Lezione Celle solari

CORSO DI INTRODUZIONE
AL FOTOVOLTAICO
Nozioni di base
L’energia inesauribile
Il potenziale del sole
Il sole é una stella di forma pseudosferica, composta da idrogeno e elio, con un
diametro di circa 1’391’000 km ed è situata a 149’598’000 km dalla terra. La
temperatura al suo interno raggiunge i 107 °K.
Il sole è una fonte di energia ancora poco utilizzata, ma con un grande potenziale. Ogni
giorno arrivano sulla terra 970.000 miliardi di kWh. Un metodo per poter recuperare questa
preziosa energia sono i moduli fotovoltaici.
FOTOVOLTAICO
Un primo sguardo
Luce e Calore
Le radiazioni emesse dal sole sotto forma di luce
e calore possono essere utilizzate.
- La luce può essere trasformata direttamente in
elettricità per mezzo di pannelli fotovoltaici
sfruttando le proprietà di materiali semiconduttori
come il silicio.
- Il calore può essere utilizzato per il
riscaldamento dell’ acqua per mezzo di pannelli
solari.
La parte di energia solare che riesce a
raggiungere la terra in un’ora equivale al
consumo energetico di tutto il mondo di un
anno.
FOTOVOLTAICO
Com’è costruito un
modulo fotovoltaico
Un primo sguardo
Il componente base di un modulo fotovoltaico è la cella
Cella
Modulo
Diverse celle
assemblate
Stringa
Diversi moduli
collegati
Campo
Diverse stringhe
collegate
FOTOVOLTAICO
Un primo sguardo
Com’è costruito un
modulo fotovoltaico
Un’immagine di un modulo in film sottile.
In alcuni tipi di modulo non esiste il concetto
di cella che infatti non la si può individuare.
Questo perché il modulo viene realizzato
‘spruzzando’ del composto di silicio sulla
superficie del pannello.
Si parte quindi dal concetto di modulo.
FOTOVOLTAICO
Un primo sguardo
Tipologie di moduli
fotovoltaici
Sono 3 le tipologie di moduli fotovoltaici più utilizzate:
Silicio mono cristallino
Famiglia
Cristallino
Silicio poli cristallino
Silicio amorfo, CIS, CdTe
Famiglia
Film sottile
PANNELLI FOTOVOLTAICI: FUNZIONAMENTO
I pannelli fotovoltaici sono anche detti pile solari
perchè trasformano l'energia luminosa dei raggi
solari in energia elettrica sfruttando l'effetto
fotoelettrico: una piastra metallica in silicio, esposta
alla luce solare (fotoni), emette cariche elettriche
(elettroni).
Un generatore fotovoltaico è formato
da:
- celle in silicio (10 cm x 10 cm);
- modulo: insieme di più celle;
- pannello (1 m x 1,6 m): insieme
di moduli inseriti in una struttura
metallica;
- stringa: insieme di pannelli collegati
tra di loro con cavi elettrici;
- generatore fotovoltaico: stringhe tra
di loro collegate per ottenere la
potenza elettrica voluta.
La fisica dei materiali
L’effetto fotovoltaico
Un modulo fotovoltaico è un dispositivo in grado di convertire l'energia
solare direttamente in energia elettrica mediante effetto fotovoltaico.
Questo tipo di conversione è possibile grazie a 3 fenomeni fisici:
Assorbimento della luce nei materiali,
Trasferimento dell’energia dei fotoni alle cariche elettriche,
Il collegamento delle cariche elettriche.
Il materiale utilizzato dovrà avere delle proprietà ottiche e elettriche
specifiche per permettere la conversione fotovoltaica.
La fisica dei materiali
Interazione della luce con la materia
I raggi luminosi che incidono in un solido subiscono 3
modifiche ottiche.
- La riflessione: la luce non riesce a penetrare nel corpo
solido ed è rinviata verso l’esterno.
- La trasmissione: La luce attraversa l’oggetto senza
subire nessuna trasformazione.
I(incidente) = A (assorbita) + T (trasmessa) + R (riflessa)
- L’assorbimento: Le luce penetra nell’oggetto e
non esce più. L’energia verrà restituita sotto
un’altra forma (ad es. calore).
Nei moduli fotovoltaici l’obiettivo è di aumentare la quota di
luce assorbita, perché è l’unica parte che verrà trasformata
in energia elettrica.
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La Conversione Fotovoltaica
Silicio
L’atomo di silicio possiede 14 elettroni di cui 4 di
valenza; in un cristallo di silicio puro ciascun atomo è
legato in modo covalente con altri quattro atomi: ogni
elettrone di valenza si lega con un elettrone di valenza
di un altro atomo.
Il passaggio dalla banda di valenza a quella di
conduzione avviene trasmettendo all’elettrone una
opportuna quantità di energia. In tale passaggio
l’elettrone si lascia dietro una buca detta ‘lacuna’ che
può venire occupata da un altro elettrone. Il
movimento degli elettroni comporta così anche
quello delle lacune.
Silicio
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La Conversione Fotovoltaica
Donatore
Silicio
Fosforo
Elettrone
debolmente legato
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La Conversione Fotovoltaica
Accettore
Silicio
Boro
Lacuna
Boro
Silicio
Boro
Silicio
Boro
Silicio
Boro
Silicio
Silicio
Distanza
Materiale P
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Densità
di carica
Giunzione
Silicio
Fosforo
Silicio
Materiale N
+
Fosforo
Silicio
Fosforo
Regione di
svuotamento
Silicio
Fosforo
Silicio
-
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La conversione dell’energia solare in energia elettrica avviene
sfruttando l’effetto indotto da un flusso luminoso che incide
su un materiale semiconduttore ‘drogato’
Ogni fotone dotato di energia sufficiente, sulla base della
relazione E = h  , con h costante di Plank ed  lunghezza
d’onda della radiazione, è in grado di liberare all’interno
della giunzione P-N una coppia elettrone – lacuna.
Utilizzando come semiconduttore il silicio, l’energia minima
necessaria a liberare una coppia elettrone – lacuna
corrisponde ad una lunghezza d’onda massima della
radiazione luminosa di 1.15   m.
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
DENSITA' SPETTRALE DI POTENZA
[W/m²]
Frazione dello spettro della radiazione
solare potenzialmente convertibile in energia
elettrica per un semiconduttore al silicio
75%
1800
La percentuale di energia solare che
teoricamente possibile convertire in
1350 W/m² (AM0)
1200
energia elettrica non supera il
1000 W/m² (AM1)
800
44%
Radiazione con contenuto
energetico sufficiente a liberare
una coppia elettrone - lacuna
400
LUNGHEZZA D'ONDA
0
0,3
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5 [µm]
La rimanente parte, pari al
è trasformato in calore
56%,
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La Conversione Fotovoltaica
I principali semiconduttori utilizzati sono:
• Silicio (Si)
• Germanio (Ge)
• Arseniuro di Gallio (GaAs)
• Solfuro di Cadmio (CdS)
• Solfuro di Rame (Cu2S)
• Celle a giunzione multipla (Tandem)
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Circuito equivalente di una cella fotovoltaica
Il rendimento delle celle fotovoltaiche in silicio, anche nelle prove di
laboratorio è molto distante dal 44%, in quanto intervengono ulteriori
inefficienze:
1. Non tutti i fotoni incidenti sulla cella
fotovoltaica penetrano all’interno,
alcuni sono riflessi ed altri intercettati
dall’elettrodo frontale (resistenza Rs)
2. Alcune coppie elett.–lacuna si ricombinano
prima che queste possano essere
separate dal campo elettrico interno
alla giunzione (grado di purezza del Si)
3. Parte dell’energia potenziale ceduta alla
cella, risulta insufficiente per liberare la
coppia elettrone–lacuna (diodo)
IL
ID
RS
IC
RC
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Caratteristica Tensione – Corrente di una Cella Solare
I
Quadrante dove la cella si
comporta da semplice
diodo in conduzione diretta
Caratteristica alla luce
Caratteristica al buio
Quadrante dove
la cella passa in
conduzione
inversa
Im
Vm
Quadrante dove la
cella si comporta da
generatore di energia
elettrica
V
Punto di Massima Potenza
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Caratteristica Elettrica (I-V) in funzione della Temperatura
1.00
0.75
CORRENTE DI
CORTOCIRCUITO
ICC (V=0)
0.50
0.25
TENSIONE A
VUOTO – V0 (I=0)
0.00
0.00
0.20
-40°C
-20°C
0°C
20°C
40°C
60°C
0.53 0.57 0.60 0.64 0.68 0.72
V [V]
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Caratteristica Elettrica (I-V) in funzione della Radiazione Solare
I [A]
3.5
1000 W/m2
900 W/m2
800 W/m2
700 W/m2
600 W/m2
500 W/m2
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
Caratteristica I-V di un modulo
commerciale da 50Wp a 40°
0.5
0.0
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
18.0
20.0
22.0
V [V]
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Caratteristica I-V di una Cella Solare ed andamento della Potenza
I [A]
P [W]
Caratteristica I-V
1.00
0.40
Im
Punto di massima
potenza Pm= Vm  Im
0.75
0.30
0.50
0.20
0.25
0.00
0.00
0.10
Andamento della
potenza P= V  I
0.00
0.20
0.40
Vm
0.60
V [V]
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Tipologie di celle fotovoltaiche
La maggior parte delle celle fotovoltaiche attualmente
in commercio è costituita da semiconduttori in
silicio per i seguenti motivi:
• Disponibilità pressoché illimitata (risorse del
pianeta)
• • Largo utilizzo nell’industria elettronica (processi
tecnologici di raffinazione, lavorazione e drogaggio
ben affinati)
• • • Possibilità di riciclare gli scarti dell’industria
elettronica in quanto l’industria fotovoltaica tollera
concentrazioni di impurità tipicamente di 10-5÷10-6
(contro i valori di 10-8 ÷ 10-9 relativi all’industria
elettronica)
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Tipologie di celle fotovoltaiche
Celle al silicio monocristallino
•
  .
Gemmazione e crescita cristallina - Il silicio a cristallo
singolo è ottenuto da un processo detto melting a
partire da cristalli di silicio di elevata purezza che,
una volta fusi, vengono fatti solidificare a contatto
con un seme di cristallo. Il silicio solidifica nella
forma di un lingotto cilindrico costituito da un unico
cristallo del diametro di 13 ÷20cm e lunghezza di
circa 200cm;
• • Taglio – Il lingotto viene “affettato” con particolari
seghe in wafers con spessore di 250 ÷350 m (spinto
sfruttamento del lingotto contro un’estrema fragilità
dei wafers)
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Tipologie di celle fotovoltaiche
Celle al silicio policristallino
  9.0
•
Forma - Il silicio policristallino è caratterizzato dalla presenza di più
cristalli aggregati fra di loro con forme, dimensioni ed orientamenti
differenti;
••
Costi contenuti – (rispetto al silicio monocristallino)
Celle al silicio amorfo
  6.0
•
Forma – Il semiconduttore, sotto forma di gas, è depositato in strati
dell’ordine di 10  m su qualsiasi superficie (tecnica dei film sottili);
••
Instabilità delle prestazioni elettriche – ?
• • • Tecnica della giunzione multipla – Con il drogaggio differente di vari
strati di silicio collegati in serie si ottengono celle con diverse
sensibilità allo spettro solare. Il risultato si traduce in un maggior
rendimento e resa energetica;
• • • • Costi contenuti – (rispetto al silicio policristallino)
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Tipologie di celle fotovoltaiche
La connessione elettrica tra le celle fotovoltaiche è
ottenuta per mezzo di due contatti metallici, uno sulla
faccia esposta e l’altro su quella opposta,
normalmente ottenuti per evaporazione sotto vuoto
di metalli a bassissima resistenza elettrica ed
effettuando successivi trattamenti termici al fine di
assicurarne la necessaria aderenza alla superficie
della cella. Mentre la metallizzazione posteriore copre
tutta la faccia, quella frontale esposta alla luce deve
avere una configurazione geometrica tale da
consentire un buon compromesso tra trasparenza alla
radiazione incidente e massima raccolta degli
elettroni liberi nel processo di conversione
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I Sistemi Fotovoltaici
Il sistema fotovoltaico è un insieme di
componenti meccanici, elettrici ed elettronici
che concorrono a captare e trasformare
l’energia solare disponibile, rendendola
utilizzabile dall’utenza in energia elettrica.
La struttura di un sistema fotovoltaico può essere
molto varia; nella sua forma più generale può
essere schematizzato col seguente schema a
blocchi:
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PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
CAMPO FOTOVOLTAICO
(MODULI)
CONVOGLIAMENTO IN
SERIE E PARALLELO TRA
LE CONNESSIONI DEI
MODULI
CONVERSIONE C.C./C.A.
GENERATORE DI
SOCCORSO
QUADRO ELETTRICO DI
DISTRIBUZIONE
CARICO (RETE - UTENTI)
SISTEMA DI
ORIENTAMENTO
BATTERIA
REGOLAZIONE DI
CARICA / SCARICA
BATTERIA
QUADRO
ELETT. C.C.
SERVIZI AUSILIARI
INTERNI
CARICO IN
C.C.
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I Sistemi Fotovoltaici
Dal punto di vista delle strutture di sostegno dei moduli, si parla di:
•
Sistemi ad inclinazione fissa - (struttura portante fissa)
• • Sistemi ad inseguimento attivi - single/double axis tracking
systems (caratterizzati da motori passo e elettronica di
controllo)
•••
Sistemi ad inseguimento passivi – (principio di
funzionamento basato sulla differenza di pressione che si forma
in due cilindri, contenenti ciascuno particolari sostanze es. freon
e olio)
Dal punto di vista elettrico si dividono in:
•
Sistemi isolati o “stand alone”
• • Sistemi connessi in rete “grid connected”
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I Sistemi Fotovoltaici – Schemi a blocchi
•
Sistema di Pompaggio
CAMPO FOTOVOLTAICO
••
Azionamento a
INVERTER frequenza variabile
POMPA
Utenza Isolata
CAMPO
FOTOVOLTAICO
REGOLATORE
DI CARICA
BATTERIA
INVERTER
CARICO IN C.A.
CARICO IN C.C.
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I Sistemi Fotovoltaici – Schemi a blocchi
•••
Sistema Ibrido Isolato (fotovoltaico – eolico – diesel)
CAMPO
FOTOVOLTAICO
GENERATORE
EOLICO
DIESEL
REGOLATORE
DI CARICA
BATTERIA
INVERTER
CARICO IN C.A.
CARICO IN C.C.
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I Sistemi Fotovoltaici – Schemi a blocchi
• • • • Impianto Collegato alla Rete
RETE
CAMPO
FOTOVOLTAICO
INVERTER
QUADRO ELETTRICO
DI INTERFACCIA
UTENZA
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Il Campo Fotovoltaico
Il campo fotovoltaico è un insieme di moduli fotovoltaici
opportunamente collegati in serie e in parallelo in per
realizzare le condizioni operative desiderate
MODULO
CELLA
MODULO
PANNELLO
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Il Campo Fotovoltaico
PANNELLO
STRINGA
Vantaggi e svantaggi
delle due famiglie
Famiglia
- Dimensioni più contenute
Cristallino - Efficienza 12-16%*
- Sensibili alle ombre
- Dimensioni più ingombranti
Famiglia
Film sottile - Efficienza 6-9%*
- Non sensibili alle ombre (produce anche
con cielo nuvoloso)
- Non richiede inclinazione dei pannelli
- Meno influenzati dalla temperatura
- Usufruisce di più ore di luce (produce prima
al mattino e termina più tardi la sera)
- Ritorno dell’investimento più veloce
* in condizioni particolari di misurazione
PANNELLI FOTOVOLTAICI: FUNZIONAMENTO
La corrente elettrica prodotta dai pannelli fotovoltaici
è di tipo continuo. Per renderla utilizzabile all'interno
delle abitazione (corrente alternata) è necessario un
inverter.
SISTEMI ISOLATI
Vengono utilizzati dei sistemi di
accumulo dell'energia elettrica
(batterie) e successivamente
utilizzata (case isolate, rifugi di
montagna, lampioni stradali).
SISTEMI COLLEGATI ALLA
RETE
Impianti realizzati sulle singole
abitazioni e collegati alla rete di
distribuzione elettrica.
Sistemi connessi alla rete
elettrica
Schema di un impianto fotovoltaico collegato alla rete
L’energia prodotta attraverso i pannelli è autoconsumata o immessa nella rete elettrica.
È possibile riprendere in un secondo momento
l’energia prodotta e non auto-consumata.
PANNELLI FOTOVOLTAICI: VANTAGGI - SVANTAGGI
Per l'installazione di un impianto fotovoltaico da 3KWp sono necessari:
- Circa € 10.000 ma in continua diminuzione;
- 20 mq di superficie del tetto (impianto integrato: pannelli inseriti in sostituzione
delle tegole - impianto semi integrato: pannelli inseriti sopra le tegole con una
struttura in acciaio);
- Incentivi statali (conto energia) sull'energia prodotta (KWh) + risparmio bolletta
elettrica
I moduli thin film
Tipologia delle celle amorfe
A causa dell’elevato costo, della maturità della tecnologia e per ridurre la quantità di silicio
utilizzato, la maggior parte dei produttori di moduli FV sta sviluppando la tecnologia a film
sottile.
Questa tecnologia permette di depositare un sottilissimo strato di materiale
semiconduttore direttamente su un supporto solido o flessibile (ad es. vetro, acciaio,
plastica, stoffa…). Lo spessore ridotto (1-2 micron) permette di velocizzare il processo
produttivo e di rendere insignificante il costo stesso del semiconduttore utilizzato.
Gli attuali rendimenti dei moduli cristallini (circa 12-16%) sono superiori rispetto ai moduli
a film sottile (6-9%), ma vi sono enormi possibilità di miglioramento per questi ultimi.
Glossario
Efficienza
In una conversione di energia l’efficienza è il rapporto tra la potenza utile e la potenza
fornita al sistema. L’efficienza è espressa come valore compreso tra zero e uno o sotto
forma di percentuale. Un sistema con un efficienza uguale a 1 o 100% è un sistema privo
di perdite dove l’energia primaria è convertita nella sua totalità in energia secondaria.
L’efficienza di un modulo o di una cella è calcolata sulla base della misura della potenza
massima. Conoscendo il valore della potenza massima (equivale alla potenza utile), le
dimensioni del modulo in m2 e la potenza di irraggiamento (equivale alla potenza fornita
al sistema), si può calcolare l’efficienza.
La misura avviene tramite un irraggiamento costante di 1000 W/m2 come è definita dalle
norme.
Tensione e corrente al punto di massima potenza
La tensione e la corrente al punto di massima potenza sono i valori che si misurano nel
momento in cui il modulo fornisce la sua potenza massima.
L’irraggiamento solare
I moduli fotovoltaici convertono la luce solare
direttamente in energia elettrica. Da qui
l’importanza di capire e studiare il raggio del sole.
Al confine con l’atmosfera terrestre l’energia solare
è una costante che ha un valore medio pari a 1367
W/m2, mentre a livello del suolo l’irraggiamento è
molto variabile.
La cartina accanto mostra l’energia a livello del
suolo in Europa.
LA RADIAZIONE SOLARE
La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre si distingue in:
(1) diretta
(2) diffusa
(3) riflessa
Le proporzioni di radiazione (1), (2) e (3) ricevuta da una superficie dipendono
da:
(a) condizioni meteorologiche
(b) inclinazione della superficie
(c) presenza di superfici riflettenti
La diffusione della luce
Le tre componenti dell’irraggiamento
al suolo
-L’irraggiamento diretto: radiazione che giunge al
suolo direttamente dal sole.
-L’irraggiamento diffuso: è la radiazione che
giunge al suolo dopo essere stata riflessa e in parte
assorbita dall’atmosfera (aria, nuvole).
-L’irraggiamento per albedo: è la radiazione
riflessa dal suolo. Generalmente è la parte meno
preponderante ma in condizioni particolari come nel
caso di una superficie ghiacciata, la presenza di un
lago o del mare può essere considerevole.
LA RADIAZIONE SOLARE
Dati della Radiazione Solare
La radiazione solare su una superficie inclinata può essere
determinata mediante:
• Mappe isoradiative (generalmente non permettono di
distinguere le componenti della radiazione diretta e diffusa)
pubblicate da vari organismi
• Valori tabellati per ciascuna località (Servizio
Meteorologico Nazionale)
• Metodi di calcolo sperimentali (Norme UNI 10349 – UNI
8477, metodo di Liu e Jordan, ecc.)