Energie Rinnovabili - ditec.unige.it

Università
Università degli studi di Genova
DIME, Dipartimento di Ingegneria Meccanica
Sezione TErmoenergetica e Condizionamento ambientale, TEC
Solar Energy: photovoltaic conversion
Energie Rinnovabili
Marco Fossa
Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Sezione TEC, DIME
M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe - Pag. 1 / 100
Rev. 09.11.13
Contents
Photovoltaic effect
Energy conversion and cell test
Cells and modules
Cell Efficiency
PV systems electronics
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Fonte: Leee-Supsi
Fonte: Leee-Supsi
Photovoltaic Effect (I)
Semiconductors.
There
are
two
main
semiconductor materials: germanium (Ge) and
silicon (Si). This one is the most employed in the
electronic industry, thanks to the abundancy of
silica on earth
A semiconductor is an insulator at low
temperatures. Covalent bonds in the silicon crystal
(diamon lattice disposition) do not make available
any charge (electron) for current flow.
At high enough temperatures, or for photon
absorption, some electrons in the valence band can
move the conduction band, leaving holes (positive
charges) in the valence band.
Both conduction electrons or valence holes are
charges able to carry the electric current
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Photovoltaic Effect (Ib)
In
an
undoped
(intrinsic)
semiconductor
in
thermal
equilibrium, the number of electrons
in the conduction band and the
number of holes in the valence band
are equal; no = po = ni, where ni is
the intrinsic carrier concentration,
depending on temperature (Fermi
function).
The intrinsic carrier concentration is
typically very small compared to the
densities of states and typical
doping densities (ni ≈ 1010 cm−3 in
Si) and intrinsic semiconductors
behave very much like insulators;
that is, they are not very useful as
conductors of electricity
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Photovoltaic Effect (III)
Nel silicio cristallino quindi ciascun a atomo condivide con quelli adiacenti un elettrone
tra quelli più esterni (elettrone di valenza) e si ottiene un ottetto di elettroni che rende la
configurazione (nella realtà tridimensionale e tetraedrica) stabile. In questa
configurazione di valenza gli elettroni non sono abilitati a muoversi.
Un apporto energetico può portate gli elettroni dallo stato energetico di valenza a
quello (banda) di conduzione. Tale apporto energetico nel silicio è pari circa a 1.2 [eV].
Considerando che l’energia del fotone è data da:
E = 1.23/λ [eV/µm]
si evince come soltanto le lunghezze d’onda inferiori a
1.1 [µm] possono essere utilizzate produrre elettroni di
conduzione
Quando un elettrone è passato alla
banda di conduzione è capace di
muoversi nel reticolo cristallino così
come accade nei metalli.
La lacuna che si crea nella banda di
valenza rappresenta anch’essa una
carica libera abilitata a muoversi.
Banda di
conduzione
Elettrone
Lacuna Banda di
valenza
Corrente elettrica
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Photovoltaic Effect (IIIb)
When a semiconductor is taken out of thermal equilibrium, for instance by illumination
and/or injection of current, the concentrations of electrons (n) and holes (p) tend to
relax back toward their equilibrium values through a process called recombination in
which an electron falls from the conduction band to the valence band, thereby
eliminating a valence-band hole. There are several recombination mechanisms
Conduction
band
Electron
hole
Valence
band
Current
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Fonte: Leee-Supsi
Photovoltaic Effect (II)
Doping
when semiconductor silicon is doped with
phosphorous, one electron is donated to the
conduction band for each atom of
phosphorous introduced. Phosphorous is
has five valence electrons. Silicon is now of
type N
If silicon is doped with
boron (valency of three),
each boron atom accepts
an electron from the
valence band, leaving
behind a hole.
Silicon is now of type P
N
P
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Photovoltaic Effect (IV)
Se nel reticolo cristallino del silicio sono presenti degli atomi droganti si creano lacune
o elettroni liberi nella banda di valenza.
L’inserzione di atomi boro (trivalenti) produce una lacuna.
L’inserzione di atomi fosforo (pentavalente) induce un elettrone libero.
Gli atomi boro sono anche detti atomi accettori (acceptors) e il semiconduttore diviene
di tipo P.
Gli atomi fosforo sono detti atomi donatori (donors) e il semiconduttore diviene di tipo
N.
L’operazione di drogaggio avviene creando concentrazioni estremamente basse di
drogante, dell’ordine di 10-7 atomi droganti per atomo di silicio.
N
P
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Photovoltaic Effect (V)
Se vengono posti a contatto due strati P-N, si crea una giunzione (junction) con
caratteristiche elettriche particolari. Infatti, se isolati, i cristalli P e N sono elettricamente
neutri (stesso numero di cariche elettroni e protoni).
Nei pressi della giunzione, per diffusione, lacune tenderanno a muoversi verso la
zona N ed elettroni tenderanno a muoversi verso la zona P.
Potenziale elettrico
La diffusione è contrastata dal
prodursi di un potenziale
elettrico
dovuto
allo
spostamento di cariche.
La zona nei pressi della
giunzione dove lo scambio di
cariche avviene è detta zona di
carica spaziale, o zona di
svuotamento
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Photovoltaic Effect (V)
Where an n-type semiconductor comes into contact with a p-type semiconductor, a pn
junction is formed. In thermal equilibrium there is no net current flow
Since there is a concentration difference of holes and electrons between the two types
of semiconductors, holes diffuse from the ptype region into the n-type region and,
similarly, electrons from the n-type material diffuse into the p-type region. As the
carriers diffuse, an electric field (or electrostatic potential difference) is produced, which
limits the diffusion of further holes and electrons.
Potenziale elettrico
Depletion zone (zona di
svuotamento)
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The Junction
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The Junction (II)
Se vengono posti a contatto
due strati P-N, si crea una
giunzione con caratteristiche
elettriche particolari, anche in
termini di valori energetici della
banda di valenza e conduzione
Questa
rappresentazione
consente di spiegare in una
diversa maniera la migrazione
delle
cariche
nella
zona
polarizzata
(Animazione, tratta da
Interactive Learning Centre
© University of Southampton,
1997
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The Junction (III)
La giunzione così realizzata è di fatto un diodo semiconduttore (diode), cioè un
elemento elettronico per il quale, se applicata una differenza di potenziale tra P e N
(positiva su P) si ottiene il passaggio di corrente elettrica, a patto che il potenziale
applicato sia superiore a un valore di soglia, tipicamente 0.6-0.7 [V].
Se si inverte la polarità, il
potenziale applicato si somma a
quello
creato
dal
processo
diffusivo, ed il passaggio di cariche
è inibito.
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The Junction (IV)
Il potenziale elettrico presente alla giunzione P-N e il passaggio da banda di valenza a
banda di conduzione dovuto all’assorbimento di fotoni sono alla base dell’effetto
fotovoltaico
L’assorbimento di fotoni libera una serie di coppie elettrone-lacuna.
In mancanza della zona polarizzata di giunzione, l’elettrone tornerebbe a brevissimo a
legarsi ad un altro atomo.
Il campo elettrico alla giunzione forza invece le cariche a passare nel semiconduttore
polarizzato di segno opposto.
In questa maniera gli elettroni possono raggiungere un elettrodo e fornire corrente
elettrica ad un carico
Fotoni
e-
carico
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The Junction (V)
A circuito aperto, la migrazione di cariche attraverso la giunzione produce una
accumulo di cariche fino al raggiungimento di una tensione di equilibrio.
Se il circuito si chiude su un carico, si ottiene una corrente elettrica
+
+
-
-
+
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Fonte: Leee-Supsi
Cell structure
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PV Conversion (I)
I fotoni in grado di liberare cariche nel semiconduttore sono quelli aventi lunghezza
d’onda inferiore a 1.1µm. Nello spettro solare a terra (AM =1.5), la frazione di energia
contenuta nelle lunghezze d’onda inferiori a 1.1µm è circa il 75% dell’energia
complessiva.
Nella realtà il rendimento delle celle fotovoltaiche
è molto lontano dal 75%.
I motivi sono molteplici:
• L’eccesso di energia dei fotoni produce calore
•non tutti i fotoni penetrano alla giunzione
(riflessioni, schemature della griglia)
•Coppie lacuna-elettrone si ricombinano senza
effetto fotovoltaico
•Una parte della corrente generata non fluisce al
carico
•La corrente generata è soggetta a perdite per
effetto Joule
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PV Conversion (II)
Diversi materiali hanno diverse energie di attivazione degli elettroni. Ciò comporta che
fotoni a bassa energia non inducono effetto fotovoltaico e i fotoni dotati di extra energia
dissipano questo surplus in calore
Tenendo conto delle altre cause di dissipazione dell’energia, il rendimento teorico
massimo risulta al massimo il 30% circa.
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Multijunction cells
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Multijunction cells
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Light concentration
SOLIANT
“What they call a “module” includes
eight receiver assemblies consisting
of a high-efficiency multijunction
Spectrolab or Emcore cell, two-level
Fresnel 500X concentrator optics from
3M, a heat sink, and printed circuit
board. Each module is also
individually integrated with the
company’s proprietary TipTilt two-axis
tracking system, which through its
combination of inexpensive but
reliable motors, movement sensors,
and unique algorithms can track the
sun through the course of the day with
a pointing accuracy of 0.1%.
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PV Conversion (III)
Energia solare incidente sulla
cella fotovoltaica
Ca
lo
re
(e
sc
lu
so
rif
le
s
sio
ni
)
<
Energia elettrica utile
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Cell behaviour
Quando la cella non è illuminata si comporta come un diodo.
La caratteristica tensione-corrente è di tipo esponenziale, con un comportamento che
può essere schematizzato da una discontinuità a gradino in corrispondenza della
tensione di attivazione (circa 0.7V)
Caratteristica al “buio”
Quando la cella è illuminata si
comporta come un generatore di
corrente.
Rcarico
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Cell behaviour (II)
La curva caratteristica della cella (come generatore) possiede una serie di parametri.
Isc = corrente di corto circuito
Voc = tensione a circuito aperto
Im = corrente nel punto di massima potenza Pmax
Vm = tensione nel punto di massima potenza
Si
definiscono
i
seguenti
Gsol assegnato parametri prestazionali:
Fattore di riempimento FF (Fill
Factor)
FF = Pm / (Isc Voc)
Rendimento η
η = Pmax / Psolare incidente
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Cell behaviour (II)
it is clear that an efficient solar cell will have a high short-circuit current, ISC, a high
open-circuit voltage, VOC, and a fill factor, FF, as close as possible to 1.
Gsol assegnato
Si
definiscono
i
seguenti
parametri prestazionali:
Fattore di riempimento FF (Fill
Factor)
FF = Pm / (Isc Voc)
Rendimento η
η = Pmax / Psolare incidente
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Cell behaviour (III)
In generale la caratteristica di una cella fotovoltaica è funzione di tre variabili
fondamentali: intensità della radiazione solare, temperatura e tipologia della cella.
G1 = 1 kW/m2
I
G2 = 0.5 kW/m2
Fonte: Leee-Supsi
T1 = 20°C
T2 = 60°C
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Cell behaviour (IV)
La temperatura di esercizio non ha un
effetto significativo sulla corrente di
corto circuito, mentre riduce
proporzionalmente la tensione a vuoto
La radiazione incidente riduce drasticamente la
corrente prodotta, ma non ha effetti altrettanto
marcati sulla tensione a vuoto.
La diminuzione di rendimento con la
temperatura di esercizio è stimabile in
0.4 - 0.6 [%/°C]
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Cell behaviour (V)
La diminuzione di rendimento con la
temperatura è stimabile in 0.4 - 0.6 [%/°C]
La temperatura di riferimento (temperatura
di test) è 25°C.
L’irraggiamento di riferimento è
1000W/m2
Modulo da circa 70 celle
Il silicio cristallino, che ha migliori
prestazioni, risente maggiormente del silicio
amorfo degli effetti della temperatura
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Cell behaviour (VI)
MPP (maximum Power Point)
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Cell behaviour (VII)
Il rendimento si mantiene quasi costante con l’irradianza
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Cell behaviour (VIII)
L’accoppiamento della cella ad un carico
resistivo, produrrebbe punti di funzionamento
caratterizzati da rendimento non ottimale.
Il punto di funzionamento dovrebbe infatti
sempre collocarsi nel punto di Potenza
massima (punto di massimo rendimento)
G
Per ottimizzare le prestazioni della cella, vengono
utilizzati dispositivi elettronici, tra cui il MPPT
(maximum Power Point Tracker), il cui insieme è
detto BOS, balance of the system
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Cell test
La procedura di test standardizzata prevede la misura della potenze
generata per una irradianza di 1000W/m2, con spettro di luce come da
(Norma Cei-EN 60904-1, 60904-3). Durante la prova, in transitorio, la
mantenuta a T=25°C, ed illuminata per un brevissimo periodo. Una
riferimento provvede a misurare l’irraggiamento effettivo.
elettrica
AM=1.5
cella è
cella di
NOCT, Normal operating Cell Temperature, temperatura effettiva di lavoro per
G=800W/m2, Ta=20°C, wwind = 1 m/s
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Temperature control of PV
modules (I)
La diminuzione di rendimento con la temperatura è stimabile in 0.4 - 0.6 [%/°C]
Noct di targa (condizioni nominali, convezione forzata) = 45°C (tipico)
In certe configurazioni (e.g. moduli PV in edifici a facciata doppia), è la convezione
naturale responsabile principale del raffreddamento dei moduli, che possono
pertanto portarsi a temperature più elevate (60°C) rispetto al Noct
La disposizione dei moduli PV (continui in verticale, sfalsati, su intercapedini di
diversa profondità, etc) determina diverse modalità dello scambio convettivo
naturale, quindi diversi coefficienti di scambio h, quindi diverse temperature di
esercizio all’’equilibrio diverse (più alte al diminuire di h).
Uno studio è stato condotto presso UNSW, Sydney, cui ha collaborato il docente,
per determinare gli effetti della disposizione dei moduli PV sul coeff. di scambio e
sulla temperatura di parete di un sistema di riscaldatori che simulavano la
presenza di moduli PV disposti lungo una parete verticale
(Reference:
Reference: C.Mé
C.Ménézo,
zo, M.Fossa,
M.Fossa, E.Leonardi,
E.Leonardi, Exp.
Exp. Thermal Fluid Science Journal, 2008)
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Temperature control of PV
modules (II)
La diminuzione di rendimento con la temperatura è stimabile in 0.4 - 0.6 [%/°C]
Noct di targa (condizioni nominali, convezione forzata) = 45°C (tipico)
Ross, R.G. Jnr. and Smokler, M.I. (1986)
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Temperature control of PV modules (III)
Configurazione
studiata
Courtesy of Insa-Lyon
Modulo PV
Zone
riscaldate
Vetratura
trasparente
Configurazione reale
1.6
D
D= 100 mm
1.4
a
1.2
z [m]
1
0.8
0.6
0.4
0.2
Sezione di prova riscaldata
(la seconda parete non è
presente)
Z
C2_75W/m²
C3_75W/m²
C2_100W/m²
C3_100W/m²
C2_200W/m²
C3_200W/m²
C1_100W/m²
C1_200W/m²
C1_75W/m²
C1
0
10
20
30
40
Twall-TT
[°C]
h-T
∞ [°C]
air
50
60
C2
70
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C3
Cells and modules (I)
Le singole celle possono essere collegate tra loro in serie oppure in parallelo.
L’insieme delle celle costituisce un modulo.
Il tipico modulo è costituito da 34-36 celle in serie (o multipli). La ragione risiede nel
fatto che così facendo è possibile ottenere una tensione a circuito aperto sufficiente a
caricare un accumulatore al piombo, come accadeva nelle prime applicazioni off-grid.
La cella ha dimensioni tipiche di 100cm2 e forma esagonale o rettangolare. In condizioni
nominali (irradianza 1000 W/m2) produce una corrente di 3A, una tensione di circa 0.5V
ed una potenza di 1.5W
CELLE
MODULI
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Cells and modules (II)
Le celle di silicio monocristallino (c-Si) utilizzano semiconduttori altamente puri, la
cui produzione è fortemente onerosa. Dalla massa fusa di silicio si producono barre
monocristalline di diametro di circa 15cm che vengono in seguito tagliate in sottili fogli
da 250-350µm.
La produzione di celle policristalline è meno onerosa: In questo caso la massa di
silicio è solidificata con cristalli di diverse dimensioni ed orientazione. Il rendimento di
questo tipo di celle è inferiore al quello delle celle monocristalline.
Si parla di celle a silicio amorfo (a-Si) o celle a film sottile quando su un substrato di
vetro o di altro materiale (anche non rigido) viene depositato un sottile strato di silicio,
tipicamente di pochi microns. I costi sono i più bassi al pari delle prestazioni.
Nelle celle a film sottile si utilizzano, oltre che silicio amorfo
(a-Si), rame-indio diseleniuro (CIS, CIGS) e cadmio tellururo
(CdTe).
Celle ad Arseniuro di Gallio hanno mostrato in
laboratorio rendimenti superiori al 30%. Sono utilizzate
in applicazioni spaziali
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Cells and modules (IIb)
Le celle di silicio mono e poli cristallino (c-Si) presentano caratteristiche estremente
stabili nel tempo (P>90% P0 dopo 20 anni). La tecnologia è abbastanza consolidata e
non si attendono grandi miglioramenti o riduzione dei costi.
Le celle a silicio amorfo (a-Si) presentano una riduzione delle prestazioni nella prima
migliaia di ore di funzionamento. Hanno costi bassi (1000€/kWp 2010)
Le celle a film sottile del tipo CIS e CIGS hanno prestazioni costanti nel tempo e
potenziale di miglioramento nei costi e nelle prestazioni
(>25% Laboratorio UNSW)
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Cells and modules (III)
Diffusione differenti
tecnologie, 2003
Fonte Castello, Enea
Produzione del silicio
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Cells and modules (IV)
Silicio metallurgico:
purezza 99% (2N)
Silicio elettronico:
purezza 99,9999 (6N)
Silicio solare:
purezza 99,99 (4N)
Materia prima:
Quarzo, Sabbia di silice
Silicio di qualità
elettronica EG-Si
Blocchi di silicio e
Wafers
Cella fotovoltaica
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Cells and modules (V)
Fonte Castello, Enea
Fabbricazione della cella (c-Si)
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Silicon process
Schema ed immagine di una fornace di
produzione del silicio metallurgico,
(Fonte Elkem Silicon, Norway)
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Silicon process (II)
Il processo più noto e più utilizzato è detto processo Siemens, basato sulla
decomposizione del triclorosilano ad elevata temperatura. Altri processi
utilizzano il Silano come composto di partenza. Le reazioni chimiche principali
sono le seguenti:
Si(solido)+3HCl = HSiCl3 + H2
(4.2)
la reazione è accompagnata dalla formazione di Silano, con concentrazioni fino
al 20%
Si(solido)+4HCl = SiCl4 + 2H2
(4.3)
Il triclorosilano (temperatura di ebollizione normale circa 32°C) è meno volatile
rispetto ad altri silani quali il monosilano (temperatura di ebollizione normale
circa -112°C, tossico).
La distillazione frazionata del triclorosilano consente di ottenere elevati gradi di
purezza.
Il passo successivo è la vaporizzazione del triclorosilano e la reazione con
l’idrogeno, ad alta temperatura.
Le reazioni chimiche sono diverse e i prodotti gassosi risultano H2, HCl, SiCl4,
HSiCl3, H2SiCl4, e silicio puro che si deposita su elettrodi di silicio cristallino
mantenuti a circa 1100°C.
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Silicon process (III)
La reazione avviene in un reattore CVD, (chem. vapour
deposition), dove il silicio accresce in forma solida su
elettrodi in silicio puro
Ad ogni mole di silicio solido depositato corrispondono
circa 3-4 moli di tetraclorosilano all’uscita del reattore.
Il tetraclorosilano può essere riconvertito in triclorosilano
per riduzione con idrogeno, in due passaggi successivi a
1100°C e 500°C.
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Silicon process (IV)
Metodo Czochralski (CZ)
Il processo si basa su una camera a
vuoto (o contenente gas inerti come
Ar, CO e SiO per croglioli di grande
dimensione)
dove
polisilicio
di
opportuna pezzatura viene fuso in un
crogiolo di quarzo alla temperatura di
circa 1420°C.
Quando il polisilicio è completamente
fuso ed amalgamato, un monocristallo
di inseminazione (seed crystal) viene
calato nel crogiolo fino a toccare la
parte liquida e subire la parziale
fusione della parte terminale. Il cristallo
di inseminazione viene mantenuto in
lento movimento di rotazione e
successivamente sollevato, per dar
luogo ad un lingotto avente la forma di
un solido di rotazione, che cristallizza
in maniera ordinata (monocristallo).
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Cell wafering
Taglio del lingotto
Il taglio del lingotto in sottili strati (wafer) è
preceduto in genere dalla squadratura del lingotto
medesimo, con una taglia standard 10x10 cm2. Il
taglio del lingotto in strati sottili è effettuato con
macchine multifili, dove fino a 700 fili metallici,
guidati da rulli scanalati, eseguono il taglio grazie
all’apporto di materiale abrasivo.
L’abrasivo utilizzato per il taglio è polvere di carburo
di silicio (dimensioni 5~30 mm), miscelata in un
liquido (slurry) che solitamente è glicole polietilenico
(PEG). La dimensione dei fili (in acciaio inossidabile,
spesso rivestito da ottone) è in genere compresa tra
120 e 160 µm.
Negli ultimi anni si è assistito alla riduzione dello
spessore del wafer da 325 a circa 200 µm.
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Cell printing
Macchina per screen printing
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Cells, Energy
Payback period
“To calculate payback, Dutch researcher
Alsema reviewed previous energy analyses
and did not include the energy that originally
went into crystallizing microelectronics
scrap. His best estimates of electricity
used to make nearfuture, frameless PV
were 600 kWh/m2 for single-crystalsilicon
modules and 420 kWh/m2 for multicrystalline silicon.
Assuming 12% conversion efficiency
(standard conditions) and 1,700 kWh/m2
per year of available sunlight energy (the
U.S. average is 1,800), Alsema calculated
a payback of about 4 years for current
multicrystallinesilicon PV systems.
Projecting 10 years into the future, he
assumes a solar-grade silicon feedstock and
14% efficiency, dropping energy payback to
about 2 years.”
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Rendimento di conversione elettrica [%]
Cells and and modules (VI)
(Fonte Enea)
c-
System suitability and qualification approval are given in terms of DIN EN
61215 (IEC 61215), as well as electrical classification “Protection Class II".
Typical performance guarantee is 90 % for 10 years and 80 % for 25 years.
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Efficiency Records
Researchers at UNSW claim record 43% conversion efficiency (Fonte PVTech.org, 26 agosto 2009)
According to the team, the silicon cell is optimised to
capture light at the red and near-infrared end of the
spectrum, meaning it is able to convert up to 46% of
light in that colour range into electricity. When
combined with four other cells, each optimised for
different parts of the solar spectrum, the five-cell
combination is capable of converting 43% of the
sunlight hitting it into electricity, improving on the
previous world record by 0.3%
Prof. Green,UNSW
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Efficiency Records (II)
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Efficiency and module surface
A=Pnom/(η Gnom)
= 1/
η
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Cells and modules (VII)
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Cells and modules (VIII)
Fonte: Enea
La tecnologia dei film sottili sfrutta la deposizione (ad esempio su vetro) di un
sottilissimo strato di materiali semiconduttori, silicio amorfo ed alcuni semiconduttori
Composti policristallini, quali il
diseleniuro di indio e rame (CuInSe2), e il tellururo di cadmio (CdTe).
Tale tecnologia punta sulla riduzione del costo della cella e sulla versatilità d’impiego
(ad esempio la deposizione su materiali da utilizzare quali elementi strutturali delle
facciate degli edifici).
Attualmente il problema
maggiore sono le basse
efficienze. La tecnologia a
film sottile ha inoltre il
vantaggio del bassissimo
un consumo di materiale.
Inoltre, utilizzando questa
tecnologia è possibile
ottenere moduli leggeri e
flessibili , fabbricare il
modulo con un unico
processo.
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Cells and modules (IX)
A.
B.
C.
D.
E.
Cella
Vetro temperato (4mm tipico)
EVA (vinil acetato di etilene)
Chiusura posteriore
Fiberglass o Tedlar
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Cells and modules (IXb)
String ribbon
Bus Ribbon
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Cells and modules (X)
Modulo a silicio amorfo, Free Energy
Europe (FEE-20-12)
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Cells and modules (XI)
Modulo a silicio policristallino,
Photowatt (PW1250)
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Cells and modules (XII)
M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe - Pag. 60 / 100
Cells and modules (XIII)
Modulo tetto curvo (UniSolar)
Moduli semitrasparenti (ASE)
Tegole fotovoltaiche (Atlantis)
Elementi
facciata
(Schuco)
M.Fossa,
Energie
Rinnovabili,
UniGe - Pag. 61 / 100
Cells and modules (XIV)
Tegoloni fotovoltaici (SunTech)
M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe - Pag. 62 / 100
Cells and modules (XV)
Schott semitransparent
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Cells and modules (XVI)
Schott semitransparent
Solar Heat Gain Coefficient (SHGC)
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Schema generale
Fonte: Enea
Elettronics (I)
Schema grid-connected
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Elettronics (II)
Modulo
-
Stringa
+
+
Cella
i
Modulo
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Shading
(I)
i
-
Quando una cella fosse oscurata, cesserrebbe
di comportarsi come un generatore per
comportarsi come un diodo a funzionamento
inverso (Zener).
Questa situazione può portare al blocco della
corrente generata.
+
Se la cella è solo parzialmente oscurata, la
corrente che attraversa il modulo risulta quella
della singola cella in ombra.
Cella oscurata
L’intero modulo risulta penalizzato.
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Shading
(II)
+
Fonte: Leee-Supsi
i
Cella oscurata
Se il modulo è mantenuto a bassa tensione di uscita,
oppure in caso di corto circuito, la cella in ombra si
può trovare a funzionare come un diodo inverso che
deve dissipare la potenza generata dalle altre celle.
In questa situazione la cella oscurata è sede di un Hot
Spot, e le temperature possono superare anche
abbondantemente i 100°C.
Per questo motivo si
utilizzano diodi di by-pass,
anche due per modulo, per
isolare il modulo sede di
malfunzionamento
I
V
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Shading (III)
+
i
Cella oscurata
M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe - Pag. 69 / 100
Shading (IV)
100%
73%
Business Card
covering half
of one cell
+
i
Cella oscurata
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Shading
(V)
Cella oscurata
Celle in serie
senza diodi
bypass
+
i
Celle in serie con diodi bypass
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Shading
(Vb)
Celle in serie con diodi bypass
M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe - Pag. 72 / 100
Elettronics (IIIe)
tanαp=
tanαs / (cos(γs- γ)
+
i
Cella oscurata
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Elettronics (IIIf)
+
i
Cella oscurata
tanαp=
tanαs / (cos(γs- γ)
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Elettronics (IV)
Schema di collegamento di stringe costituite
da moduli in serie e tra loro in parallelo
+
-
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Elettronics (V)
Ondulatore monofase (inverter)
PWM = Pulse Width Modulation
(modulazione a larghezza
d’impulsi)
Qualità dell’onda (grid connection)
Cei EN 61000 3-2.
Tensione delle armoniche pari <2%,
armoniche dispari V<5% tipico
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Elettronics (VI)
Gli ondulatori (inverter) possono lavorare su stringhe o
su singoli moduli
In questa configurazione sono presenti un ondulatore
per modulo (configurazione a modulo AC)
Vantaggi:
Nessuna connessione DC
Nessuna interferenza tra moduli
Prodotti di grande serie
Svantaggi
Rendimento non elevato, massimo 94%
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Elettronics (VII)
In questa configurazione è presente
un ondulatore per stringa
Vantaggi:
Maggiore semplicità circuito
Possibilità di agevole
manutenzione
Svantaggi
Rendimento non elevatissimo,
massimo 96%
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Elettronics (VIII)
In questa configurazione è presente un
ondulatore per stringa
Vantaggi:
Maggiore semplicità circuito
Elevati rendimenti
Svantaggi
Possibile interazione tra moduli e
diminuzione dell’energia prodotta
In caso di guasto, l’intero impianto cessa
di produrre
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Elettronics (IX)
String/Field Power (PV) and inverter one
(INV DC)
Inverter
sovradimensionato
Sizing factor
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Elettronics (X), Euro Inverter Efficiency
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Elettronics (XI)
L’efficienza
dell’Inverter dipende
sia da P/Pnom che
dalla tensione DC in
ingresso
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Sizing (I)
Alcuni criteri di
dimensionamento
1) Nmax moduli= Vmax, inv /Voc, T=-10°C
2) Nmin moduli= Vmpp, inv,min /Vmpp, mod, T=70°C
3) N stringhe= Imax, inv /Isc, string
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Sizing (II)
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Sizing (II)
La caduta di tensione
inoltre in condizioni
nominali dovrebbe
essere inferiore a 1%
Regola di massima:
2-3 A per mm2 di sezione
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Yearly yield
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Costs, grid connected
Prezzo di produzione dell’energia fotovoltaica (euro/kWh) a differenti latitutudini (EPIA 2005).
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Costs, grid
connected
(modules, till jul.
2009)
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Costs, grid
connected
(modules, till jul. 2009)
M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe - Pag. 89 / 100
Costs, grid
connected
(modules, till jul. 2009)
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Costs, grid connected
(modules, till nov. 2011)
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Orientation (I)
Le considerazioni su l’energia disponibile fatte a proposito dei collettori solari a
bassa temperatura, possono essere applicate ai moduli fotovoltaici.
L’orientazione migliore (massima energia incidente annua) è quella a sud, tilt circa
pari alla latitudine.
Per esempio, nel caso di Genova [kWh/m2 giorno]:
Gennaio
Giugno
Ottobre
Media annua
Orizzontale
1.37
5.76
2.79
3.64
Sud, tilt=30°
2.15
5.59
3.78
4.16
Sud, tilt=44°
2.36
5.14
3.98
4.12
Sud, verticale
2.26
2.67
3.32
2.85
SO/SE verticale
1.80
3.08
2.79
2.72
All’energia disponibile si applica il rendimento di conversione nominale.
Ad esso si aggiungono perdite per effetto di temperatura di lavoro (5-8%), riflessione
(3-5%), mismatch “intrinseco” di celle e moduli (1-5%), ombreggiamento parziale (05%), conversione elettrica (5-10%)
Tipicamente si ottengono 950 (kWh/anno)/kWp al nord Italia e 1250 al sud
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Orientazione (II)
Esempio dell’effetto dell’orientazione sulla captabilita’ dell’energia su base annuale
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Orientazione (III)
Effetto dell’orientazione rispetto al caso ottimale per Lione, Francia (sud, tilt=38°)
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Orientazione (IV)
Il costo dei moduli fotovoltaici può rendere conveniente l’utilizzo di sistemi ad
inseguimento.
Sistemi ad inseguimento monoassiale
Impianto aTudela, Navarra, Spagna (1.2MWp)
Asse di rotazione N-S
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Orientazione (IVb)
Sistemi ad inseguimento multiassiale
Impianto di Osimo, AN. 1MWp
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Orientazione (V)
Sistemi ad inseguimento
monoassiale, tracking diretto
Energia captabile da filare fotovoltaico Sud Italia,
[kWh/anno KWp] (Fonte Enel)
Filare di larghezza 5m
Fisso,
tilt =20°
Tracking
interasse
10m
Tracking
interasse
12m
Backtracking,
interasse 10m
1315
1620
1690
1690
Tracking, interasse 10m, tilt=10°
1695
Sistemi ad inseguimento
monoassiale, backtracking
(minimizzazione delle
ombre)
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Sistemi ibridi PVT (I)
I sistemi ibridi (detti anche PVT) sono costituiti dal
moduli PV associati ad un opportuno scambiatore di
calore che recupera una quotaparte di energia solare
non convertita in energia elettrica
I sistemi PVT possono classificarsi come:
- collettori ibridi con vettore termico liquido
- collettori ibridi con vettore termico aria
-sistemi PVT integrati in facciate ventilate
-sistemi PVT a concentrazione
(PVT/W)
(PVT/A)
(PVT/F)
(PVT/C)
to/from other storage
systems (e.g. geothermal)
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Sistemi ibridi PVT (II)
(a)
(b)
(c)
Collettori e sistemi solari ibridi: (a) PVT/W, (b) PVT/A, (c) PVT/F
Problematiche: I moduli fotovoltaici classici sono in genere in grado di sopportare temperature di lavoro fino
a 90°C, con condizioni nominali comprese tra 40 e 50°C (NOCT, normal operating cell temperature). I
collettori solari piani per la conversione termica sono invece in grado di lavorare a temperature fino a 150180°C (stagnazione). Le celle fotovoltaiche sono inoltre sensibili alle temperature troppo elevate, per
problemi di tipo elettronico (diffusione metallica e derive del rendimento) e legati alla presenza di
rivestimenti quali EVA (ethyl vinyl acetate).
La superficie captante di un modulo PV (la cella, con eventuale
rivestimento) inoltre non possiede le caratteristiche radianti selettive di un
captatore termico (elevata assorptività nel visibile e vicino infrarosso, bassa
emissività nel lontano infrarosso) e non è pertanto in grado di assicurare i
rendimenti di captazione dell’energia solare tipici dei sistemi termici
semplici.
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Sistemi ibridi PVT (III)
Thin Film module Fuji a-Si, 3.65m2,
190Wp, on aluminium
absorber/heat exchanger
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PVT concentration, CPV
(I)
If sunlight is concentrated by a factor of X
(X sun illumination), the short circuit at that
concentration is
ISC,x=XI SC,1sun
The incident power, Pin, is determined by
the properties of the light spectrum incident
on the solar cell.
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PVT concentration, CPV
(I)
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PVT concentration, CPV
http://www.solfocus.com/
(I)
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Hybrid PVT, CPV
http://www.absolicon.com
(I)
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Fine presentazione
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