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Pag. 1 1LA RADIAZIONE SOLARE La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre si distingue in: (1)diretta (2)diffusa (3)riflessa Le proporzioni.

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1 pag. 1 1LA RADIAZIONE SOLARE La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre si distingue in: (1)diretta (2)diffusa (3)riflessa Le proporzioni di radiazione (1), (2) e (3) ricevuta da una superficie dipendono da: (a)condizioni meteorologiche (b)inclinazione della superficie (c)presenza di superfici riflettenti

2 pag. 2 1LA RADIAZIONE SOLARE Lintensità della radiazione solare incidente su una superficie al suolo è influenzata dallangolo di inclinazione della radiazione stessa: più piccolo è langolo che i raggi del sole formano con una superficie orizzontale maggiore è lo spessore di atmosfera che essi devono attraversare

3 pag. 3 1LA RADIAZIONE SOLARE Dicembre Giugno Settembre / Marzo Greenwich Equatore Latitudine Longitudine Declinazione

4 pag. 4 1.LA RADIAZIONE SOLARE Angoli di inclinaz. e di orientaz. di una superficie Sud

5 pag. 5 2.PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica La conversione diretta dellenergia solare in energia elettrica, utilizza il fenomeno fisico dellinterazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nei materiali semiconduttori, denominato Effetto Fotovoltaico Caratteristiche elettriche di un semiconduttore

6 pag. 6 2.PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica Il passaggio dalla banda di valenza a quella di conduzione avviene trasmettendo allelettrone una opportuna quantità di energia. In tale passaggio lelettrone si lascia dietro una buca detta lacuna che può venire occupata da un altro elettrone. Il movimento degli elettroni comporta così anche quello delle lacune. Latomo di silicio possiede 14 elettroni di cui 4 di valenza; in un cristallo di silicio puro ciascun atomo è legato in modo covalente con altri quattro atomi: ogni elettrone di valenza si lega con un elettrone di valenza di un altro atomo.

7 pag. 7 2.PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica

8 pag. 8 2.PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica

9 pag. 9 2.PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO

10 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La conversione dellenergia solare in energia elettrica avviene sfruttando leffetto indotto da un flusso luminoso che incide su un materiale semiconduttore drogato Ogni fotone dotato di energia sufficiente, sulla base della relazione E = h, con h costante di Plank ed lunghezza donda della radiazione, è in grado di liberare allinterno della giunzione P-N una coppia elettrone – lacuna. Utilizzando come semiconduttore il silicio, lenergia minima necessaria a liberare una coppia elettrone – lacuna corrisponde ad una lunghezza donda massima della radiazione luminosa di 1.15 m.

11 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica I principali semiconduttori utilizzati sono: Silicio (Si) Germanio (Ge) Arseniuro di Gallio (GaAs) Solfuro di Cadmio (CdS) Solfuro di Rame (Cu 2 S) Celle a giunzione multipla (Tandem)

12 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO ILIL IDID ICIC RCRC RSRS Circuito equivalente di una cella fotovoltaica Il rendimento delle celle fotovoltaiche in silicio, anche nelle prove di laboratorio è molto distante dal 44%, in quanto intervengono ulteriori inefficienze: 1. Non tutti i fotoni incidenti sulla cella fotovoltaica penetrano allinterno, alcuni sono riflessi ed altri intercettati dallelettrodo frontale (resistenza R s ) 2. Alcune coppie elett.–lacuna si ricombinano prima che queste possano essere separate dal campo elettrico interno alla giunzione (grado di purezza del Si) 3. Parte dellenergia potenziale ceduta alla cella, risulta insufficiente per liberare la coppia elettrone–lacuna (diodo)

13 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Caratteristica Tensione – Corrente di una Cella Solare Punto di Massima Potenza I VVmVm ImIm Caratteristica al buio Caratteristica alla luce Quadrante dove la cella si comporta da semplice diodo in conduzione diretta Quadrante dove la cella passa in conduzione inversa Quadrante dove la cella si comporta da generatore di energia elettrica

14 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO 0.60V [V] Punto di massima potenza P m = V m I m Caratteristica I-V di una Cella Solare ed andamento della Potenza 0.40 VmVm P [W] ImIm I [A] Andamento della potenza P= V I Caratteristica I-V

15 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Tipologie di celle fotovoltaiche La maggior parte delle celle fotovoltaiche attualmente in commercio è costituita da semiconduttori in silicio per i seguenti motivi: Disponibilità pressoché illimitata (risorse del pianeta) Largo utilizzo nellindustria elettronica (processi tecnologici di raffinazione, lavorazione e drogaggio ben affinati) Possibilità di riciclare gli scarti dellindustria elettronica in quanto lindustria fotovoltaica tollera concentrazioni di impurità tipicamente di ÷10 -6 (contro i valori di ÷ relativi allindustria elettronica)

16 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Tipologie di celle fotovoltaiche Celle al silicio monocristallino Gemmazione e crescita cristallina - Il silicio a cristallo singolo è ottenuto da un processo detto melting a partire da cristalli di silicio di elevata purezza che, una volta fusi, vengono fatti solidificare a contatto con un seme di cristallo. Il silicio solidifica nella forma di un lingotto cilindrico costituito da un unico cristallo del diametro di 13 ÷20cm e lunghezza di circa 200cm; Taglio – Il lingotto viene affettato con particolari seghe in wafers con spessore di 250 ÷350 m (spinto sfruttamento del lingotto contro unestrema fragilità dei wafers).

17 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Tipologie di celle fotovoltaiche Celle al silicio policristallino Forma - Il silicio policristallino è caratterizzato dalla presenza di più cristalli aggregati fra di loro con forme, dimensioni ed orientamenti differenti; Costi contenuti – (rispetto al silicio monocristallino) Celle al silicio amorfo Forma – Il semiconduttore, sotto forma di gas, è depositato in strati dellordine di 10 m su qualsiasi superficie (tecnica dei film sottili ); Instabilità delle prestazioni elettriche – ? Tecnica della giunzione multipla – Con il drogaggio differente di vari strati di silicio collegati in serie si ottengono celle con diverse sensibilità allo spettro solare. Il risultato si traduce in un maggior rendimento e resa energetica; Costi contenuti – (rispetto al silicio policristallino)

18 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Tipologie di celle fotovoltaiche La connessione elettrica tra le celle fotovoltaiche è ottenuta per mezzo di due contatti metallici, uno sulla faccia esposta e laltro su quella opposta, normalmente ottenuti per evaporazione sotto vuoto di metalli a bassissima resistenza elettrica ed effettuando successivi trattamenti termici al fine di assicurarne la necessaria aderenza alla superficie della cella. Mentre la metallizzazione posteriore copre tutta la faccia, quella frontale esposta alla luce deve avere una configurazione geometrica tale da consentire un buon compromesso tra trasparenza alla radiazione incidente e massima raccolta degli elettroni liberi nel processo di conversione

19 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO I Sistemi Fotovoltaici Il sistema fotovoltaico è un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che concorrono a captare e trasformare lenergia solare disponibile, rendendola utilizzabile dallutenza in energia elettrica. La struttura di un sistema fotovoltaico può essere molto varia; nella sua forma più generale può essere schematizzato col seguente schema a blocchi:

20 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO CAMPO FOTOVOLTAICO (MODULI) CONVOGLIAMENTO IN SERIE E PARALLELO TRA LE CONNESSIONI DEI MODULI CONVERSIONE C.C./C.A. QUADRO ELETTRICO DI DISTRIBUZIONE CARICO (RETE - UTENTI) SISTEMA DI ORIENTAMENTO REGOLAZIONE DI CARICA / SCARICA BATTERIA BATTERIA SERVIZI AUSILIARI INTERNI GENERATORE DI SOCCORSO QUADRO ELETT. C.C. CARICO IN C.C.

21 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO I Sistemi Fotovoltaici Dal punto di vista delle strutture di sostegno dei moduli, si parla di: Sistemi ad inclinazione fissa - (struttura portante fissa) Sistemi ad inseguimento attivi - single/double axis tracking systems (caratterizzati da motori passo e elettronica di controllo) Sistemi ad inseguimento passivi – (principio di funzionamento basato sulla differenza di pressione che si forma in due cilindri, contenenti ciascuno particolari sostanze es. freon e olio) Dal punto di vista elettrico si dividono in: Sistemi isolati o stand alone Sistemi connessi in rete grid connected

22 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO CAMPO FOTOVOLTAICOINVERTERPOMPA CAMPO FOTOVOLTAICO REGOLATORE DI CARICA BATTERIACARICO IN C.C. INVERTER CARICO IN C.A. Azionamento a frequenza variabile Sistema di Pompaggio I Sistemi Fotovoltaici – Schemi a blocchi Utenza Isolata

23 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO DIESEL REGOLATORE DI CARICA BATTERIACARICO IN C.C. INVERTER CARICO IN C.A. Sistema Ibrido Isolato (fotovoltaico – eolico – diesel) I Sistemi Fotovoltaici – Schemi a blocchi GENERATORE EOLICO CAMPO FOTOVOLTAICO

24 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO CAMPO FOTOVOLTAICO INVERTER UTENZA I Sistemi Fotovoltaici – Schemi a blocchi Impianto Collegato alla Rete QUADRO ELETTRICO DI INTERFACCIA RETE

25 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Il Campo Fotovoltaico CELLA MODULO Il campo fotovoltaico è un insieme di moduli fotovoltaici opportunamente collegati in serie e in parallelo in per realizzare le condizioni operative desiderate PANNELLO MODULO

26 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Il Campo Fotovoltaico PANNELLO STRINGA

27 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO STRINGA CAMPO Il Campo Fotovoltaico

28 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Il Campo Fotovoltaico Nella fase di progettazione di un campo fotovoltaico devono essere effettuate alcune scelte che ne condizionano il funzionamento: Configurazione serie-parallelo dei moduli del campo (effetto di mismatch dovuto alla disomogeneità delle loro caratteristiche elettriche es.: in una serie di moduli la corrente è limitata dal modulo che eroga la corrente più bassa; in un parallelo la tensione è limitata dal modulo che eroga la tensione più bassa) Scelta della tensione di esercizio Scelta della strutture di sostegno Distanza minima tra le file dei pannelli per non avere ombreggiamento


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