CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE FOTOVOLTAICO

“CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE
FOTOVOLTAICO”
LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA
Bergamo, anno accademico 2013/2014
ing. Adriano Carrara
Dottore di ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Università degli Studi di Bergamo
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“CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE
FOTOVOLTAICO”
La fonte di energia: il sole
ing. Adriano Carrara
Dottore di ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Università degli Studi di Bergamo
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“CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE
FOTOVOLTAICO”
La fonte di energia: il sole
Potenza
emessa
dal
175..000.
175
000.000.
000.000.
000.000.
000.000
W
miliardi di megawatt).
megawatt).
Potenza che raggiunge
terrestre:: 1.350 W/m2.
terrestre
sole:
sole:
(175
l’atmosfera
Potenza che raggiunge la superficie terrestre
terrestre:: 1.000
W/m2 (valori medi).
medi).
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“CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE
FOTOVOLTAICO”
Irraggiamento
IRRAGGIAMENTO
GLOBALE MEDIO
ANNUO AL m^2 –
ANGOLO DI
INCLINAZIONE
OTTIMALE
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“CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE
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kWh / kWp
Data l’estensione nord
nord--sud dell’Italia, la variazione di
insolazione annua tra una località del settentrione
rispetto ad una del mezzogiorno può superare il 40
40%
%.
Producibilità
Nord
1.000 – 1.200
kWh/kWp
Centro
1.100 – 1.300
kWh/kWp
Sud
1.300 – 1.500
kWh/kWp
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kWh / kWp
Producibilità annua di un
impianto fotovoltaico da
1 kWp con angolo di
inclinazione dei moduli
ottimale
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“CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE
FOTOVOLTAICO”
Layout impianto
fotovoltaico
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“CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE
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L’impianto fotovoltaico
L’IMPIANTO FOTOVOLTAICO
E’ COMPOSTO DA:
•CELLE;
•PANNELLI (insieme di più celle);
•STRINGHE (insieme di più pannelli
in serie);
•CAMPO (più stringhe in parallelo);
•INVERTER (converte l’ene
l’ene.. elettrica da cc ad ca
ca);
);
•TRASFORMATORE (innalza la tensione da bt a MT).
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“CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE
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Come funziona il fotovoltaico?
Quando un raggio luminoso colpisce il sottile strato di
alcuni materiali detti “semiconduttori
semiconduttori”,
”,
il più conosciuto dei
quali è il silicio
silicio,, i fotoni
(le particelle di energia
che compongono il
raggio) trasferiscono
la loro energia agli
elettroni degli atomi che
costituiscono il materiale.
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Come funziona il fotovoltaico?
-Materiale
Materiale:: silicio (4 elettroni di valenza).
valenza).
Drogaggio:
-boro, terzo gruppo
elettroni di valenza;
valenza;
–
3
- fosforo, quinto gruppo – 5
elettroni di valenza.
valenza.
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“CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE
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Come funziona il fotovoltaico?
Mettendo a contatto i
due materiali così
ottenuti, si viene a
verificare un flusso di
diffusione di elettroni
dalla zona n alla zona
p e di lacune in
direzione opposta
E0
ZONA P
ZONA N
REGIONE DI SVUOTAMENTO
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Come funziona il fotovoltaico?
Quando la giunzione p-n è investita dalla parte del silicio
tipo n da un flusso luminoso questo cede energia agli
atomi di Silicio portando alcuni elettroni dalla banda di
valenza a quella di conduzioni
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Efficienza di conversione
L’energia trasportata dal flusso
luminoso è pari a:
E = h*v
h*v
Dove v è la frequenza che è il
reciproco
della
lunghezza
d’onda
v = 1/λ
1/λ
Nel caso del Silicio l’energia necessaria a liberare una coppia
elettrone / lacuna è pari all’energia associata ad un flusso
luminoso avente una lunghezza d’onda al massima pari a
λmax = 1,15 mm
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Efficienza di conversione
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Efficienza di conversione
λ
> λmax
=> no liberazione coppia elettrone lacuna
λ < λmax => si liberazione coppia elettrone lacuna
ma ene. in eccesso => scalda il materiale
SOLO IL 44% DELLA RADIAZIONE LUMINOSA CONCORRE A
LIBERARE ELETTRONI DI CONDUZIONE
RENDIMENTO MAX IDEALE MODULO FOTOVOLTAICO 44%
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I pannelli fotovoltaici
monocristallini;;
monocristallini
- policristallini
policristallini;;
- amorfi
amorfi..
Si monocrstallino
Si policrstallino
Si amorfo
η cella
14% – 20%
12% - 15%
5% – 10%
Vantaggi
Rendimento elevato
e stabile.
Tecnologia
affidabile.
Minor costo.
Tecnologia affidabile.
Minori costi.
Buon rendimento in presenza di basso
irraggiamento e alte temperature.
Possibilità d’impiego su supporti flessibili.
Svantaggi
Elevato costo.
Minor rendimento.
Elevata necessità di spazi a causa del basso
rendimento.
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I pannelli fotovoltaici
POTENZA E PRESTAZIONI DI UN MODULO
FOTOVOLTAICO
La scheda tecnica di un pannello fotovoltaico
contiene varie informazioni. Le più importanti
sono:
- tipo di cella (mono o policristallino, amorfo, film sottile)
- potenza
- dimensioni
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I pannelli fotovoltaici
CALCOLO DEL RENDIMENTO DI UN MODULO FOTOVOLTAICO
η = potenza =
sup erficie
220W
W
=
134
,
89
(1,644×0,992)m 2
m2
Se si divide il risultato ottenuto con un valore d’irraggiamento di
riferimento, quale ad 1000 W/m2
W/m2 si ottiene la percentuale di
conversione della potenza solare in potenza elettrica, cioè un
rendimento..
rendimento
W
134,89
2
m
η=
= 0,1349 = 13, 49%
W
1000 2
m
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Efficienza di conversione
Le prestazioni del pannello sono
testate in laboratorio con:
con:
- irraggiamento di 1000 W/m^2
W/m^2;
- irraggiamento perpendicolare al
modulo;;
modulo
- temperatura di 25
25°°C.
Nel mondo reale l’irraggiamento nelle varie ore del giorno può essere
maggiore o inferiore ai 1000 W/m^2
W/m^2. La temperatura può essere maggiore
o minore di 25
25°°C.
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Efficienza di conversione
L’irraggiamento che investe la celle si divide in:
-diretto;
-diffuso;
-albedo (emissioni elettromagnetiche dei corpi
circostanti).
Tecnologie di moduli diversi hanno prestazioni
differenti in funzione della componente diffusa
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Le stringhe
Ogni pannello fotovoltaico è costituito da un certo numero di
celle, solitamente 36 o 72
72,, ogni cella ha ai suoi capi una
tensione dell’ordine dei 0,5 – 0,6 V.
Un modulo presenta quindi una tensione hai suoi capi dell’ordine,
tipicamente, di 35 V e una corrente massima di qualche amper
(es.:
(es.: 5 A)
A)..
Si collegano più pannelli tra loro in serie
n
Vstringa [volt ] =n ∑ ΣVi
Vstringa [volt ] = ∑i =Σ1Vi
i =1
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Le stringhe
Ad esempio si considerino 10 pannelli collegati in serie aventi una
potenza nominale di 200 W l’uno, collegandoli in serie si ottiene
una potenza ai capi della stringa di 2.000 W.
Pel [W ] = V * I
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I quadri di campo
Al fine di ottenere una potenza ancora maggiore la stringhe sono
collegate tra loro in parallelo tramite dei quadri di campo.
campo.
Ponendo n stringhe in parallelo si ottiene una
potenza pari alla somma delle potenze delle
n
singole stringhe.
stringhe.
I1
P[W ] = ∑ ΣPi
I2
i =1
B
A
Collegando in parallelo 10 stringhe da 2.000
W l’una, quello che si ottiene è un sistema
avente una potenza di 20 kW
I3
PW
[ ] =VAB ×Itot =VAB ×(I1 + I2 + I3) =VAB ×I1 +VAB ×I2 +VAB ×I3 = P1 + P2 + P3
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“CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE
FOTOVOLTAICO”
I quadri di campo
Esercizio - supponiamo che un impianto fotovoltaico sia composto
da
da::
I1
- tre stringhe in parallelo;
parallelo;
- 20 pannelli per stringa
stringa;;
-potenza di picco di ogni pannello 180 W.
I2
B
A
I3
Calcolare la potenza di picco di ogni stringa e quella dell’impianto.
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Gli inverter
I pannelli fotovoltaici generano corrente continua
continua.. La maggior parte delle
apparecchiature elettromeccaniche funziona con corrente alternata, così come
la rete di distribuzione in media e alta tensione è in alternata.
alternata.
L’inverter è un dispositivo la cui funzione è convertire la corrente da continua ad
alternata.
alternata
Due macrotipologie di inverter:
- da esterno (proteggere da sole e calore);
-da interni (per potenze elevate)
Es.: da 2-3 kW
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Dottore di ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Università degli Studi di Bergamo
Es.: da 200 kW
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Gli inverter
Dispositivo di inseguimento
del punto di massima potenza
(MPPT-- Maximum Power Point
(MPPT
Tracker)).
Tracker
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Il trasformatore
Compito del trasformatore è innalzare la tensione dal valore di
uscita dagli inverter al valore di rete.
rete.
Negli impianti gridgrid-connected l’energia elettrica è generata con
valori di tensione nell’ordine dei 300 – 400 V.
Rete elettrica di MT
MT:: 15
15..000 V
Due opzioni
- trasformatori 300 – 380 V + trasformatore 380 / 15
15..000 V
- trasformatore speciale 300 / 15
15..000 V
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“CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE
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Il trasformatore
Compito del trasformatore è innalzare
la tensione dal valore di uscita dagli
inverter al valore di rete.
rete.
L’allacciamento alla
essere in bt o MT
MT::
rete
può
- P < 100 kW, allacciamento in bt
- P> 100 kW, allacciamento in MT
Trasformatore da 400 \ 15.000 V
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Il punto di consegna
Il punto di consegna è fisicamente una sala all’interno della quale
si trova la quadristica elettrica dove arrivano i cavi elettrici che
portano l’energia elettrica prodotta dall’impianto fotovoltaico e
ripartono i cavi elettrici della rete pubblica
pubblica..
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Le perdite del sistema
Due tipologie di perdite:
perdite:
- distribuite (cavi in cc, ca e MT)
MT);;
- concentrate (inverter e trasformatori)
- di temperatura (minori performance moduli e
inverter)
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“CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE
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L’allacciamento alla rete di distribuzione
Potenza impianto
Allacciamento BT
< 100 kW
> 100 kW e < 6.000 kW
Allacciamento MT
X
X
Le norme CEI 11
11--20 e la variante V1 prescrivono alcuni dispositivi di protezione
che devono intervenire nel caso di guasto o mal funzionamento della rete di
distribuzione alla quale l’impianto fotovoltaico è collegato
collegato..
Tali dispositivi sono:
sono:
- il dispositivo generale;
generale;
- il dispositivo d’interfaccia (1 per inverter fino a 3 inverter);
inverter);
- il dispositivo di generatore;
generatore;
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“CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE
FOTOVOLTAICO”
L’allacciamento alla rete di distribuzione
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“CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE
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L’allacciamento alla rete di distribuzione
CONTATORI
DI SCAMBIO
QUADRO
ELETTRICO
ENERGIA ELETTRICA
ALLA RETE PUBBLICA
CONTATORE DI
PRODUZIONE
ENERGIA
ELETTRICA
ALL’UTENZA
INVERTER
MODULI
FOTOVOLTAICI
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