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La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future La tecnologia fotovoltaica Stato dellarte e prospettive future Claudio Zini - Casalecchio,

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Presentazione sul tema: "La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future La tecnologia fotovoltaica Stato dellarte e prospettive future Claudio Zini - Casalecchio,"— Transcript della presentazione:

1 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future La tecnologia fotovoltaica Stato dellarte e prospettive future Claudio Zini - Casalecchio, 21 gennaio 2008

2 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Energia dal Sole La domanda mondiale annua di energia è di circa 8 miliardi di TEP (Tonnellate Equivalenti Petrolio) La domanda annua di energia in Italia è di circa 167 milioni di TEP Il sole irradia sulla terra miliardi di TEP ogni anno A parte la geotermia e lenergia nucleare, le altre fonti energetiche (termica da combustione di carbone, idrocarburi, gas, legno; eolica; idraulica) traggono origine dalla radiazione solare. L'energia solare è la fonte di energia primaria da cui deriva, direttamente o indirettamente, quasi tutta l'energia utilizzata dalluomo. Ovviamente occorre tener conto della bassa densità energetica della fonte solare e della sua aleatorietà.

3 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Il flusso di energia incidente al suolo dipende dalla latitudine, dalle condizioni atmosferiche, dal periodo dell'anno, dall'ora del giorno. In un giorno di cielo sereno, a 30 di latitudine nord, il valore dell'incidenza solare varia durante l'anno da 0.6 a 1 kW/m 2. Effetto di filtraggio dellatmosfera (lo spettro della radiazione solare viene modificato sia quantitativamente, che qualitativamente) La potenza della radiazione incidente su una superficie perpendicolare ai raggi solari, ai limiti della atmosfera, è mediamente 1350 W/m 2 (costante solare).

4 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Per la massimizzazione della produttività di un impianto solare è di fondamentale importanza la corretta installazione del sistema di captazione dellenergia solare. Latitudine della zona considerata La radiazione solare è massima allequatore e diminuisce verso i poli Orientamento della superficie captante Nellemisfero Nord, la superficie captante dovrebbe essere orientata verso Sud Inclinazione della superficie captante Inclinazione rispetto al piano orizzontale: - circa (L – 5°) per ottimizzare lenergia captata globalmente in un anno; - circa (L –12°) per massimizzare lenergia captata nel periodo estivo; - circa (L+12°) per massimizzare lenergia captata nel periodo invernale. La radiazione solare incidente su una superficie in un dato periodo è funzione di :

5 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Mappa della distribuzione dellirraggiamento medio giornaliero solare Esempio di valori di Insolazione annua media (dati rilevati nel periodo ) - Bologna: 1427 kWh/m 2 - Roma: 1516 kWh/m 2 - Palermo: 1658 kWh/m 2

6 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future ENERGIA FOTOVOLTAICA I sistemi fotovoltaici (FV) permettono la conversione diretta di energia solare in elettrica sistema di generazione: le celle fotovoltaiche sistema di controllo e condizionamento della potenza eventuale sistema di accumulo dellenergia (batteria) struttura di sostegno Elementi principali di un impianto fotovoltaico

7 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Un sistema fotovoltaico è composto da: Cella (lunità costruttiva minima) Modulo (insieme di celle interconnesse in serie o in parallelo da giunzioni elettriche finalizzate alla generazione di tensioni e correnti utilizzabili negli impieghi comuni) Pannello (uno più moduli installati su di una struttura rigida) Stringa (insieme di pannelli connessi in serie per realizzare tensioni efficaci) Campo (o Generatore) fotovoltaico (insieme di una o più stringhe connesse in parallelo)

8 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future La conversione della radiazione solare in una corrente di elettroni avviene nella cella fotovoltaica. È costituta da materiale semiconduttore drogato e può avere varie misure ed essere realizzata in diversi materiali.

9 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Efficienza per varie tipologie di modulo fotovoltaico Tipo di modulo disponibili in commercio Silicio monocristallino Silicio policristallino Silicio amorfo Efficienza dei moduli % % %

10 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Le prestazioni dei moduli FV sono legate alle caratteristiche della radiazione solare e della temperatura esterna. Per quantificare le loro prestazioni occorre riferirsi a delle condizioni standard: Intensità della radiazione = 1000 W/m 2 Temperatura della cella = 25 °C Massa daria: AM 1.5 La massa daria è un parametro utilizzato per tener conto dello spessore dello strato di atmosfera attraversato dalla radiazione e dei conseguenti effetti di assorbimento, a seconda della posizione del sole nel cielo. Il dato di targa della potenza generata da una cella FV è espresso in Watt di picco (Wp), ossia si riferisce alla potenza di picco generata nelle condizioni standard.

11 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Fonte: Luca Siragusa, IUAV

12 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Fonte: Luca Siragusa, IUAV

13 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Fonte: Luca Siragusa, IUAV

14 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future -generatore FV -Inverter, per convertire la corrente generata dai moduli da continua in alternata Per utenze collegate alla rete elettrica Elementi principali: Impianti connessi in rete

15 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future -moduli fotovoltaici -regolatore di carica -sistema di batterie di accumulo dellenergia -eventuale inverter (nel caso in cui sia necessario alimentare lutenza in corrente alternata). Elementi principali: Impianti isolati Per utenze non raggiunte dalla rete elettrica

16 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Sistemi isolati (stand alone) rifugi di montagna piccole isole rilevazioni climatiche ripetitori radio boe di segnalazione illuminazione stradale e da giardino carica batterie Paesi in via di sviluppo (refrigerazione, pompaggio, aree rurali) LE APPLICAZIONI Sistemi connessi in rete centrali di potenza sistemi integrati negli edifici

17 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Insolazione media annua (kWh/m² anno) Efficienza moduli (%) Efficienza BOS (%) Elettricità prodotta mediamente in un anno (kWhe/m² anno) MILANO ,5% ROMA ,5% TRAPANI ,5% Energia elettrica mediamente prodotta in corrente alternata in un anno da 1 m² di moduli Insolazione media annua (kWh/m² anno) Efficienza moduli (%) Superficie occupata da 1 kWp di moduli (m 2 ) Elettricità prodotta mediamente in un anno in corrente continua (kWhe/kWp anno) MILANO ,5% ROMA ,5% TRAPANI ,5% Energia elettrica in corrente continua mediamente prodotta in un anno da 1 kWp di moduli

18 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Presentazioni collegate: prof. Martinelli (UniFe) Ing. Sarno (Enea) dott. Armani (CNR) d.ssa Camaioni (CNR)

19 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future MOTIVAZIONI Mercato Fotovoltaico dominato dalla tecnologia del Silicio cristallino con quota di mercato del 95% (2003) Il costo del wafer di Silicio incide per il 50% sul costo del modulo finito Tecnologia del Silicio cristallino a film sottile Potenzialità della tecnologia: Max ~21% su substrato di mono-Si (UNSW) Celle solari a film sottili di Silicio cristallino Fonte: ENEA

20 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Celle solari a film sottili di Silicio cristallino Formazione dello strato attivo (wafer equivalent) Substrate: T<600°C:glass, SS T>600°C: Alumina, mullite, graphite, HT-glass, low-cost Si, SiSiC diffusion barrier (SiO2) wetting layer (SiNx, AlN) seeding layer (poly-Si) active layer (poly-Si) reflector (text) Fonte: ENEA

21 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Celle solari a film sottili di Silicio cristallino ZMR on ceramic substrates Module developed by ISE using the BBC Progetto Europeo SUBARO Fonte: ENEA

22 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Celle solari a film sottili di Silicio cristallino Progetto Europeo SUBARO V PQ UE: Risultati Celle e moduli con efficienze 12% mediante processi industrializzabili. Costo finale previsto: 0,5-1 /Wp contro gli attuali 1,5-2 /Wp. Miglior substrato: SiN preparato per tape casting da polveri Si 3 N4. Tecnologia promettente per strati barriera: spin on a base di ossidi di silicio. Silicio depositato da fase vapore con reattori CVD ad alta resa in continuo. Risultato ENEA: realizzazione di celle one sided contact con processi laser assisted, serigrafici e spin on degli ossidi. (Warning: Nessuno deposita poly-Si in Italia!). Fonte: ENEA

23 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Tecnologie fotovoltaiche innovative a basso costo StM + centri di ricerca chimica di Napoli. Polimeri conduttori di nuova generazione, chiave per la nuova frontiera del fotovoltaico diffuso. Polimeri con caratteristiche efficienti di assorbimento della luce, trasformazione in elettroni e trasporto di questi. Vernici, o gel da spruzzare sui muri, vetri o piastrelle. Nanotubi in carbonio. Università di Princeton. Obiettivo: realizzare una superficie fotovoltaica da spruzzare su fogli di plastica. Vernici fotovoltaiche da stendere sulle superfici delle abitazioni. Superfici tinteggiate di diversi colori, finestre fotovoltaiche. Laboratori Ucla (Los Angeles): un nuovo tipo di pannello solare in plastica composto da un singolo strato di un polimero rivestito da due elettrodi pellicola ultrasottile e ultraflessibile celle solari organiche =5%=10% …. Fonte: ENEA

24 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Quantum dot solar cells Semiconduttore Quantum Dot Da: A.J. Nozik, Quantum dot solar cells, in Next Generation Photovoltaics, Ed. by A. MartÍ and A. Luque, IOP. Fonte: ENEA

25 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Quantum dot solar cells Array ordinato di Quantum Dot Lo spazio tra i QDs è così ristretto che si forma un forte accoppiamento tra loro e si formano minibande per il trasporto long-range delle cariche. Le minibande rallentano il raffreddamento delle cariche e permettono il trasporto Dei portatori caldi (hot-carriers), innalzando il fotovoltaggio. Da: A.J. Nozik, Quantum dot solar cells, in Next Generation Photovoltaics, Ed. by A. MartÍ and A. Luque, IOP. Fonte: ENEA

26 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Quantum dot solar cells Quantum Dots dispersi in una miscela di due polimeri: uno che conduce lacune e uno che conduce elettroni. Da: A.J. Nozik, Quantum dot solar cells, in Next Generation Photovoltaics, Ed. by A. MartÍ and A. Luque, IOP. Fonte: ENEA

27 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Concentratori Solari Luminescenti (LSC) Fonte: ENEA

28 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Concentratori Solari Luminescenti (LSC) Solar cells Soglie di assorbimento Red-shift Fonte: ENEA

29 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Concentratori Solari Luminescenti (LSC) Idee: Integrare gli LSC in edilizia usandoli sia su pareti opache che come finestre fotovoltaiche. Utilizzo di Quantum Dot (QDs) al posto dei coloranti (dyes). Perché? Maggiore stabilità rispetto ai coloranti; Accordo della soglia di assorbimento fatto variando il size dei QDs. Quantum Dots realizzati con nanoparticelle di Silicio. (Collaborazione con Univ. Modena). Impiego di Filtri Dicroici interposti tra gli strati adiacenti per migliorare lefficienza di raccolta della luce di luminescenza. (Collaborazione con Univ. Ferrara). Fonte: ENEA

30 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Concentratori FV statici a microlenti Studio e sviluppo di microdispositivi per la concentrazione adattativa dei raggi solari (effetto girasole) integrati su supporti fotovoltaici Configurazione di partenza Configurazione deformata "Thermo-compliant mechanisms Supporto con rivestimento fotovoltaico Microlente Raggi solari Asse di incidenza ottimale Microlente Asse di incidenza ottimale Raggi solari Supporto con rivestimento fotovoltaico "Thermo-compliant mechanisms Fonte: DIEM

31 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Studio e sviluppo di microdispositivi per la concentrazione adattativa dei raggi solari (effetto girasole) integrati su supporti fotovoltaici Tipologie di installazione Per lo sviluppo del nuovo concetto di thermo-compliant mechanisms, delle relative lenti e quindi del nuovo sistema a micro girasoli su supporto fotovoltaico statico si prospetta una collaborazione tra: ENEA - UNIBO - DIEM (Dipartimento delle Costruzioni Meccaniche, Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia)

32 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Sistemi termofotovoltaici (TPV) Fonte: ENEA

33 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Sistemi termofotovoltaici (TPV) Spettro di emissioneFiltro dielettrico a 9 strati Quantum Yield GaSb Power spectrum su cella Fonte: ENEA

34 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Sistemi termofotovoltaici (TPV) Progetto Cogenerazione termofotovoltaica in collaborazione con: UNIFE-DI, IMEM, BALTUR S.p.A. Cento (FE), Helios Technology. Obiettivo: sviluppo della tecnologia del termofotovoltaico (TPV), applicata a impianti di potenza inferiore a 100 kW, Produzione contemporanea e locale di energia termica ed elettrica in un rapporto ottimale per un uso residenziale e terziario. Rendimenti globali superiori al 90%. Sistemi considerati: caldaie a gas BALTUR per uso domestico, a basse emissioni e con bruciatore a superficie, da trasformare, mediante lintroduzione di celle FV sensibili allIR, in sistemi di cogenerazione. Bruciatore a superficie e camera di combustione. Schema matrice in acciaio/tela metallica Caldaia prototipo strumentata Fonte: ENEA

35 La tecnologia fotovoltaica, stato dellarte e prospettive future Applicazioni del fotovoltaico in edilizia Le piastrelle fotovoltaiche (principale promotore della sperimentazione: Il Centro Ceramico Bolognese)


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