B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Sono sistemi in grado di convertire l’energia solare in energia elettrica.
Questi sistemi sfruttano l’effetto fotovoltaico o fotoelettrico, scoperto dal francese
Edmond Becquerel nel 1839, egli osservò che l’energia contenuta nella radiazione
solare poteva essere convertita in energia elettrica in maniera diretta, tramite una
semplice esperienza.
Introducendo due elettroliti di platino (Pt) all’interno di una cella elettrolitica vide che
l’intensità della corrente prodotta dalla cella aumentava con l’aumentare della
radiazione solare incidente.
Questi studi furono ripresi da Hertz circa 50 anni dopo da Einstein per la meccanica
quantistica
Solo quando l’industria aerospaziale ebbe la necessità di trovare una fonte di energia
illimitata per i satelliti artificiali di prima generazione(~1950), cominciarono le prime
realizzazioni.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
L’elemento base di questo sistema di conversione è la Cella: un diodo a semiconduttore
con opportune caratteristiche geometriche che genera energia elettrica convertendo le
radiazioni solari.
Per comprendere il fenomeno, ossia come interagiscono radiazione luminosa e celle
fotovoltaiche, analizziamo il comportamento elettrico dei semiconduttori.
o
llin
a
t
is
licr
o
p
io
ilic
s
in
lla
e
C
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Panne
lli fles
sibili i
n silic
io po
licrista
llino
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
I materiali esistenti in natura possono essere classificati, in base alle proprietà elettriche
di conduzione, in due categorie:
• conduttori: materiali all’interno dei quali gli elettroni possono muoversi
liberamente, quindi hanno resitività elevata (metalli)
• isolanti: materiali che hanno bassa resistività ( vetro ambra, ebano, plastica..)
I semiconduttori formano una terza categoria, essi manifestano delle proprietà elettriche
intermedie a quelle delle altre due; allo stato di purezza assoluta (semiconduttori
intrinseci) presentano in genere una elevata resistività.
Per ridurre l’elevata resistività elettrica vengono introdotte, a concentrazione
controllata, opportune impurità (drogaggio) nel materiale. I semiconduttori di questo
tipo prendono il nome di semiconduttori estrinseci.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
A secondo del tipo di impurità utilizzato nel drogaggio, il semiconduttore può essere di
due tipi:
Ø tipo p, il drogante utilizzato e' un elemento tetravalente (Boro, Gallio, ecc.), tali
impurità rendono disponibili portatori di carica positivi noti come accettori;
Ø tipo n, il drogante in questo caso e' un elemento pentavalente (Antimonio,
Fosforo).
Disposizione delle cariche
elettriche in una giunzione p-n:
a cariche negative libere, b
cariche positive libere, c carica
positiva netta, d carica negativa
netta
Ponendo a stretto contatto un semiconduttore di tipo p con un semi-conduttore
drogato di tipo n si ottiene una giunzione p-n.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Il più noto semi-conduttore utilizzato per realizzare le Celle è il Silicio che viene
drogato aggiungendo quantità di Fosforo, per il drogaggio di tipo n, con il Boro per il
drogaggio di tipo p.
Vediamo cosa accade all’interno della cella:
•
Un fotone di luce incide sulla cella,
con energia pari a E=h.? * penetrando
fino alla giunzione p-n dove incontra
un atomo di silicio:
1.
2.
•
Se il fotone ha sufficiente energia
porta l’elettrone della banda di
valenza a quella di conduzione
creando così coppie elettrone-lacuna
Se il fotone ha meno energia viene
assorbito sotto forma di calore nel
solido
Luce solare
Cella Solare
Elettricità
Calore
Collegando la zona “p” con la “n” si
ha un flusso netto di elettroni e
generazione di corrente.
*h=6,625×10
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-34 Js costante di Planck, ?: la frequenza
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
E’ importante rilevare che l’energia necessaria per liberare nel silicio una coppia
elettrone-lacuna corrisponde ad una lunghezza d’onda massima per la radiazione
luminosa di ? = 1,5 µm.
La frazione eccedente questo limite, avente cioè lunghezza d’onda maggiore e
quindi energia insufficiente ( E = h.? con ? = 1/? ), corrisponde a circa il 25%
della energia complessivamente contenuta nello spettro solare.
Il rimanente 75% risulta in grado di liberare una coppia elettrone-lacuna.
Tuttavia al diminuire della lunghezza d’onda l’energia associata al fotone risulta
essere sempre maggiore, tanto da divenire in eccesso rispetto a quella richiesta. Tale
quantità in surplus viene dissipata sotto forma di calore.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
In pratica una cella di silicio può convertire in energia elettrica solo il 44% della
radiazione solare su di essa incidente.
Le celle ad oggi in commercio e in studio hanno rendimenti molto distanti da questi
valori.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Il comportamento elettrico di una cella può essere rappresentato da un circuito elettrico
equivalente come in figura.
• I : generatore ideale di
corrente. Rappresenta la
corrente che si avrebbe dalla
cella (per effetto fotovoltaico)
se non ci fossero le perdite
interne; ed e' proporzionale
alla superficie della cella
esposta alle radiazioni solari.
• D : diodo che rappresenta
l'effetto rettificante della cella,
essendo formata da una
giunzione p-n.
• Rc : resistenza del carico, che rappresenta un generico utente collegato alla cella.
• Rs : resistenza in serie, che rappresenta l'insieme delle resistenze dovute sia al materiale proprio della
cella che all’elettrodo superiore della cella che deve realizzare un buon contatto e oscurare il meno
possibile la cella(griglia superiore della cella.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
L'equazione caratteristica di una cella fotovoltaica è data da:
(1)
I = Iph – Id
I due termini Iph e Id rappresentano rispettivamente: la corrente generata per effetto
della luce e la corrente che riesce ad attraversare la giunzione della cella.
In cui la Id è funzione di:
I = f (I ,T , R ,V , q )
d
0
s
Dove:
• Io (A) : corrente di saturazione inversa del diodo; e' una costante che dipende
dalle caratteristiche dei due semi-conduttori che formano la giunzione e dalla
temperatura.
• T (K°) : la temperatura assoluta
• V (V) : tensione della cella.
• Rs (W): resistenza in serie
• q (C) : carica dell'elettrone
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
In laboratorio, per osservare il comportamento della cella, esposta alla radiazione solare,
si utilizza come fonte luminosa una lampada speciale che simula lo spettro del sole.
L'utilizzo di una batteria a tensione variabile come carico ci permette di simulare un
carico variabile, i dati registrati dall'esperimento vengono poi riportati su un grafico la
curva risultante è " la curva caratteristica della cella".
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Le celle essendo in sostanza formate da una giunzione p-n hanno caratteristiche V-I
molto simili al diodo convenzionale, cioè hanno 3 zone di funzionamento:
Curva caratteristica
1. Zona in cui si comporta come un diodo in conduzione diretta
2. Zona in cui è in conduzione inversa cioè quando la cella è al buio
3. Zona in cui si comporta da generatore elettrico
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
In genere, per i nostri fini è interessante la parte della caratteristica sotto l'asse delle
ascisse per cui è di normale uso ribaltare la caratteristica rispetto all'asse delle tensioni
ottenendo
· Punto M ( Icc ) : situazione di corto
circuito, in questa situazione si ha V=0 e
I=Icc, dove Icc è la corrente erogata dalla
cella quando a questa viene applicato un
carico con resistenza nulla.
· Punto N ( Voc ) : situazione di circuito
aperto, in questa situazione si ha V=Voc
e I=0, dove Voc è la tensione ai morsetti
della cella quando a questa viene
applicato un carico a resistenza infinita
(aperto).
· Punto A ( Pmax ) : situazione di massima potenza ossia il punto in cui il prodotto tensione corrente
della cella e massimo, in questa situazione si ha P=Pmax. E' importante osservare che la potenza erogata
dalla cella è data dal prodotto IxV.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
La tensione a circuito aperto corrisponde alla
caduta di tensione attraverso la giunzione p-n,
quando questa è attraversata dalla corrente
generata dalle radiazioni (foto-corrente Iph).
La tensione Voc cresce logaritmicamente al
crescere dell'intensità della radiazione,
viceversa decresce linearmente al crescere
della temperatura della cella
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
In condizioni di corto circuito con una insolazione normale, la resistenza in serie è
trascurabile, quindi la corrente di corto circuito diventa proporzionale alla all’intensità
della radiazione solare Ee (W/mq).
I cc = I ph = kEe
dove k è' un parametro costante Ee è l’intensità dell'insolazione W/m2.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
I parametri che influenzano il comportamento elettrico di una cella solare, possono
essere raggruppati in due categorie :
•
Parametri interni
Resistenza in serie ( Rs ) : Essa
rappresenta la resistenza di
contatto tra la griglia metallica e
la superficie del cristallo.
Radiazione solare
•
Parametri esterni
La temperatura della cella
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Gli effetti Radiazione solare possono essere raggruppati nei seguenti punti :
· A bassi valori dell'intensità, Icc rimane praticamente proporzionale all'intensità della
luce. Tale rapporto è dell'ordine di 30mA/cm2, quando l’intensità della radiazione
solare è di 1 Kw/m2 (per una cella al silicio a T = 25 °C).
· Voc varia leggermente al variare dell'intensità della luce, ed e' indipendente dall'area
della cella. Esso dipende esclusivamente del materiale costituente la cella (circa 590
mV per 1 kW/m2 e T=25°C per il silicio).
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
La temperatura e' uno dei fattori che influenza negativamente le caratteristiche
elettriche di una cella, al punto tale che se non considerata, in fase di progettazione,
potrebbe compromettere il buon funzionamento dell'impianto.
•
all'aumentare della temperatura la Iph aumenta leggermente ( 0,1 % C-1o 0,03
mA/C.m2), tale effetto è spiegabile considerando che all'aumentare della
temperatura si ha una diminuzione dell'ampiezza della banda proibita Eg, di
conseguenza, altri elettroni potranno passare dalla banda di valenza alla banda
di conduzione.
•
Voc decresce linearmente di 2 mV/°C dai 20 °C a 100 °C.
•
Io crescita esponenziale
•
Pmax decresce di 3,5 % ogni 10°C, quindi diminuisce anche il rendimento
massimo
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Il Rendimento (efficienza)
In generale, il rendimento di una cella è definito come il rapporto tra la potenza elettrica
erogata dalla cella e la potenza luminosa incidente su di essa, ossia :
Pout Pout
η=
=
Pin AEe
?= il rendimento della cella.
Pout (W) = Potenza elettrica erogata dalla cella.
Pin (W) = Potenza luminosa incidente.
A (mq) = Area utile.
Ee (W/m2) = Intensità delle radiazioni incidenti.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Il rendimento di una cella commerciale è tipicamente compresa fra il 10 % e il 15 %,
solo certi campioni di laboratorio hanno raggiunto la soglia del 24 % con costi
ovviamente molto elevati.
Materiale Cella
Rendimento
(campo - laboratorio)
Silicio
monocristallino
14 – 24%
Silicio
policristallino
12 – 19,8%
Silicio Amorfo
8 – 13%
CIS
11%
CdTe
15%
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Il rendimento massimo di una cella dipende strettamente dai seguenti fattori :
• Proprietà del materiale
• Configurazione della griglia
• Caratteristica della giunzione
• Distribuzione spettrale delle radiazioni
• Area utile della superficie esposta della cella
• Temperatura della cella
• Rivestimento antiriflesso
• Escursione della temperatura
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
• Struttura superficiale della cella ( ruvidità )
• Altri fattori dell'ambiente circostante
• Perdite dovute alle resistenza interna della cella stessa
• Auto-oscuramento (self-shading): oscuramento dovuto alla griglia metallica di
raccoglimento dei portatori
• Degradazione delle prestazioni della cella: sono degradazioni che subiscono le celle
durante un lungo tempo di funzionamento in cui la temperatura di lavoro della cella
non e' ottima.
• Carico non ottimizzato:in genere, per ottenere il massimo rendimento di una cella
bisogna utilizzare un carico che permetta alla cella di funzionare in prossimità del
ginocchio della caratteristica
• Fill factor o fattore di riempimento rapporto tra la potenza ideale e la potenza che
si ha nel gomito della curva I –V. Per le celle in silicio cristallino varia tra 0,6 e 0,8
Pmax
FF =
I cc ⋅ Voc
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B.2
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Collegamento delle celle
L'elemento base con cui si realizza un sistema fotovoltaico è rappresentato dal modulo,
le celle fotovoltaiche vengono collegate ed assemblate all'interno di tale elemento. Le
configurazioni dei collegamenti possibili sono varie:
• serie
• parallelo
• misto
la scelta di uno di essi viene determinata dalle caratteristiche richieste ai morsetti del
campo (utente).
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Collegamento in serie ( il più usato)
Consideriamo un circuito formato da due celle collegate in serie ad un carico R:
•
Itot= IA = IB
•
Vtot= VA + VB
La curva caratteristica I-V delle due celle in serie ha come valore di tensione, la
somma delle tensioni che separatamente le due celle erogano (riferito ad uno
stesso valore di corrente).
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Il problema si ha nella realtà infatti considerando che comunque sia perfezionato il
processo di fabbricazione, si produrranno sempre delle celle con caratteristiche
leggermente diverse.
In particolare, l'esperienza ci informa che le celle fabbricate dagli stessi macchinari nelle
medesime condizioni, aventi le stesse dimensioni non sono esattamente identiche. Per cui
ci sarà sempre una differenza, se anche piccola, nelle caratteristiche elettriche delle celle.
La Icc delle celle appartenente allo stesso lotto varia almeno di qualche percento.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
In definitiva, il comportamento di una serie di celle può essere sintetizzato come segue :
Ø le tensione a circuito aperto: e' data dalla somma delle tensioni delle singole celle
Øla corrente a corto circuito: e' praticamente coincidente con la corrente di corto
circuito della cella che eroga la corrente più bassa
Ø La potenza erogata dalla serie: e' data "n" volte quella erogata dalla cella con
potenza minima
Per cui che e' inutile collegare celle buone all'interno di una serie in prevalenza realizzata
con celle cattive. Ciò indica chiaramente l'esigenza di selezionare le celle in gruppi
omogenei prima di montarle in serie.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Collegamento in parallelo
Consideriamo il caso di due celle identiche collegate in parallelo ad un carico R. La
tensione del circuito è la stessa su i due diodi, la corrente risultante e data invece dalla
somma delle due correnti nei due rami, per cui si ha :
• I = I1 + I2
• V = V1 = V2
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Collegamento misto
Le possibili soluzioni sono :
• serie – parallelo
• parallelo - serie
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Configurazione serie - parallelo
Questa configurazione è la più utilizzata per la sua praticità per quanto riguarda la
realizzazione del sistema fotovoltaico (collegamento dei moduli)
E’ formato dal collegamento in parallelo di diverse serie di celle. Per piccoli impianti tale
configurazione presenta qualche svantaggio:
• se nella serie vada fuori servizio una cella per
mettere fuori uso tutte le celle del ramo a cui
essa appartiene, riducendo cosi la potenza
erogata dal campo.
• se una cella viene oscurata può accadere che la
tensione inversa che su questa si stabilisce sia
superiore a quella massima sopportabile dalla
cella stessa. Per evitare che un oscuramento
accidentale si trasformi in una rottura definitiva,
le celle, a gruppi, vengono protette con un diodo.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
I dati relativi alle caratteristiche tecniche forniti dai produttori sono:
ØElettriche:
•Potenza massima (P max), tensione alla massima potenza (Vmp), potenza
minima garantita di (P min), corrente di corto circuito (Isc), tensione a circuito
aperto (Voc), rendimento (non sempre)
ØCaratteristiche fisiche:
•Dimensioni, peso, tipo di struttura, materiali
ØEconomiche:
•Prezzo del modulo, prezzo al kWp, prezzo al metro quadro
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
La potenza massima di un modulo fv è misurata in condizioni di test standard
(Illuminazione di 1 kW/m2 ad una distribuzione spettrale di 1,5 AM, temperatura della
cella 25°C).
Questo dato purtroppo non corrisponde alla realtà: lo dimostra il fatto che il
produttore stesso non lo garantisce, e non garantisce nemmeno quello della
potenza minima ma bensì un valore ottenuto da considerazioni tecnico
economiche, infatti per un modulo di 100 Wp garantisce 64,84 Wp.
Nella maggioranza dei casi il valore iniziale della potenza è più basso rispetto alla
tolleranza di produzione o alla potenza minima dichiarata dal produttore, con variabilità
anche dell’8%, (in media si arriva al 2%). Le cause di questa riduzione della potenza
iniziale possono essere attribuite ad un degrado iniziale, dovuto dalle condizioni di
stoccaggio. Pannelli conservati al sole iniziano preventivamente la loro attività, in
particolari casi si è visto che la fotodegradazione avviene anche nei moduli conservati al
buio (predegradazione), funzionando come diodi.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
La potenza stabilizzata, cioè il valore della potenza misurata per quindici
mesi nelle condizioni operative di un modulo e non in quelle standard,
risulta in media più bassa del 9,4% rispetto alla potenza nominale
dichiarata dal produttore.
Si è inoltre osservato che prendendo due pannelli identici dello stesso
produttore, si rilevano differenze medie del 2% rispetto ai valori della
potenza nominale.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
L’ 80% delle celle fotovoltaiche attualmente in commercio è costituita da
semiconduttori in silicio.
Suddiviso in :
•Monocristallino il 45% della produzione
•Policristallino il 35% della produzione
Il silicio a differenza degli altri tipi di semiconduttori è un materiale disponibile in
grandi quantità inoltre, essendo utilizzato nell’industria elettronica, lo sviluppo dei
metodi realizzativi è notevole.
Bisogna considerare che il grado purezza richiesto dalle applicazione fotovoltaiche è
molto minore di quello dell’elettronica, permettendo quindi l’utilizzo degli scarti di
questa industria per le applicazioni fotovoltaiche.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Silicio monocristallino
E’ ottenuto da un processo detto di melting (fusione) a partire da cristalli di silicio ad
elevata purezza che, una volta fusi, vengono fatti solidificare a contatto con un seme di
cristallo: durante il raffreddamento, il silicio gradualmente solidifica e forma un lingotto
cilindrico o un pane di forma cubica.( silicio policristallino o monocristallino)
Successivamente il lingotto viene tagliato a fettine, dette wafers, con spessore di 250 –
350 µm.
I rendimenti di conversione dell’energia solare raggiunti con pannelli commerciali del
silicio monocristallino sono del 12-14%, mentre in laboratorio con celle di piccole
dimensioni sono state ottenute rese del 24%.
Il costo iniziale di queste celle è molto elevato a causa delle complessità del processo di
lavorazione e della dipendenza dal mercato dei componenti elettronici.
Le industrie fotovoltaiche quindi considerano il costo di queste celle come un elemento
da concordare a livello di mercato più che come un costo industriale da minimizzare.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Silicio Policristallino
Nato per evitare la complessa operazione di crescita del monocristallino, è costituito da
un agglomerato di piccoli cristalli di silicio denominati “grani”, consente di diminuire
notevolmente i costi, a scapito però della resa(a causa della forma e dell’orientamento
casuale dei cristalli) che si riduce di circa un quinto.
L’efficienza delle attuali celle raggiunge il 12%, mentre in laboratorio è stato ottenuto il
valore di 19,8%.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Silicio Amorfo
sot
tile
Un
i
Fil
m
Si ottengono depositando il silicio amorfo sotto
forma di una sottile pellicola su un substrato di
vetro o plastica mediante diverse tecniche
(piuttosto costose e sofisticate), quali la scarica a
bagliore.
Il deposito sottovuoto del substrato è guidato da
campo elettronico, la deposizione è nella fase di
vapore. Si ottiene un semiconduttore di un decimo
più piccolo rispetto ai valori delle celle
So
lar
E’ stato proposto sul mercato all’inizio degli anni anni ’80 da allora si sono realizzati
enormi progressi dal punto di vista tecnologico.
Rappresenta uno dei materiali più promettenti per realizzare celle a film sottile.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Questo tipo di materiale a differenza dei precedenti non presenta una struttura
cristallina. Questo limita notevolmente le prestazioni del prodotto; dal punto di vista
dell’efficienza rimane al disotto dell’efficienza del mono e poli cristallino.
I migliori risultati si ottengono deponendo più strati di materiale ottenendo efficienza
del 5-8% per le celle commerciali, ed efficienza del 13% in laboratorio.
Ci sono inoltre problemi legati alle prestazioni nel tempo, l’amorfo infatti perde il 10%
delle prestazioni dichiarate dal costruttore nelle prime 300 - 400 ore di esposizione
(effetto Staebler-Wronski)
Film sottile amorfo Uni Solar
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Film sottile amorfo Uni Solar
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Sistemi Solari Fotovoltaici
Celle CIS (diseleniuro di indio e rame ) e CIGS (Copper Indium Gallium
Deselinide)
Dal punto di vista economico sono le più promettenti in quanto utilizzano substrati a più
basso costo e processi di produzione più facilmente automatizzabili e quindi più idonei
a produzioni industriali.
Il CIS è apparso nel 1988 con efficienze dell’11% in laboratorio; ad oggi si sono
raggiunti record del 18,8%.
Il CIGS ed il più recente CIGSS, con l’aggiunta di zolfo, riesce a raggiungere livelli
più alti di efficienza ma a scapito di una complicazione notevole del processo
realizzativo.
Celle a Film sottile in CdTe (Tellurio di Cadmio)
Rappresentano una nuova tecnologia in via di commercializzazione, con efficienza del
16% in laboratorio.
Soffre il problema della mancanza di processi industriali già consolidati.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Un primo confronto economico tra le varie tecnologie dei celle può essere riassunto nel
seguente modo:
Parametri
Silicio Amorfo
CIS/CIGS
CdTe
Costo per Watt
(€/W)
0,6- 0,9
0,9-1
0,9-1,35
Tempo di PayBack (anni)
2-3
1,3-1,8
0,5-0,9
Efficienza
bassa
alta
media
Prospettive di
marcato
Discrete
Buone/ottime
Ottime
Fonte: impianti solari fotovoltaici
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Collegando più celle ( 36, 64 o 72) con i relativi collegamenti elettrici si ottiene un
Pannello Fotovoltaico.
Un pannello in silicio ad esempio è costituito da:
Vetro temprato, con spessore di circa 4
mm, permette il passaggio della luce, la sua
trasmittanza è superiore a quella di un vetro
classico, si usano particolari composizioni a
basso contenuto di ferro, inoltre sono molto
resistenti possono sopportare il peso di una
persona
Strato di vinilacetato di etilene (EVA)
trasparente, permette di evitare il contatto
cella-vetro, elimina gli interstizi che si
formerebbero causa la superficie non
perfettamente liscia delle celle ed isolare la
parte attiva da eventuali parti metalliche
Tedlar (Polivinilfluoruro) a chiusura del
sandwich in genere è colorato e rinforzato con
fogli metallici,
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Molte volte lo strato di Tedlar, viene sostituito da vetro ottenendo così moduli a doppio
vetro, molto utilizzati in ambito architettonico, in casi di sostituzione anche parziale dei
tamponamenti esterni per migliorare il loro basso isolamento termico si utilizza un vetro
supplementare posto a poca distanza dal retro del modulo in modo da realizzare una
intercapedine tra i due materiali (vetro camera)
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
ulo
od
M
Ogni pannello presenta sul retro una scatola di terminazione,
con dimensioni 10x 15 cm dotata di un coperchi con viti e
guarnizione di tenuta lungo il coperchio .
cio
sili
in
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o
lin
tal
ris
lic
po
All’interno sono presenti una morsettiera che rende disponibili
le due polarità, e due diodi di by-pass che permettono di
cortocircuitare ed isolare il modulo in caso di
malfunzionamento.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
I moduli possono essere usati singolarmente ( un modulo di 36 celle può caricare una
batteria da 12 V ) o collegati in serie e parallelo così da formare stringhe e campi
fotovoltaici.
Possiamo raggruppare le tipologie applicative dei pannelli fotovoltaici in due grandi
categorie:
Ø Stand – alone o utenze isolate
Ø Grid – connected o collegati alla rete elettrica
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Impianti Isolati dalla rete:
ØServizio: comprendono applicazioni per carichi di piccola potenza in servizio
isolato dalla come pompaggio di piccole quantità d’acqua per uso sanitario,
alimentazione ripetitori telefonici e radio, carica batteria da camper, imbarcazioni
da diporto, sistemi di monitoraggio ambientali….
ØUtenze isolate: In genere sono utenze domestiche ubicate in zone impervie,
come rifugi alpini.
ØMini Reti Isolate: costituite da impianti con potenza fotovoltaica di qualche
decina di kW, distribuzione alternata, spesso trifase e con back-up di un gruppo
elettrogeno diesel, che può essere sostituito da celle a combustibile o impianti
eolici con rotore ad asse orizzontale. Questi sistemi che adottano di altre
tipologie di fonti di produzione dell’energia vengono chiamati ibridi
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Impianti collegati alla rete:
ØTetti fotovoltaici: questa tipologia d’impianti viene inoltre definita a
generazione distribuita è la più idonea ad una diffusione di larga scala nei
contesti urbanizzati, essendo adatta all’integrazione dei moduli nelle facciate,
nelle coperture o in altri elementi dell’involucro degli edifici esistenti e di nuova
generazione, sfruttando tutte quelle superfici definite marginali. Sono impianti di
potenza generalmente contenuta (qualche kW) in cui la presenza della rete
elettrica rappresenta un accumulo che assorbe energia nei periodi di maggiore
irraggiamento solare e la restituisce in quelli meno favorevoli.
ØCentrali fotovoltaiche: presentano potenze installate considerevoli. Una centrale
di grossa taglia è di solito collegata in parallelo alla rete di media tensione.
Citiamo ad esempio la centrale dell’ENEL SpA a Serre, che occupa una
superficie di 60.000 m2 con una potenza installata nominale di 3,3 MW con stima
di producibilità annua pari a 4,5 milioni di kWh.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Nella pratica impiantistica i moduli vengono collegati in serie e formano una stringa in
numero tale da raggiungere la tensione nominale desiderata, più stringhe vengono poi
collegate in parallelo tra loro sino a raggiungere la potenza che si desidera installare.
In serie ad ogni stringa viene inserito un diodo di blocco il cui scopo è impedire che, gli
squilibri di tensione tra le stringhe possono provocare ricircoli di corrente verso quelle a
tensione minore danneggiandole.
Supponendo di utilizzare moduli di uguali caratteristiche elettriche, la tensione
nominale del campo risulterebbe pari alla somma delle tensioni nominali dei moduli che
compongono la stringa:
Vtot = VN ⋅ n
Con n pari al numero di moduli collegati in serie.
La corrente nominale del campo invece è data dalla somma delle correnti nominali
delle stringhe che lo compongono:
I tot = I N ⋅ m
Dove m è il numero di stringhe.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Il sistema fotovoltaico oltre ai pannelli necessita ulteriore apparecchiature a secondo
del tipo di utenza che serve:
Nel caso delle utenze isolate bisogna predisporre un opportuno sistema di accumulo
elettrochimico per l’energia. Viene effettuato per mezzo di batterie di accumulatori di
opportuna capacità che permetta al sistema di far fronte alle punte di carico senza la
necessita di sovradimensionare i generatori.
Fra le diverse tipologie disponibili, l’accumulatore adatto alla tecnologia fotovoltaica
dovrebbe presentare le seguenti caratteristiche:
•Elevata efficienza: rapporto tra energia fornita e immagazzinata
•Lunga durata: numero di cicli di carica/scarica
•Buona resistenza alle escursioni termiche
•Bassa manutenzione
•Ridotta autoscarica
Le batterie che hanno le seguenti caratteristiche sono di tipo piombo-acido ( utilizzate
nell’industria automobilistica)
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Le prestazioni di un sistema dotato di accumulo elettrochimico sono influenzate dal tipo
di regolazione della carica e dal buon accoppiamento tra regolatore di carica e
generatore fotovoltaico.
La principale funzione di un regolatore di carica è quella di proteggere l’accumulo da
sovraccarichi e da eccessive scariche, in modo da aumentare la vita utile del sistema di
accumulo.
Un sistema di regolazione adottato è quello attraverso l’MPPT, è un dispositivo di
inseguimento del punto di massima potenza, in grado di far lavorare il campo
fotovoltaico sempre al suo punto di massima potenza, anche se variano le condizioni di
temperatura e di irraggiamento.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Un altra apparecchiatura di fondamentale importanza sono i convertitori statici, sono
in grado di convertire le grandezze elettriche tensione e corrente di un circuito in valore
e o in forma.
Fra le varie tipologie di convertitori statici di potenza quelli più utilizzati nel campo
fotovoltaico sono gli inverters, in grado di convertire la corrente continua in alternata.
Negli impianti collegati alla rete, la tensione continua da convertire in alternata è quella
del generatore fotovoltaico, mentre in quelli per servizio isolato, è quella presente al
nodo generatore – batteria di accumulatori.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Progettazione Impianti fotovoltaici
Ci occupiamo di impianti collegati alla rete, essendo questo il campo di maggiore
applicazione di questi impianti.
Il progettista deve:
1. Raccogliere i dati di progetto in sito
2. Stimare la producibilità dell’impianto
3. Dimensionare l’impianto
4. Analisi economica
5. Dimensionare i componenti dell’impianto
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
1. Dati di Progetto
Dal sopralluogo il progettista deve raccogliere i seguenti dati:
• Latitudine, longitudine, altezza sul livello del mare del sito
• Orientamento del punto di installazione dei moduli ( se su falda inclinata oltre
all’orientamento anche l’inclinazione)
• Temperature:
- max/min all’interno dell’edificio
- max/min all’esterno dell’edificio
- media del giorno più caldo
- media mensile
- media annuale
• Dati relativi all’ambiente circostante: - presenza di elementi ombreggianti ( edifici,
alberi, ecc..)
- presenza di polveri
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Stima degli elementi ombreggianti
Per effettuare la stima dell’energia captata bisogna, come è già stato evidenziato, fare
una mappa degli ostacoli che possono provocare ombreggiamento sui moduli.
La mappa viene fatta utilizzando una bussola ed un clinometro e riportando su di un
apposito grafico i dati rilevati sul sito.
Sul grafico si riporta in ascissa l’orientamento ed in ordinata l’angolo di elevazione
rispetto all’orizzonte.
Tale mappa permette di individuare le aree non utili ai fini della captazione sella
radiazione solare diretta:
•Percorso solare relativo al solstizio d’estate (21 giugno), che rappresenta la
traiettoria più alta al disopra della quale il sole non si troverà mai
•Percorso solare relativo al solstizio d’inverno (21 dicembre) traiettoria più bassa.
•Percorsi relativi agli equinozi (21 marzo e 23 settembre)
•L’area sottesa dal profilo delle ombre rilevata sul sito
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Stima degli elementi ombreggianti
Come si può vedere da questo grafico è possibile stabilire l’orientamento dei moduli e
valutare la perdita dovuta all’ombreggiamento.
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B.2
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2. Stima della producibilità
Bisogna reperire ora i dati relativi all’irraggiamento o utilizzare i modelli di calcolo visti in
precedenza.
Ora con i W/m2 giornalieri è possibile calcolare, l’energia incidente Wh/m2.
La producibilità rappresenta però l’energia che si riesce a produrre il sistema fotovoltaico per
questo al valore incidente andranno detratte tutte le inefficienze dovute al sistema stesso.
Possiamo attribuire al sistema le seguenti perdite:
• Effetto della temperatura: causato della differenza tra condizioni di lavoro e quelle di test (5-8%)
• Effetto della riflessione: dovuta alla cornice ed i vetri si riduce in caso di superfici circostanti chiare
(3%)
• Bassa radiazione: di solito si verifica all’alba e al tramonto
2-5%
• Ombreggiamento: sia reciproco che degli elementi circostanti
• Mismatching: dovuto alla disuniformità delle prestazioni elettriche dei vari pannelli che compongono
ogni stringa, piccole potenze 3-4%, grandi potenze 5-6%
• Sui circuiti: dovute alla resistenza dei cavi elettrici, a quella di contatto sugli interruttori… intrinseca
cioè al sistema elettrico riducibile con valutazioni tecnico-economiche (1-2%)
• Convertitori 4-10%
• Sporcamento: dovuto a polveri presenti nell’atmosfera 1%
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B.2
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Dimensionamento dell’impianto
Un sistema fotovoltaico collegato alla rete ha il solo compito di convertire la radiazione
solare in energia elettrica con la migliore efficienza possibile per scambiarla con la rete
senza preoccuparsi dei carichi locali.
L’ente erogatore infatti, non paga l’energia elettrica prodotta dall’impianto ma la detrae
dalla bolletta dell’utente, solo per la parte da questi consumata, cioè se l’utente immette
in rete più di quanto consuma questa non gli viene pagata.
Il dimensionamento del generatore sarà mirato a stabilirne la taglia in base a fattori di
budget o in base alle condizione per ottenere una sovvenzione regionale o comunale.
Ipotizziamo di avere a disposizione un certo budget Binv (€) e di aver stabilito il costo al
Wp di un sistema collegato alla rete CW (€/Wp) e di avere una superficie disponibile di
installazione Adisp (m2).
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
3. Dimensionamento dell’impianto
Bisogna con questi dati dimensionare il nostro sistema:
La potenza massima installabile sarà data da:
Pmax =
Binv
CW
Si sceglie un opportuno pannello e dai suoi dati di targa si prende la densità di
potenza Dmod ( Wp/m2) con la quale possiamo calcolare l’area necessaria per
l’installazione:
Amax =
Pmax
Dmod
Ora si valuta l’area disponibile in sito:
• Se Amax>Adisp la potenza fotovoltaica sarà PFV= Adisp.Dmod (Wp) ed il costo sarà
CFV=CW.PFV (€)
• Se Amax=Adisp la potenza sarà PFV=P max ed il costo pari a CFV=Binv
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Sistemi Solari Fotovoltaici
3. Dimensionamento dell’impianto
Non rimane che calcolare l’energia producibile:
E g = ∑η g ⋅ A ⋅ nm ⋅ Gm ⋅ K
Con:
•Eg energia totale producibile in un anno (Wh/anno)
•A superficie dei moduli (m2)
•nm numero di giorni del mese
•Gm radiazione solare media giornaliera annua incidente sui moduli
•K coefficiente di riduzione per eventuali ombreggiamenti
•? g rendimento complessivo del sistema è pari al prodotto del rendimento del
pannello ? mod per l’ efficienza del sistema (1- Psist) (pari di solito al 74-75%)
η g = η mod ⋅ (1 − Psist )
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5. Componenti dell’impianto
Oltre che dal generatore fotovoltaico il sistema è costituito da altre parti:
•Sistema d’accumulo (nel caso di utenze isolate)
•Convertitore statico
•Diodi di blocco e di bypass
•Scaricatori di sovratensione
•Quadri in corrente continua o alternata
•Cavi elettrici
•Sistema di monitoraggio
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Sistemi Solari Fotovoltaici
Convertitore statico o Inverter
Per il loro dimensionamento si utilizzano programmi appositi realizzati dal produttore
dell’apparecchiatura stessa, che permettono di dimensionare l’inverter in funzione delle
stringhe.
E’uso comune collegare ad ogni stringa in serie un inverter, che poi verranno collegati
tra loro in parallelo.
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B.2
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Pannello
BP SX 110
Tipologia
Policristallino
Potenza di picco
110 Wp
Potenza sistema
2200 Wp
Area sistema
21,4 m2
Prezzo Pannello
506 € - 4,6 €/W
Inverter
Fronius IG 30
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Sistemi Solari Fotovoltaici
Diodi di blocco e di bypass
Il Diodo di bypass viene posto nella cassetta di terminazione del modulo e serve per
escludere il modulo contenente una cella contropolarizzata (causa parziale o totale
ombreggiamento)
Il Diodo di blocco viene posto in serie alla polarità positiva della stringa per impedire
un eventuale ritorno di corrente proveniente da stinghe a tensione di lavoro più elevata
della stringa stessa.
In alternativa ai Diodi di blocco possono essere messi dei fusibili o interruttori di
massima corrente. I fusibili hanno il vantaggio di non introdurre cadute di tensione e
impedire alla corrente sui moduli di raggiungere determinati valori, lo svantaggio è che
non si autoripristinano e che non danno una direzione preferenziale alla corrente.
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Sistemi Solari Fotovoltaici
Scaricatori di sovratensione
Sono sistemi che vengono utilizzati per proteggere il sistema da fulminazioni dirette e
indirette.
Fulminazioni
dirette
Fulminazioni
indirette
Struttura colpita da
un fulmine
Caduta del fulmine in prossimità della
struttura, genera campi elettromagnetici e
tensioni indotte
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Si mette uno scaricatore
per ogni polarità verso
terra nel punto più vicino
alle stringhe
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Sistemi Solari Fotovoltaici
Quadro di Parallelo assolve le seguenti funzioni:
• Connessione e parallelo di un certo numero di
stringhe
• Protezione delle stringhe con diodi di blocco
• Protezione delle stringhe da sovratenzioni indotte
attraverso l’uso di scaricatori verso terra
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Modello costi del sistema Pannello
C '⋅Pi
c=
n ⋅ e ⋅ E ⋅ Ai
• c è il costo unitario dell’energia (€/kWh)
• C’ è il costo della potenza (€/kW ) di picco
• E è la quantità di energia mediamente
disponibile al suolo in una determinata località
in un anno (kWh/m2anno)
• e è il rendimento globale medio di
conversione del pannello considerato
Il prodotto j=e*n può
essere definito indice
tecnologico: tiene conto
dei progressi fatti in
termini di affidabilità ed
efficienza del pannello
fotovoltaico.
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• n è il numero di anni di prevedibile durata
del pannello (in prima approssimazione si
trascura la attualizzazione)
• P i è la potenza di picco ( kWp/m2)
• Ai rappresenta
considerato ( m2 ).
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l’area
del
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pannello
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Le ordinate
rappresentano il
costo dell’energia
prodotta (€/kWh)
indice tecnologico j
rappresenta il
coefficiente angolare.
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Le ascisse
rappresentano il costo
del pannello al metro
quadro (€/mq)
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Pannelli PoliCristallini
0,4
0,35
0,3
€/kWh
0,25
eurosolare P=120W e=8,1%
0,2
Kyocera P=120W e=12,9%
Bp Solar P=120W e=10,9%
0,15
0,1
0,05
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
€/mq
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
confronto mono-policristallino
0,35
0,3
0,25
€/kWh
0,2
monocr P=170W; e=13,5%
policr P=160W; e=12,7%
0,15
0,1
0,05
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
€/mq
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Nella valutazione dei costi andrebbero considerati anche gli oneri dovuti allo
smaltimento e al riciclaggio di tutti i materiali utilizzati nel processo produttivo, tenendo
in considerazione il fatto che la maggior parte di questi sono tossici.
Non si è ancora riusciti a quantificare i costi della smaltimento, non essendoci ancora
oggi metodi standardizzati espressamente pensati per i moduli fotovoltaici. Essendo
questi formati da moltissimi elementi di diversa natura.
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Processo di realizzazione modulo fotovoltaico
Dopo la realizzazione della cella si passa alla saldatura dei contatti elettrici in stagno
Cella silicio policristallino (fonte Elettrosannio)
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Dopo aver assemblato le celle collegandole in serie viene realizzato il sandwich come
visto in precedenza, si mette in una particolare macchina, il laminatore che operando ad
elevate temperature toglie l’aria presente negli interstizi e permette all’Eva di aderire tra
celle vetro e Tedlar
Laminatore (fonte: Elettrosannio)
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Sistemi Solari Fotovoltaici
Dal laminatore esce il pannello
Pannello policristallino da 32 celle (fonte Elettrosannio)
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Al pannello ora deve essere aggiunta la cornice, questa viene siliconata e e assemblata
tramite la macchina in figura
Incorniciatrice (fonte Elettrosannio)
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B.2
Sistemi Solari Fotovoltaici
Una volta incorniciato, al pannello si applica la scatola di terminazione.
Il produttore testa il pannello alle condizioni nominali con una opportuna
apparecchiatura, che restituirà, come dati di uscita la curva caratteristica del pannello ed
i suoi dati di targa
Macchina per testare i pannelli (fonte Elettrosannio)
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