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Tecnologie fotovoltaiche Autori:Kim Nagel Isa Zanetti Fonti:Corso Post diploma E.00 Energy Management Corso E.13 Architettura e E solare – parte 2 fotovoltaico.

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1 Tecnologie fotovoltaiche Autori:Kim Nagel Isa Zanetti Fonti:Corso Post diploma E.00 Energy Management Corso E.13 Architettura e E solare – parte 2 fotovoltaico Le celle fotovoltaiche e i moduli – Ivano Pola SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 1 UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

2 Indice Leffetto fotovoltaico Tecnologie Caratteristiche fisiche di celle e moduli (misure, forme, spessore, potenza, ecc) Definizione corrente e tensione Caratteristiche elettriche di un modulo, curva corrente (I) – tensione (V) Prodotti PV (colorati, semitrasparenti, ecc) Confronto tra tecnologie SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito 2 UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2

3 Leffetto fotovoltaico La conversione da luce a energia elettrica avviene quando i fotoni, colpendo la cella fotovoltaica, generano elettroni e lacune, che vengono spinti in direzioni opposte dal campo elettrico interno creato attraverso la giunzione di due semiconduttori drogati in modo diverso. Le cariche positive (lacune) sono spinte verso un lato della cella e le cariche negative (elettroni) verso l'altro. Se le due facce (inferiore e superiore della cella) sono collegate mediante un conduttore, le cariche libere lo attraversano e si osserva una corrente elettrica. Fino a quando la cella resta esposta alla luce, l'elettricità fluisce sotto forma di corrente continua. SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito 3 UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2

4 Tecnologie sul mercato SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito 4 UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2

5 Le 3 principali tecnologie sul mercato PV Tecnologia cristallina Tecnologia film sottile SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito 5 UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Anche: CdTe CIS

6 Tecnologia cristallina SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito 6 UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Silicio cristallino (oggi 90% del mercato) Silicio monocristallino (sc-Si) in cui ogni cella è realizzata a partire da un wafer la cui struttura cristallina è omogenea (monocristallo), opportunamente drogato in modo da realizzare una giunzione p-n. Silicio policristallino (mc-Si), in cui il wafer di cui sopra non è strutturalmente omogeneo ma organizzato in grani localmente ordinati. Tecnologia a film sottile (oggi il 10% del mercato, ma crescerà fortemente nei prossimi anni) Silicio amorfo (a-Si), in cui gli atomi silicei vengono deposti chimicamente in forma amorfa, ovvero strutturalmente disorganizzata, sulla superficie di sostegno. Questa tecnologia impiega quantità molto esigue di silicio (spessori dell'ordine del micron).

7 Tecnologia cristallina SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito 7 UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Tecnologia sc-Si Tecnologia mc-SiTecnologia a-Si

8 Caratteristiche fisiche – Celle (sc-Si e mc-Si) - Le misure più comuni sono: 10 x 10 cm 12,5 x 12,5 cm 15 x 15 cm - Le forme più comuni sono: quadrate, quadrate con smussatura sugli angoli, circolari - Lo spessore tipico è compreso tra 0.25 e 0.35 mm - La potenza tipica è di ca. 1,5 Watt 1° linea: forma delle celle 2° linea: motivo prodotto dall'assemblaggio di celle 3° linea: zoom sugli spazi tra celle SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito 8 UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2

9 Tipologie di contatti & celle colorate SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito 9 UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA Ogni cella ha uno strato antiriflesso per limitare le perdite. Mediante questo strato si possono ottenere vari effetti colorati (ma il rendimento diminuisce del 15-30%). Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2

10 Utilizzo della tecnologia a film sottile SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito 10 UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Senza vetro substrato: acciaio copertura: polimero (non vetro) Semitrasparente substrato: vetro copertura: vetro Flessibile substrato: polimero copertura: polimero

11 Tecnologie a film sottile SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito 11 UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Concorrenziale (rispetto a c-Si per grandi impianti) Tellurio: limitata disponibilità (utilizzato però quasi solo per il PV) Cadmio: tossico In fase di sviluppo Abbondante disponibilità Colorante composto da molecole organiche (simile alla clorofilla o allemoglobina) Molto stabile Contiene Cadmio Indio: mediamente tossico CdTe Telllurio di Cadmio Culn Sez. Seleniuro di rame e di indio (CIS) Dye Sensitized Solar Cell (DSSC, DSC o DYSC)

12 Moduli e celle semitrasparenti Tedlar / Eva / Vetro Vetro / Eva / Vetro SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito 12 UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2

13 Corrente & tensione Corrente: quantità di carica che passa ogni secondo da una sezione di circuito. Tensione: differenza di potenziale, cioè di forza o potenza, tra i due poli di un circuito che per effetto di una legge simile a quella dei vasi comunicanti, porta l'energia dal polo positivo al polo negativo (legge di compenso). Analogia: lelettricità può essere paragonata ad un fiume, maggiore è il suo dislivello, più l'acqua scorre velocemente verso valle, se il fiume si ingrossa aumenta la sua portata. Lelettricità segue un concetto simile, la tensione (Volt) possiamo immaginarla come il dislivello del fiume, la corrente (Ampere) possiamo immaginarla come la portata d'acqua del fiume e la potenza (Watt = Tensione * Corrente) é assimilabile ad una grandezza che potremmo definire come il prodotto della portata per la velocità dell'acqua. SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito 13 UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2

14 Caratteristiche elettriche di un modulo – Curva I - V I sc lmlm P m = I m* V m P = I*V VmVm Tensione (V) Carta didentità del modulo Pm = potenza massima Isc = corrente di corto circuito Voc = tensione di cicuito aperto FF = Fill factor (fattore di riempimento) SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito 14 UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 I sc V OC

15 Variazioni dirraggiamento PmPm Corrente [A] Tensione [V] Dati etichetta I sc direttamente proporzionale allirraggiamento G; V oc influenzata minimamente V oc già elevata a piccoli irraggiamenti (!) Risultato: se G cresce anche P m aumenta SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito 15 UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2

16 Variazione di temperatura (per i moduli c-Si) V oc diminuisce sensibilmente con la temperatura, relazione lineare; I sc resta quasi invariata Cristallini: -0.4 %/°C se T > 25°C e +0.4 %/°C se T < 25°C Amorfo: -0.2 %/°C se T > 25°C e +0.2 %/°C se T < 25°C Tensione [V] Corrente [A] Pm 10°C 70°C 10°C PmPm SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito 16 UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2

17 Efficienza di conversione ƞ Percentuale di energia contenuta nelle radiazioni solari che viene trasformata in energia elettrica. η = P modulo / Area [W/m²] P luce [W/m²] SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito 17 UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 η = 130 W / (1.485 *0.663) m² 1000 [W/m²] Solar – Fabrik Series SF 130/4

18 Efficienza di conversione SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito 18 UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Materiale della cellaRendimento del modulo Superficie PV necessaria per 1kW Monocristallino11 – 16 %7 – 9 m 2 Policristallino (EFG)10 – 14 %8 – 9 m 2 Policristallino8 – 10 %9 – 11 m 2 CIS6 – 8 %11 – 13 m 2 Film sottile (a-Si)4 – 7 %16 – 20 m 2 Maggiore è il rendimento (efficenza), minore è larea PV necessaria per ottenere un impianto da 1 kWp

19 Confronto fra tecnologie SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito 19 UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2

20 Conclusioni Fattori che influenzano il funzionamento di un modulo fotovoltaico: –Irraggiamento –Temperatura –Area –Orientamento ed inclinazione Tecnologie principali PV: sc-Si mc-Si a-Si grande varietà di moduli: dimensioni, caratteristiche elettriche e ottiche (trasparenza e colorazione) P = I * V dipende da irraggiamento, temperatura, area Se G allora P Se T allora: per c-Si, P [Coeff. potenza -0.4%/°C] per a-Si, P [Coeff. potenza -0.2%/°C] SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito 20 UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2


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