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I.T.I.S G. MARCONI - BARI Liceo sperimentale Scientifico Tecnologico prof. Ettore Righetti ENERGIA FOTOVOLTAICA.

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1 I.T.I.S G. MARCONI - BARI Liceo sperimentale Scientifico Tecnologico prof. Ettore Righetti ENERGIA FOTOVOLTAICA

2 FONTI BIBLIOGRAFICHE La maggiorparte delle figure, delle tabelle e dei grafici riportati nel I Capitolo di questa presentazione è stata tratta dalle seguenti pubblicazioni: CHIMICA FISICA Walter J. Moore - Ed. Piccin CHIMICA INORGANICA C.F. Bell, K. Lott Ed.Zanichelli COMPLEMENTI DI CHIMICA GENERALE E INORGANICA V. Caglioti, G. Sartori - Libreria EVV- Roma THEORETICAL ELECTROCHEMISTRY L.I. Lantropov - Mir Publishers- Moscow ELETTRONICA M. Cataldi - Ed. Vanini Gli altri capitoli si basano integralmente (comprese le tabelle, le figure e i grafici) sulle pubblicazioni ENERGIA ELETTRICA DAL SOLE F.P. Vivoli ISES Italia, ENEA LINTEGRAZIONE DEI SISTEMI FOTOVOLTAICI NELLEDILIZIA E NELLE INFRASTRUTTURE URBANE Mauro Spagnolo, F.P. Vivoli Min. dellindustria, Min dellAmbiente, ENEA IL FOTOVOLTAICO INTEGRATO NEGLI EDIFICI Mario Gamberale, Paolo Fankl, Patricia Ferro ISES ITALIA e le nuove Fonti Rinnovabili – Collana diretta da Francesco Paolo Vivoli Un ringraziamento particolare va allingegner Francesco Paolo Vivoli dellE.N.E.A., dalle cui pubblicazioni sono state tratte la maggiorparte delle figure, delle tabelle e dati riportati in questa presentazione

3 INDICE DEGLI ARGOMENTI CAPITOLO I CENNI TEORICI SULLA CONDUZIONE ELETTRICA NEI CONDUTTORI E NEI SEMICONDUTTORI 1.IL LEGAME METALLICOIL LEGAME METALLICO 2.LA DISTRIBUZIONE DEGLI ELETTRONI NELLE BANDELA DISTRIBUZIONE DEGLI ELETTRONI NELLE BANDE 3.CONDUTTORI, SEMICONDUTTORI, ISOLANTICONDUTTORI, SEMICONDUTTORI, ISOLANTI 4.IL MECCANISMO DELLA CONDUCIBILITA ELETTRICAIL MECCANISMO DELLA CONDUCIBILITA ELETTRICA 5.I SEMICONDUTTORII SEMICONDUTTORI 6.IL DOPING DEI SEMICONDUTTORIIL DOPING DEI SEMICONDUTTORI 7.LA GIUNZIONE PN E MECCANISMO DELLA GENERAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA NELLA CELLA FOTOVOLATICA (parte I)LA GIUNZIONE PN E MECCANISMO DELLA GENERAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA NELLA CELLA FOTOVOLATICA (parte I) 8.LA GIUNZIONE PN E MECCANISMO DELLA GENERAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA NELLA CELLA FOTOVOLATICA (parte II)LA GIUNZIONE PN E MECCANISMO DELLA GENERAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA NELLA CELLA FOTOVOLATICA (parte II) CAPITOLO II LA TECNOLOGIA DEL FOTOVOLTAICO 1.CARATTERISITICHE GENERALICARATTERISITICHE GENERALI 2.LA RADIAZIONE SOLARELA RADIAZIONE SOLARE 3.LA CELLA FOTOVOLTAICALA CELLA FOTOVOLTAICA 4.I COMPONENTI DEL GENERATORE FOTOVOLTAICO: MODULI, PANNELLI, STRINGHEI COMPONENTI DEL GENERATORE FOTOVOLTAICO: MODULI, PANNELLI, STRINGHE 5.LIMPIANTO FOTOVOLTAICOLIMPIANTO FOTOVOLTAICO PAGINA INIZIALE

4 CAPITOLO I - CENNI TEORICI SUI MECCANISMI DI CONDUZIONE ELETTRICA NEI CONDUTTORI E NEI SEMICONDUTTORI IL LEGAME METALLICO Nel reticolo cristallino di un metallo, quasi sempre ogni atomo è vicino ad altri 8 o 12 atomi equidistanti. Questa configurazione estremamente compatta è responsabile dellelevata densità dei metalli. Se consideriamo come esempio il litio (N.A. 3, configurazione elettronica: 1s 2,2s 1 ), osserviamo che con lunico elettrone di valenza, latomo di litio è circondato da 8 vicini. Tale elettrone deve evidentemente legare non un solo vicino, ma tutti e otto. Se consideriamo che questa situazione è la stessa per tutti gli atomi di litio del reticolo cristallino, si può dire che in prima approssimazione un metallo può essere considerato come un insieme di atomi che hanno perso tutti o alcuni elettroni di valenza. Tali elettroni perciò risultano liberi di vagare allinterno del solido. Questo mare di elettroni lega gli ioni positivi ordinatamente disposti nel reticolo cristallino. Da un punto di vista concettuale quindi ogni cristallo metallico può essere considerato ununica molecola e poiché per una molecola è possibile determinare i livelli energetici permessi agli elettroni mediante il metodo degli orbitali molecolari (M.O.), allo stesso modo, con opportune approssimazioni, è possibile determinare i livelli energetici occupati dal mare di elettroni. Consideriamo ancora il litio. Quando due atomi, inizialmente lontani e isolati, si avvicinano, i livelli esterni (2s) interagiscono tra loro per dar luogo a due nuovi orbitali, uno legante, laltro antilegante. La separazione energetica tra i due nuovi livelli è tanto maggiore quanto più vicini sono gli atomi. Mantenendo costante la distanza fra i due atomi di litio, avviciniamo alla stessa distanza un terzo atomo, poi un quarto ecc. Si può dimostrare che con tre atomi si formano tre livelli, con quattro atomi, quattro livelli, con N atomi, N livelli (ogni atomo di litio che si aggiunge fornisce un nuovo livello alla banda 2s), ma pur crescendo la separazione tra livello minimo e massimo, questa si mantiene finita. Se N è dellordine del numero di Avogadro i livelli energetici saranno così fitti da costituire una banda di energia (vedi FIG.1). I livelli 1s degli atomi di litio, più interni, interagiscono molto meno, dando luogo ad una banda molto stretta, completamente piena di elettroni.vedi FIG.1 Torna allindice

5 LA DISTRIBUZIONE DEGLI ELETTRONI NELLE BANDE La distribuzione degli elettroni nei livelli presenti nelle bande è fondamentale nella definizione delle proprietà caratteristiche di un metallo. Una tipica curva di distribuzione o di densità elettronica è rappresentata in FIG. 2. Tale curva, in genere rappresentata con N(E), indica il numero di stati elettronici in funzione dellenergia. Evidentemente N(E)dE è il numero di stati compreso tra i livelli di energia E eFIG. 2 E+dE, mentre il numero totale di stati è definito dallintegrale, dove E 1 e E 2 sono i limiti energetici della banda. Il numero di elettroni che può essere accomodato nella banda è perciò il doppio del valore di questo integrale (per il principio di esclusione di W. Pauli). Si può dimostrare che il tipo di curva N(E) dipende strettamente dalla configurazione spaziale degli atomi. Un metallo che possa cristallizzare in due forme, come il cobalto (cubica ed esagonale) è caratterizzato quindi da due differenti curve. A parità di altre condizioni sarà allora più stabile quella struttura che comporta unenergia elettronica minore, cioè quella distribuzione N(E) che riesce ad accomodare lo stesso numero di elettroni mantenendo più bassa lenergia totale. Torna allindice

6 CONDUTTORI, SEMICONDUTTORI, ISOLANTI Come abbiamo visto, ogni volta che in un solido si ha interazione tra orbitali atomici, vi è lallargamento di questi in bande. Oltre che nei metalli, questo fenomeno si verifica perciò anche nei solidi covalenti, come ad esempio nel diamante. Il fatto che i primi siano conduttori elettrici e i secondi siano isolanti dipende dalla posizione relativa delle bande che sorgono per lallargamento dei vari livelli. Si possono distinguere tre casi illustrati nella Fig.3: Caso a: le due bande sono così allargate, ovvero i livelli da cui si formano erano così vicini, che esse si sovrappongono, formando ununica banda molto larga. Caso b: la fine di una banda coincide con linizio dellaltra (A-B) o vi è una separazione energetica (zona proibita) molto piccola. Caso c: esiste una notevole distanza energetica tra le due bande, cioè una zona proibita (A-B) molto estesa. Torna allindice Fig. 3

7 IL MECCANISMO DELLA CONDUCIBILITA ELETTRICA Bisogna innanzitutto dire che il fenomeno della conduzione elettrica non risiede solo nella mobilità degli elettroni, ma nella possibilità di farli muovere in una direzione preferenziale sotto lazione di un campo elettrico. Infatti le differenti conducibilità, ad esempio del rame e della silice (conduttore il primo, isolante il secondo), che stanno nel rapporto circa, non possono essere interpretate sulla base della maggiore o minore energia con cui gli elettroni sono legati ai nuclei, poiché tale energia varia al massimo di un fattore di Il fenomeno della conducibilità elettrica può essere compreso in termini della struttura a bande. Prendendo questa volta il sodio (1s 2,2s 2,2p 6,3s 1 ) come esempio, e ricordando che ogni orbitale atomico fornisce un livello a una banda, possiamo dire che nelle bande più basse (1s,2s,2p) vi è un numero di livelli giusto sufficiente per accogliere il numero di elettroni a disposizione, cosicché esse risultano piene e separate da zone proibite estese. Se viene applicato un campo elettrico esterno, gli elettroni in queste bande piene non possono muoversi sotto il suo influsso, poiché per essere accelerati dal campo essi dovrebbero muoversi verso livelli di energia un po più elevati. Ma in una banda piena tutti i livelli sono occupati da due elettroni ciascuno, ed il principio di Pauli proibisce che questi ricevano altri elettroni. Né gli elettroni che si trovano sulla sommità della banda possono acquistare un eccesso di energia, poiché per essi non ci sono livelli più alti verso cui muovere. La situazione è diversa nella banda più elevata 3s, che è piena solo a metà. Allinterno di questa, i livelli più bassi sono comunque tutti occupati ed un elettrone che si trovi in uno di questi livelli non può ancora essere accelerato poiché i livelli immediatamente superiori sono anchessi occupati. Invece gli elettroni della sommità della zona piena possono muoversi facilmente verso i livelli non occupati entro la banda. Ciò corrisponde alla possibilità per questi elettroni di muoversi liberamente entro la struttura cristallina o, nel caso della presenza di un campo elettrico, in una determinata direzione (corrente elettrica). Vi sono poi metalli come il magnesio (1s 2,2s 2,2p 6,3s 2 ), che sono conduttori sebbene la banda 3s sia piena. In questi casi la conducibilità è assicurata dalla vicinanza energetica della banda 3p, completamente vuota, che si sovrappone così alla banda 3s, fornendo un gran numero di livelli disponibili (in realtà questo accade anche nel sodio e negli altri metalli alcalini) (Caso a) della fig. 3).(Caso a) della fig. 3). Torna allindice

8 I SEMICONDUTTORI Nei solidi isolanti la resistività varia da 10 8 a ohm·m a temperatura ambiente, mentre quella dei conduttori è compresa tra e ohm·m. Nei semiconduttori le resistività sono intermedie tra quelle dei conduttori e quelle degli isolanti. Le loro proprietà elettriche sono legate alla lacuna energetica (zona proibita) tra la banda di valenza occupata e la banda di conduzione vuota. Lentità di tale lacuna può essere determinata misurando la lunghezza donda alla quale inizia lassorbimento ottico da parte del cristallo, il cosiddetto inizio di assorbimento. Lenergia corrispondente allinizio dellassorbimento, ε, è quella necessaria a trasferire un elettrone dalla sommità della banda di valenza occupata al livello più basso della banda di conduzione (VEDI TABELLA). Poiché allaumentare della temperatura aumenta lenergia degli elettroni, aumenta conseguentemente la probabilità che alcuni acquistino unenergia uguale o superiore al valore di soglia ε, passando così nella banda di conduzione. Per questo, a differenza dei conduttori, la resistività, ρ, dei semiconduttori diminuisce al crescere della temperatura, di solito con una legge esponenziale, e ε/kT (Fig.4). (VEDI TABELLA) Invece il rapporto tra il numero di elettroni eccitati termicamente nelle bande di conduzione e il numero che si trova nella banda di valenza è dato dal fattore di Boltzmann e -ε/kT. Per il diamante il valore di ε è talmente elevato che gli elettroni possono essere raramente eccitati nella banda di conduzione, e il cristallo è perciò un tipico isolante. Nel caso del silicio (Si) e del germanio (Ge) il numero di elettroni di conduzione prodotti dalla eccitazione termica è apprezzabile. Tali cristalli sono dei tipici semiconduttori intrinseci. Torna allindice Fig. 4

9 IL DOPING DEI SEMICONDUTTORI Per aumentare la conduttività di semiconduttori intrinseci quali il silicio e il germanio è necessario effettuare il doping o drogaggio. Questa tecnica consiste nellinserire nel reticolo cristallino del Si o del Ge una certa quantità di atomi estranei (impurezze) di elementi appartenenti al quinto gruppo della Tavola Periodica, come il fosforo (P) o larsenico (As), o al terzo gruppo, come il boro (B) o lindio (In). Atomi come il fosforo o larsenico, aventi 5 elettroni di valenza a differenza del Si o del Ge, che ne hanno 4, inseriti nel reticolo cristallino al posto di questi, rilasciano 4 elettroni nella banda di valenza, mentre il quinto dovrà occupare dei livelli energetici superiori. Di fatto, nel silicio tali livelli si trovano a soli 0,012 eV al di sotto della banda di conduzione. Pertanto gli elettroni che li occupano possono essere facilmente eccitati, termicamente o per assorbimento energia elettromagnetica, nella banda di conduzione. Il semiconduttore drogato avrà dunque una conducibilità superiore a quella del semiconduttore intrinseco allo stato puro. Un semiconduttore drogato con fosforo o arsenico è detto di tipo n, in quanto i portatori di corrente sono carichi negativamente (elettroni). Un agente drogante che può fornire elettroni alla banda di conduzione è chiamato datore, e i livelli extra proprio al di sotto dalla banda di conduzione sono chiamati livelli del datore (FIG. 5), (TABELLA 2).FIG. 5TABELLA 2 Se latomo drogante è un elemento del terzo gruppo, come il boro o lIndio, aventi solo 3 elettroni di valenza, uno in meno del silicio o del germanio, si produce un buco, o mancanza di un elettrone, nei legami tetraedrici che circondano latomo del boro o dellindio. Per questa caratteristica, tali elementi droganti si chiamano accettori. Si creano allora nuovi livelli nella lacuna energetica del semiconduttore. Nel caso del boro nel silicio tali livelli si trovano a 0,01 eV al di sopra della sommità della banda di valenza. Per gli elettroni che si trovano alla sommità di questultima è perciò facile saltare nei nuovi livelli, chiamati appunto livelli dellaccettore (FIG. 5). Data la presenza di buchi positivi lasciati nella banda di valenza, il silicio o il germanio drogati con boro o con indio hanno una conducibilità superiore a quella di tali elementi allo stato puro. Un semiconduttore di questo genere è chiamato di tipo p.(FIG. 5) Torna allindice

10 LA GIUNZIONE PN E MECCANISMO DELLA GENERAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA NELLA CELLA FOTOVOLTAICA (parte I) La giunzione PN è alla base del funzionamento della cella fotovoltaica, che in sostanza è un dispositivo costituito da una sottile fetta (wafer) di silicio di spessore che va da 0,25 a 0,35 mm. Una faccia della fetta viene drogata con atomi di boro (drogata P), laltra viene drogata per lintroduzione di atomi di fosforo (drogata N). La giunzione PN è appunto la zona di contatto fra i due strati. E necessario ribadire che laggiunta delle impurità di fosforo e di boro non crea cariche o differenze di potenziale nel semiconduttore, poiché tutti gli atomi introdotti nel silicio sono neutri, ma sebbene la carica netta del semiconduttore sia nulla, in assenza di forze esterne attraverso la giunzione PN si verifica comunque un processo di movimento di portatori di cariche (detto diffusione), poiché i buchi (positivi) tendono a muoversi verso la zona N, mentre gli elettroni di questa tendono a portarsi nella zona P. In realtà la carica positiva dei buchi non può muoversi, poiché è fissata negli atomi legati covalentemente nel reticolo cristallino, e quindi immobili. Sono gli elettroni (gli unici portatori di carica mobili) della zona P che tendono a portarsi lontano dalla zona N per repulsione elettrostatica con gli elettroni in eccesso della zona N, lasciando così nelle vicinanze della giunzione PN un piccolo eccesso di buchi positivi. Questa situazione può essere comunque immaginata come una effettiva migrazione dei buchi della zona P verso la giunzione PN. (Fig. 6)(Fig. 6) Torna allindice

11 LA GIUNZIONE PN E MECCANISMO DELLA GENERAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA NELLA CELLA FOTOVOLTAICA (parte II) Nonostante laccumulo di una certa quantità di buchi e di elettroni che si attraggono vicendevolmente nella giunzione PN, solo pochi elettroni la attraversano veramente, e quando ciò ha luogo, una piccola parte degli atomi vicino alla giunzione si ionizza. Quelli della zona N, datori, avendo perso un elettrone si caricano positivamente (buchi positivi), mentre gli atomi accettori della zona P diventano negativi per lacquisto di un elettrone. Il movimento di cariche produce perciò, in corrispondenza della giunzione PN, una differenza di potenziale (barriera di potenziale) che aumenta fino a che non si raggiunge una condizione di equilibrio dinamico per la quale i flussi di cariche tra le zone N e P e viceversa sono uguali, con conseguente corrente netta nulla. Una situazione schematica di ciò che si verifica nella giunzione PN è rappresentata in Figura 8., nella quale viene messa in evidenza la formazione del campo elettrico.Figura 8 Quando la cella fotovoltaica viene esposta alla luce solare, i fotoni assorbiti dal semiconduttore eccitano gli elettroni presenti nella banda di valenza, consentendo il loro passaggio nella banda di conduzione (come abbiamo già visto, il drogaggio del silicio con boro e fosforo diminuisce la lacuna energetica tra le due bande in modo che è sufficiente per gli elettroni assorbire le radiazioni nella banda del visibile per effettuare il salto). Questi elettroni vagherebbero liberi nel reticolo cristallino del silicio se non fosse presente la d.d.p. creatasi ai capi della giunzione PN, che funge da forza elettromotrice (fig. 9). Se allora colleghiamo elettricamente la faccia P e la faccia N attraverso un circuito esterno, si produce un flusso costante di elettroni (corrente continua) che fuoriesce dalla faccia N (polo negativo) e rientra nella faccia P (polo positivo), fintanto che la cella viene irradiata dalla luce solare.fig. 9 Torna allindiceTorna allindice

12 CAPITOLO II - LA TECNOLOGIA DEL FOTOVOLTAICO CARATTERISTICHE GENERALI Tra le tecnologie sviluppate per la produzione di energia da fonti rinnovabili, quella fotovoltaica, che permette la trasformazione diretta della luce solare in energia elettrica, è la più innovativa e promettente a medio e lungo termine. Diversamente dalle altre forme di energia rinnovabili, quali leolica, le biomasse e quella idraulica, che richiedono luoghi di particolari caratteristiche per il loro sfruttamento, lenergia solare fotovoltaica usa la radiazione solare che arriva dappertutto, non deve essere pagata e si rinnova ad ogni sorgere del sole. Le caratteristiche più interessanti della tecnologia fotovoltaica sono: Modularità Semplicità Affidabilità Ridotte esigenze di manutenzione Prevedibile sviluppo tecnologico Il fotovoltaico rappresenta unintegrazione alla produzione di energia elettrica nazionale ed ha un impatto ambientale trascurabile: per ogni kWh prodotto si risparmiano circa 250 g di olio combustibile e si evita così limmissione in atmosfera di 750 g di CO 2, con un sicuro vantaggio economico e soprattutto ambientale. Lintenso lavoro di ricerca compiuto negli ultimi ventanni ha permesso di ridurre di un fattore di 10 il costo della cella fotovoltaica, rendendo già oggi commercialmente interessante lutilizzo del fotovoltaico in diversi settori. Torna allindice

13 LA RADIAZIONE SOLARE Lenergia irradiata dal sole raggiunge la fascia esterna dellatmosfera con una densità di energia, per unità di tempo e per unità di superficie (piana, ortogonale alla direzione dei raggi), pari a 1353 W/m 2 (costante solare). A causa dellassorbimento e della diffusione delle radiazioni da parte dellatmosfera, al suolo pervengono, in una giornata serena e sole a mezzogiorno, al massimo 1000 W/ m 2. Per un sistema come il fotovoltaico, che cattura lenergia solare per convertirla in energia elettrica, è necessario prendere in considerazione i due seguenti fattori: Langolo con cui la radiazione solare arriva sulla superficie del convertitore, la quale, per una migliore conversione dellenergia solare dovrebbe essere perpendicolare alla radiazione stessa. Lo spessore dellatmosfera attraversata dai raggi, che dipende dalla latitudine alla quale si trova il convertitore. LItalia ha un regime solare medio alto, con forti variazioni tra regioni continentali e meridionali, come si può evincere dalla mappa solare isoradiativa (Indica, in funzione dellinclinazione della superficie captante, la distribuzione sul territorio dei valori medi di insolazione nellarco dellanno e delle medie mensili calcolate regione per regione). Semplici valutazioni possono dare unidea approssimativa delle potenzialità energetiche del fotovoltaico: lenergia solare che raggiunge in un anno la superficie terrestre, alla latitudine dellItalia meridionale, su un piano inclinato di 30°, è di 1800 kWh/ m 2. Assumendo per il sistema fotovoltaico un coefficiente di conversione del 10%, ne deriva una capacità produttiva di energia elettrica di 180 kWh/ m 2 per anno. Considerando che la richiesta energetica di una famiglia media è di circa 3000 kWh/ m 2 per anno, essa verrebbe soddisfatta utilizzando moduli fotovoltaici di 17 m 2 di estensione, inclinati a 20-30° sullorizzontale. Torna allindice

14 LA CELLA FOTOVOLTAICA E il componente fondamentale che trasforma direttamente lenergia solare in energia elettrica. Come abbiamo già visto, essa è costituita da un sottile strato di silicio, opportunamente drogato, di 0,25÷0,35 mm di spessore. E di forma generalmente quadrata, di circa 100 cm 2 di superficie. Quando viene irradiata produce, nelle condizioni di soleggiamento tipiche dellItalia (1 kW/m 2 ) e a 25°C, una corrente di 3 A, con una tensione di 0,5 V. La cella può utilizzare solo una parte della radiazione solare, in particolare quella compresa nella banda 0,4 ÷1,1 micron e presenta una efficienza di conversione in genere compresa tra il 12% e il 17% (Rapporto tra energia elettrica prodotta e lenergia solare raccolta da un dispositivo fotovoltaico. ).. Il silicio che costituisce la cella fotovoltaica può essere monocristallino o policristallino (vedi glossario).vedi glossario La tecnologia che permette la produzione del silicio monocristallino è la più usata. Parte dalla preparazione del silicio metallurgico (puro al 98%), mediante la riduzione della silice con carbone in forni ad arco: SiO 2 + C Si + CO 2 Dopo alcuni processi metallurgici intermedi, vengono ottenuti, per fusione e successiva cristallizzazione del materiale, lingotti cilindrici di silicio monocristallino, di solito drogati P mediante laggiunta di boro. Questi lingotti vengono quindi affettati in wafer di spessore di 0,25÷0,35 mm. Per fabbricare la cella, la fetta viene prima trattata con decapaggio chimico e poi si realizza la giunzione PN: il drogaggio avviene per diffusione controllata del fosforo ad alta temperatura, con una profondità di giunzione di 0,3 –0,4 m. Infine segue la realizzazione della griglia metallica frontale di raccolta delle cariche elettriche e del contatto elettrico posteriore per elettrodeposizione o per serigrafia e lapplicazione, sulla superficie della cella esposta al sole, di un sottile strato antiriflesso, per esempio TiO 2. In questi ultimi anni la produzione del silicio policristallino è aumentata considerevolmente grazie ai costi più contenuti rispetto al silicio monocristallino, anche se lefficienza di conversione è più bassa (12- 14%) rispetto a questultimo (15-17%). Torna allindice

15 I COMPONENTI DEL GENERATORE FOTOVOLTAICO: M ODULI, P ANNELLI, S TRINGHE Una singola cellula fotovoltaica fornisce valori molto bassi di tensione e di corrente, sicuramente insufficienti ad alimentare la maggiorparte degli apparecchi utilizzatori, inoltre è fragile, non isolata e priva di supporto meccanico. Per eliminare questi inconvenienti esse vengono assemblate in strutture robuste e maneggevoli, in grado di garantire il funzionamento per molti anni, I MODULI FOTOVOLTAICI. Quelli attualmente più diffusi in commercio hanno una superficie di circa 0,5 m 2 e contengono 36 celle fotovoltaiche collegate elettricamente in serie, producendo una tensione di lavoro di circa 17 Volt e una potenza compresa tra i 50 e 80 Wp (watt di picco) (vedi glossario), con un rendimento complessivo del 10-13% (inferiore a quello di una singola cella soprattutto perché non tutta la superficie del modulo può essere ricoperta dalle celle).(Fig.11)vedi glossarioFig.11 Gruppi di moduli fotovoltaici montati su una stessa struttura di sostegno costituiscono un PANNELLO. Tale struttura deve essere orientata lungo lasse Est-Ovest e, per gli impianti di medie-grandi dimensioni, ove venga previsto, deve poter variare periodicamente linclinazione per permettere lottimale captazione della radiazione solare. Un insieme di pannelli, collegati elettricamente in serie in modo da fornire la tensione richiesta, costituisce una STRINGA. Più stringhe, collegate generalmente in parallelo per fornire la potenza richiesta, costituiscono il GENERATORE FOTOVOLTAICO O CAMPO FOTOVOLTAICO (Fig 12). I suoi principali parametri elettrici sono la potenza nominale P N, che è la potenza erogata dal generatore in condizioni nominali standard (irraggiamento di 1000 W/ m 2, e temperatura dei moduli di 25°C) e la tensione nominale V N, tensione alla quale viene erogata la potenza nominale.Fig 12 Torna allindice

16 LIMPIANTO FOTOVOLTAICO Un impianto fotovoltaico è costituito da un insieme di componenti meccanici elettrici ed elettronici che captano lenergia solare, la trasformano in energia elettrica, sino a renderla disponibile allutilizzazione da parte dellutenza. Gli impianti fotovoltaici possono essere isolati (stand-alone), nei quali lenergia prodotta alimenta direttamente un carico elettrico e, per la parte in eccedenza viene generalmente accumulata in apposite batterie di accumulatori, dai quali può essere prelevata nelle ore in cui manca linsolazione.(Fig.13)Fig.13 Connessi ad una rete elettrica (grid-connected), nei quali lenergia viene convertita in corrente elettrica alternata per alimentare il carico elettrico e, se in eccesso, immessa nella rete, con la quale lavora in regime di interscambio (fig. 14).fig. 14 Limpianto fotovoltaico è quindi costituito, a seconda delle sue caratteristiche, da uno o più dei seguenti componenti: un generatore fotovoltaico, le cui caratteristiche sono state illustrate nella pagina precedente. un sistema di controllo e condizionamento della potenza, che assicura un valore costante alla tensione di uscita. Esso è composto dai seguenti dispositivi: regolatore di carica delle batterie, che serve a preservare gli accumulatori da un eccesso di carica ad opera del generatore fotovoltaico o da un eccesso di scarica dovuto allutilizzatore. Dispositivo di inseguimento del punto di massima potenza (o convertitore CC/CC), usato negli impianti di grande potenza, costituito da un trasformatore corrente continua/corrente continua, che consente di avere il massimo dellenergia utilizzabile, in funzione delle condizioni di funzionamento e delle caratteristiche degli utilizzatori. Inverter, o convertitore CC /CA. E un invertitore di corrente da continua in alternata ed è usato quando lutilizzatore funziona in corrente alternata o quando il generatore fotovoltaico è collegato alla rete. un sistema di accumulo (per gli impianti isolati) Torna allindice Torna allindice

17 TABELLA 1 Alcuni valori della lacuna energetica per i cristalli aventi la struttura del silicio: C (diamante) 5,2 ev Si 1,09 ev Ge 0,6 ev Sn (grigio) 0,08 ev

18 ENERGIE DI IONIZZAZIONE DI SOLUTI NEL SILICIO E NEL GERMANIO Tabella 2

19 Fig.1

20 Fig.2

21 Fig. 5

22 Fig. 6 PN Torna alla pagina doping dei semiconduttori

23 Fig. 8

24

25 Valori di insolazione giornaliera media annua sul piano inclinato di 30° sullorizzontale e rivolto a Sud (kWh/m 2 /giorno). Fig. 10

26 Fig. 11 ALCUNI MODULI FOTOVOLTAICI

27 Fig. 12 COMPONENTI DEL GENERATORE FOTOVOLTAICO

28 Fig. 13 SCHEMA A BLOCCHI DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO STAND-ALONE

29 Fig. 14 Schema di un impianto fotovoltaico collegato alla rete LIMPIANTO FOTOVOLTAICO di distribuzione di energia elettricarete LIMPIANTO FOTOVOLTAICO


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