LA CONVERSIONE FOTOVOLTAICA DELL ’ENERGIA PRINCIPI DI INGEGNERIA ELETTRICA LS Professore : Francesco Negrini Anno accademico 2005 / 2006 LA CONVERSIONE FOTOVOLTAICA DELL ’ENERGIA

IL FOTOVOLTAICO 1839 Il francese Alexandre Edmond Bècquerel scopre l’effetto fotovoltaico durante alcuni esperimenti con le celle elettrolitiche, osservando il formarsi di una d.d.p. tra due elettrodi identici di platino, uno illuminato e l’altro al buio; la d.d.p. dipendeva dall’intensità e dal colore della luce. 1873 Willoughby Smith scopre la fotoconducibilità del selenio. 1876 Due scienziati britannici, Adams e Day, osservano il selenio convertire la luce del sole direttamente in elettricità, senza riscaldare un fluido e senza utilizzare parti mobili. 1914 Il rendimento delle celle al selenio si aggira intorno all’1%. Oggi in laboratorio le celle superano rendimenti del 30%. 1953 Gerard Pearson, fisico presso i laboratori della Bell, costruì involontariamente una cella solare al silicio, più efficiente di quella al selenio. 1954 Altri due scienziati della Bell, Chapin e Fuller, perfezionarono la scoperta di Pearson e realizzarono la prima cella in grado di convertire in elettricità sufficiente energia solare per alimentare dispositivi elettrici di uso quotidiano. La prima cella commerciale al silicio cristallino ha un rendimento del 6%.

LA CONVERSIONE FOTOVOLTAICA La conversione fotovoltaica dell’energia avviene all’interno delle celle fotovoltaiche, tipicamente realizzate in silicio. Il silicio ha 14 elettroni, di cui 4 di valenza, che presentano legami elettrostatici che possono essere spezzati se si trasmette una certa quantità di energia. L’elettrone passa così ad un livello energetico superiore ed è quindi libero di muoversi all’interno del semiconduttore. In questo passaggio viene lasciata una buca, che prende il nome di lacuna; questa verrà occupata da un altro elettrone, che si lascerà dietro una lacuna, e così via. Il flusso di elettroni è orientato da un campo elettrico creato nella cella per mezzo della sovrapposizione di due strati di silicio, in ognuno dei quali si introduce un particolare elemento chimico. Nello strato drogato con fosforo, elemento di valenza 5, si costituisce una carica negativa debolmente legata (regione N); nello strato drogato con boro, elemento di valenza tre, si costituisce una carica positiva in eccesso (regione P). Viene così a formarsi la giunzione p – n.

LA CONVERSIONE FOTOVOLTAICA Affacciando i due strati si attiva un flusso elettronico dalla zona N alla zona P. Il risultato è un campo elettrico interno al dispositivo che spinge gli elettroni verso la zona N e le buche verso la zona P. I fotoni della luce che dispongono di sufficiente energia possono strappare un elettrone da uno stato legato ed elevarlo ad uno stato libero nella banda di conduzione del materiale. La conversione da luce a energia elettrica effettuata dalla cella fotovoltaica avviene essenzialmente perché i portatori di carica liberi (l’elettrone libero nella banda di conduzione e la buca libera nella banda di valenza), generati dalla luce, sono spinti in direzioni opposte dal campo elettrico incorporato. Una volta attraversato il campo, gli elettroni liberi non tornano più indietro, perché il campo, agendo come un diodo, impedisce loro di invertire la marcia. Perciò, quando la luce incide sulla cella fv le cariche positive sono spinte in numero crescente verso la parte inferiore della cella e le cariche negative evrso quella superiore, o viceversa, a seconda del tipo di cella. Se il dispositivo è collegato ad un carico elettrico esterno si origina una corrente di conduzione che viene raccolta mediante contatti metallici.

LA RADIAZIONE SOLARE L’irraggiamento viene definito come la quantità di energia solare incidente su una superficie unitaria in un determinato intervallo di tempo, tipicamente un giorno (kWh/m2/giorno). L’irraggiamento è influenzato dalle condizioni climatiche locali (nuvolosità, foschia,ecc) e dipende dalla latitudine del luogo, cresce quanto più ci si avvicina all’equatore. In Italia l’irraggiamento medio annuale varia dai 3,6 kWh/m2/giorno della pianura padana ai 4,7 kWh/m2/giorno del centro Sud e ai 5,4 kWh/m2/giorno della Sicilia. Nel nostro Paese, quindi, le regioni ideali per lo sviluppo del fotovoltaico sono quelle meridionali ed insulari. La raccolta di circa 2000 kWh da ogni metro quadrato di superficie è l’equivalente energetico di 1,5 barili di petrolio.

I SISTEMI FOTOVOLTAICI L’unità di base di un sistema fotovoltaico è la cella. Più celle, di solito 36 disposte su 4 file parallele, collegate in serie costituiscono un modulo. Più moduli assemblati meccanicamente realizzano un pannello. Un insieme di pannelli collegati in serie, così da ottenere una maggiore tensione in uscita, costituisce una stringa. Infine un insieme di stringhe, collegate il più delle volte in parallelo, costituiscono il generatore fotovoltaico.

Una cella fotovoltaica esposta alla radiazione del sole si comporta come un generatore di corrente con una curva caratteristica tensione / corrente che dipende fondamentalmente dall’intensità della radiazione solare, dalla temperatura e dall’area della cella.

In condizioni di corto circuito la corrente generata è massima, mentre in condizioni di circuito aperto è massima la tensione; in entrambi i casi la potenza estraibile sarà nulla. Negli altri punti della caratteristica, all’aumentare della tensione aumenta la potenza, raggiungendo un massimo in Vm e diminuendo rapidamente in prossimità della Voc.

LA CELLA FOTOVOLTAICA L’efficienza di una cella fotovoltaica è valutata come rapporto tra la massima potenza elettrica prodotta e la potenza radiante incidente sulla superficie sensibile della cella. Convenzionalmente si fa riferimento ad una potenza incidente di 1000 W/m2 ed una temperatura di funzionamento di 25 °C. Le perdite sono dovute a: Riflessione di parte della radiazione incidente Mismatch tra energia del fotone assorbito ed energia di banda Ricombinazione Resistenze parassite

I SISTEMI FOTOVOLTAICI Le strutture che sorreggono i moduli possono essere di due tipi: Sistemi ad inclinazione fissa Sistemi ad inseguimento I primi sono costituiti da moduli assemblati su una struttura portante fissa in genere inclinata di un angolo pari alla latitudine del sito. Nei secondi il piano su cui giacciono i pannelli può ruotare attorno ad un solo asse o attorno a due assi realizzando così l’inseguimento totale del sole.

L’orientamento dei pannelli è fondamentale per la resa dell’impianto.

I SISTEMI FOTOVOLTAICI I sistemi fotovoltaici si distinguono anche in: Isolati Connessi alla rete I primi sono generalmente dotati di accumulo non essendo collegati alla rete elettrica ed essendo il campo fotovoltaico fornitore di energia soltanto nelle ore diurne. Il dispositivo che permette l’accumulo è la batteria. I requisiti principali sono: Elevata efficienza Elevata resistenza a forti escursioni termiche Durata di vita elevata in regime di frequenti cicli di carica/scarica Ridotta autoscarica Elevato rapporto capacità - volume Esercizio con ridotta manutenzione Costi minimi

Gli impianti collegati alla rete elettrica funzionano nel modo seguente: nelle ore in cui il generatore fotovoltaico non è in grado di produrre l’energia necessaria a coprire la domanda di elettricità, la rete fornisce l’energia richiesta. Viceversa, se il sistema fotovoltaico produce energia elettrica in più, il surplus può essere trasferito alla rete o accumulato. Questi sistemi, ovviamente, non hanno bisogno di batterie perché la distribuzione sopperisce alla fornitura di energia elettrica nei momenti di indisponibilità della radiazione solare.

I SISTEMI FOTOVOLTAICI All’interno di un sistema fotovoltaico troviamo un elemento fondamentale, ossia l’ inverter, il cui scopo è quello di trasformare la corrente da continua ad alternata. I tiristori sono accoppiati, i diodi SCR1 e SCR4 vengono accesi ed interdetti contemporaneamente e lo stesso avviene per i diodi SCR2 e SCR3. Lo stesso meccanismo vale per i trifase, attenzione che non devono mai essere in conduzione due tiristori connessi alla stessa fase rischio di corto circuito del generatore continuo.

Ciasun SCR rimane in conduzione per una certa frazione del periodo che caratterizza la tensione alternata in uscita. Tipiche sono le sequenze di accensione a 120° e a 180°. Variando la sequenza di accensione è possibile modulare l’ampiezza del segnale in uscita.

COSTI DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO ESEMPIO : impianto da 3 kWp Come evidenziato dalla figura sopra il costo maggiore è dovuto all’investimento in materiali e in particolar modo nei moduli (62%), segue , con una percentuale ben più bassa (13%), il costo per l’acquisto dell’inverter. Il costo “chiavi in mano” per un’installazione standard di un sistema di 1 kWp è pari a circa 7000 euro, con l’IVA al 10% esclusa. Il preventivo è tanto più preciso quanto più si hanno informazioni sul sito dove andrà localizzato l’impianto.

Tempo di ritorno non attualizzato dell’investimento : 11 ANNI costo 18900 euro + IVA (10%); vita utile dell’impianto 25 anni; localizzazione centro Italia (produzione media di 3600 kWh/annui); ricavi da incentivo 0,445 euro per kWh prodotto (fino al 20 esimo anno); risparmio sulla bolletta elettrica 0,180 euro per kWh prodotto; costi di manutenzione 190 euro / anno; costi di esercizio 30 euro / anno. Tempo di ritorno non attualizzato dell’investimento : 11 ANNI