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SISTEMI FOTOVOLTAICI. Introduzione CORRENTE CONTINUA!!!

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Presentazione sul tema: "SISTEMI FOTOVOLTAICI. Introduzione CORRENTE CONTINUA!!!"— Transcript della presentazione:

1 SISTEMI FOTOVOLTAICI

2 Introduzione CORRENTE CONTINUA!!!

3 Introduzione Componente fondamentale è la Cella fotovoltaica. Elemento più usato: Silicio. Altri materiali usati: -Leghe di diselenurio di rame e indio; -Tellurio di cadmio; -Larseniuro di gallio.

4 Effetto fotovoltaico Si basa sul trasferimento denergia dai fotoni della radiazione solare al sub-sistema elettronico dei semiconduttori ed al trattenimento di tale energia prima che venga trasferita alla cella, per esempio convertita in calore.

5 LEFFETTO FOTOVOLTAICO: UNA SPECIE DI MAGIA BANDA DI CONDUZIONE FOTONE INCIDENTE ELETTRONE BANDA DI VALENZA CALORE ASSE DELLE ENERGIE ENERGIA DI GAP

6 Struttura del silicio Si Ogni atomo di silicio è legato in modo covalente ad altri quattro atomi. Ogni elettrone di valenza si lega con lelettrone di valenza di unaltro atomo. Flusso di elettroni ordinato e orientato per mezzo di un campo elettrico creato. EtEt

7 Il drogaggio del silicio con fosforo: creazione della zona N

8 Il drogaggio del silicio con boro: creazione della zona P

9 Giunzione P-N Strato N Strato P Nello Strato N drogato con atomi di fosforo, elemento di valenza 5, si stabilisce una carica negativa debolmente legata, costituita dal quinto elettrone di valenza dellatomo di fosforo. Nello Strato P drogato con atomi di boro, elemento di valenza 3, si stabilisce una carica positiva in eccesso, composta da lacune degli atomi di boro quando si legano con quelli di silicio.

10 Effetto fotovoltaico Flusso elettronico Equilibrio elettrostatico: - Eccesso di carica positiva nella zona N, dovuto agli atomi di fosforo con un elettrone in meno; - Eccesso di carica negativa nella zona P, dovuto agli elettroni migrati dalla zona N. - Una regione intermedia detta di svuotamento (in verde), spessa alcuni micrometri. Il risultato è un campo elettrico (built-in) che si estende a cavallo della zona di svuotamento. Strato N Strato P

11 Effetto fotovoltaico Fotoni Coppie elettroni lacune sia nella zona N che P. Il campo elettrico di built-in permette di dividere gli elettroni e le lacune, spingendoli in direzione opposte. Connettando con un conduttore esterno lo strato di giunzione, si ottiene un circuito chiuso, nel quale gli elettroni partono dallo strato N e arrivano a quello P. Strato N Strato P

12 Energia di GAP Non tutta la radiazione incidente è in grado di generare una coppia elettrone/lacuna I fotoni devono avere una certa energia, maggiore dellenergia di gap LEnergia di GAP dipende dai vari materiali, per il silicio E= 1,1 eV

13 La cella Sottile wafer, di spessore 0,25-0,35 mm di silicio mono, poli-cristallino o amorfo; Forma quadrata di superficie sino ai 100 cm 2 ; Si comporta come una batteria, producendo (1kW/mq e 25°C) una corrente di 3A e una tensione di 0,5V.

14 TECNOLOGIA DEL SILICIO CRISTALLINO

15 TECNOLOGIA DEL MODULO

16 TECNOLOGIA DEI FILM SOTTILI MATERIALI: SILICIO AMORFO CIS (diseleniuro di indio e di rame) CdTe (tellururo di cadmio) VANTAGGI: RIDUZIONE DEI COSTI FLESSIBILE, PESO CONTENUTO, ASPETTO UNIFORME CELLE SEMITRASPARENTI MINORE EFFETTO TEMPERATURA CELLE A GIUNZIONE MULTIPLA SVANTAGGI: BASSA EFFICIENZA (7-10%) EFFETTO STAEBLER – WRONSKY (-15/20% NEI PRIMI DUE MESI) SCARSA DIFFUSIONE (applicazioni di piccola potenza)

17 MERCATO FOTOVOLTAICO MONDIALE

18 CONDIZIONI STANDARD IRRAGGIAMENTO: 1000 W / m 2 Air Mass:1,5 TEMPERATURA CELLA:25 °C CONCETTO DI WATT DI PICCO (Wp)

19 LA CURVA CARATTERISTICA DI UNA CELLA IN SILICIO CRISTALLINO Fill factor = Im * Vm / (Icc * Vca) Efficienza: = P max / G * A

20 PARAMETRI CHE INFLUENZANO LE PRESTAZIONI DI UNA CELLA

21 Curva caratteristica I-V

22 La corrente è direttamente proporzionale allirraggiamento, mentre la tensione a circuito aperto varia con il logaritmo dellirraggiamento; inoltre entrambe dipendono dalla temperatura di funzionamento del pannello.

23 Il modulo Numero di celle in serie: 26, 64, 72. Celle ricoperte con un vetro temprato di circa 4mm di spessore. Tra il vetro e le celle viene posto un sottile strato di vinilacetato di etilene (EVA). A chiusura viene posto un foglio di Tedlar o un altro vetro.

24 Tipologie impiantistiche Stand Alone System Composto da: Campo PV, sistema di accumulo, regolatore di carica ed eventuale sistema di conversione. Molto conveniente. Grid-connected System Piccoli impianti: diffusione larga scala, potenza fino a qualche kW. Media-grande taglia: sviluppo successivo ai primi, grandi potenze. Esempi: ENEL (3,3 MWp a Serre) ed ENEA (600KWp).

25 Componenti di un impianto PV Il generatore PV Insieme di moduli PV che generano energia elettrica in corrente continua e che devono essere collegati in serie o in parallelo in modo da ottenere la tensione e la corrente desiderata. Più moduli connessi in serie sono detti stringa; più stringhe vengono collegate in parallelo fino a raggiungere la potenza desiderata. In serie ad ogni stringa deve essere posto un diodo di blocco in modo che eventuali ricircoli di corrente dovuti a differenti punti di lavoro, portino la corrente verso le stringhe a minore potenziale.

26 Componenti di un impianto PV Il sistema di accumulo La presenza di batterie permette di far fronte a punte di carico, senza dover sovradimensionare i generatori, garantire la continuità dellerogazione anche in caso di basso irraggiamento o guasto dei generatori. Elevata efficienza, lunga durata in regimi di frequenti cicli di carica e scarica, elevata resistenza alle escursioni termiche, ridotta autoscarica, basso costo e scarsa manutenzione. Il collegamento degli accumulatori allimpianto PV non richiede particolari accorgimenti tecnici in quanto entrambi lavorano in corrente continua. La loro connessione però non è diretta bensì viene interposto il REGOLATORE DI CARICA, necessario per garantire stabilità allaccumulo in modo da non superare 2,5V/elemento.

27 Componenti di un impianto PV Il controllo di potenza Proteggere laccumulo da sovraccarichi e da eccessive scariche in modo da aumentarne la vita utile e farlo lavorare in un intervallo di tensioni adeguate allutilizzo. Affidabilità: basso MTBF (tempo medio tra guasti), buona risposta al variare delle condizioni operative. Semplicità costruttive.

28 Componenti di un impianto PV La conversione della potenza Apparecchi elettronici in grado di convertire le grandezze elettriche tensione e corrente in uscita di un circuito in valore e/o forma. Da un centinaio di W a decine o centinaia di kW. Alto rendimento, basso consumo in assenza di carico, bassa distorsione, dimensioni e peso limitati, elevata affidabilità.

29 Componenti di un impianto PV Strutture di sostegno A palo. A cavalletto. Ad inseguimento.

30 Dimensionamento Condizioni ambientali-tecniche-logistiche Modalità e tecniche di installazione dei moduli. Alloggiamento del convertitore e delle altre apparecchiature. Percorso dei cavi. Eventuali difficoltà logistiche in fase di costruzioni. Vincoli ambientali. Posizione migliore per linstallazione. Rilevazione ombre. Analisi della pianta della copertura del tetto.

31 Dimensionamento Per Impianti Stand Alone è fondamentale: Individuazione in modo puntuale i carichi utilizzati sia per quanto riguarda la loro potenza che per quanto riguarda il loro utilizzo giornaliero. Analizzare la possibilità di alloggiamento dellaccumulo e delle altre apparecchiature elettriche in un locale riparato.

32 Dimensionamento A = Energia total da sostituire o da produrre (in W/h); B = Inclinazione ottimale dei moduli; C = Energia totale raccolta nellanno da 1 m 2 di moduli (in W/h) η = Rendimento globale stimato di impianto Dimensionamento: A = η x C x WpA = η x Heq x Wp Wp = potenza del campo PC necessario ; Heq = ore equivalenti annue per la particolare località

33 Dimensionamento Componenti degli impianti: Moduli PV B.O.S. Quadri di campo Inverter Circuito di regolazione e controllo Quadri di consegna e distribuzione Cavi, ecc.

34 Dimensionamento Rendimento globale dellimpianto: Secondo le specifiche emesse da ENEA per i sistemi connessi a rete lefficienza ha un valore minimo di η =0,75 In realtà η è un variabile di sistema che dipende da vari parametri: η = η PV η J η INV η TR

35 Esempio dimensionamento TipoN° apparatiP(W)h/giornoWh/g Illuminazione Tv Color Videoregistratore Stereo Frigo Stiro15000,7350 Picoli elettrodoestici13000,5150 Lavatrice14001 Totale giorno W3.160 Totale Anno kWh1.153,40 Utenza domestica medio-consumo

36 Esempio dimensionamento CALCOLO SUPERFICIE CAPTANTE Località: Roma Mese dicembre, tilt 60°C per la maggiore insolazione media di quel mese pari a 3,05 kW/mq. Efficienza sistemi isolati con inverter 0.6 Occorreranno 22 moduli da cablare per mezzo di opportune scatole di giunzione in 11 paralleli di 2 moduli in serie per un totale di Wp.

37 Progettazione degli impianti Numero massimo di moduli connessi in seria in una stringa. Va calcolato tenendo in considerazione le temperature invernali pari a -10°C. Infatti, allabbassarsi della temperatura la tensione del modulo cresce. Tale tensione però non deve mai superare la massima tensione dellinverter. Ricavato mediante il rapporto tra tensione max i ingresso allinverter e la tensione di corto circuito per i moduli operanti a -10°C. Numero minimo di moduli da collegare in una stringa. Va calcolato tenendo in considerazione le temperature estive para 70°C. In estate limpiant ha una tensione inferiore a quella STC. Se tale tensione scende al di sotto del valore minimo utile per la ricerca del MPPT, il generatore perde la possibilità di raggiungere il punto di massima potenza.


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