1 LA 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
1 LA RADIAZIONE SOLARE L’intensità della radiazione solare incidente su una superficie al suolo è influenzata dall’angolo di inclinazione della radiazione stessa: più piccolo è l’angolo che i raggi del sole formano con una superficie orizzontale maggiore è lo spessore di atmosfera che essi devono attraversare
1 LA RADIAZIONE SOLARE Giugno Settembre / Marzo Dicembre Greenwich Latitudine Declinazione d Settembre / Marzo Longitudine Dicembre Equatore
Angoli di inclinaz. e di orientaz. di una superficie 1. LA RADIAZIONE SOLARE Angoli di inclinaz. e di orientaz. di una superficie Sud
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica La conversione diretta dell’energia solare in energia elettrica, utilizza il fenomeno fisico dell’interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nei materiali semiconduttori, denominato Effetto Fotovoltaico Caratteristiche elettriche di un semiconduttore
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica L’atomo 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. Il passaggio dalla banda di valenza a quella di conduzione avviene trasmettendo all’elettrone una opportuna quantità di energia. In tale passaggio l’elettrone 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.
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La conversione dell’energia solare in energia elettrica avviene sfruttando l’effetto 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 d’onda della radiazione, è in grado di liberare all’interno della giunzione P-N una coppia elettrone – lacuna. Utilizzando come semiconduttore il silicio, l’energia minima necessaria a liberare una coppia elettrone – lacuna corrisponde ad una lunghezza d’onda massima della radiazione luminosa di 1.15m.
2. 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 (Cu2S) • Celle a giunzione multipla (Tandem)
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO 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 all’interno, alcuni sono riflessi ed altri intercettati dall’elettrodo frontale (resistenza Rs) 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 dell’energia potenziale ceduta alla cella, risulta insufficiente per liberare la coppia elettrone–lacuna (diodo) IL ID IC RC RS
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Caratteristica Tensione – Corrente di una Cella Solare Punto di Massima Potenza I V Vm Im 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
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Caratteristica I-V di una Cella Solare ed andamento della Potenza I [A] P [W] Caratteristica I-V 1.00 Im 0.40 Punto di massima potenza Pm= Vm Im 0.75 0.30 0.50 0.20 0.25 Andamento della potenza P= V I 0.10 0.00 0.00 0.00 0.20 0.40 Vm 0.60 V [V]
2. 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 nell’industria elettronica (processi tecnologici di raffinazione, lavorazione e drogaggio ben affinati) • • • Possibilità di riciclare gli scarti dell’industria elettronica in quanto l’industria fotovoltaica tollera concentrazioni di impurità tipicamente di 10-5÷10-6 (contro i valori di 10-8 ÷ 10-9 relativi all’industria elettronica)
2. 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 ÷350m (spinto sfruttamento del lingotto contro un’estrema fragilità dei wafers) .
2. 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 dell’ordine di 10m 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) 9.0 6.0
2. 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 l’altro 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
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO I Sistemi Fotovoltaici Il sistema fotovoltaico è un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che concorrono a captare e trasformare l’energia solare disponibile, rendendola utilizzabile dall’utenza 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:
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO CAMPO FOTOVOLTAICO (MODULI) SISTEMA DI ORIENTAMENTO CONVOGLIAMENTO IN SERIE E PARALLELO TRA LE CONNESSIONI DEI MODULI BATTERIA REGOLAZIONE DI CARICA / SCARICA BATTERIA CONVERSIONE C.C./C.A. QUADRO ELETT. C.C. GENERATORE DI SOCCORSO QUADRO ELETTRICO DI DISTRIBUZIONE SERVIZI AUSILIARI INTERNI CARICO IN C.C. CARICO (RETE - UTENTI)
2. 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”
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO I Sistemi Fotovoltaici – Schemi a blocchi • Sistema di Pompaggio Azionamento a frequenza variabile CAMPO FOTOVOLTAICO INVERTER POMPA • • Utenza Isolata CAMPO FOTOVOLTAICO REGOLATORE DI CARICA INVERTER CARICO IN C.A. BATTERIA CARICO IN C.C.
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO I Sistemi Fotovoltaici – Schemi a blocchi • • • Sistema Ibrido Isolato (fotovoltaico – eolico – diesel) CAMPO FOTOVOLTAICO GENERATORE EOLICO REGOLATORE DI CARICA DIESEL INVERTER CARICO IN C.A. BATTERIA CARICO IN C.C.
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO I Sistemi Fotovoltaici – Schemi a blocchi • • • • Impianto Collegato alla Rete RETE CAMPO FOTOVOLTAICO QUADRO ELETTRICO DI INTERFACCIA INVERTER UTENZA
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Il Campo Fotovoltaico Il campo fotovoltaico è un insieme di moduli fotovoltaici opportunamente collegati in serie e in parallelo in per realizzare le condizioni operative desiderate MODULO CELLA MODULO PANNELLO
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Il Campo Fotovoltaico PANNELLO STRINGA
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Il Campo Fotovoltaico CAMPO STRINGA
2. 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