettroni assumono livelli di energia ben determinati, mentre nel caso dei solidi si parla di energy bands – i livelli energetici si confondono • La banda più elevata occupata dagli elettroni si chiama valence band, quella successiva si chiama conduction band; lo spazio compreso si chiama forbidden band; il gap tra le due bande si chiama band gap (E_g) • I solidi possono essere conduttori, semiconduttori o isolanti: nei metalli gli elettroni riempiono parzialmente la banda di conduzione, e le bande possono anche sovrapporsi • Nel caso dei semiconduttori la conduction band è vuota, ma dato il ridotto band gap gli elettroni possono facilmente saltare alla conduction band, (per esempio mediante l’en di un fotone) al contrario degli isolanti (band gap > 5eV) I semiconduttori • I pannelli fotovoltaici impiegano semiconduttori • Il silicio (Si), Germanio (Ge), e lo stagno (Sn) : IV periodo, 4 elettroni di valenza (esterni), legame cristallino a grata tramite legami covalenti • L’atomo centrale ripartisce gli elettroni di valenza con i 4 atomi confinanti • Il Silicio è il materiale più utilizzato per applicazioni PV • Si è abbondantemente disponibile, ma non in forma pura Drogaggio • ni=intrinsic carrier concentration (intrinsic=causata dall’aumento della temperatura), a temperatura ambiente ni(Si) è 1.45X10^10 cm^-3. La densità degli elettroni liberi nei metalli è di 10^22 cm^-3 – Si è un buon isolante a temperatura ambiente – In Si puro n=p • Aggiungendo elementi III colonna (B, Al, Ga, In) o della V (P, As, Sb) – Se P si lega a Si, quattro elettroni formano covalenti e uno rimane libero, e pertanto viene “donato” alla conduction band (Pè chiamato donor) – Se B si lega a Si, prende un elettrone dalla banda di valenza per fare legami, creando una carica positiva nella banda di valenza. (B è chiamato acceptor) – Si può così perfettamente controllare la conducibilità attraverso il drogaggio. Valori tipici di n e di p sono rispettivamente 10^15 e 10^19 cm^-3 Il diodo, la giunzione p-n • L’unione metallurgica di due p-n forma una giunzione – Prima della giunzione p ha grande concentrazione di lacune e pochi elettroni, viceversa n – Al momento della giunzione, le lacune diffondono istantaneamente dal lato p verso il lato n, che viene controbilanciata dalla migrazione di elettroni n • Al momento della migrazione gli elettroni si ricombinano con le lacune, lasciando carica negativamente la zona p nei pressi della giunzione. Viceversa, le lacune diffuse si ricombinano con gli eletroni nella zona n lasciando carica positivamente la zona n nei pressi della giunzione – Si creano così aree positive e negative (SCR, Space-Charge-Regions), rispettivamente nell’n e nel p, che si oppone all’ulteriore migrazione di lacune e di elettroni, finchè non si stabilisce un equilibrio • La space charge region quindi si impoverisce di charge carriers , comportandosi di fatto come un isolante – L’equilibrio è garantito dallo stabilirsi di un campo elettrico, che è anche responsabile dell’effetto fotoelettrico – Si crea, in definitiva, un diffusion voltage (a=acc;d=don), dalla zona n alla zona p, la cui entità è calcolabile così come lo spessore della space charge region Caratteristica I-V del diodo • Quando si applica una diff V al diodo, l’equilibrio viene alterato – – – Se si aumenta la tensione dal lato n (reverse bias), il campo elettrico alla giunzione risulta aumentato , opponendosi al passaggio di corrente, a meno che non si forzi un certo passaggio di corrente, per es., attraverso l’azione della luce (fotodiodo). Quando il reverse bias aumenta indefinitamente, al raggiungimento del breakdown voltage passa corrente, danneggiando il più delle volte permanentemente il diodo Se si aumenta la tensione dal lato p, il campo elettrico alla giunzione viene diminuito, e pertanto la diffusione di lacune ed elettroni è promossa, in maniera significativa quando viene applicata una tensione pari al diffusion voltage V_d La caratteristica I-V ideale è ben rappresentata dall’eq. di Shockley • • • • – V_D=tensione ai capi del diodo n=ideality factor (quality factor): varia tra 1 e 2 V_T=thermal voltage: costante dipendente dalla temperatura attraverso V_T=kT/e (k=cost. Boltzmann, e=carica dell’elettrone) I_s= reverse bias saturation current L’eq. di Shockley non tiene conto del breakdown Celle fotovoltaiche: funzionamento • Quando gli elettroni sono portati al livello della conduction band, grazie al campo elettrico generato riescono ad arrivare alla n-region, chiudendo il circuito attraverso il carico • Le lacune (e la corrente, il cui verso positivo è contrario al flusso degli elettroni) viaggiano in verso contrario rispetto agli elettroni Celle fotovoltaiche: funzionamento • La cella può convertire solo una parte dell’energia dei fotoni – I fotoni di energia minore del band gap non consentono il superamento della space-charge region – L’energia incidente può anche essere riflessa, ed una parte è trasmessa attraverso la cella. Gli elettroni possono anche ricombinarsi con le lacune, ricadendo nella valence band – In ogni caso, per quanto riguarda i fotoni aventi energia sufficiente, la cella utilizza solo la band-gap, il resto è dissipato sotto forma di calore Celle fotovoltaiche: funzionamento • Le lacune (cariche positive) sono generate sul polo n, e quindi per effetto della eccitazione transitano verso il lato p (in verso opposto al flusso degli elettroni), e si rendono quindi disponibili all’anodo (p) • Collegando un resistore, il diodo genera una tensione, il cui valore è calcolabile immaginando di fare un modello semplificato del comportamento di una cella fotovoltaica Celle fotovoltaiche: funzionamento • La fotocorrente è schematizzabile come un generatore di corrente • Applicando Kirchhoff, si ottiene la I_PV=I_diode-I_photo (verso positivo alla corrente entrante nel pannello, costituito dall’unione tra generatore di corrente e diodo) Descrizione elettrica delle celle fotovoltaiche: circuito equivalente • • • Nello schema elettrico equivalente, il generatore di corrente eroga la fotocorrente I_ph, dipendente dalla radiazione Dalla legge di Kirchoff si può risolvere la corrente al circuito (I), in funzione della fotocorrente I_ph e della corrente che attraversa il diodo I_D Esistono modelli più complicati (due diodi, diverse resistenze), che si comportano meglio per calcoli più dettagliati Celle fotovoltaiche: funzionamento • L’energia utilizzabile, facendo salvi effetti di riflessione e trasmissione, dipende dalla lunghezza d’onda e dal band-gap – Esiste un band-gap ottimale (1.4 eV), tale che sia la corrente che la tensione a circuito aperto generino la massima potenza possibile Celle fotovoltaiche: funzionamento • La quantum efficiency QE misura l’efficienza di conversione dell’energia incidente contenuta nei fotoni – • • • E’ il rapporto tra le cariche generate ed il numero di fotoni incidenti La spectral response S(lambda), misurata in A/W, misura la sensibilità in termini di corrente/potenza. La spectral response misura il rapporto tra la carica dell’elettrone e l’energia del fotone: la sensibilità è massima per fotoni con lunghezza d’onda prossima a quella corrispondente al band gap S (λ ) = QE e hc λ La deviazione dal comportamento ideale dipende dal comportamento del materiale protettivo (vetro) a basse lunghezze d’onda Celle fotovoltaiche: funzionamento • Se messa in corto circuito, la cella PV genera una corrente I_ph che può essere calcolata mediante – Area della cella A – Spectal Response S(lambda), ovvero sensibilità (A/W) – Spettro della radiazione E(lambda), per es. AM1.5 I ph = ∫ S (λ )E (λ )Adλ • La potenza radiativa assorbita dipende a sua volta dal coefficiente di assorbimento del materiale (alfa) e dallo spessore d del semiconduttore E = E0 (1 − exp(− αd )) • Il coeff di assorbimento è anche funzione della lunghezza d’onda: tale dipendenza deve essere considerata per calcoli più precisi • Celle di Si cristallino devono avere uno spessore di almeno 200 micron per avere elevato assorbimento Aspetti costruttivi di moduli fotovoltaici • Il Si si trova nella sabbia di quarzo (SiO2), estratta tramite processi ad alta temperatura (1800°C) – Si ottiene il metallurgical-grade silicon MG-Si, con purezza del 98% – Per l’industria dei computer è necessaria invece una purezza di vari N (e.g. 99.999999) • • • Il Si è miscelato con HCl per ottenere tricloroesano (SiHCl3) e H2; infine SiHCl3 e H2 formano Si ad elevata purezza depositato sotto forma di rods con diametro fino a 30 cm e lunghezza fino a 2m I rods sono tagliati in wafer ed utilizzati per la produzione di celle policristalline I wafer sono puliti e drogati, sono aggiunti i contatti (metalli o leghe di Al o Ag) ed un coating antiriflesso (di solito TiO2, che dà alla cella il tipico colore blu) e protezioni di vetro (superiore) e plastica (inferiore) – Il contatto inferiore è unico (tutta l’area), mentre quelli superiori sono a griglia per non ridurre il fattore di vista Modulo policristallino Suntech Power STP225 • 1.64 m^2, eroga 225W di picco, efficienza 13.6% Tecnologie pannelli fotovoltaici • Le celle disponibili commercialmente sono di Si cristallino o thin-film – – – • La tecnologia thin-film sta prendendo sempre più piede – – – – • Il Si cristallino è di gran lunga più comune, dato che i processi manifatturieri sono più consolidati (>50 anni), e che il materiale grezzo (Si) è abbondante Purtuttavia, il Si utilizzato nelle celle PV deve essere puro al 99.9999% (molto costoso) Single crystalline è più costoso di poly-cristalline, ma ha efficienza più elevata Deposizione sequenziale di strati sottili dei diversi materiali (struttura molto sottile nel complesso): processo manifatturiero semplice La quantità di materiale utilizzato è molto minore Lo spessore può essere di qualche micron, contro le diverse centinaia della tecnologia tradizionale L’efficienza è minore di quelle tradizionali, anche se recentemente sono stati compiuti notevoli progressi (grazie allo studio dei materiali) Multi-junction sono ancora lontane dalla commercializzazione Descrizione elettrica delle celle fotovoltaiche: condizioni di massima potenza • Dato che la corrente di corto circuito I_sc dipende dalla radiazione E, ne segue che la V_OC è funzione del ln della radiazione • Sia la I_sc che la V_OC sono funzione della temperatura (I_sc cresce e V_OC decresce) – Densità di corrente teorica massima (AM 1.5): 46 mA/cm^2; commerciali hanno 28-35 • La cella eroga massima potenza ad una determinata tensione, ed in corrispondenza di un punto operativo che prende il nome di MPP (Maximum Power Point) • La potenza è funzione decrescente della T (I_sc aumenta meno di quanto diminuisca la V_OC) Comportamento al variare della temperatura Efficienza • Il Filling Factor è definito dal rapporto tra il rettangolo di potenza massima ed il rettangolo definito dalla I_sc e dal V_OC • E’ possibile definire l’efficienza a partire dalla radiazione e dall’area, attraverso il FF • In definitiva, i parametri fondamentali sono riportati di seguito Collegamenti in serie o parallelo • I moduli fotovoltaici possono essere collegati in serie o in parallelo – Per le celle in serie si sommano le tensioni: più moduli in serie formano una stringa – Per le celle in parallelo si sommano le correnti a parità di tensione – Dal punto di vista teorico converrebbe mettere tutte le celle in serie (le perdite ohmiche sono f(I), ma bisogna rispettare le specifiche del sistema di conversione in termini di tensione ammessa Andamento tipico della curva corrente-tensione per un modulo in silicio policristallino da 200 W e della curva corrente-tensione dell’intero campo fotovoltaico alle condizioni STC Calcolo delle perdite • • • • • Ridotta o eccessiva energia dei fotoni rappresentano la maggior parte delle perdite (circa 55%) Le perdite elettriche sono anche considerevoli (potenziale operativo della cella minore di V_OC) L’effetto di ricombinazione dipende dal fatto che gli elettroni possono ricombinarsi con le lacune prima di rendersi disponibili al circuito elettrico Riflessione e perdite resistive sono meno importanti Anche la temperatura determina ulteriori perdite (la cella si comporta meglio a bassa T) Diodi di by-pass • Ciascun modulo è equipaggiato con un diodo di bypass, in modo da salvaguardare il modulo stesso in caso di ombreggiamento Comportamento della stringa con una cella ombreggiata • Se una cella è ombreggiata, diminuisce la I_SC e quindi l’unica soluzione per erogare la stessa corrente degli altri moduli è V<0 (si comporta come carico) • La caratteristica complessiva si sposta radicalmente Caratteristica I-V in funzione del numero di diodi • In caso di ombreggiamento di una cella, il numero di celle per diodo cambia notevolmente la forma della caratteristica, e quindi il decremento di prestazioni Curva di potenza con diodi di by-pass ed in caso di ombreggiamento • L’ombreggiamento può dare luogo a più MPP Moduli fotovoltaici: dati tecnici Calcolo della producibilità • La producibilità annua per unità di superficie può essere calcolata a partire dalla formula prod = Eirraggiata ⋅η pannelli ⋅η globale • Nel caso dell’Italia, e di orientamento ottimale, si può stimare l’efficienza media pari a 0.14 ed il rendimento globale pari a 0.78, ottenendo prod = 1750 kWh kWh ⋅ 0 . 14 ⋅ 0 . 78 = 191 m 2 anno m 2 anno • In fase di progettazione, il calcolo della producibilità è fondamentale per studi di fattibilità affidabili Perdite per temperatura • L’aumento di temperatura porta ad uno schiacciamento della curva caratteristica • La perdita di potenza è dell’ordine di 0.3-0.5%/°C Perdite per riflessione, sporcamento, livello di irraggiamento • Le perdite per riflessione dovute al vetro protettivo delle celle possono essere considerate dell’ordine del 2-3% • Le perdite per sporcamento sono dovute a depositi sul vetro protettivo possono essere considerate dell’ordine dell’1% • Le perdite per livello di irraggiamento sono dovute al mancato funzionamento dell’inverter quando la radiazione è troppo bassa per generare tensioni di stringa ammissibili. Ordine del 2-3% Perdite per mismatching e Ohmiche • Le perdite per mismatching intervengono qualora le stringhe collegate in parallelo allo stesso gruppo di conversione non presentino prestazioni identiche: nessuna delle due stringhe lavorerà in condizioni di potenza massima • Le perdite per mismatching non esisterebbero qualora si potesse adottare un sistema di conversione per ogni stringa o un inverter multistringa • Le perdite ohmiche sono dovute alla dissipazione per effetto Joule nelle connessioni elettriche, e dipendono da sezione e lunghezza dei cablaggi Perditanom = Ppersa Pnom kI n2 L = 0.02 Pnom S Curva caratteristica corrente–tensione di due stringhe di moduli dello stesso numero e tipo ma potenza leggermente diversa (comunque entro il range di tolleranza) • 0.02 - resistività rame • k – costante: 2 circuiti in continua e monofase, 1.73 circuiti trifase • In – corrente nominale (A) • L – lunghezza del cavo (m) • S – sezione del cavo (mmq) •Pnom – potenza nominale circuito Accoppiamento con il carico • Carico puramente resistivo – V=I/R – Punto di funzionamento=incrocio – Regolando il valore della resistenza si può far variare il punto di funzionamento, per es., per ottenere il massimo della potenza (MPP) – In figura la cella opera vicino ad MPP per quanto riguarda 400W/m^2, ma non per 1000W/m^2 – Sarebbe, per es., molto meglio operare la cella con V=cost Off-Grid: DC-DC converter • Un DC-DC converter consente di fare operare la cella a tensione variabile, garantendo tensione costante ai capi dell’uVlizzatore (I_1≠I_2, tali che V_1I_1=ηV2_I2) – Buoni DC-DC hanno efficienza anche >90% • Se il carico ha una tensione minore della cella si usa un buck converter, altrimenti si utilizza un boost converter – L’energia viene immagazzinata nell’induttanza e poi rilasciata, attraverso l’adozione di switch • Esistono anche altri tipi: buck-boost, flyback (con trasf.), push-pull (con più switch) Buck converter DC-DC converter Boost converter Off-Grid: MPP tracker • Le fluttuazioni dell’energia radiativa e della temperatura possono indurre alta variabilità durante il funzionamento delle celle – Sensore per misurare la temperatura – Il parametro delta consente di adattare il punto di lavoro della cella, in modo da “inseguire” l’MPP Connessione alla rete: corrente alternata • La maggior parte delle celle opera in connessione con la rete elettrica (AC) – Dispositivi power electronics sono utilizzati per convertire DC in AC (power MOSFET, bipolar power transistors, IGBT, thyristors, triacs, GTO) – Il tiristore , attraverso la i_G, controlla il passaggio della corrente attraverso il diodo: alternando la corrente tra A e G riesco a produrre corrente alternata Inverter • L’inverter trasforma la forma d’onda continua, CC, della corrente elettrica prodotta dal generatore fotovoltaico, nella forma d’onda CA, ovvero corrente alternata, ad un livello di tensione e frequenza compatibili e in fase con quelli della rete elettrica, a cui viene connesso in parallelo l’impianto solare fotovoltaico; • Permette di far funzionare istantaneamente il generatore fotovoltaico, nelle condizioni di massima efficienza, ovvero al punto di massima potenza (MPPT - Maximum Power Point Tracker); • Permette il monitoraggio dell’intero sistema, impianto fotovoltaico – rete elettrica, permettendo di operare in condizioni di sicurezza. Gli inverter possono essere classificati in funzione del tipo di conversione, centralizzata o distribuita, che attuano nel trasferimento di potenza, riconoscendoli in due macro-famiglie: Inverter centrali: conversione centralizzata Inverter parziali: conversione distribuita Inverter centrali Inverter centrali un unico inverter per l’intero generatore fotovoltaico, il quale è costituito dal parallelo di m-stringhe nominalmente equivalenti, ciascuna dotata del proprio diodo di blocco. Vantaggi: Efficienza di trasformazione Costo Svantaggi: Mismatching Totale fermo impianto Sistema di monitoraggio Stringhe equivalenti Esempio di conversione centralizzata – Inverter centrale Inverter parziali Inverter parziali il generatore fotovoltaico è parzializzato su più inverter. Vantaggi: Modularità Basso mismatching Fermo parziale impianto Monitoraggio intrinseco Ombreggiamenti locali Stringhe non equivalenti Svantaggi: Costo Spazio Cablaggi Esempio di conversione distribuita – Inverter di sottocampo Inverter multistringa Casi particolari Inverter Multistringa: ricevono in ingresso n-sottocampi costituiti da m-stringhe nominalmente non equivalenti, in quanto sono in grado di inseguire due o più punti di massima di massima potenza (MPP) del generatore fotovoltaico. Prestazioni inverter • La corretta scelta dell’inverter è fondamentale per avere prestazioni soddisfacenti Interfacciamento stringa-inverter L’interfacciamento, va costruito relazionando la terna-inverter: Vmax - tensione massima applicabile in ingresso all’inverter VMPPT min - tensione minima del range cui il convertitore riesce ad inseguire l’MPP VMPPT max - tensione massima del range cui il convertitore riesce ad inseguire l’MPP ad una terna di parametri caratteristici di funzionamento del generatore fotovoltaico, rispettivamente: VOC (Tmin) - tensione a vuoto ottenuta in corrispondenza della temperatura minima VMin (Tmax) - livello di tensione nel punto di massima potenza, alla Tmax VMax (Tmin) - livello di tensione nel punto di massima potenza, alla Tmin Interfacciamento stringa-inverter Devono essere verificate le disuguaglianze: VOC (Tmin) < Vmax VMin (Tmax) > VMPPT min VMax (Tmin) < VMPPT max VOC (T) = Voc,STC - β ( 25 – Tcel ) VM (T) = Vm,STC - β’ ( 25 – Tcel ) Italia: Tmin =-10 °C; Tmax = 70 °C Connessione alla rete La taglia di potenza massima in uscita dall’inverter determina il tipo di allaccio alla rete elettrica: FINO AL 31 DICEMBRE 2008: • monofase BT per impianti con P ≤6 kW • trifase BT per impianti con 6 kW < P ≤ 50 kW • trifase MT per impianti con P > 50 kW DAL 1 GENNAIO 2009: • monofase BT per impianti con P ≤6 kW • trifase BT per impianti con 6 kW < P ≤ 100 kW • trifase MT per impianti con P > 100 kW Nel caso di connessione trifase, l’ingresso in rete può essere realizzato con inverter ad output trifase o con più inverter ad output monofase collegati a stella, con l’accortezza di distribuire il livello di potenza erogato sulle tre fasi in modo da evitare squilibri superiori ai 6 kW (differenza di potenza tra fase con maggiore erogazione e fase con minore erogazione di potenza). Sistemi ad inseguimento Sistemi ad inseguimento Lo scopo di tali sistemi è la minimizzazione dell’angolo di incidenza con cui la radiazione solare impatta sul piano dei moduli fotovoltaici. Per poter far questo, i pannelli solari devono trovarsi a bordo di sistemi che permettano di inseguire il sole nel moto apparente sulla volta celeste: sistemi appunto ad inseguimento solare. I sistemi ad inseguimento solare posseggono uno o due gradi di libertà. Il sistema di riferimento che identifica questa classificazione può definirsi sistema di assi corpo, e viene indicato con G (XB,YB,ZB). - Momento di rollio (P) - Momento di imbardata (R) - Momento di beccheggio (Q) Sistemi ad inseguimento Inseguitori ad 1 grado di libertà: Rotazione attorno all’asse corpo YB Inseguitori di tipo “giornaliero”, progettati quindi a prescindere dalla variazione stagionale di tilt sono adatti per l’utilizzo in siti a bassa latitudine dove il percorso giornaliero apparente del sole sulla vola celeste risulta mediamente più ampio nel succedersi delle stagioni. Sistemi ad inseguimento Inseguitori a 2 gradi di libertà Gli inseguitori a 2 assi sono quelli che garantiscono le migliori performance in termini di minimizzazione dell’angolo di incidenza. Vela Vx Motore di tilt MTx Encoder di tilt ETx MID032/y Motore azimutale MAx Encoder azimutale EAx MR004/y Ulteriori aspetti progettuali • • • • • • • • • • Quadro di campo Interruttori di stringa Scaricatori di sovratensione Quadro in C.A. Interruttori inverter Dimensionamento cablaggi Protezione tensioni di contatto Impianto di terra Strutture di ancoraggio Integrazione architettonica