Energia fotovoltaica

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Energia fotovoltaica
“SIMULIAMO UNO SVILUPPO
TECNOLOGICO SOSTENIBILE”
C-1-FSE-2008-748
Docente: Prof. Ettore Panella
Al giorno d’oggi in tempi di recessione il problema energetico è fondamentale, ma
affrontandolo è inevitabile incrociare un problema strettamente legato all’energia: l’ambiente
Infatti da decenni questi dubbi sono affrontati a livello mondiale stabilendo accordi
internazionali come il Protocollo di Kyoto.
Si incentivano quindi tecnologie a basso impatto ambientale dividendo le risorse energetiche in:
• Rinnovabili - forme di energia non sono "esauribili" nella scala dei tempi "umani" il
cui utilizzo non pregiudica le risorse naturali per le generazioni future.
Energia marina
Geotermica
Biomasse
Solare
Eolica
Idrica
• Non rinnovabili - fonti di energia derivate da risorse finite che tendono ad esaurirsi sulla
scala dei tempi umani, diventando troppo costose o troppo inquinanti per
l'ambiente.
Nucleare
Combustibili fossili
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L’energia derivata da fonti rinnovabili che abbiamo analizzato nel PON è l’Energia Solare.
La trasformazione da raggi solari in energia elettrica avviene grazie all’impianto fotovoltaico.
IMPIANTO FOTOVOLTAICO
Vantaggi:
•
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assenza di qualsiasi tipo d’emissione inquinante;
risparmio dei combustibili fossili
estrema affidabilità (vita utile superiore a 25 anni);
costi di manutenzione ridotti al minimo;
utilizzo di superfici marginali o inutilizzabili.
Svantaggi:
• variabilità ed aleatorietà della fonte energetica (irraggiamento solare)
• elevato costo iniziale degli impianti.
La cella fotovoltaica
Elemento base dell’impianto fotovoltaico, si tratta di un fotodiodo ottimizzato costituito da
materiale semiconduttore opportunamente ‘drogato’ e trattato, che converte la radiazione
solare in elettricità.
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La radiazione solare
Radiazione solare: energia elettromagnetica emessa dal sole, a causa dei processi di fusione
dell’idrogeno in esso contenuto, e si propaga con simmetria sferica nello
spazio Wh/m2
Irraggiamento solare: potenza del campo elettromagnetico incidente sull’unità di superficie
W/m2
Irraggiamento extraterrestre: 1.367 W/m2 ± 3,3% (variazione della distanza Terra – Sole)
La distribuzione spettrale dell’irraggiamento solare o indice AM (Air Mass) varia in funzione
dell’angolo di elevazione del sole sull’orizzonte.
(In alto)L’irraggiamento solare varia in funzione dell’angolo di elevazione (sen h)
(m=1) - (sen 90°) - irraggiamento MAX
AM0 - la densità di radiazione solare oltre l’atmosfera (1,353 kW/m2) (assenza di attenuazioni)
AM1 - spessore di atmosfera standard attraversato dai raggi solari in direzione perpendicolare
alla superficie terrestre e misurato al livello del mare (1.000 W/m2)
AM1,5 - STC (Standard Test Conditions) densità di radiazione 1000 W/m2; temperatura
esercizio cella 25 °C; (in laboratorio)
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L’Irraggiamento solare globale è limitato dal:
• Molecole d’aria, acqua e pulviscolo atmosferico
• Riflessione.
Irraggiamento solare globale
Diretto + Diffuso + Riflessa
Gli strumenti di misura: Piranometro (Err.2%) o Solarimetro (5% - Meno costoso):
Rilevano l’energia della radiazione solare incidente nell’unità di tempo (W/m2) ed è possibile
ottenere valore medio orario, l’integrale giornaliero, il valore massimo, ecc.
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La conversione fotovoltaica
L’energia solare convertibile in energia elettrica è pari al 44%.
L’efficienza di conversione di una cella è limitata da:
• non tutti i fotoni incidenti sulla cella penetrano al suo interno (alcuni sono riflessi dalla
superficie della cella, altri incidono sulla griglia metallica dei contatti);
• fotoni che non hanno energia sufficiente per liberare una coppia elettrone/lacuna;
• una parte degli elettroni “liberati” dai fotoni non arrivano al carico esterno in quanto
trovano lungo il percorso delle cariche di segno opposto con cui ricombinarsi (effetto di
“ricombinazione”);
• esistono le cosiddette “resistenze parassite”: i contatti metallici posti sul fronte e sul
retro della cella presentano una resistenza che provoca dissipazioni di potenza.
Quando un fotone dotato di sufficiente energia viene assorbito nella cella, all'interno di
quest'ultima si crea una coppia di cariche elettriche di segno opposto, chiamate elettrone e
lacuna, che si rendono disponibili per la conduzione di elettricità. Per generare effettivamente
la corrente elettrica è però necessaria una differenza di potenziale che faccia muovere tali
cariche, ed essa viene creata grazie all'introduzione di piccole quantità di impurità nel materiale
delle celle: tali impurità, (boro e fosforo) dette droganti di tipo N ed P, sono in grado di
modificare profondamente le proprietà elettriche del semiconduttore.
(A sinistra) cella investita dai fotoni
(In basso) spettro dei fotoni utili, dissipati o
sottosoglia
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Variazione della caratteristica corrente – tensione
Nel grafico possiamo osservare la curva
caratteristica corrente – tensione in funzione
dell’irraggiamento solare.
Nel grafico possiamo osservare la curva
caratteristica corrente – tensione in funzione
della temperatura.
All’aumentare dell’irraggiamento solare
corrisponde un aumento di corrente quindi
di potenza.
All’aumentare della temperatura corrisponde
una diminuzione di tensione quindi di
potenza.
La tensione invece rimane pressoché
costante.
La corrente invece rimane pressoché
costante.
Inclinazione e orientamento dei moduli
Angolo di inclinazione o di tilt ß: angolo di inclinazione del modulo rispetto al piano
orizzontale.
L’esposizione del modulo è tale da massimizzare la radiazione solare diretta
Inclinazione ottimale = Lat -10° diretta.
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Angolo di orientazione o di azimut α: angolo di orientazione del piano dei moduli rispetto al
meridiano 0°.
Misura lo scostamento del piano rispetto all’orientazione verso SUD (per i siti nell’emisfero
terrestre settentrionale) o verso NORD (per i siti nell’emisfero meridionale).
Modalità installazione ottimale: INCLINAZIONE (Tilt) 34° - ORIENTAZIONE (Azimut) 0°
DIREZIONE Sud
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Fattore di albedo
Si definisce il fattore di albedo la quota parte della radiazione globale incidente su una superficie
orizzontale che viene riflessa.
Radiazione diretta + diffusa + riflessa
Tipo di superficie
Riflettanza
Strade sterrate
0.04
Superficie acquosa
0.07
Bosco conifere
0.07
Asfalto
0.1
Tetti o terrazze in bitume
0.13
Suolo (creta)
0.14
Erba secca
0.2
Pietrisco
0.2
Calcestruzzo
0.22
Bosco
0.26
Superfici scuri di edifici
0.26
Erba verde
0.26
Foglie secche
0.3
Superfici chiare di edifici
0.6
Neve
0.75
Un pannello posto su una superficie innevata ha un rendimento maggiore perché ha il massimo
fattore di albedo e quindi riceve una radiazione riflessa sommata a quella diretta e diffusa.
Ombreggiamenti:
Gli ombreggiamenti ovviamente hanno degli effetti negativi sul pannello, riducendone la
producibilità;
Quindi è’ necessario individuare gli ombreggiamenti:
• con la bussola, si individua l’angolo tra la direzione del sud e l’ostacolo α;
• con il clinometro si determina l’angolo rispetto all’orizzontale con cui l’osservatore vede
l’ostacolo ß.
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(In alto)Principio del clinometro con ostacolo
(In basso)Diagramma solare annuale
Il diagramma solare annuale verifica l’altezza del Sole nei vari mesi.
Se un ostacolo supera la linea del percorso del sole (nell’esempio da ottobre a dicembre)
avremo in quei mesi ombra.
Nel calcolo degli ombreggiamenti bisogna prevedere la formazione degli ostacoli durante la vita
dell'impianto, come ad esempio la crescita di alberi.
Qualora non fosse possibile evitarle, mediante l'ausilio di precise scelte progettuali bisogna
cercare di minimizzare gli effetti negativi da esse indotti.
Una cella ombreggiata da vita al cosiddetto effetto tubo da giardino, in quanto essa si comporta
come un diodo polarizzato inversamente.
Una cella polarizzata inversamente impedisce il passaggio di corrente a tutte le celle connesse
in serie dando vita allo stesso effetto che si verifica con un tubo da giardino quando,
schiacciando su un punto di esso, si noterà all'uscita una drastica diminuzione del flusso d'acqua
a causa della pressione esercitata.
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C'è da dire inoltre che una cella in ombra, comportandosi come un diodo in polarizzazione
inversa, è sottoposta alla tensione prodotta da tutte le altre celle in serie ad essa collegate, la
quale risulta nettamente superiore alla tensione di perforazione del diodo e quindi avviene il
fenomeno di scarica, ovvero la corrente elevata attraversa la giunzione provocando
surriscaldamento della cella che si danneggia in tempi brevi.
Per poter ovviare a questo problema si utilizzano i diodi di by-pass che trovano alloggiamento
nella cassetta di terminazione (junction box) il cui scopo è quello di cortocircuitare e quindi
isolare il singolo modulo in caso di malfunzionamento.
(In alto) Junction box
(A sinistra) Posizione nel modulo
del Junction box
(A destra) Diodo di by-pass
Per installazioni a terra o su tetti piani bisogna considerare l’ombreggiamento del piano dei
moduli disposti su più file.
In linea di massima si usa posizionare i moduli ad una distanza pari a 3 volte l'altezza H.
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Tipologie di celle fotovoltaiche
Composizione della cella
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L’installazione del campo (generatore) fotovoltaico è legato alla producibilità del territorio.
In Italia:
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In Europa:
Applicazioni dei sistemi fotovoltaici
• Alimentazione di utenze isolate dalla rete (Stand alone): Stazioni di pompaggio,
Illuminazione pubblica, elettrificazione di villaggi o utenze isolate.
Accumulo dell’energia prodotta dai moduli fotovoltaici. La batteria è l’elemento più critico del
sistema.
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• Impianti connessi alla rete (Grid connected):
Funzionamento in “regime di interscambio” con la rete elettrica locale:
• ore di luce – l’utenza consuma l’energia prodotta dall’impianto
• di notte o in condizioni di luce insufficiente – l’utenza preleva energia dalla rete elettrica
(“batteria di capacità infinita”)
Se l’impianto produce più di quanto richiesto, l’energia “in eccedenza” viene immessa nella rete
(Enel Distribuzione).
Per la connessione alla rete elettrica bisogna seguire un iter autorizzativo tra:
UTENTE (Privato o Azienda) – GESTORE DI RETE (Enel distribuzione)
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L’incentivazione del Fotovoltaico
L’ultimo passo dell’iter autorizzativo è la richiesta incentivi.
UTENTE (Privato o Azienda) – GSE (Gestore Sistema Elettrico)
Attività del GSE: Gestisce l’incentivazione della produzione di energia elettrica da fonti
rinnovabili.
D.M. 19/02/2007
• Il meccanismo in “conto energia”: erogazione di un corrispettivo commisurato
all’elettricità prodotta dagli impianti.
•
Impianti fotovoltaici della potenza da 1 kW collegati alla rete elettrica.
• Richiesta di ammissione alle tariffe a valle dell’entrata in esercizio dell’impianto.
• Il valore della tariffa è costante in moneta per un periodo di venti anni. (2%)
• L’incentivo è funzione della tipologia dell’impianto:
Non integrato
Parzialmente integrato
Integrato
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Non integrato architettonicamente
• Impianto installato a terra.
• Impianti inseguitori solari.
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Parzialmente integrato
• Moduli fotovoltaici installati su tetti piani. In presenza di balaustra perimetrale, la quota
max riferita all'asse mediano dei moduli, deve risultare non superiore all’altezza minima
della stessa balaustra.
• Moduli fotovoltaici installati su tetti, coperture, in modo complanare alla superficie di
appoggio senza la sostituzione dei materiali che costituiscono le superfici.
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Integrazione architettonica totale
• Sostituzione dei materiali di rivestimento di tetti, coperture, facciate di edifici e
fabbricati con moduli fotovoltaici aventi la medesima inclinazione e funzionalità
architettonica della superficie rivestita.
• Frangisole i cui elementi strutturali siano costituiti dai moduli fotovoltaici e dai relativi
sistemi di supporto.
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