B.2-Sistemi solari fotovoltaici - Università degli Studi di Roma "Tor
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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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 1 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 Fonti Rinnovabili di Energia Panne lli fles sibili i n silic io po licrista llino Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 2 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 3 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 4 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol -34 Js costante di Planck, ?: la frequenza A.A. 2003-04 5 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 6 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 7 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 8 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 9 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". Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 10 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 11 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 12 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 13 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 14 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 15 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). Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 16 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 17 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 18 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% Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 19 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 20 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 21 B.2 Sistemi Solari Fotovoltaici 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). Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 22 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). Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 23 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 24 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 25 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 26 B.2 Sistemi Solari Fotovoltaici Collegamento misto Le possibili soluzioni sono : • serie – parallelo • parallelo - serie Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 27 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 28 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 29 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 30 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 31 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 32 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 33 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%. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 34 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 35 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 Fonti Rinnovabili di Energia Film sottile amorfo Uni Solar Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 36 B.2 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 37 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 38 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, Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 39 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) Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 40 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol 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. A.A. 2003-04 41 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 42 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 43 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 44 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 45 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) Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 46 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 47 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 48 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 49 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 50 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 51 B.2 Sistemi Solari Fotovoltaici 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 52 B.2 Sistemi Solari Fotovoltaici 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% Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 53 B.2 Sistemi Solari Fotovoltaici 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). Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 54 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 55 B.2 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 ) Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 56 B.2 Sistemi Solari Fotovoltaici 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 57 B.2 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 58 B.2 Sistemi Solari Fotovoltaici 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 59 B.2 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 60 B.2 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol Si mette uno scaricatore per ogni polarità verso terra nel punto più vicino alle stringhe A.A. 2003-04 61 B.2 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 62 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. Fonti Rinnovabili di Energia • 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 ). Prof. Claudia Bettiol l’area del A.A. 2003-04 pannello 63 B.2 Sistemi Solari Fotovoltaici Le ordinate rappresentano il costo dell’energia prodotta (€/kWh) indice tecnologico j rappresenta il coefficiente angolare. Fonti Rinnovabili di Energia Le ascisse rappresentano il costo del pannello al metro quadro (€/mq) Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 64 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 65 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 66 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 67 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) Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 68 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) Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 69 B.2 Sistemi Solari Fotovoltaici Dal laminatore esce il pannello Pannello policristallino da 32 celle (fonte Elettrosannio) Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 70 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) Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 71 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) Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 72
