PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA

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QUADERNI PER LA PROGETTAZIONE
PROGETTAZIONE
FOTOVOLTAICA
IN CONTO ENERGIA
Norme, tecniche ed esempi applicativi.
Aggiornato alla circolare dell’Agenzia
delle Entrate 22 febbraio 2008, n. 61/E
e alla Delibera 280/07
in vigore dal 1° gennaio 2008
Contiene il software Preventer-FV Lite
che consente la preventivazione rapida degli impianti
fotovoltaici e la stampa della relazione tecnica
II edizione
di
MAURO MORONI
GABRIELE NITRATI
QUADERNI
per la progettazione
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RINGRAZIAMENTI
Questo libro nasce dall’esigenza di creare uno strumento che in letteratura ancora non è presente, che sia di supporto alla progettazione e che sia chiaro nei contenuti, utile per il progettista, per l’installatore e per lo studente alle prime armi nel mondo dell’energia.
Per fare questo gli autori si sono avvalsi della collaborazione di diversi soggetti, presi dal
mondo della tecnica, dello studio e della grafica, al fine di ottenere un prodotto di qualità,
fruibile da tutti, con contenuti chiari ed esaustivi.
Per questo ci sentiamo di ringraziare:
- I nostri genitori, per averci permesso di scrivere questo volume
- Aristide Puliti, per il supporto che ci ha sempre dato
- Fabiano Di Odoardo per aver curato la parte grafica
Ringraziamo altresì Massimiliano Fusella, Davide Micheli, Lucio Monterubbiano, Cesare
Mancini Romano, Fabrizio Onofri, Matteo Piccinini, Massimo Cesaroni, Samuele Bianchetti,
Leonardo “Damergy” Bonfitto e Costanzo Di Perna per il contributo indispensabile alla stesura del volume.
A tutti un grazie di cuore.
3
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QUADERNI
per la progettazione
INDICE GENERALE
Introduzione ......................................................................... 11
CAPITOLO 1
LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA ............................................... 15
1.1
La radiazione solare .............................................................. 15
1.1.1
1.2
Componenti della radiazione solare al suolo .................... 19
L’effetto fotovoltaico ............................................................... 23
1.2.1
Semiconduttori intrinseci ................................................. 23
1.2.2
Semiconduttori estrinseci................................................. 26
1.2.3
Giunzioni a semiconduttore ............................................ 27
1.2.4
Assorbimento della radiazione luminosa........................... 29
1.3
Le celle fotovoltaiche .............................................................. 31
1.3.1
Meccanismi di perdita di rendimento ............................... 35
1.3.2
Fattori di inefficienza delle celle solari.............................. 36
1.3.3
Celle fotovoltaiche in silicio cristallino .............................. 40
1.3.4
Celle fotovoltaiche in film sottile....................................... 43
1.3.5
Confronto tra tecnologie a film sottile ............................... 47
1.4
Moduli fotovoltaici ................................................................. 48
1.4.1
Moduli in silicio cristallino............................................... 48
5
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1.4.2
Moduli a film sottile ........................................................ 50
1.4.3
Scatola di giunzione....................................................... 51
1.4.4
Parametri caratteristici dei moduli fotovoltaici .................... 54
1.4.5
Collegamento elettrico tra moduli..................................... 56
1.4.6
Prove sui moduli............................................................. 57
1.5
Il campo fotovoltaico ..............................................................59
1.5.1
Disposizione dei pannelli ................................................ 60
1.5.2
Ombreggiamento reciproco tra schiere............................. 61
1.5.3
Orientamento ed inclinazione dei pannelli ........................ 62
1.5.4
Strutture di sostegno ....................................................... 62
CAPITOLO 2
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI ...................67
2.1
Classificazione ......................................................................67
2.2
Impianti fotovoltaici grid-connected ..........................................69
2.3
Configurazione elettrica del generatore ....................................70
2.4
Gruppi di conversione (o inverter) ............................................72
2.5
Configurazione del sistema di conversione ...............................75
2.6
Installazione del convertitore ...................................................77
2.7
Classificazione dei sistemi elettrici ...........................................79
2.8
Interfaccia con la rete elettrica .................................................81
2.8.1
Criteri di allacciamento alla rete BT.................................. 85
2.8.2
Criteri di allacciamento alla rete MT................................. 87
2.9
Criteri di protezione nella sezione in alternata ..........................89
2.10 Criteri di protezione nella sezione in continua ...........................90
2.11 Criteri di sicurezza elettrica ....................................................92
2.12 Protezione dai contatti indiretti negli impianti FV .......................94
6
PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
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2.13 Protezioni contro i fulmini ..................................................... 103
2.14 Protezioni da sovratensione .................................................. 105
QUADERNI
per la progettazione
2.15 Impianto di terra e masse metalliche ...................................... 108
2.16 Criteri di dimensionamento ................................................... 110
2.17 Verifica tecnico funzionale ................................................... 125
2.18 Gestione e manutenzione ..................................................... 129
CAPITOLO 3
MECCANISMO DI FINANZIAMENTO
IN CONTO ENERGIA .................................................................. 133
3.1
Il mercato del fotovoltaico .................................................... 133
3.2
Il programma 10.000 tetti fotovoltaici .................................... 137
3.3
Il primo conto energia .......................................................... 141
3.4
Il nuovo conto energia ......................................................... 148
3.5
Fotovoltaico per nuovi edifici:
200W per ogni unità abitativa ............................................. 161
3.6
Iter per la richiesta di connessione alla rete ............................ 161
3.7
Tassazione ........................................................................ 175
CAPITOLO 4
ESEMPI DI PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA ........................ 181
4.1
Tetto fotovoltaico 3,6kWp in conto energia ............................ 181
4.2
Copertura fotovoltaica 25,2kWp in conto energia .................. 198
7
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APPENDICE A
METODO DI VALUTAZIONE RAPIDA
DI MODULI FOTOVOLTAICI .......................................................217
APPENDICE B
Il FOTOVOLTAICO NELLE APPLICAZIONI SPAZIALI ..................219
B.1
Sintesi ................................................................................219
B.2
Trasporto spaziale e costi .....................................................220
B.2.1
B.3
Applicazioni delle celle solari nello spazio .............................222
B.3.1
Specifiche tecniche dei pannelli solari
della Stazione Spaziale Internazionale (ISS).................... 224
B.3.2
Conseguenze delle Radiazioni solari
sui pannelli fotovoltaici ................................................. 225
B.3.3
Conseguenze dell’ossigeno atomico
sui polimeri utilizzati nei pannelli fotovoltaici
dei satelliti su orbita bassa (Low Earth Orbit) ................... 225
B.4
Pannelli fotovoltaici gonfiabili ................................................226
B.4.1
B.5
Esempio applicativo sul satellite ST4 .............................. 226
Applicazione dei pannelli fotovoltaici
nella implementazione di una futura base lunare .....................227
B.5.1
Potenza elettrica media generate
su ogni LEMB dai pannelli solari fotovoltaici.................... 229
B.5.2
Assemblaggio finale della base lunare .......................... 231
B.6
8
Efficienza e riduzione di costi
delle celle fotovoltaiche al silicio.................................... 221
Bibliografia .........................................................................231
PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
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APPENDICE C
QUADERNI
per la progettazione
GUIDA ALLA RICHIESTA DEGLI INCENTIVI E ALL’UTILIZZO
DEL PORTALE WEB (REV. 2.0 del 23/1/08) .............................. 233
Incentivazione degli impianti fotovoltaici
con il nuovo conto energia
(D.M. 19.02.2007, Delibera AEEG n. 90/07) ................................ 233
C.1
Generalità .......................................................................... 233
C.1.1
Requisiti minimi per l’utilizzo dell’applicazione Web ....... 233
C.1.2
Finalità ....................................................................... 233
C.1.3
Campo di applicazione................................................ 234
C.1.4
Documenti di riferimento............................................... 234
C.1.5
Norme generali per le comunicazioni al GSE.................. 234
C.2
Quadro sintetico delle comunicazioni
fra Soggetto Responsabile dell’impianto e GSE ....................... 235
C.3
Come richiedere gli incentivi ................................................ 235
C.3.1
Utilizzo del portale Web .............................................. 236
C.3.1.1 La fase di registrazione ..............................................236
C.3.1.2 L’accesso al portale come utente registrato ...................237
C.3.1.3 Inserimento della richiesta per un nuovo impianto .........238
C.3.1.4 Modifica dati anagrafici ............................................242
C.3.1.5 Segnalazione Guasti- Furti .........................................242
C.3.2
Invio della documentazione
per la richiesta degli incentivi........................................ 245
C.3.3
La Documentazione da allegare .................................... 245
C.3.4
Richiesta del premio per impianti fotovoltaici abbinati
ad un uso efficiente dell’energia.................................... 249
C.3.5
La Documentazione da allegare
per la richiesta del premio ............................................ 254
C.4
Convenzione per il riconoscimento delle tariffe incentivanti ...... 255
C.4.1
Cambio Titolarità......................................................... 257
9
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C.5
Documentazione da conservare a cura
del Soggetto Responsabile dell’impianto .................................258
APPENDICE D
PREVENTERFV LITE 1.0 - MANUALE D'USO ............................263
D.1
Guida all’installazione .........................................................263
D.2
Guida alla compilazione ......................................................268
Glossario Tecnico ................................................................279
Bibliografia .........................................................................285
10
PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
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QUADERNI
per la progettazione
INTRODUZIONE
Gli ultimi anni sono stati caratterizzati da un considerevole aumento
dell’attenzione mondiale sul riscaldamento globale, sempre più concordemente attribuito all’influenza dell’uomo nell’alterazione del clima. Anche l’ultimo
G8, svoltosi in Germania sulle coste del Mar Baltico, ha dato leggeri segni di
interesse, rimandando però la soluzione ai cambiamenti climatici ai nostri pronipoti, nel 2050. L’Unione Europea, dal canto suo, vede l’anno 2020 come
quello nel quale il 20% di tutta l’energia in Europa sarà prodotta da fonte rinnovabile. Questo forte segnale della politica comunitaria ha posto l’attenzione
sul modo attuale e futuro di convertire l’energia, ed ha posto serie basi per la
riconversione energetica del sistema energetico europeo.
Per quel che concerne l’Italia, il 2007 è stato caratterizzato dall’introduzione di diversi strumenti legislativi ed economico-finanziari, atti ad iniziare il
cammino verso gli obiettivi previsti dal protocollo di Kyoto. Molta attenzione è
stata posta al miglioramento dell’efficienza energetica in ambito civile, con
l’uscita del Decreto Legislativo 29/12/06, n. 311, in vigore dal 2/2/07, che
contiene le disposizioni correttive ed integrative al decreto legislativo del 19
agosto 2005, n. 192, recante l’attuazione della direttiva 2002/91/CE, relativa al rendimento energetico nell’edilizia.
In aggiunta a questo, nello stesso periodo sono anche state emanate le
modalità per l’ottenimento delle detrazioni fiscali del 55% relative agli interventi di ristrutturazione energetica di edifici ed impianti, nonché l’introduzione
del meccanismo dello scambio sul posto anche per la cogenerazione (fino a
200kWe), l’incentivazione al solare termodinamico, ed infine il nuovo Conto
Energia, per l’incentivazione del fotovoltaico.
L’ENEA, nel suo Rapporto “Energia e Ambiente 2006”, affronta il problema del cambiamento climatico individuando la strategia per garantire la sicurezza energetica del Paese e la sua competitività economica nell’ottica della
salvaguardia dell’ambiente, dando una rilevante importanza al miglioramento
tecnologico del sistema energetico.
Nella fattispecie, l’ENEA individua tre strategie:
1) un massiccio ricorso all’efficienza energetica negli usi finali, con un diffuso
impiego di tecnologie a basso consumo nel civile, nell’industria e nei trasporti;
11
001 PREFAZIONE.fm Page 12 Tuesday, March 11, 2008 1:19 PM
2) un’incisiva promozione delle fonti rinnovabili per la produzione di energia
elettrica e per gli usi termici nel settore civile e per il ricorso a biocarburanti
nel settore dei trasporti;
3) nel lungo periodo (dopo il 2020) la diversificazione del mix di combustibili
per la generazione termoelettrica, anche mediante un maggiore ricorso al
carbone, reso ambientalmente sostenibile con l’impiego delle tecnologie
per il sequestro e il confinamento del CO2.
In particolare, in merito al punto 1, il riscaldamento domestico costituisce
quasi l’70% dei consumi finali. In questo settore le tecnologie efficienti per l’edificio e l’impianto (isolamenti termici, ventilazione meccanica controllata con
recupero di calore, doppi e tripli vetri con gas inerti, caldaie a condensazione,
pompe di calore geotermiche…), possono produrre effetti significativi già nel
breve-medio periodo, consentendo una riduzione della domanda nel lungo
periodo compresa tra il 16 e il 23%.
Per quanto concerne l’utilizzo di fonti rinnovabili, dopo una prima fase di
forte impulso alla diffusione delle tecnologie già oggi disponibili sul mercato
(eolico, biomassa, solare termodinamico, solare termico e fotovoltaico), si prevede l’utilizzo generalizzato ed economico di una seconda generazione delle
rinnovabili, frutto della ricerca e dello sviluppo tecnologico.
Gli investimenti nella ricerca energetica dovranno essere sempre più consistenti, e saranno concentrati soprattutto in quelle tecnologie che a parità di prestazioni energetiche ed ambientali, meglio si integreranno nel territorio e
nell’architettura. La rincorsa alla diminuzione di CO2 può essere, per l’Italia e
in particolare per l’industria italiana, un ottimo trampolino di lancio per lo sviluppo di tecnologie a basso impatto ambientale, per il miglioramento dell’efficienza energetica in tutto il bacino del Mediterraneo, per aumentare la
sicurezza di approvvigionamento ed l’indipendenza dalle fonti convenzionali.
Questo libro nasce con l’intenzione di fornire a progettisti, operatori del settore e studenti, gli strumenti operativi per progettare ed eseguire impianti fotovoltaici a regola d’arte. Attraverso un’analisi preliminare della tecnica
fotovoltaica, il testo si sviluppa nella spiegazione delle varie problematiche
relative agli impianti, tenendo in considerazione la normativa tecnica di riferimento, la gestione delle pratiche per l’accesso alle tariffe incentivanti e la
manutenzione degli impianti. Molto importante è la presenza di esempi, che
illustrano tramite calcoli ed illustrazioni, la scelta di tutti i componenti
dell’impianto e la metodologia per eseguire una corretta analisi costi-benefici
in conto energia. Allegato al volume è il software Preventer-FV Lite, di ESFERA
12
PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
001 PREFAZIONE.fm Page 13 Tuesday, March 11, 2008 1:19 PM
QUADERNI
per la progettazione
Energia, che consente la preventivazione rapida di impianti fotovoltaici che
desiderano accedere al nuovo “Conto Energia”. Dopo un dimensionamento
della taglia dell’impianto, il software calcola la produzione energetica annua
attesa (secondo UNI 10349), e guida l’operatore alla compilazione dello studio di fattibilità, eliminando tutte le scelte non conformi alla normativa. La vers i o n e P R O d e l p r o g r a m m a P r e v e n t e r - F V, i n v e n d i t a s u l s i t o
www.esferaenergia.it, contiene invece numerosi plus, che seguono il progettista nel dimensionamento totale dell’impianto e nella compilazione della modulistica necessaria per l’accesso alle tariffe incentivanti.
Ing. Mauro Moroni
Ing. Gabriele Nitrati
13
002 cap.1.fm Page 15 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM
QUADERNI
per la progettazione
CAPITOLO 1
LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA
1.1 La radiazione solare
Grazie alle reazioni nucleari che avvengono all’interno del suo nucleo, il Sole
rappresenta una fonte energetica vitale per il nostro pianeta. L’immensa quantità di energia irradiata sotto forma di onde elettromagnetiche, rende chiaro
come questa stella possa essere considerata con buona approssimazione un
corpo nero (radiatore integrale) alla temperatura superficiale media di circa
5780 K.
All’interno del Sole, mediante le reazioni di fusione termonucleare, ogni
secondo 600 milioni di tonnellate di idrogeno si trasformano in 595,5 milioni
di tonnellate di elio e la restante parte di 4,5 milioni di tonnellate di idrogeno
(pari allo 0,75%), si trasforma direttamente in energia secondo l’equazione di
Einstein E=mc².
L’energia così generata è pari a circa 405.000 miliardi di TJ, una quantità di
energia impensabile a livello terrestre. Tutta la straordinaria potenza della
nostra stella è dovuta alla conversione in energia di questa infinitesima, per il
Sole, quantità di materia, paragonabile approssimativamente alla massa di un
piccolo gruppo di montagne sulla terra.
Il flusso di energia radiante che incide in un’area unitaria perpendicolare ai
raggi all’esterno dell’atmosfera terrestre è definito costante solare, e risulta
pari a 1367 W/m2. Il valore di questa costante può essere calcolato a partire
dalla potenza irradiata dal sole (L):
−7
⎡ erg ⎤
33 ⎡10 J ⎤
26
L = 4π Rs2σ Ts4 ≅ 3,9 ⋅1033 ⎢
≅
⋅
3
,
9
10
⎢
⎥ = 3,9 ⋅10 [W ]
⎥
s
s
⎣
⎦
⎣
⎦
Considerando la distanza D=1AU tra Terra e Sole (dove 1 Astronomic Unit corrisponde a circa 150.000.000 Km), abbiamo che il flusso di energia traspor15
002 cap.1.fm Page 16 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM
tato Φ, comunemente denominato costante solare, risulta pari a:
Φ Sun =
2
2
⎫ ⎡ erg ⎤
⎧⎪
⎛ Rs ⎞
4
6 ⎛ AU ⎞ ⎪
σ
1.366
10
≅ 1371 ± 5 [W/m 2 ]
T
≅
⋅
=
⎜
⎟
⎜
⎟
⎬ ⎢
⎨
s
2
2 ⎥
4πD ⎝ D ⎠
⋅
D
s
cm
⎪
⎪⎩
⎦
⎝
⎠ ⎭ ⎣
L
dove:
σ = 5,67x10-8 W/(m2 K4) (costante Stefan-Boltzmann);
D = 1 AU distanza media Terra-Sole ≅1,496x1011[m];
L = luminosità solare 3,9x1026 [W];
Rs = raggi solari = 6,958x108 [m];
T = temperatura corpo nero [5780K].
Figura 1.1
Alterazione
dell’irradiazione
solare in funzione
delle macchie
solari
Variando la distanza
tra Sole e Terra nel
corso dell’anno
(±3%) in virtù di un
orbita ellittica, ed
essendo noto come
l’attività periodica
delle macchie solari
produca alterazioni
del valore dell’energia emessa dal sole (vedi figura 1.1), è chiaro come tale parametro rappresenti
in realtà un valore medio di potenza specifica.
Se consideriamo che annualmente circa 1,51·10 17 kWh raggiungono la
superficie terrestre e che il fabbisogno energetico primario mondiale annuo nel
2006 è stato stimato in 5,39·1013 kWh di petrolio, 2,7·1013 kWh di gas,
3,1·1013 kWh di carbone, 8,47·1012 kWh di energia nucleare e 1,65·1013 per
valorizzazione rifiuti e rinnovabili, otteniamo che il sole potrebbe dare circa
1100 volte l’energia di cui necessitiamo.
Considerando invece il consumo elettrico italiano del 2006 pari a 337 TWh e
la superficie dell’Italia, pari a 301.338 km², abbiamo che potenzialmente
l’energia ricevibile e trasformabile da impianti fotovoltaici in Italia (con le
attuali tecnologie), ammonterebbe a 31.650 TWh, pari a circa 94 volte il fabbisogno energetico elettrico della nostra nazione. Ovviamente non tutto il “Bel
Paese” potrebbe e dovrebbe essere ricoperto di moduli ma, in considerazione
dell’aumento dell’efficienza di questi, degli enormi risparmi energetici che si
potrebbero avere con un uso razionale ed intelligente dell’energia, nonché con
16
PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
il miglioramento delle tecnologie per lo sfruttamento di altre risorse rinnovabili
(eolico, biomasse e biogas, solare termodinamico e geotermico), si potrebbero
avere risultati insperati anche con una ricopertura di un solo cinquecentesimo
del territorio. L’enorme quantità di energia solare che arriva sul suolo terrestre
ha però lo svantaggio di essere poco concentrata e di subire alterazioni
durante il suo percorso verso la Terra.
Tornando a parlare di flusso
di energia radiante, un parametro che tende ad inglobare
tutti gli effetti che l’atmosfera
esercita sulla radiazione
solare è quello della massa
d’aria relativa (air mass, AM)
che corrisponde alla lunghezza relativa del percorso
della radiazione diretta attraverso l’atmosfera.
A livello internazionale, per distinguere le condizioni in cui può operare un
convertitore solare, si sono definite con AM0 (air mass 0) la curva corrispondente alla radiazione solare misurata al di fuori dell’atmosfera terrestre e con
AM1 (massa d’aria unitaria) la composizione spettrale che si riscontra a livello
del mare quando lo spessore di atmosfera standard è attraversato dai raggi
solari in direzione perpendicolare alla superficie terrestre.
Al livello del mare la massa d’aria relativa può essere calcolata con la formula
approssimata:
AM =
QUADERNI
per la progettazione
002 cap.1.fm Page 17 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM
Figura 1.2
Definizione
di massa d’aria
relativa
1
senα
Figura 1.3
Spettro della
radiazione solare
AM0 e AM1
17
002 cap.1.fm Page 18 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM
L’effetto dell’atmosfera, espresso in massa d’aria, sullo spettro solare è
mostrato in figura 1.3.
Durante il percorso verso la superficie terrestre, non tutta l’energia solare presente all’esterno dell’atmosfera riesce a raggiungere la Terra.
Ciò è dovuto ad una molteplicità di fenomeni fisici che si originano nei diversi
strati dell’atmosfera stessa, quali riflessione diffusa, rifrazione e assorbimento,
i quali causano la presenza di vere e proprie buche a determinati intervalli di
lunghezza d’onda nei diagrammi di densità spettrale.
La diffusione (scattering), uno dei fenomeni più rilevanti, è il risultato degli urti tra
fotoni e molecole d’acqua, aria e pulviscolo atmosferico, mentre l’assorbimento è
dovuto principalmente all’ozono, al vapore d’acqua e all’anidride carbonica.
Nella pratica impiantistica di progettazione di sistemi fotovoltaici, il valore di
massima radiazione al suolo viene assunto pari a 1000 W/m2, mentre si considera come radiazione solare di riferimento per le prove in laboratorio dei
componenti fotovoltaici quella relativa alla curva AM1,5 così come prescritto
dalla norma CEI EN 60904-3.
La misura della radiazione solare su un piano inclinato, si effettua con diversi
tipi di strumenti di seguito indicati.
Piranometro
Strumento basato su un sensore a termopila, normalmente utilizzato per misurare l’irraggiamento solare su un piano di captazione nei sistemi di monitoraggio e nelle prove di laboratorio (CEI EN 60904-3).
Piranometro con banda ombreggiante
Piranometro per la misura dell’irradiazione diffusa; è fornito di un dispositivo
supplementare che fa da schermo all’irradiazione diretta.
Pireliometro
Piranometro che misura l’irradiazione diretta; esso presenta una apertura
ridotta e riceve i raggi del sole mediante un tubo allungato.
Solarimetro
Strumento utilizzato per la misura dell’irraggiamento sul piano di captazione,
basato su sensori al silicio. E’ usualmente utilizzato nel monitoraggio si sistemi
fotovoltaici. E’ spesso preferito al Piranometro perché rispetto a questo ha un
costo più contenuto e il vantaggio di non richiedere frequenti calibrazioni.
La misura si effettua normalmente in W/m2 e tipicamente i valori massimi di
potenza specifica riscontrati durante una bella giornata estiva, in Italia,
variano dai 900 a 1100 W/m2.
18
PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
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1.1.1
Componenti della radiazione solare al suolo
QUADERNI
per la progettazione
Prima di addentrarci in una descrizione del calcolo delle componenti della
radiazione solare, vale la pena definire alcune grandezze fondamentali per la
progettazione di sistemi solari.
Definiamo:
Altezza (o altitudine) solare (γs)
Angolo tra la direzione dei raggi solari ed il piano orizzontale.
Angolo di incidenza (θ)
Angolo tra la normale (retta perpendicolare) alla superficie e la direzione dei
raggi solari.
Angolo di azimuth solare (αs)
Angolo tra la direzione Sud e la proiezione della direzione del Sole sul piano
orizzontale.
Angolo di azimuth di una superficie (α)
Angolo tra la direzione Sud e la proiezione della normale alla superficie considerata sul piano orizzontale.
Angolo di inclinazione o di tilt (β)
Angolo di inclinazione rispetto all’orizzontale della superficie considerata.
Declinazione solare (δ)
Angolo che la direzione dei raggi solari forma a mezzogiorno, sul meridiano
considerato, col piano equatoriale.
Latitudine (Φ)
Fissato un punto sulla Terra, angolo che la normale (perpendicolare) alla
superficie passante per il punto forma con il piano equatoriale; la latitudine si
dice Nord se il punto considerato è sull’emisfero settentrionale, Sud se è
sull’emisfero meridionale.
I principali angoli prima definiti sono rappresentati in figura 1.4.
19
002 cap.1.fm Page 20 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM
Figura 1.4
Grandezze
angolari di
interesse
La radiazione solare globale al suolo intercettata da una superficie inclinata di
un angolo β rispetto all’orizzonte, comunemente denominato angolo di tilt, e
la cui normale è orientata di un angolo θ rispetto alla direzione dei raggi solari, detto angolo di incidenza, viene distinta in diverse componenti.
La principale, in termini di importanza, è sicuramente la radiazione diretta,
costituita dai raggi che non subiscono assorbimenti e riflessioni ma che raggiungono direttamente la superficie inclinata. La relazione matematica che fornisce il valore di tale componente è la seguente:
B = GB −ORTO × cos θ
dove
GB-ORTO è la radiazione sul piano ortogonale alla direzione dei raggi. Tale parametro può essere valutato in maniera empirica tramite modelli di calcolo matematici (es: modello di Hottel) o tramite misure sperimentali eseguibili con l’ausilio
di un solarimetro.
Il valore analitico del cosθ, dipende invece da diversi parametri, come declinazione (δ), angolo orario (ω), latitudine del sito (Φ), inclinazione e orientamento dei moduli, in virtù del fatto che la posizione del sole è diversa in ciascun
momento dell’anno ed è funzione della posizione del punto di osservazione
sulla terra. L’espressione generale di cosθ è la seguente:
cosθ = senδ (senΦ cosβ - cosΦ senβ cosα) +
+ cosδ cosω (cosΦ cosβ+ senΦ senβ cosα) +
+ (cosδ senβ senα senω)
dove
la declinazione δ nel giorno n dell’anno e l’angolo orario ω, sono dati dalle seguenti relazioni:
20
PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
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δ = 23,5 sen [360(284+n)/365]
ω = 15 (ts-12)
QUADERNI
per la progettazione
dove
ts è l’ora solare compresa tra 0 e 24.
La seconda componente è la radiazione diffusa, dovuta a fenomeni di scattering che variano al variare dell’angolo di incidenza della radiazione sulla
superficie terrestre. Per questa componente la relazione matematica è la
seguente:
D = GD −ORIZZ × (1 + cos β ) / 2
dove
GD-ORIZZ è la radiazione diffusa sul piano orizzontale.
Facendo riferimento alla progettazione fotovoltaica, tali componenti potrebbero però risultare insufficienti.
Esiste infatti una terza componente da prendere in considerazione, che tiene
conto delle riflessioni al suolo della radiazione luminosa. Questa componente,
comunemente denominata di albedo, è in grado di contribuire in modo efficace alla conversione fotovoltaica e può essere calcolata nel modo seguente:
R = (GB −ORIZZ + GD −ORIZZ ) × ρ × (1 − cos β ) / 2
dove
GB-ORIZZ è la radiazione diretta sul piano orizzontale e ρ è la riflettanza del suolo,
compresa tra 0 e 1.
Il valore di riflettanza dipende ovviamente dal tipo di suolo a cui si fa riferimento e la tabella seguente fornisce dei dati di albedo indicativi per alcune
tipologie di superfici.
Tab. 1.1 - Valori di albedo per varie superfici
SUPERFICIE
ALBEDO
SUPERFICIE
ALBEDO
Neve
0,75
Cemento
0,22
Specchio d’acqua
0,07
Fogliemorte
0,3
Terreni di varia natura, argilla
0,14
Erba secca
0,3
Strade in terre scure
0,04
Erba secca
0,26
21
002 cap.1.fm Page 22 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM
Tab. 1.1 (segue) - Valori di albedo per varie superfici
SUPERFICIE
ALBEDO
SUPERFICIE
ALBEDO
Boschi di conifere in inverno
0,07
Tetti con bitume e pietrisco
0,13
Boschi in autunno
0,26
Superfici in pietra
0,2
Campi con messi, piante
0,26
Mattoni, intonaci scuri
0,27
Asfalto consumato
0,1
Mattoni chiari, intonaci chiari
0,6
In definitiva, la radiazione complessiva sulla superficie sarà data dalla somma
delle tre componenti:
G = B+D+R
Per una trattazione specifica e dettagliata sull’argomento si rimanda tuttavia
a testi specifici in materia
[3].
Figura 1.5
Componenti
della radiazione
solare
Per quanto riguarda la
radiazione diretta e diffusa, ai fini della progettazione fotovoltaica è prassi
comune utilizzare valori di
radiazione solare giornalieri o medie mensile sul
piano orizzontale espressi in kWh/m2 giorno, tabulati per diverse località e
resi disponibili dalla norma UNI 10349 (Dati climatici) e UNI 8477 (Valutazione dell’energia raggiante ricevuta).
Altre pubblicazioni, come “l’Atlante Europeo della Radiazione Solare” e “La
radiazione solare globale al suolo in Italia” edito dall’ENEA, forniscono
mappe isoradiative e valori di radiazione solare sia per superfici orizzontali,
sia per superfici disposte con vari angoli di inclinazione ed orientazione.
Siti internet specifici, come il sito del centro di ricerche di Ispra
http://re.jrc.ec.europa.eu/solarec/index.htm o il sito dell’ENEA
http://erg7118.casaccia.enea.it, offrono valori di radiazione solare sul piano
orizzontale tramite pubblicazioni gratuite.
A partire dai valori di radiazione solare sul piano orizzontale, sulla base di
metodi di calcolo matematici, sono stati sviluppati diversi software che consentono una rapida determinazione dell’irraggiamento solare incidente su una
superficie variamente inclinata ed orientata.
22
PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
002 cap.1.fm Page 23 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM
1.2 L’effetto fotovoltaico
1.2.1
QUADERNI
per la progettazione
Parlare di tecnologia fotovoltaica senza toccare la fisica dei semiconduttori
risulta alquanto arduo e limitativo. In questo paragrafo verrà illustrato il comportamento elettrico di questi materiali, definendone le caratteristiche, le tipologie e le applicazioni tipiche.
Semiconduttori intrinseci
Il punto di partenza nella descrizione fisica di un solido cristallino, è quello di
definire i livelli energetici che possono assumere gli elettroni al suo interno.
Infatti anche se lontano dal nostro modo di percepire le cose, la natura si manifesta ai nostri occhi in maniera discontinua per il fatto che gli elettroni presenti
all’interno di una struttura cristallina sono raggruppati in bande di energia.
Le uniche zone dove è possibile trovare elettroni sono:
O
O
la “banda di valenza”, caratterizzata da livelli energetici che gli elettroni
assumono nell’orbita più esterna degli atomi che formano il solido (banda
energetica Ev); in questo caso tali elettroni sono denominati elettroni di
valenza;
la “banda di conduzione”, che raggruppa i livelli energetici della cosiddetta
nube elettronica responsabile del fenomeno della conduzione (banda energetica Ec); in questo caso tali elettroni sono denominati elettroni di conduzione.
Tra queste due bande vi è poi una regione proibita in cui non vi sono livelli
energetici permessi agli elettroni. La larghezza della banda proibita, detta
energy gap, è una caratteristica molto importante del semiconduttore e si
denota di solito con Eg.1 Il suo valore energetico è pari alla differenza tra
l’energia della banda di conduzione e l’energia della banda di valenza:
Eg = Ec – Ev
La distribuzione degli elettroni e il loro modo di interagire fra le varie bande
di energia consentite, determina le caratteristiche elettriche del materiale.
Gli elettroni di valenza sono legati ai singoli atomi del reticolo, vibrano nelle
posizioni di equilibrio, ma non possono contribuire alla conduzione. Gli elettroni che occupano i livelli energetici della banda di conduzione, essendo
1.
Il valore di Eg per i materiali semiconduttori è dell’ordine di 1÷1,5eV.
23
002 cap.1.fm Page 24 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM
invece liberi di muoversi in presenza di un campo elettrico possono contribuire
alla generazione di un flusso di cariche elettriche.
A seconda del valore dell’energy gap, distinguiamo:
O
materiali isolanti;
O
materiali semiconduttori;
O
materiali conduttori;
O
materiali superconduttori.
Il valore di Eg varia in base alla temperatura del materiale e di conseguenza
in funzione della temperatura dell’ambiente di operatività.
Come è possibile osservare dalla figura 1.6, gli elementi conduttori hanno la
caratteristica di avere una banda proibita molto limitata e, in certi casi, le
bande energeticamente possibili si sovrappongono. Già a temperatura
ambiente, numerosi elettroni occupano la banda di conduzione.
Gli elementi isolanti al contrario, hanno una banda proibita molto larga (4÷5
eV, fino anche a 10 eV) che, a temperatura ambiente, non permette l’esistenza
di elettroni in banda di conduzione.
Figura 1.6
Struttura
a bande
dei materiali
I materiali semiconduttori invece rappresentano una via intermedia, dato che
la distanza tra le due bande è maggiore rispetto al caso dei conduttori, ma
minore rispetto agli isolanti.
Questa vicinanza tra le bande rende dunque possibile che un elettrone, con
un’opportuna quantità di energia, salti con una certa facilità al livello energetico superiore, dove è poi libero di muoversi sotto l’azione di un eventuale
campo elettrico applicato. La lacuna, cioè il posto vuoto lasciato nella banda
di valenza dall’elettrone passato alla banda di conduzione, può essere considerata a tutti gli effetti una carica positiva, partecipando in modo rilevante al
meccanismo di creazione della corrente elettrica.
24
PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
002 cap.1.fm Page 25 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM
QUADERNI
per la progettazione
Quando è presente una lacuna è probabile che un elettrone di valenza di un
atomo contiguo, lasci il suo legame covalente 2 e vada a riempirla. Così
facendo darà luogo ad un’altra lacuna spostata di un passo atomico rispetto
a quella iniziale e così via.
Risulta chiaro dunque, come le cariche che partecipano al fenomeno della conduzione elettrica siano gli elettroni nella banda di conduzione e le lacune nella
banda di valenza. In questo caso la concentrazione delle cariche negative è
pari alla concentrazione delle cariche positive ed è detta concentrazione di
portatori intrinseci ni.
Nei semiconduttori intrinseci, cioè assolutamente puri, le coppie elettrone-lacuna si formano solo fornendo l’energia necessaria a rompere i
legami; in termini di teoria delle bande, l’energia richiesta corrisponde al salto
energetico Eg. Secondo questo modello, a basse temperature gli elettroni di
valenza rimangono aggrappati agli atomi di appartenenza e il semiconduttore
si comporta essenzialmente come un isolante, dal momento che anche in presenza di un campo elettrico esterno, che vincola gli elettroni nel loro movimento, non ci sono portatori di carica in banda di conduzione.
All’aumentare della temperatura, l’energia termica produce le rotture del
legame covalente consentendo ad un numero equivalente di elettroni di agitarsi nella struttura cristallina. Questi elettroni “energizzati”, avendo acquisito
un’energia superiore ad Eg passano dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Questo processo si intensifica man mano che si va ad incrementare
la temperatura.
Sperimentalmente si osserva che la concentrazione di portatori intrinseci ni
aumenta molto rapidamente con l’aumentare della temperatura e che per una
data temperatura, ni diminuisce molto rapidamente al crescere della banda
proibita.
La dipendenza della concentrazione di portatori intrinseci dalla Eg e dalla temperatura è espressa dalla seguente relazione:
ni ∝ exp (–Eg/2kT)
dove:
k = 1,38 10-23 J/K è la costante di Boltzmann;
T è la temperatura assoluta.
2. Un legame covalente si instaura quando una o più coppie di elettroni vengono messe in
comune fra due atomi. Ciò avviene per una ragione ben precisa: gli atomi tendono al minor
dispendio energetico possibile ottenibile con la stabilità della loro configurazione elettronica.
L’assenza di un elettrone in un legame covalente si dice lacuna.
25
002 cap.1.fm Page 26 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM
1.2.2
Semiconduttori estrinseci
Le proprietà elettroniche dei semiconduttori sono notevolmente modificate
quando, nella struttura cristallina, vengono introdotte delle impurità o droganti
mediante tecniche di diffusione termica e impiantazione ionica. Nell’industria
elettronica e conseguentemente in quella fotovoltaica, l’introduzione di queste
piccole quantità consente di modificare le proprietà elettriche del semiconduttore, rendendole idonee al tipo di applicazione richiesta.
Aggiungendo al semiconduttore delle impurità ad hoc, si può aumentare il
numero degli elettroni in banda di conduzione o di lacune in banda di
valenza. Un semiconduttore con questo tipo di impurità in posizione reticolare
e cioè tale da sostituire un atomo nella struttura cristallina del semiconduttore
puro, si dice drogato od estrinseco.
Ciò vuol dire che, ad esempio, al posto di un certo numero di atomi tetravalenti
di silicio (Si) o germanio (Ge), vengono inseriti altrettanti atomi pentavalenti
(come fosforo o arsenico) o trivalenti (come boro o alluminio).
Prendendo in considerazione il materiale semiconduttore più utilizzato nella
tecnologia fotovoltaico, il silicio, abbiamo che i suoi cristalli sono abitualmente
drogati con materiali quali fosforo e boro. In figura 1.7 si può notare come il
fosforo inserito nel reticolo cristallino, apporti un elettrone in più mentre il boro
un elettrone in meno.
Figura 1.7
Effetto
delle impurità
introdotte nel
cristallo
(Fonte: EERE)
Sulla base del numero di elettroni di valenza degli atomi introdotti, il drogaggio può essere di tipo “n” o di tipo “p”.
Il drogaggio con il boro consente di ottenere una struttura di tipo “p”, con
eccesso di lacune; il drogaggio con il fosforo consente di ottenere una struttura
di tipo “n”, con eccesso di elettroni.
Gli atomi di fosforo, appartenenti al quinto gruppo del sistema periodico degli
elementi, sono detti donatori, mentre gli atomi di boro, appartenenti invece al
terzo gruppo sono detti accettori.
26
PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
002 cap.1.fm Page 27 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM
Droganti
Legami
TIPO P (POSITIVO)
TIPO n (NEGATIVO)
Gruppo III
(Boro)
Gruppo V
(Fosforo)
Eccesso di lacune
Eccesso di elettroni
Portatori maggiori
Lacune
Elettroni
Portatori minoritari
Elettroni
Lacune
1.2.3
QUADERNI
per la progettazione
Tab. 1.2 – Confronto tra silicio di tipo p e silicio di tipo n
Giunzioni a semiconduttore
La conversione della radiazione solare in energia elettrica, avviene attraverso
l’effetto indotto da un flusso luminoso incidente su una regione di carica spaziale, in cui la presenza di un campo elettrico consente di separare le cariche
prodotte.
Tale regione può instaurarsi nelle seguenti strutture:
- omogiunzioni o giunzioni p-n;
- strutture metallo-semiconduttore;
- strutture metallo-isolante-semiconduttore (MIS);
- eterogiunzioni ottenute accoppiando due semiconduttori dissimili.
Le giunzioni p-n sono comunemente usate come diodi: interruttori elettronici
che permettono un flusso di corrente in una direzione ma non in quella opposta. Questo risultato può essere ottenuto incrementando o riducendo l’estensione dello strato non conduttivo (la zona svuotata) grazie agli effetti della
polarizzazione inversa e della polarizzazione diretta, dove il termine polarizzazione indica l’applicazione di una tensione elettrica alla giunzione p-n. La
tensione esterna influenza la dimensione del diodo, richiamando un maggiore
o minore numero di portatori; a seconda della densità di portatori disponibili,
e quindi del tipo di semiconduttore scelto e del tipo di drogaggio con il quale
è stato prodotto, sarà possibile variare con un ulteriore grado di libertà l’estensione della regione di svuotamento. Per giunzione p-n si intende un dispositivo
in cui si realizza, tra un semiconduttore drogato di tipo “p” ed uno drogato di
tipo “n”, un contatto che garantisce la continuità cristallina.
Una volta realizzato il contatto, per effetto dell’agitazione termica, gli elettroni
maggioritari della zona “n” tendono a diffondere nella zona “p”, e in modo
analogo le lacune nella zona “p” tendono a diffondere verso la zona “n”,
27
002 cap.1.fm Page 28 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM
Figura 1.8
Giunzione PN
lasciando dietro di loro ioni negativi negli atomi accettori e ioni positivi negli
atomi donatori. Sono queste cariche fisse che fanno assumere alle due parti
costituenti la giunzione un potenziale diverso con la conseguente nascita di un
campo elettrico E.
L’equilibrio si raggiunge nel momento
in cui il campo elettrico generato è in
grado di opporsi al
moto di diffusione
delle cariche, dando
origine ad un bilancio sui due movimenti di carica contrapposti dovuti ai portatori maggioritari (elettroni nella
zona “n” e lacune nella zona “p”) e minoritari (elettroni nella zona “p” e
lacune nella zona “n”), come indicato in figura 1.8.
La regione di carica spaziale rappresenta dunque l’ostacolo fisico che le cariche elettriche devono superare per dar origine al fenomeno della conduzione.
Applicando un opportuna tensione esterna alla giunzione è possibile far in
modo che tale regione aumenti o diminuisca.
In definitiva, si possono individuare 3 diverse situazioni in funzione della tensione applicata ai capi della giunzione:
O
O
O
Equilibrio (V=0); non viene riscontrato passaggio di corrente in virtù di una
condizione di equilibrio.
Polarizzazione diretta (V>0); la barriera di potenziale si riduce e il diodo
passa in conduzione.
Polarizzazione inversa (V<0); la barriera di potenziale aumenta e il diodo
passa in interdizione.
Figura 1.9
Giunzione PN in
polarizzazione
inversa (sinistra)
e in polarizzazione diretta
(destra)
28
PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
002 cap.1.fm Page 29 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM
In termini matematici la caratteristica I-V di un diodo è data dalla seguente
equazione:
QUADERNI
per la progettazione
I = I0 [exp(qV/ kT)-1]
dove:
I è l’intensità di corrente;
V è la tensione;
k = 1,38 10-23 J/K è la costante di Boltzmann;
q = -1,6 × 10-19 è la carica di un elettrone;
T è la temperatura assoluta.
A questo punto occorrerebbe chiedersi il perché, una cella fotovoltaica, essendo un diodo esposto alla luce solare a circuito aperto (V=0), sia invece in grado di generare corrente elettrica. Nei prossimi paragrafi cercheremo di
spiegarlo.
1.2.4
Assorbimento della radiazione luminosa
In una giornata con cielo limpido, ogni centimetro quadrato della superficie
terrestre è colpito ogni secondo da 4.4x1017 fotoni.
Solo alcuni di questi fotoni, quelli con energia superiore all’energy gap del
semiconduttore, possono generare una coppia elettrone-lacuna ed essere
“convertiti” in energia elettrica dalla cella solare.
Figura 1.10
Assorbimento
tipico di alcuni
semiconduttori
29
002 cap.1.fm Page 30 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM
Il valore di energia di un fotone, cioè del pacchetto elementare di energia luminosa, è definito dall’espressione:
E=h×ν
dove:
h è la costante di Planck (h=6,626·10-34 J s);
ν è la frequenza
Poiché la frequenza è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda λ, si
ha che il valore energetico del fotone diminuisce al crescere di λ, con la conseguenza che ogni semiconduttore può convertire solo una parte dello spettro
solare.
Vale la pena sottolineare che una parte dell’energia del fotone viene persa nel
processo di assorbimento: tutte le coppie elettrone-lacuna che vengono generate, hanno in pratica energia superiore all’energy gap e tale eccesso energetico conduce inevitabilmente ad una dissipazione di calore con conseguente
riscaldamento del materiale. Questo rappresenta uno dei meccanismi di perdita fondamentali in una cella solare.
Trascurando le perdite, si può fare una stima approssimativa dell’entità di corrente elettrica che può essere prodotta:
IL = q N A
dove:
N è il numero di fotoni avente energia superiore all’energy gap;
A è l’area superficiale del semiconduttore esposto alla luce;
q = -1,6 × 10-19 è la carica dell’elettrone.
Per quanto riguarda la tensione che può generare una cella solare, si può dare
un valore limite superiore pari a:
V = Eg / q
Sebbene la tensione effettivamente raggiunta nella pratica sia considerevolmente più bassa di questo limite teorico, l’espressione di cui sopra mostra chiaramente che semiconduttori con banda proibita più ampia producono in
genere una tensione più elevata.
30
PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
002 cap.1.fm Page 31 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM
1.3 Le celle fotovoltaiche
QUADERNI
per la progettazione
L’elemento cardine dei dispositivi che convertono la radiazione luminosa in
elettricità è la cella fotovoltaica.
Nel paragrafo precedente si è cercato di chiarire il processo fisico che porta
alla generazione di corrente elettrica attraverso una giunzione p-n “al buio”.
Che cosa succede però se la giunzione viene investita dalla radiazione solare?
In condizioni di irraggiamento il comportamento della cella cambia.
Quando la cella viene illuminata, la radiazione luminosa libera in tutto il cristallo delle coppie di portatori (elettrone-lacuna) che, sospinte dal campo elettrico creato dalla giunzione, danno luogo ad un flusso di cariche. Gli elettroni
generati nella zona P raggiungono la zona N (carica positivamente) mentre le
lacune generate nella zona N migrano verso la regione P (carica negativamente).
In pratica ci si riconduce al caso di una giunzione p-n dove, pur non applicando nessuna tensione (V=0), l’effetto dei fotoni è quello di ridurre la barriera
di potenziale, in maniera del tutto analoga al caso in cui venisse applicato un
generatore che polarizzi direttamente la giunzione stessa.
Da un punto di vista circuitale, l’effetto fotovoltaico può essere schematizzato
da un generatore di corrente IL in parallelo ad una giunzione p-n (diodo), dove
la corrente risultante è fornita dalla relazione:
I = I L − I D = I L − I 0 (exp(qV / KT ) − 1)
Considerando poi i contributi parassiti introdotti dalle connessioni elettriche (schematizzati della resistenza Rs) e dai fenomeni ohmici causati dalla non idealità del
diodo (rappresentati dalla resistenza Rsh), il circuito equivalente risultante può
essere schematizzato nel modo seguente:
Figura 1.11
Rappresentazione
circuitale
di una cella FV
La curva caratteristica I-V della cella assume quindi un andamento traslato
rispetto alla curva del diodo di una quantità pari a IL, come rappresentato nella
figura seguente.
31
002 cap.1.fm Page 32 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM
Figura 1.12
Curva I-V
della cella
fotovoltaica
Il ribaltamento della curva I/V è frutto della diversa conversione di segno tra i
dispositivi utilizzatori (diodi) e i dispositivi generatori (celle FV).
Figura 1.13
Circuito test
Attraverso un circuito di test, costituito da una lampada ad alogenuri metallici
in grado di simulare l’intero spettro solare, è possibile ricavare la curva caratteristica della cella fotovoltaica collegando ai suoi morsetti un resistore di resistenza variabile da zero (corto circuito) fino a infinito (circuito aperto).
In questo modo sarà possibile misurare per
ogni condizione di resistenza un valore di
tensione e di corrente, che riportati in un
piano cartesiano I-V, consentiranno di tracciare sperimentalmente la caratteristica I-V
del generatore fotovoltaico.
Tale caratteristica può essere suddivisa in
tre tratti principali:
O
O
O
Tratto AB: dove la cella si comporta in maniera simile ad un generatore ideale di corrente.
Tratto CD: dove la cella si comporta in maniera simile ad un generatore ideale di tensione.
Tratto BC: è il cosiddetto “ginocchio della curva” ed è la tipica zona di funzionamento del generatore fotovoltaico.
Figura 1.14
Tratti caratteristici
della curva I-V
32
PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
002 cap.1.fm Page 33 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM
O
Radiazione solare: 1000 W/m2
O
Temperatura cella: 25 °C
O
Spettro: AM1,5
O
Vento: 0 m/s
QUADERNI
per la progettazione
La corrente IL è la stessa corrente che circolerebbe qualora la cella fotovoltaica
fosse chiusa su di un corto circuito e pertanto viene anche denominata corrente
di corto circuito ISC (short circuit).
La tensione che invece si manifesta ai morsetti della cella in assenza di carico
(o con carico di elevata impedenza), è indicata con VOC ed è detta tensione a
circuito aperto (open circuit).
Scegliendo un carico opportuno è quindi possibile far operare la cella nelle
condizioni di massimo trasferimento di potenza (PMAX) e cioè in un punto del
ginocchio della curva che massimizza il prodotto tra la tensione (VM) e la corrente in uscita (IM).
A livello internazionale, per garantire delle condizioni di prova normalizzate
per tutti i moduli fotovoltaici sono state definite dalla norma IEC EN 60904-3
le cosiddette Standard Test Condiction (STC):
Altro parametro molto importante è la Nominal Operative Cell Temperature
(NOCT), che fornisce la temperatura nominale di lavoro di una cella inserita
all’interno di un modulo posto nelle seguenti condizioni ambientali:
O
Radiazione solare: 800 W/m2
O
Temperatura ambiente: 20 °C
O
Velocità dell’aria sul vetro del modulo: 1 m/s
O
Modulo funzionante a vuoto
Tale valore oscilla normalmente tra i 40 e i 50°C, ma può risultare anche più
elevato.
Noto il significato di condizione standard è ora possibile definire alcuni parametri caratteristici della cella che, come vedremo, potranno successivamente
essere estesi ai moduli fotovoltaici.
Potenza di Picco (PP)
E’ la massima potenza (PM) generata in condizioni STC dalla cella e viene indicata con l’unità di misura “Wp” (Watt di picco).
33
002 cap.1.fm Page 34 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM
Rendimento (η)
E’ determinato dal rapporto tra la potenza di picco erogabile dalla cella e
quella della radiazione solare incidente3:
η=
PP
I STC ⋅ A
Fill Factor (FF)
Il fattore di riempimento rappresenta il rapporto tra la potenza massima estraibile dalla cella PM = VM⋅IM e il prodotto tra i valori massimi di corrente (ISC) e di
tensione (VOC) in condizioni STC.
FF =
PM
I SC ⋅ VOC
Da un punto di vista geometrico, facendo riferimento alla caratteristica I-V, il
FF rappresenta il grado di inscrizione del rettangolo con lati VM e IM, all’interno
del rettangolo con lati ISC e VOC.
Nelle celle classiche in silicio cristallino, il FF assume un range di valori compresi tra 0,7 – 0,8.
Nelle celle in silicio amorfo invece, un curva caratteristica più schiacciata vincola il FF ad assumere valori più bassi (tipicamente 0,4-0,5).
Figura 1.15
Confronto
tra curve
caratteristiche
di un modulo
in silicio
cristallino e
un modulo
in silicio amorfo
Tale parametro fornisce in oltre una indicazione sull’efficienza della cella: più
è elevato, maggiore è l’efficienza della cella (modulo) e minore sarà la superficie necessaria per l’installazione di una determinata potenza.
3.
34
L’area della cella in m2 è indicato con la lettera A.
PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA