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Pag. 1 I SISTEMI FOTOVOLTAICI LA RADIAZIONE SOLARE Strumenti per la progettazione PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Leffetto fotovoltaico Celle e moduli Il generatore.

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1 pag. 1 I SISTEMI FOTOVOLTAICI LA RADIAZIONE SOLARE Strumenti per la progettazione PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Leffetto fotovoltaico Celle e moduli Il generatore fotovoltaico Il BOS APPLICAZIONI Sistemi isolati Sistemi connessi in rete 1 2 3

2 pag. 2 1LA RADIAZIONE SOLARE Radiazione Solare lenergia elettromagnetica emessa dai processi di fusione dellidrogeno contenuto nel sole. Densità di Potenza radiazione solare per unità di tempo e di superficie. Fuori latmosfera terrestre la potenza incidente su di una superficie unitaria, perpendicolare ai raggi solari, assume un valore di circa 1360W/m² (variabilità del ±3% dovuta allellitticità dellorbita terrestre), questo valore prende il nome di Costante Solare Sulla superficie terrestre, a livello del mare, in condizioni meteorologiche ottimali e sole a mezzogiorno, la densità di potenza è di circa 1000W/m²

3 pag. 3 1LA RADIAZIONE SOLARE Per quantificare la diversa entità della radiazione, in funzione della posizione del sole, si fa spesso riferimento al concetto di: Air Mass AM Rapporto tra la lunghezza del percorso effettivo dei raggi solari e la lunghezza del loro percorso più breve AM = 1 / sin(h) dove h è langolo di zenit; Air Mass One AM1 condizione di AM in condizioni di atmosfera standard, valutato sulla superficie terrestre e misurato al livello del mare; Air Mass Zero AM0 condizione di AM fuori latmosfera.

4 pag. 4 1.LA RADIAZIONE SOLARE Costante solare 1360 W/m 2 GenFebMarAprMagGiuLugAgoSetOttNovDic RADIAZIONE EXTRA ATMOSFERICA - [W/m 2 ]

5 pag. 5 1.LA RADIAZIONE SOLARE Air Mass AM = 1/sin(h) Angolo di zenit

6 pag. 6 1.LA RADIAZIONE SOLARE Spettro della radiazione solare

7 pag. 7 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

8 pag. 8 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

9 pag. 9 1LA RADIAZIONE SOLARE Dicembre Giugno Settembre / Marzo Greenwich Equatore Latitudine Longitudine Declinazione

10 pag LA RADIAZIONE SOLARE Confronto fra la radiazione solare giornaliera media incidente su superfici con differenti angoli di inclinazione ed orientate a Sud (azimut ). Località con latitudine Nord e cielo sereno Gen Feb MarAprMagGiuLugAgoSetOttNovDic Verticale 60° Orizzontale 30° [MJ/m 2 /giorno]

11 pag LA RADIAZIONE SOLARE Andamento della radiazione solare giornaliera media annua al variare dellinclinazione della superficie captante, orientata a Sud. Località con latitudine 43,68° Nord [gradi] [Wh/m 2 ] max

12 pag LA RADIAZIONE SOLARE Profilo dei percorsi solari e della linea dorizzonte

13 pag LA RADIAZIONE SOLARE Dati della Radiazione Solare La radiazione solare su una superficie inclinata può essere determinata mediante: Mappe isoradiative (generalmente non permettono di distinguere le componenti della radiazione diretta e diffusa) pubblicate da vari organismi Valori tabellati per ciascuna località (Servizio Meteorologico Nazionale) Metodi di calcolo sperimentali ( Norme UNI – UNI 8477, metodo di Liu e Jordan, ecc.)

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

15 pag LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dellirraggiamento su una superficie orizzontale (Norma UNI 10349) (1) Noti, per le principali città, i valori della irradiazione giornaliera media mensile [MJ/m²], sul piano orizzontale, nelle componenti diretta e diffusa si risale al valore dellirradiazione per un generico sito: Si identificano due località di riferimento Si calcola il valore dellirradiazione come media ponderale dei valori delle due località di riferimento pesate rispetto alla latitudine, secondo la relazione: con: Irradiazione e latitudine rispettivamente di calcolo e delle località di riferimento

16 pag LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dellirraggiamento su una superficie comunque inclinata ed orientata ( UNI 8477) (2)Definita una superficie con una sua inclinazione ed orientazione, lirraggiamento giornaliero medio H, su base mensile, viene espresso in rapporto R al valore corrispondente medio H h sul piano orizzontale: Essendo H h0 il valore medio mensile dellirraggiamento solare orizzontale extratmosferico - valore tabellato con: Valore medio mensile del rapporto tra lirraggiamento diretto sulla superficie e quello sullorizzontale

17 pag LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dellirraggiamento su una superficie comunque inclinata ed orientata ( UNI 8477) con: Irraggiamento solare diffuso [MJ/m²] o [kWh/ m²] Irraggiamento solare globale orizzontale [MJ/m²] o [kWh/ m²] valore tabellato Frazione diffusa del soleggiamento Riflettanza dellambiente circostante [0,04 - 0,75] (relativamente a strade sterrate e neve fresca con film di ghiaccio) – valore tabellato In mancanza di dati climatici diretti il rapporto H d /H h è calcolato facendo uso della correlazione con il coefficiente K T Indice di soleggiamento reale

18 pag LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dellirraggiamento su una superficie comunque inclinata ed orientata ( UNI 8477) - Calcolo di R b Indice di soleggiamento reale Il coefficiente R b si ricava a partire dai valori di H b e H bh che rappresentano rispettivamente il valore dellirraggiamento solare diretto con e senza ostruzioni: con:

19 pag LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dellirraggiamento su una superficie comunque inclinata ed orientata ( UNI 8477) - Calcolo di R b Declinazione media mensile – angolo che la retta tracciata dal centro della terra al sole forma con il piano equatoriale – valori medi tabellati in funzione della latitudine Costante solare – radianza su una superficie extratmosferica perpendicolare ai raggi solari - pari a 1353 W/m 2 con: Coefficienti T, U e V valutati sul piano orizzontale ( = 0)

20 pag LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dellirraggiamento su una superficie comunque inclinata ed orientata ( UNI 8477) - Calcolo di R b Angoli orari e rispettivamente dellapparire e dello scomparire del sole per la superficie esposta; essi dipendono dalla giacitura della superficie e da eventuali ostruzioni; con: Per un piano orizzontale, in assenza di ostruzioni, gli angoli orari e coincidono rispettivamente con - s e s (angolo orario del sorgere e del tramonto astronomico). Angolo orario (tiene conto della rotazione della terra attorno al proprio asse), il suo valore ( ) può essere ricavato dallespressione t s dove t s, compresa tra 0 e 24, è lora legale;

21 pag LA RADIAZIONE SOLARE ESEMPIO 1 Calcolo dellenergia solare annua, su base media mensile, captata da una superficie s=10m 2 caratterizzata da: Inclinazione =50° Azimut =10° Assenza di fenomeni di ombreggiamento ( =- s e = s ) Riflettanza =0,20 Posta in una località priva di ombreggiamenti di Cassino (lat. =41°38) Energia solare annua = 12 1 (Irraggiamento medio mensile)· sup.

22 pag LA RADIAZIONE SOLARE ESEMPIO 1 Rapporto riportato nel Prospetto II della norma UNI 8477 in funzione dellindice di soleggiamento Valore unitario in quanto abbiamo ipotizzato lassenza di fenomeni di ombreggiamento ? ?

23 pag LA RADIAZIONE SOLARE ESEMPIO 1 Calcolo dellirraggiamento globale orizzontale giornaliero medio mensile [kWh/(m 2 · giorno)]: Dallappendice B della UNI 8477 si evincono i valori di H h relativi a diverse località italiane. E possibile valutare lirraggiamento giornaliero medio mensile per la latitudine in esame (Cassino 41°38) interpolando i valori di due stazioni meteorologiche prossime alla lat. 41°38

24 pag LA RADIAZIONE SOLARE ESEMPIO 1 Calcolo dellindice di soleggiamento reale K T : Calcolati, per ciascun mese, i valori dellirraggiamento H h giornaliero medio mensile e noti dal Prospetto I i valori medi mensili dellirraggiamento solare orizzontale extr'atmosferico H h0 per le latitudini 41° e 42°, si ottengono per interpolazione i valori di H h0 [kWh/(m 2 · giorno)] per la latitudine 41°38 Calcolato lindice K T, dal Prospetto II si evince il valore di Hd mese / Hh mese :

25 pag LA RADIAZIONE SOLARE ESEMPIO 1

26 pag 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

27 pag 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.

28 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica

29 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica

30 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO

31 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.

32 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO 1.15 Tuttavia al diminuire della lunghezza donda, ai fotoni risulta associata un energia sempre maggiore ed in eccesso rispetto a quella richiesta per liberare la coppia elettrone - lacuna La percentuale di energia solare che teoricamente possibile convertire in energia elettrica non supera il 44% La rimanente parte, pari al 56%, è trasformato in calore

33 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)

34 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)

35 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

36 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Caratteristica Elettrica (I-V) in funzione della Temperatura I [A] V [V] 40°C 60°C 20°C 0°C -20°C -40°C TENSIONE A VUOTO – V 0 (I=0) CORRENTE DI CORTOCIRCUITO I CC (V=0)

37 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Caratteristica Elettrica (I-V) in funzione della Radiazione Solare I [A] V [V] 500 W/m W/m W/m W/m W/m W/m Caratteristica I-V di un modulo commerciale da 50Wp a 40°

38 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

39 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)

40 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).

41 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)

42 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

43 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:

44 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.

45 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

46 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

47 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

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

49 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

50 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Il Campo Fotovoltaico PANNELLO STRINGA

51 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO STRINGA CAMPO Il Campo Fotovoltaico

52 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

53 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Il Campo Fotovoltaico COMBINAZIONE DI SERIE E DI PARALLELIPARALLELI DI SERIE

54 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Il Campo Fotovoltaico PARALLELI DI SERIE + - DIODO DI STRINGA DIODO DI LATO + -

55 pag PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO w/L 60° Latitudine [°] 0 55° 50° 20° 40° 0° L w Sud (Minima distanza tra le file w ) / (Lunghezza dei pannelli L )


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