fotovoltaico

Per esempio, in una zona caratterizzata da una radiazione media annuale di 4 kWh/(m2 × giorno) la massima produzione possibile (con un impianto di rendimento unitario) è di 4 × 365 = 1460 kWh/m2 all’anno, ossia un’energia di 1,46 GWh con un impianto di 1000 m2.

Il componente elementare di un generatore PV è la cella fotovoltaica (cella PV), in cui avviene la conversione della radiazione solare in corrente elettrica. La cella è costituita da una sottile fetta di materiale semiconduttore (generalmente silicio) che, drogato con elementi trivalenti e pentavalenti, costituisce una giunzione p-n, analoga a quella su cui si basa il funzionamento dei diodi e dei transistori.

Nella cella PV, la giunzione funziona da generatore in quanto l’energia luminosa che incide sulla cella sotto forma di fotoni fa aumentare il livello energetico degli elettroni, determinandone il passaggio dalla banda di valenza a quella di conduzione. Collegando la cella a un carico esterno si determina la circolazione di elettroni dalla zona n alla zona p esternamente alla cella, circolazione che viene mantenuta dalla d.d.p. interna alla giunzione. Poiché il verso convenzionale della corrente è quello delle cariche positive, la cella PV agisce, nei riguardi del circuito esterno, come un generatore elettrico che eroga corrente dallo strato p.

il punto di funzionamento in cortocircuito, avente coordinate V = 0 e I = Isc (corrente di cortocircuito); dato che per V = 0 è nulla anche la corrente Id, dalla si ricava Isc = Ipv; nel funzionamento in cortocircuito la cella eroga la massima corrente;il valore di Isc è di (3,5 ÷ 4) A; il punto di funzionamento a vuoto, avente coordinate I = 0 e V = Voc (tensione a vuoto); il valore di Voc è di circa 20 V. Il punto di lavoro della cella, a cui corrispondono gli effettivi valori di funzionamentodi tensione e corrente, è dato dall’intersezione della caratteristica volt-amperometrica della cella con la caratteristica V = Ru I del carico collegato, supposto passivo. Nelle condizioni di funzionamento standard una cella PV fornisce una corrente di circa 3 A, con un tensione di 0,5 V.

Sul lato superiore del pannello, esposto alla luce, è posta una lamina di protezione trasparente, costituita solitamente da vetro temprato. Tra il vetro e le celle viene montato uno strato di incapsulamento che ne evita il contatto diretto, elimina gli interstizi dovuti alle imperfezioni superficiali delle celle e le isola elettricamente dal resto del pannello. Come materiale si impiega spesso il vinilacetato di etilene (EVA). Sul lato inferiore delle celle viene montato un substrato di supporto posteriore in vetro, metallo o plastica. Tutto il complesso viene fissato in una cornice metallica (telaio), solitamente in alluminio

Per realizzare un generatore fotovoltaico vengono connesse tra loro più celle PV, in modo da ottenere i valori di tensione e di corrente voluti. Collegando più celle in serie si aumenta la tensione, mentre il collegamento in parallelo fa aumentare la corrente erogata al carico. Come mostrato nella figura, un insieme di celle costituisce un modulo fotovoltaico; i moduli più diffusi sono costituiti da 36 celle disposte su quattro file parallele collegate in serie, con una superficie che varia da 0,5 a 1 m2.

I moduli fotovoltaici generano una corrente di 4-10A ad una tensione di 30-40V. Per ottenere la potenza elettrica progettuale di picco, i moduli vengono collegati elettricamente in serie formando le stringhe, le quali a loro volta vengono poste in parallelo. La tendenza e di creare stringhe costituite dal maggior numero di moduli possibile, data la complessita ed il costo di cablaggio, specie dei quadri di parallelo fra le stringhe stesse. Il numero massimo di moduli che possono essere collegati in serie (e quindi la tensione massima raggiungibile) per costituire una stringa e determinato dal range di operativita’ dell’inverter e dalla disponibilita’ di apparecchi di sezionamento e protezione idonei all’utilizzo alla tensione raggiunta. In particolare, la tensione dell’inverter e legata, per ragioni di efficienza, alla sua potenza: usualmente utilizzando inverter con potenza inferiore a 10 kW, il range di tensione piu comunemente impiegato e tra 250V e 750V, mentre con potenza dell’inverter superiore a 10 kW, il range di tensione usuale e tra 500V e 900V.

A livello dei moduli vengono inseriti dei diodi di by-pass (figura D) per impedire che l’eventuale ombreggiamento di una o più celle possa compromettere la produzione di una intera stringa in serie. Una cella al buio si comporta come un diodo polarizzato inversamente, che blocca il passaggio della corrente; la presenza del diodo di by-pass, che pone in cortocircuito le celle sulle quali è in parallelo, consente la circolazione della corrente negli altri elementi della serie.

Tipi di pannelli pannelli in silicio monocristallino, in cui le celle sono formate da silicio a cristallo singolo; sono caratterizzati da una buona efficienza (14% ÷ 17%) e da una elevata durata (alcuni costruttori garantiscono il pannello per 20 anni, con una perdita di efficienza massima del 10% rispetto al valore nominale);

• pannelli in silicio policristallino, in cui i cristalli che compongono le celle si aggregano tra loro con forme e orientamenti diversi; la durata e il mantenimento nel tempo delle prestazioni sono paragonabili a quelli dei pannelli monocristallini, ma hanno minore efficienza (12% ÷ 14%) e, di conseguenza, costi inferiori;

pannelli in film sottile, in cui le celle sono composte da materiale semiconduttore gassificato e spruzzato su supporti come vetro, polimeri o alluminio, che danno consistenza fisica alla miscela di gas; alcuni materiali utilizzati sono il silicio amorfo, il CdTeS (telluluro di cadmio- solfuro di cadmio) e il GaAs (arseniuro di gallio); con questa tecnologia vi è un notevole risparmio di materiale semiconduttore ed è possibile avere pannelli molto più sottili e leggeri di quelli al silicio e anche, utilizzando supporti flessibili, adattabili alla forma della struttura di fissaggio; i pannelli GaAs hanno maggiore efficienza di quelli al silicio cristallino (25% ÷ 30%), ma costi notevolmente maggiori; vi sono, inoltre, problemi ambientali per i pannelli contenenti cadmio.

inverter

Per avvicinarsi il piu possibile ad un’onda sinusoidale si utilizza la tecnica piu sofisticata a modulazione della larghezza d’impulso (PWM: Pulse Width Modulation) che consente di ottenere una regolazione sia sulla frequenza che sul valore efficace della forma d’onda in uscita.

L’irraggiamento solare su un pannello fotovoltaico ha carattere fortemente variabile, essendo dipendente dalla posizione del sole rispetto al pannello stesso. Per di più puo’ divenire estremamente variabile, essendo influenzato dalla presenza-assenza del sole quindi da nubi o da ombre. Una cella di un pannello fotovoltaico esibisce, per vari valori dell’irraggiamento solare, e per vari valori della temperatura, una famiglia di curve caratteristiche del tipo in figura qui sotto. In particolare nella figura si vedono tre curve, in grassetto corrispondenti a tre valori (1000, 800, 600 W/m2) della potenza radiante del sole. Sempre con riferimento alla figura precedente, il prodotto V*I è rappresentato per i tre valori dell’irraggiamento solare di cui sopra, tramite le tre curve a tratto più sottile. Come si vede, in accordo con quanto detto prima, tali curve esibiscono un massimo. Ad es. per 1000W/m2, il punto di massima potenza corrisponde ad un valore di tensione pari a circa 36V e corrente di circa 5,5A.

A tal fine viene utilizzato nell’inverter un chopper controllato denominato inseguitore del punto di massima potenza (MPPT: Maximum Power Point Tracking) che individua istante per istante la coppia di valori tensione-corrente del generatore per la quale la potenza fornita e massima. E QUINDI VARIARE TENSIONE E CORRENTE DI RICARICA DELLE BATTERIE IN MODO CHE LA POTENZA SIA MASSIMA

Per effetto delle caratteristiche delle performance richieste, gli inverter per impianti in isola e per impianti collegati alla rete di distribuzione devono avere caratteristiche differenti: • negli impianti funzionanti in isola, gli inverter devono essere in grado di fornire una tensione lato c.a. il piu possibile costante al variare della produzione del generatore e della richiesta del carico; • negli impianti connessi alla rete, gli inverter devono riprodurre, il piu fedelmente possibile, la tensione di rete, cercando nel contempo di ottimizzare e massimizzare la produzione energetica dei moduli fotovoltaici.

Il vantaggio principale di questa soluzione è la sua economicità, però assicura una minore continuità di servizio, dato che il guasto dell’unico inverter comporta l’arresto della produzione dell’intero impianto. Inoltre, all’aumentare dell’estensione e della potenza di picco dell’impianto, possono esserci problemi derivanti dal guasto o all’ombreggiamento di una o più stringhe o di una parte di esse, in quanto la regolazione dell’inverter tramite il sistema MPPT viene effettuata tenendo conto dei parametri medi delle stringhe collegate all’inverter stesso.

Per installazioni di medie dimensioni viene pertanto usato l’impianto con un inverter per stringa di figura . Ogni stringa è collegata a un proprio inverter monofase che, nel caso di tre inverter, fornisce una fase del sistema di alimentazione, mentre il neutro si ottiene dai terminali collegati tra loro. I vantaggi di questa soluzione sono la maggiore continuità di servizio e la maggiore flessibilità, dato che ogni inverter può essere regolato secondo i parametri della propria stringa e possono essere usati moduli aventi caratteristiche differenti per le varie stringhe.

i valori di maggior interesse per il dimensionamento sono: la tensione minima (VMIN MPPT), la tensione massima (VMAX MPPT) ottenute ipotizzando delle temperature min e max e cefficienti di temperatura dati dal costruttore, la tensione massima ammissibile (VMAX) e la corrente massima di ingresso.

dispositivo generale (DG) che corrisponde all’interruttore generale dell’impianto utilizzatore; viene utilizzato, in genere, un interruttore automatico avente anche funzione di sezionatore, corredato di sganciatore di massima corrente ed, eventualmente, differenziale se richiesto per la protezione contro i contatti indiretti dispositivo di interfaccia (DDI) che separa l’impianto PV dal resto dell’impianto utilizzatore quando interviene la protezione di interfaccia (PI), che comprende un relè di minima e massima frequenza istantaneo (81), un relè di minima tensione ritardato (27) e un relè di massima tensione istantaneo (59); dispositivo del generatore (DDG), uno per inverter, che assicura il sezionamento della parte di generatore PV a valle del dispositivo, in caso di guasto; vengono usati interruttori automatici o contattori con fusibili;