2. Energia solare - Centro di Ricerca sulle Biomasse

2. Energia solare
9
Solare
Fotovoltaico
S l
F t
lt i
9
Effetto fotovoltaico
9
Le celle fotovoltaiche: materiali ed efficienza
9
Elementi di progettazione e analisi tecnico-economica.
9
Normativa per ll’incentivazione
incentivazione del fotovoltaico: il terzo conto
energia 2011- 2013.
9
E
Esempi
i di progettazione
tt i
di impianti
i
i ti di piccola
i
l e media
di taglia
t li
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
1
STORIA DELL’EFFETTO
DELL EFFETTO FOTOVOLTAICO
• Edmund Becquerel
q
((1839))
• scopre l’effetto fotovoltaico
• Charles Fritts (1883)
(
)
• prima cella al selenio (Rendimento inferiore allo 1 %)
• Spiegazione effetto fotovoltaico (fotoelettrico)
• Albert Einstein (premio Nobel 1921)
• Laboratori
L b t i Bel
B l (1954)
• prima cella fotovoltaica in silicio monocristallo,
monocristallo destinata ad alimentare le
centraline telefoniche
• Crisi energetiche (1973)
• Si considera l’ipotesi di impiegare energia solare e iniziano studi e progetti di
ricerca in tale direzione
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2
Applicazioni dell
dell’effetto
effetto fotovoltaico
La combinazione dell'effetto fotoelettrico e dell'effetto volta (presenza di un
campo elettrico all
all'interfaccia
interfaccia di una giunzione p-n)
p n) porta all
all'effetto
effetto fotovoltaico.
fotovoltaico
Se la giunzione è chiusa, questo sarà attraversata da corrente elettrica di
intensità proporzionale al numero di coppie elettrone lacuna generate e
raccolte.
Oggi la tecnologia della conversione fotovoltaica si rivolge a tre tipi di utenze
utenze::
9 Applicazioni aerospaziali
aerospaziali:: si utilizzano i materiali più innovativi e
costosi,, con rendimenti molto elevati ((>
(>30
30%
% );
9 Applicazioni terrestri di tecnologia intermedia
intermedia:: alimentazione di
piccole unità solari
solari.. Si fa uso di celle al Silicio cristallino,
cristallino che
raggiungono
gg g
rendimenti fino al 20
20%
%, con un costo intermedio
intermedio;;
9 Impiantistica tecnica e produzione di elevate potenze elettriche
elettriche:: lo
spazio per ll'installazione
installazione dei pannelli è disponibile,
disponibile il problema è il
costo, si adoperano celle in film sottile, molto meno costose ma con
rendimenti che superano di poco il 10
10%
%.
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3
Effetto fotoelettrico
Si definisce “banda di energia” l’insieme dei livelli energetici posseduti dagli
elettroni di un determinato materiale ed è composta da:
• una banda di valenza,
valenza costituita dall
dall’insieme
insieme di elettroni che hanno un
livello energetico basso, tale da restare nei pressi dell’atomo di
appartenenza;
• una banda di conduzione,
conduzione costituita dall
dall’insieme
insieme di elettroni che hanno un
livello energetico abbastanza alto, tale da lasciare l’atomo di appartenenza,
dando origine ad una conduzione di tipo elettrico;
• una banda proibita,
proibita costituita dall
dall’insieme
insieme dei livelli energetici non
consentiti, tra la banda di valenza e quella di conduzione.
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4
IL GAP DEI MATERIALI ELETTRICI
E
M t i li conduttori
Materiali
d tt i
BANDA DI
conduzione
valenza
Bande di conduzione e di valenza
si compenetrano
E
conduzione
Materiali semiconduttori
Bande di conduzione e di valenza
poco distanti (da 1 a 2 eV)
valenza
E
conduzione
M t i li isolanti
Materiali
i l ti
Bande di conduzione e di valenza
molto distanti
valenza
Livelli energetici elettroni di conduzione
Livelli energetici elettroni di valenza
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5
FENOMENO FOTOVOLTAICO
Energia
g di un fotone :
E=hc/λ
E
c
h
λ
: Energia del fotone in J
: Velocità
e oc tà de
della
a luce
uce nel
e vuoto
uoto = 3.10
09 in m/s
/s
: Costante di Planck = 6,6.10-34 in Js
: Lunghezza d’onda in m
Energia di un fotone di lunghezza d’onda
d onda
1 1 μm = 1,1
1,1
1 1 10-66 m:
E = h c / λ = 6,6.10-34 . 3.109 / 1,1.10-6 = 18.10-19 = 1,12 eV
dove 1 eV = 1,6.10-19 J
L’energia
L
energia del fotone deve essere superiore al gap di energia tra banda di
valenza e di conduzione
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6
FENOMENO FOTOVOLTAICO
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7
IL GAP DEI MATERIALI ELETTRICI
Per estrarre un elettrone dalla
semiconduttore sono necessari:
banda
di
valenza
di
Materiale
Energia
[eV]
λmax
Si
1,12
1,1
A-Si
1,76
0,70
Ge
0 62
0,62
2
GaInP
1 88
1,88
0 66
0,66
CuInSe2
1,05
1,18
Cu2O
2,1
0,59
InP
1 22
1,22
1 01
1,01
Se
22
2,2
0 56
0,56
GaAs
1,42
0,87
GaP
2,25
0,55
CdTe
1 45
1,45
0 85
0,85
CdS
24
2,4
0 52
0,52
[μm]
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Energia
Materiale
[eV]
un
λmax
[μm]
8
SPETTRO SOLARE DISPONIBILE
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9
Consideriamo un cristallo di Silicio:
Al suo interno gli atomi sono legati
da legami covalenti
Elettroni condivisi
tra atomi vicini
Se il cristallo viene
opportunamente drogato con
atomi appartenenti al terzo
gruppo
g
pp ad esempio
p Boro e del
quinto gruppo ad esempio
fosforo si ottiene
rispettivamente una struttura
di tipo p (con eccesso di
lacune)
acu e) ed una
u a di
d tipo
t po n (co
(con
eccesso di elettroni)
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Lacuna
Elettrone
libero
10
COLLEGAMENTO ELETTRICO
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11
Efficienza delle celle solari
Di tutta l'energia che investe la cella solare sotto forma di radiazione
luminosa, solo una parte viene convertita in energia elettrica disponibile ai
suoi morsetti.
EFFICIENZA DI CONVERSIONE = RAPPORTO TRA POTENZA MASSIMA
EROGATA
ED
IRRAGIAMNETO
SOLARE
CHE
INCIDE
SULLA
SUPERFICIE
L' ffi i
L'efficienza
di conversione
i
per celle
ll commerciali
i li all silicio
ili i è in
i genere compresa
t il 13% e il 20%,
tra
20% mentre
t realizzazioni
li
i i speciali
i li di laboratorio
l b t i raggiungono
i
il
40%
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12
Efficienza delle celle solari
• riflessione: non tutti i fotoni che incidono sulla cella penetrano al suo interno,
dato che in parte vengono riflessi dalla superficie della cella e in parte
incidono sulla griglia metallica dei contatti;
• fotoni troppo o poco energetici: per rompere il legame tra elettrone e
nucleo è necessaria una certa energia,
energia e non tutti i fotoni incidenti possiedono
energia sufficiente. D'altra parte alcuni fotoni troppo energetici generano
coppie elettrone-lacuna,
elettrone lacuna dissipando in calore l'energia eccedente quella
necessaria a staccare l'elettrone dal nucleo;;
• ricombinazione: non tutte le coppie elettrone-lacuna generate vengono
raccolte
lt dal
d l campo elettrico
l tt i di giunzione
i
i
e inviate
i i t all carico
i esterno,
t
d t che
dato
h
nel p
percorso dal p
punto di g
generazione verso la g
giunzione p
possono incontrare
cariche di segno opposto e quindi ricombinarsi;
• resistenza
i t
parassite:
it
l cariche
le
i h generate
t e raccolte
lt nella
ll zona di
svuotamento devono essere inviate all
all'esterno.
esterno. L
L'operazione
operazione di raccolta viene
effettuata dai contatti metallici, posti sul fronte e sul retro della cella. Anche se
durante la fabbricazione viene effettuato un processo di lega tra silicio e
alluminio dei contatti, resta una certa resistenza all'interfaccia, che provoca
una dissipazione
di i
i
che
h riduce
id
l potenza
la
t
t f it all carico.
trasferita
i
• Nel caso di celle al silicio policristallino,
policristallino ll'efficienza
efficienza è ulteriormente diminuita a
causa della resistenza che gli elettroni incontrano ai confini tra un grano e
l'altro e, ancor più nel caso di celle al silicio amorfo, per la resistenza dovuta
all'orientamento
all
orientamento casuale dei singoli atomi.
atomi
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13
Celle fotovoltaiche
MONOCRISTALLINA
9Sono le più efficienti,
efficienti ma anche
le più costose.
9Rendimento: 15-16%.
9Il wafer viene prodotto con il
metodo
Czochralsky,
cristallizzazione
i t lli
i
di una massa di
silicio fuso a partire da un seme di
silicio monocristallino molto puro.
Tale seme viene immerso nel
silicio fuso ed estratto molto
l t
lentamente,
t in
i modo
d che
h le
l altre
lt
parti, che vi si agglomerano,
p
gg
presentino la medesima struttura
cristallina del seme originario.
originario La
carota viene in seguito affettata in
modo
d da
d ottenere
tt
d i wafer,
dei
f
che
h
verranno
poi
p
opportunamente
pp
drogati.
9 colore uniforme.
uniforme
POLICRISTALLINA
AMORFA
9Costituite da una struttura a più
cristalli, meno efficienti, ma più
economiche
9Rendimento: 12 –13%.
13%
9Il wafer deriva dalla fusione e
successiva ricristallizzazione del
silicio non propriamente puro,
silicio,
puro
che
proviene
dallo
scarto
d ll’i d t i elettronica.
dell’industria
l tt i
9Dal
processo
di
ricristallizzazione viene fuori un
lingotto di silicio,
silicio affettato per
ottenere dei parallelepipedi
9 l
9colore
non
uniforme,
if
sii
possono distinguere
p
g
le diverse
cristallizzazioni.
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9La loro struttura non è
ordinata
in
cristalli
cristalli,
risultano però le più
economiche, anche se le
meno efficienti.
9Rendimento circa 8%.
9 Sono costituite da film
sottili di silicio allo stato
amorfo.
9vantaggio
vantaggio : versatilità
delle loro forme ottenibili e
t
tonalità
lità quasii trasparenti
t
ti
14
Particolare di Cella in Silicio Policristallino
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15
TECNOLOGIE A FILM SOTTILE
SILICIO
AMORFO
(a-Si:H)
TRADIZIONALE
Il processo di creazione della cella è molto semplice: su un
substrato rigido (vetro o metallo) vengono depositati con
tecnologie adeguate (sputtering o evaporazione) più strati di
materiale,, due di q
questi strati ((i p
più esterni)) diventano elettrodi di
conduzione, mentre lo strato interno diventa g
giunzione della cella
fotovoltaica.
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16
TECNOLOGIA a-Si:H
Si H TANDEM & TRIPLE JUNCTION
•D
Derivata
i t dalla
d ll tecnologia
t
l i precedente
d t (a-Si:H
( Si H tradizionale)
t di i
l ) questa
t tecnologia
t
l i
innovativa permette un maggior rendimento di funzionamento, il quale in
alcuni casi arriva al 12% (triple junction). In pratica vengono aggiunte
ulteriori
lt i i giunzioni,
i
i i trattate
t tt t in
i maniera
i
diff
differente,
t le
l qualili hanno
h
risposte
i
t
diverse allo spettro della luce,
luce aumentando quindi la banda di
funzionamento nello spettro solare.
• Ad esempio: un modulo FV costruito con questo tipo di tecnologia,
paragonata
t all silicio
ili i cristallino
i t lli m-Si,
Si anche
h se di minor
i
efficienza,
ffi i
a parità
ità di
potenza riesce a produrre in base annua fino a un 20% in più di energia
perché ha una migliore risposta alla radiazione solare diffusa.
•
La tecnologia Triple Junction permette
di costruire moduli fotovoltaici di tipo
flessibile per svariati usi e inoltre
permette di incollare le varie celle su
substrati in acciaio (tetti in lamiera) e
di altro materiale (guaina in PVC,
etc )
etc.).
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17
TECNOLOGIA
CADMIOTELLURIDE
/
CADMIOSULFIDE
(CTS)
• La cella solare CTS è composta da uno strato p (CdTe) e uno strato n (CdS) i
quali formano una eterogiunzione p
p-n
n.
• La tecnologia di deposizione dei materiali si rifà a quella già elencata per il
Silicio Amorfo.
• Differentemente dalla tecnologia a
a-Si:H
Si:H, la cella CTS riesce a ottenere
efficienze maggiori:
gg
8-10% p
per p
prodotti industriali ((15,8%
,
ottenuto in
laboratorio).
•
Uno dei problemi elencati per la
produzione in larga scala della
tecnologia
g CTS è il cadmio contenuto
nella cella il quale può diventare un
problema
ambientale
se
non
correttamente riciclato o utilizzato
(tossicità).
(tossicità)
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18
Rendimenti
• CIS= diselenurio di indiorame
• GaAs= gallio arsenuro
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19
R di
Rendimenti
ti
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20
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21
La CURVA tensione corrente di una cella
SCHEMA IMPIANTO DI ANALISI (1000 W/mq)
Cella
A
Fotovoltaica
V
R
R infinita
+
A = Amperometro
V = Voltmetro
R=C
Carico
i elettrico
l tt i o resistenza
i t
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22
CURVA VI
Cella
Voc
A
Fotovoltaica
V
+
Cella
Isc
A
Fotovoltaica
Tensione a
circuito aperto
V
+
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Intensità di
Corrente a
circuito chiuso
23
CURVA VI
Isc
Ip
Vp
Voc
FATTORI DISCRIMINANTI DI PRESTAZIONE
Fill Factor
F t
F=
I p ⋅ Vp
P t
Potenza
di Picco
Pi
Pp = Ip X Vp
Isc ⋅ Voc
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24
Caratteristica II-V
V di una Cella Solare ed andamento della
Potenza
I [A]
P [W]
Caratteristica I-V
1.00
0 40
0.40
Im
Punto di massima
potenza Pm= Vm⋅ Im
0.75
0 30
0.30
0.50
0.20
0 25
0.25
0.10
Andamento della
potenza
t
P=
P V⋅
V I
0 00
0.00
0 00
0.00
0 00
0.00
0 20
0.20
0 40
0.40
Vm
0 60
0.60
V
[V]
Un cortocircuito è un collegamento fra due punti di un circuito che ha resistenza
nulla impone una tensione nulla (o trascurabile) ai suoi capi e non impone vincoli sulla
nulla,
corrente che passa attraverso di esso, che può assumere valori molto elevati
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25
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
26
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
27
CURVA VI E POTENZA DI PICCO
P=VXI
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28
MOULI FOTOVOLTAICI
Le caratteristiche elettriche principali di un modulo fotovoltaico sono:
9 Potenza di Picco (Wp): Potenza erogata dal modulo alle condizioni standard
STC (Irraggiamento = 1000 W/m2; Temperatura = 25 ° C; A.M. = 1,5)
9 Corrente nominale (A): Corrente erogata dal modulo nel punto di lavoro
9 Tensione nominale (V): Tensione di lavoro del modulo
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29
Effetto della temperatura di esercizio
•Perdite Termiche Pt
Pt = Tamb.
Tamb -25+
25+ (NOCT – 20) I/800) Y/100
•Dove Y è il coefficiente di temperatura (%/
(%/°C)
C)
•I radiazione solare Incidente (W/mq)
•NOCT ((°C)
C) Temperatura nominale operativa delle celle (40 - 50
50°C)
C)
Variazione
V
i i
d
della
ll C
Curva
Volt Amperometrica con la temperatura
Volt-Amperometrica
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30
Esempio
p di schede
tecniche pannelli
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31
Campi fotovoltaici: collegamento delle celle
9è costituito dall
dall’insieme
insieme dei moduli fotovoltaici opportunamente collegati in
serie ed in p
parallelo in modo da realizzare le condizioni operative
p
desiderate.
9L’elemento base del campo
è il modulo fotovoltaico.
9Pi moduli assemblati meccanicamente tra loro formano il pannello, mentre
moduli o pannelli collegati elettricamente in serie, per ottenere la tensione
nominale
i l di generazione,
i
f
formano
l stringa.
la
ti
9I fi il collegamento
9Infine
ll
t elettrico
l tt i in
i parallelo
ll l di pii
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stringhe
t i h costituisce
tit i
il campo.
32
Il modulo
Collegamento in Serie
+
- +
-
DEFINIZIONE
STRINGA di N. moduli
Sono N moduli in serie
Tensione Totale = Somma delle tensioni di ciascun modulo
Corrente totale = Corrente di un Modulo
-
-
+
+
Collegamento in Parallelo
Tensione Totale = Tensione di un Modulo
Corrente Totale = Somma delle correnti di ciascun modulo
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33
Collegamento tra moduli
CONNETTORI
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34
CURVA VI: CELLE IN SERIE
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35
CURVA VI: CELLE IN PARALLELO
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36
Collegamento misto
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
37
Collegamento misto
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
38
Collegamento misto
DIODO DI STRINGA
+
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DIODO DI LATO
39
Esempio Collegamento Moduli
Modulo XY
Pp = 210 W
Voc = 40 Volt
Isc =
8A
V = 30 V
Vp
Voltlt
Ip =
7A
6 moduli = 1260 W
Configurazione 2 stringhe da 3 moduli
Configurazione 3 stringhe da 2 moduli
T t l Voc
Totale
V = 40 V
Voltlt x 3 =120
120 V
Voltlt
Totale Voc = 40 Volt x 2 = 80 Volt
Totale Isc =
Totale Isc =
8A
x 2 = 16 A
8A
x 3 = 24 A
Totale Vp = 30 Volt x 3 = 90 Volt
Totale Vp
p = 30 Volt x 2 = 60 Volt
Totale Ip =
Totale Ip =
7A
x 2 = 14 A
6 Moduli = 1260W
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
7A
x 3 = 21 A
6 Moduli = 1260W
40
Esempio di Collegamento Moduli
• Potenza nominale dell’impianto = 2000 W
• Composizione di 20 moduli da 100 W nominali ciascuno
• La composizione dei 20 moduli potrà essere realizzata in uno dei seguenti modi:
9 20 moduli in serie (1
( Stringa
S
da 20 – massima tensione producibile);
)
9 2 rami in p
parallelo,, ciascuno costituito da 10 moduli in serie ((2 Stringhe
g da 10);
);
9 4 rami in parallelo, ciascuno costituito da 5 moduli in serie (4 Stringhe da 5);
9 5 rami in parallelo,
parallelo ciascuno costituito da 4 moduli in serie (5 Stringhe da 4);
9 20 rami, costituiti da 1 moduli (20 Stringhe da 1- massima corrente producibile);.
• A ciascuna delle composizioni corrisponde un diverso valore di tensione nominale
dell’impianto (pari al numero dei moduli in serie moltiplicato per la tensione nominale del modulo,
che si assume pari alla tensione di max potenza nelle condizioni standard).
• La scelta della tensione nominale è legata a:
– aspetti
tti di carattere
tt
normativo
ti (per
(
esempio
i una tensione
t
i
fi a 120V in
fino
i corrente
t continua
ti
è considerata in condizioni ordinarie bassissima tensione di sicurezza e richiede
provvedimenti meno severi riguardo ai contatti accidentali di una persona con parti
elettriche in tensione);
– contenimento
t i
t delle
d ll dissipazioni
di i
i i di energia
i (maggiore
(
i
è il numero dei
d i ramii in
i parallelo,
ll l
tanto più grande è la corrente globale, e con essa aumentano le perdite per effetto Joule);
– adattamento alle caratteristiche elettriche degli altri componenti di impianto
– Tensione massima sistema (tipicamente 600 o 1000 Volt).
• IIn ognii caso l’energia
l’
i producibile
d ibil dall’impianto
d ll’i
i t (trascurando
(t
d le
l perdite
dit per effetto
ff tt Joule)
J l )è
indipendente dalla configurazione dei collegamenti serie-parallelo, e dipende dalla
potenza
t
nominale
i l dell’impianto
d ll’i
i t e dai
d i dati
d ti climatici
li ti i del
d l sito.
it
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41
Tipologia di impianti solari
• I sistemi,
sistemi indipendentemente dal loro utilizzo e dalla taglia di potenza,
potenza
possono essere divisi in due categorie:
p
g
9 isolati (stand alone)
9 connessi in rete (grid connected)
• I sistemi isolati proprio per il fatto di non essere collegati alla rete elettrica,
sono in
i genere dotati
d
i di sistemi
i
i di accumulo
l dell’energia
d ll’
i prodotta.
d
D
Durante
l
la
fase di insolazione pertanto necessario prevedere un accumulo dell
dell’energia
energia
non immediatamente utilizzata,, che viene fornita al carico q
quando q
quella
disponibile
ridotta o addirittura nulla. Una configurazione di questo tipo
comporta che il campo fotovoltaico venga dimensionato in modo tale da
permettere durante le ore di insolazione,
permettere,
insolazione sia ll’alimentazione
alimentazione del carico che la
ricarica delle batterie di accumulo.
• Il sistema connesso in rete,, invece,, in g
genere non
provvisto di sistemi di
p
accumulo in quanto l’energia prodotta durante le ore di insolazione viene
immessa nella rete elettrica; viceversa durante le ore di insolazione scarsa o
nulla il carico viene alimentato dalla rete.
rete
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42
Impianti stand-alone
stand alone
I principali componenti che costituiscono un impianto fotovoltaico isolato sono:
9Moduli fotovoltaici
9Regolatore di carica
9Inverter
9Sistema di accumulo (batterie di accumulo)
In tale tipologia di impianti,
impianti ll’energia
energia prodotta dai moduli fotovoltaici viene
immagazzinata in batterie di accumulo. Il carico viene alimentato, attraverso il regolatore
di carica, dall’energia accumulata nelle batterie.
Il regolatore di carica serve a preservare
gli accumulatori da un eccesso di carica ad
opera del generatore fotovoltaico e da un
eccesso di scarica dovuto all
all’utilizzazione
utilizzazione.
Entrambe le condizioni sono nocive per la
corretta funzionalità e la durata degli
accumulatori.
accumulatori
Le batterie per uso fotovoltaico devono
avere i seguenti
ti requisiti:
i iti
¥ Basso valore di autoscarica
¥ Lunga vita stimata
¥ Manutenzione quasi nulla
¥ Elevato numero di cicli di carica-scarica
carica scarica
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
43
Componenti di un impianto grid-connected
grid connected
I principali componenti di impianto fotovoltaico connesso in rete sono:
• Moduli fotovoltaici
• Inverter per la connessione in rete
• Dispositivo
Di
i i di interfaccia
i
f
i con la
l rete elettrica
l
i
• Contatore
C t t
di energia
i bidirezionale
bidi i
l
L’inverter
L’i
t è un componente
t tra
t i più
iù importanti
i
t ti neii sistemi
i t i collegati
ll
ti in
i rete
t
perché massimizza la produzione di corrente del dispositivo fotovoltaico ed
ottimizza il p
passaggio
gg di energia
g tra il modulo fotovoltaico ed il carico.
L’inverter è un dispositivo
p
che trasforma l’energia
g continua p
prodotta dai moduli
(12V, 24V, 48V, ..) in energia alternata (generalmente 220V) per alimentare il
carico-utente
i
t t e/o
/ immetterla
i
tt l nella
ll rete,
t con la
l quale
l lavora
l
i regime
in
i
di
interscambio.
interscambio
Gli inverters per il collegamento alla rete elettrica generalmente sono dotati di
un dispositivo
p
elettronico che p
permette di estrarre la massima p
potenza,, istante
per istante, dal generatore fotovoltaico. Tale dispositivo è l’inseguitore del
punto
t di massima
i
potenza
t
(MPPT) ed
d ha
h appunto
t lo
l scopo di adattare
d tt
l
le
caratteristiche di produzione del campo fotovoltaico alle esigenze del carico.
carico
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
44
INVERTER
Pulse Width Modulation
Corrente generata in continuo
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
All’utenza Corrente Alternata (50Hz)
45
Schema di impianto
L’importanza
p
dell’inverter è legata
g
al fatto che un g
generatore fotovoltaico fornisce valori
di tensione e corrente variabili in funzione dell’irraggiamento e della temperatura, mentre
il carico necessita,
necessita solitamente,
solitamente di un valore costante della tensione di alimentazione.
alimentazione
p
di interfaccia con la rete ha lo scopo
p di fare in modo che la forma d’onda
Il dispositivo
dell’energia elettrica immessa in rete abbia tutte le caratteristiche richieste dal fornitore
locale di energia.
energia
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
46
INVERTER
Compatibilità con il generatore fotovoltaico:
1 Voc max stringa (T min) < Vin max inverter
1.
2 Vp
2.
V (max
(
pot.)
t ) min
i stringa
ti
(T max)) > Vin
Vi min
i inverter
i
t
3. P nom inv (95%) < P nom campo FV < P nom inverter (115%)
4. Corrente del campo < Corrente Max inverter
Es. di 10 moduli in serie:
Voc 22,5
, x10 = 225 V;;
Vp 17,8 x10 = 178 V;
Inverter 100
100-300
300 V
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
47
INVERTER
Conversione centralizzata
Inv.
Conversione di stringa
Inv.
Inv.
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
48
INVERTER
Conversione centralizzata
V t
Vantaggi
i
Più affidabile uno che molti
Manutenzione in posto comodo e
dedicato
Sostituzione facile con ulteriore più
performante
Facile cablaggio
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
Svantaggi
Necessità di trovare un posto
dedicato ventilato
Un guasto comporta l’arresto
dell’intero impianto
Minore efficienza perchè lavora
su molte stringhe
Possibilità di controllare il
funzionamento di ciascuna
stringa
49
C
CAMPO
O FOTOVOLTAICO
O O O
CO
Schema Unifilare
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
50
CONNESSIONE ALLA RETE
A) Dispositivo del generatore
Interviene in caso di guasto
dell’inverter
B) Dispositivo di Interfaccia
Distacca la rete dalla rete isola
(utenza) se vi sono problemi
alla rete elettrica
(evita di caricare la rete quando
questa vi sono p
problemi))
in q
C
B
C) Dispositivo generale
Dispositivo
p
di interruzione p
per
intervento sul sistema elettrico
d l produttore
del
d tt
A
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
51
CONNESSIONE ALLA RETE
Il quadro elettrico di interfaccia rete e contatori
L’impianto fotovoltaico si allaccia alla rete attraverso il quadro di interfaccia rete e
contatori.
contatori
Nel q
quadro troverà alloggio
gg
il contatore dell’energia
g
prodotta o immessa,
p
l’interruttore di rete e/o l’interruttore inverter, in morsettiera deve essere disponibile il
collegamento alla locale terra.
terra
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
52
RENDIMENTO DELL’IMPIANTO
DELL IMPIANTO- BOS
La corrente continua prodotta da un generatore fotovoltaico e
e’ maggiore
dei q
quella immessa nella rete o consumata in q
quanto vi sono diverse
perdite
Da 1 kW si otterrà una corrente all’utenza pari BOS x Ein (kWh/mq)
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
53
Sistemi fotovoltaici
Schema generale di un impianto fotovoltaico
CAMPO FOTOVOLTAICO
(MODULI)
CONVOGLIAMENTO IN SERIE E PARALLELO
DELLE CONNESSIONI TRA MODULI
CONVERSIONE DA c.c A c.a
REGOLAZIONE DI
CARICA/SCARICA
BATTERIA
QUADRO DI DISTRIBUZIONE
GENERATORE
DI SOCCORSO
SERVIZI AUSILIARI
INTERNI
CARICO
(RETE O UTENTI)
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
54
Sistemi fotovoltaici
Schemi p
particolari di alcune comuni applicazioni
pp
della conversione fotovoltaica
CAMPO FOTOVOLTAICO
INVERTER
POMPA
POMPAGGIO
AZIONAM. A FREQ.
VARIABILE
CAMPO FOTOVOLTAICO
INVERTER
CASA ISOLATA
CARICO
OTTIMIZZATO
CONTROLLO
DELLA CARICA
PICCOLI UTILIZ.
IN c.a.
(luce frigo
(luce,
frigo, tv)
BATTERIA
CARICO
CARICO
CARICO
CARICO
CARICO
VILLAGGIO ISOLATO
(Si t
(Sistema
ib
ibrido
id ffotovoltaico
t
lt i + Diesel)
Di
l)
DISTRIBUZIONE IN c.a.
c a IN BT O MT
INVERTER
CAMPO FOTOVOLTAICO
CARICO
BATTERIA
DIESEL
ACCUMULO
CAMPO FOTOVOLTAICO
INVERTER
RETE
IMPIANTO COLLEGATO ALLA RETE
CARICO
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
55
Analisi di Fattibilità
di un iimpianto
i t e criteri
it i di
dimensionamento
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
56
Progettazione
g
di un impianto
p
fotovoltaico.
fasi
‰ Sopralluogo e raccolta dati di progetto del sito
‰ St
Stima
ap
producibilità
oduc b tà de
dell’impianto
p a to
‰ Dimensionamento impianto
‰ Analisi economica
‰ Dimensionamento dei componenti dell
dell’impianto
impianto
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
57
Sopralluogo
STRUMENTAZIONE
•Planimetria
S h d di sopralluogo
Scheda
ll
•Bussola
•Fettuccia
•Macchina Fotografica
•Inclinometro
• Latit
Latitutine,
tine longitudine,
longit dine
livello del mare del sito
alte a
altezza
s l
sul
•O
Orientamento
i t
t
d l
del
installazione dei moduli
punto
t
di
• Nel caso di falda inclinata, inclinazione
della falda
• Temperature massime,
medie interne ed esterne
minime
e
• Dati relativi all’ambiente circostante,
ombreggiamenti
b
i
ti o presenza di polveri
l i
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
58
DETERMINAZIONE DELL’INCLINAZIONE
DELL INCLINAZIONE
L’inclinazione
L
inclinazione ottimale è pari alla latitudine L ( 35 – 45
45°))
Inclinazione Ottimale 30 - 35
35°
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
59
Esempi di angoli di installazione per diverse latitudini
BASSE LATITUDINI
Piccoli angoli di inclinazione
ELEVATE LATITUDINI
Angoli di inclinazione elevati
((anche posizionamento verticale))
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
60
Ombre portanti
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
IL SOPRALLUOGO
61
OMBREGGIAMENTO
9Ai
Ai fini di valutare ll’ombreggiamento
ombreggiamento è necessario effettuare un sopralluogo
e procedere ad un rilevamento topografico tramite inclinometro (teodolite) o
macchina fotografica
9L ombreggiamento è percentuale di energia solare diretta non sfruttabile a
9L’ombreggiamento
causa della presenza di elementi naturali (monti e colline) o artificiali (edifici)
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
62
OMBREGGIAMENTO
I dati
d ti sii analizzano
li
con software
ft
oppure con analisi
li i di restituzione
tit i
f t
fotografica
fi
21 giugno
21 marzo – 21 sett
21 dicembre
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
63
STIMA DELL
DELL’ENERGIA
ENERGIA SOLARE INCIDENTE
•
Approssimati
•
Stima dell’energia incidente su piano inclinato in base alla
Latitudine del sito secondo i dati riportati nella normativa
(UNI10349, UNI8477)
•
In base a dati storici
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
64
STIMA DELL
DELL’ENERGIA
ENERGIA SOLARE INCIDENTE
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
65
STIMA DELL
DELL’ENERGIA
ENERGIA SOLARE INCIDENTE
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
66
STIMA DELL
DELL’ENERGIA
ENERGIA SOLARE INCIDENTE
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
67
STIMA DELL
DELL’ENERGIA
ENERGIA SOLARE INCIDENTE
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
68
Sistema ad inseguimento
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
69
Sistema ad inseguimento
Configurazione fissa
Angoli variabili
Configurazione a 2 posizioni
M ese
Angolo ((°))
Energia (kW h)
Angolo ((°))
Energia (kW h)
Angolo ((°))
Energia (kW h)
Gennaio
30
61.783
65
72.922
40
68.150
Febbraio
30
69.431
55
75.788
40
74.257
M arzo
30
105 765
105.765
40
109 462
109.462
40
109 462
109.462
Aprile
p
30
120.005
25
123.277
20
123.209
M aggio
30
145.721
10
155.832
20
153.990
Giugno
30
148.842
0
164.933
20
159.475
Luglio
g
30
169.556
5
184.676
20
180.665
Agosto
30
155.848
20
161.648
20
161.648
Settem bre
30
128.681
35
131.929
40
131.525
Ottobre
30
112.300
50
122.245
40
120.053
Novem bre
30
66.886
60
77.640
40
73.340
Dicem bre
30
53.816
65
64.834
40
59.759
TOTALE
1.338.632
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
1.445.188
1.415.531
70
Influenza dell’inclinazione e
dell orientamento
dell’orientamento
Stima Approssimata
Correzione rispetto
p
ai valori di riferimento
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
71
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
72
Determinazione area lorda
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
73
DETERMINAZIONE DELLA SUPERFICIE UTILE E LORDA
Per avere quindi un kW di picco con silicio monocristallino sono
sufficienti
ffi i ti 8 mq
Mentre per le altre tipologie si arriva anche ad aver bisogno di 10
mq -12
12 mq
Noti
N
ti i metri
t i quadri
d i di pannelli
lli necessarii sii deve
d
stabilire
t bili
l
la
superficie lorda utile SLU.
SLU
(SLU =superficie
fi i moduli
d li + spazio
i necessario
i per evitare
it
ombreggiamento)
b
i
t )
Coperture di edifici
S le
Se
l falde
f ld del
d l tetto
t tt sono inclinate
i li t uguali
li a quelle
ll utili
tili (es.
(
30°) la
l
superficie moduli = superficie lorda utile
Diversamente (copertura
Di
(
piana,
i
clinali
li li diversamente
di
esposti)
i) è
necessario impiegare formule o abachi per determinarne la
reciproca
p
distanza
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
74
Esempio di calcolo
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
75
ANALISI DI FATTIBILITA
FATTIBILITA’ ECONOMICA DI UN
IMPIANTO
COSTO (C)
Costi Iniziali (CI )
1.
2.
3.
4
4.
5
5.
6.
Moduli fotovoltaici
Inverter
Strutture di fissaggio per piano orizzontale in alluminio ed acciaio
P
Preparazione
i
terreno
t
preliminare
li i
agli
li scavii
Scavi a sezione obbligata con uso di mezzi meccanici
g
cementizio per
p strutture armate di fondazione per
p opere
p
Conglomerato
edili
7. Manufatti in acciaio per travi e pilastri in profilati semplici e ancoraggi di
f d i
fondazione
8 Recinzione del lotto di terreno e sistema di videosorveglianza con
8.
telecamere a CC*
CC
9. Cavi di collegamento con cabina ENEL
10.Progettazione, direzione lavori e collaudo
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
76
ANALISI DI FATTIBILITA
FATTIBILITA’ ECONOMICA DI UN
IMPIANTO
Costo medio impianto FV (Chiavi in mano) = 3.000
3 000 - 6.000
6 000 Euro a kWp
ESEMPIO
2 kW installati verso Sud e Tilt 30°
Costo (CI) =
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
2 kW x 5.500 Euro = 11.000 Euro
77
Costi
I costi degli inverter variano con la
potenza
t
Se ne consiglia di installarne almeno 1
ogni 100 kWp
C
Costi
da 0,4 – 0,8 € a W
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
78
Costi dei moduli (€/W)
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
79
ANALISI DI FATTIBILITA
FATTIBILITA’ ECONOMICA DI UN
IMPIANTO
COSTI PERIODICI 1
1) Costo di Assicurazione (CA)
Per impianti significativi (in genere per tutti) si deve prevedere
un’assicurazione contro danni dovuti a precipitazioni atmosferiche
(grandine) e ad incendio.
incendio
S l’impianto
Se
l’i i t è di facile
f il accesso, anche
h contro
t atti
tti vandalici.
d li i
CA per incendio e grandine pari 0,5 o 1 per 100 del valore dell’impianto
CA per atti vandalici pari 1 -2
2 per 100 del valore dell’impianto
dell impianto
CA (totale)= 0,02 X CI
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
80
ANALISI DI FATTIBILITA
FATTIBILITA’ ECONOMICA DI UN
IMPIANTO
COSTI PERIODICI 2
2) Costo di manutenzione e gestione annuale dell’impianto
dell impianto (CM);
Sono generalmente pari all’1% dell’impianto
Il costo di esercizio con scambio sul posto è limitato al canone
annuo da p
pagare
g
alla società elettrica p
per l’installazione di un
secondo contatore per misura uscite (28 €/anno)
3) R
Rata
t d
dell mutuo
t (per
(
lla durata
d
t del
d l mutuo)
mutuo
t ) (CI)
Al valore della rata determinata si deve togliere la detrazione sugli
i t
interessi
i
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
81
ANALISI DI FATTIBILITA
FATTIBILITA’ ECONOMICA DI UN
IMPIANTO
4) Costi da riconoscere al gestore di rete (CG)
Se si procede alla vendita dell’energia prodotta si deve pagare
annualmente una tassa fissa al GSE pari a 120,00€
Inoltre si deve versare lo 0,5% del controvalore dell
dell’energia
energia
venduta fino ad un max di 3.500 Euro
COSTO ANNUALE = t x CI+ CA+CM+CG
t: Coefficiente di ammortamento dell’impianto
UTILE ANNUALE = RICAVO - COSTO
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
82