Misure e prove sui pannelli fotovolatici - DIMA

Misure e prove sui
pannelli fotovoltaici
Corso di Misure Termomeccaniche per MENR
SAPIENZA Università di Roma
A.A. 2012-13
Schema impianto
Richiami di teoria del fotodiodo
In uno strato sottilissimo adiacente alla giunzione (strato
di svuotamento) la distribuzione dei portatori di carica
(elettroni e lacune) cambia rispetto alla situazione
esistente nel volume del semiconduttore P o N: in esso si
crea un campo elettrico (sostenuto da un doppio strato
carico e fisso nel reticolo).
Nello strato di svuotamento, non ci sono cariche libere e
quando esso è colpito dalla luce (fotoni), alcuni elettroni,
normalmente legati ad un atomo del reticolo cristallino e
quindi non disponibili per il trasporto di carica, vengono
liberati dal legame e possono muoversi liberamente nel
cristallo, lasciando carico positivamente l’atomo cui erano
legati. Questa carica positiva viene detta “lacuna”. Anche
le lacune possono “muoversi” nel cristallo: infatti se uno
degli elettroni legati agli atomi adiacenti si sposta nel sito
lasciato libero, la lacuna si sposta in direzione opposta. I
due tipi di portatori di carica (elettroni e lacune) possono
ricombinarsi durante la migrazione nel volume del
semiconduttore, e cessare così di contribuire alla fotocorrente.
Richiami di teoria del fotodiodo
La foto-corrente può essere prodotta solo da un flusso di fotoni (con energia superiore
all’energia di soglia : hn > Eg) che possa raggiungere lo strato di svuotamento.
L’energia di soglia è quella corrispondente alla “banda di energia proibita” (Energy Gap) tipica
del semiconduttore di cui è fatta la giunzione PN.
Si capisce quindi come si possa ottenere un sensore di luce da un fotodiodo: è sufficiente che la
giunzione PN, chiusa su un carico esterno, sia esposta alla luce (ad esempio rendendo molto
sottile lo strato drogato N, come in figura) perché attraverso di essa si stabilisca una corrente
elettrica proporzionale al flusso luminoso, che circola da P a N sul carico esterno e da N a P
all’interno del fotodiodo (corrente inversa).
Viceversa, se una giunzione PN è attraversata da corrente elettrica nel verso della polarizzazione
positiva (corrente diretta) , è possibile osservare una emissione di luce (LED).
Curve caratteristiche del fotodiodo
Curva 1 = buio
Curva 2 = luce
B : fotodiodo in produzione fotovoltaica (polarizzato direttamente ma
come se Rinterna < 0 … collegando un carico esterno, su di esso si osserva
il passaggio della corrente inversa Im )
A : fotodiodo polarizzato inversamente (P < 0 e N > 0) … da evitare !
C : fotodiodo polarizzato direttamente (P > 0 e N < 0) … normale diodo.
Procedura di Collaudo
Un impianto fotovoltaico FV deve essere sottoposto a un collaudo
iniziale (prima della messa in servizio) e a verifiche periodiche (ad
esempio annualmente) da programmare con la manutenzione
Le verifiche iniziali e periodiche comportano l’esecuzione di:
• Esami e controlli a vista sui :
 moduli
 cavi
 quadri
 scatole di derivazione
 inverter
• Prove e misure strumentali :
 misura della corrente e della tensione di stringa
 misura dell’isolamento
 verifica dei collegamenti equipotenziali
 verifica del rendimento dell’impianto FV con misure di WCC e
WCA su ogni inverter
Procedura di Collaudo
La misura della tensione di stringa Vocs deve
essere effettuata a vuoto per ogni stringa e,
in condizioni di irraggiamento costante, non
devono risultare differenze superiori al 5%
tra le stringhe (mismatch tollerato)
Procedura di Collaudo
Per confrontare il valore di tensione a vuoto misurato sulla stringa (VOCS)
con il valore alle condizioni STC (1000 W/m2; 25 °C; AM 1,5) indicato dal
costruttore sui moduli (VOC-STC) si può applicare la relazione:
VOCS = [VOC-STC - β (25 - Tcell)] n
VOC-STC = tensione nominale a vuoto di un modulo (V)
β = coefficiente di variazione della tensione con la temperatura (V/°C)
Tcell = temperatura misurata sul retro dei moduli (°C)
n = numero di moduli della stringa
La temperatura Tcell può essere misurata con un sensore RTD (per
esempio una sonda Pt100) oppure con una termocoppia posizionata
sul retro di uno dei moduli. L’accuratezza della misura richiesta è ± 1°C
Procedura di Collaudo
Il valore della temperatura Tcell può essere anche ricavato misurando la
temperatura d’ambiente (Tamb) e l’irraggiamento solare (Gp) con la
relazione approssimata:
Tcell = Tamb + Gp (NOCT - 20) / 800
NOCT = temperatura del modulo nelle condizioni operative nominali
(G = 800 W/m2; Tamb = 20 °C; velocità dell’aria 1 m/s)
In questo modo è possibile misurare la temperatura Tamb in prossimità
della faccia posteriore dei moduli, senza contatto diretto.
Evitare sempre l’irraggiamento diretto del sensore di temperatura.
Procedura di Collaudo
Per ragioni di sicurezza le misure della corrente di cortocircuito (Isc)
si effettuano mettendo in cortocircuito sottocampi fotovoltaici fino a
correnti Isc non superiori a 120 ÷150 A.
Per effettuare tale verifica si utilizzano apposite “cassette” dotate di
adeguati interruttori di manovra.
Procedura di Collaudo
Nella misura della corrente di cortocircuito ISC-camp c’è da portare in
conto una riduzione del 5% per mismatch :
ISC-camp = 0,95 ∙ n ∙ ISC-mod
n = numero di stringhe in parallelo
ISC-mod = corrente nominale di un modulo
Si possono confrotare i valori di corrente misurati (ISC-M) con quelli delle
condizioni STC mediante la relazione:
ISC-M = ISC-STC + n α (Tcell - 25)
α = coefficiente di variazione della corrente con la temperatura (A/°C)
Tcell = temperatura misurata a contatto sul retro dei moduli (°C)
Procedura di Collaudo
Oltre agli esami a vista e alle verifiche comuni a tutti gli impianti
elettrici (isolamento, continuità elettrica dei conduttori,
funzionamento degli interruttori differenziali, ecc.) è opportuno
misurare le potenze (Wcc) e (Wca) per accertare il rendimento
dell’impianto.
Questa esigenza è contenuta anche nel
“Certificato di collaudo” (DM 19/2/07)
che occorre redigere e presentare al
GSE per accedere agli incentivi …
Certificato di Collaudo
Verifiche punto 5 del “Certificato di collaudo”
(efficienza del generatore PV)
 Verifica della condizione
Wcc > 0,85 · Wnom · Gp/GSTC
Certificato di Collaudo
• La misura dell’irraggiamento Gp deve essere effettuata con un
piranometro o solarimetro con precisione migliore del ± 3%.
• La misura della potenza (Wcc) all’uscita del generatore FV deve
essere effettuata con precisione migliore del ± 2%.
• La prova deve essere effettuata con irraggiamento > 600 W/m2
• La misura deve essere effettuata su insiemi di stringhe o sottocampi
con moduli aventi lo stesso orientamento e la stessa inclinazione.
• È importante che le misure di Gp e Wcc siano effettuate
simultaneamente.
Certificato di Collaudo
 Verifica della condizione
Wca > 0,9 Wcc
• La misura della potenza in c.c. (Wcc) all’uscita del generatore FV deve essere
effettuata con precisione migliore del ± 2%
• La misura della potenza (Wca) all’uscita dell’inverter deve essere effettuata con
precisione migliore del ± 2%
• La prova deve essere effettuata con irraggiamento > 600 W/m2
• È importante che le misure di Wcc e Wca siano effettuate simultaneamente
Certificato di Collaudo
Se durante la misura delle potenze Wca e Wcc, la temperatura dei
moduli (Tcell) è superiore a 40 °C si può correggere la potenza Wcc
misurata. La condizione da verificare diventa:
Wcc > (1 - Ptpv - 0,08) Wnom × Gp/GSTC
Ptpv rappresenta le perdite termiche dovute alla maggiore
temperatura dei moduli e si calcola con la relazione:
Ptpv = γ (Tcell - 25) / 100
Tcell = temperatura misurata (con sonde Pt100) sul retro dei moduli
(°C)
γ = coefficiente di variazione della potenza con la temperatura
(W%/°C)
Se non è possibile misurare Tcell si può egualmente calcolare Ptpv
misurando la temperatura dell’ambiente (dell’aria) in prossimità dei
moduli (Tamb), con la relazione:
Ptpv = [Tamb – 25 + (NOCT - 20) Gp / 800] CT / 100
Cosa vogliamo misurare ?
CURVA CARATTERISTICA CORRENTE-TENSIONE (es. dati ATERSA A-240P) :
Voc = tensione a vuoto (≈ 37,15V)
Isc = corrente di corto circuito (≈ 8.7 A)
PUNTO DI FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA CHIUSA SU UN CARICO R :
È l’intersezione della curva caratteristica corrente-tensione con la retta V=RI.
Se il punto di funzionamento corrisponde a Imax e Vmax (punto P), tale
condizione è quella per la quale il generatore eroga la massima potenza.
Infatti la massima potenza erogata dalla cella Wmax = Vmax·Imax è indicata
dall’area evidenziata:
U=RI
P
Schema test di base
Sono dati:
• 1 pannello fotovoltaico industriale
• un carico a resistenza variabile 0,1 Ω – 0,1 kΩ
• un termometro elettrico RTD Pt100 o termocoppia K
• Un solarimetro per la misura dell’irradiamento solare
Luce
Solarimetro
Pt100
PFV
Carico variabile
Cosa vogliamo misurare ?
A partire dalle coppie di valori «V» ed «I» misurate per ogni condizione
di carico «R», è anche possibile costruire i diagrammi della potenza
W=V·I in funzione della tensione V o della corrente I di esercizio:
Vmax
Imax
Da questi diagrammi è possibile ricavare i valori di Vmax e Imax in
corrispondenza dei punti dove la potenza è massima !
Cosa vogliamo misurare ?
La resistenza del carico variabile (se si considera trascurabile la
resistenza interna dell’amperometro) può essere estrapolata a partire
dalle misure della tensione V e della corrente I, per ogni punto di lavoro
si ottiene: R = V/I . E’ possibile quindi costruire anche il diagramma della
potenza W in funzione del carico R, da cui si ricava il valore del carico
ottimale Ropt per il quale si ha il massimo trasferimento di potenza
Wmax
Carico OTTIMALE Ropt
Cosa vogliamo misurare ?
INFLUENZA DI IRRAGGIAMENTO SOLARE E TEMPERATURA :
Purtroppo la caratteristica I-U della cella varia in funzione dell’irraggiamento solare e
della temperatura.
All’aumentare dell’irraggiamento aumenta la corrente di corto circuito Isc.
All’aumentare dell’irraggiamento diminuisce la resistenza di carico ottimale Ropt.
All’aumentare della temperatura diminuisce la tensione a vuoto Voc.
Ropt
Di queste circostanze occorre tenere conto durante le prove e le misure sul campo !
Cosa vogliamo misurare ?
1. Si colleghi il modulo FV al reostato (carico variabile) e si inseriscano
correttamente nel circuito gli strumenti per la misura di V e I.
2. Si colleghino opportunamente il termometro Pt100 e il solarimetro
LP RAD 03 BL ai rispettivi multimetri digitali
3. Variando lentamente il carico al reostato si registrino
simultaneamente i valori misurati per almeno 10 punti di lavoro
4. Si costruiscano i diagrammi VI e WR dei due moduli. Si individui la
resistenza di carico ottimale per le condizioni di irraggiamento
incontrate.
5. Si effettui la verifica dei rendimenti η dei due moduli FV, tenendo
conto anche delle eventuali correzioni in temperatura e si valuti se
il modulo ha «superato il collaudo» per accedere agli incentivi del
GSE.
6. Si eseguano delle misure di rendimento a seguito di un
«ombreggiamento» parziale della superfice attiva del pannello FV
Richiami teorici
RENDIMENTO DI MODULO
η
Il rendimento di un pannello è la quantità di energia solare
che un pannello riesce a convertire in energia elettrica per
unità di superficie, ed è sempre dichiarato il massimo
rendimento alle condizioni STC.
η=
𝑊𝑆𝑇𝐶 𝑆𝑚𝑜𝑑
𝐺𝑆𝑇𝐶
∙ 100
per calcolare Smod si utilizzano le dimensioni del pannello comprese
le cornici, ovvero l’ingombro massimo del modulo.
Richiami teorici
RENDIMENTO GLOBALE DI IMPIANTO η
Le specifiche emesse da ENEA per i sistemi connessi a rete
fissavano un valore minimo di
η pari al 75%.
In realtà, η è una variabile di sistema che dipende
da vari parametri
η = ηPV * ηJ * ηINV * ηTR
Richiami teorici
RENDIMENTO DI MODULO ηPV
ηPV = ηK * [ 1 – β ( Tc – Tk ) + γ log10 G ]
ηK = rendimento del modulo a STC
Tc = Temperatura °K del modulo
Tk = Temperatura di riferimento di 298 °K
β = coeff. sperimentale pari a 0,0045 °C-1
γ = coeff. sperimentale pari a 1,3
G = irraggiamento espresso in kW/m2
Richiami teorici
RENDIMENTO DI MODULO ηPV
In prima approssimazione
ηPV = ηK * [ 1 – β ( Tc – Tk )]
con Tc calcolata
Tc = ( G / 800 ) * (NOCT-20°C) + Ta
con Ta = temperatura ambiente
e G = irraggiamento sul piano dei moduli