I SISTEMI FOTOVOLTAICI 1 LA RADIAZIONE SOLARE • Strumenti per la progettazione PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO • L’effetto fotovoltaico • Celle e moduli • Il generatore fotovoltaico • Il BOS APPLICAZIONI • Sistemi isolati • Sistemi connessi in rete 2 3

1 LA RADIAZIONE SOLARE Radiazione Solare  l’energia elettromagnetica emessa dai processi di fusione dell’idrogeno contenuto nel sole. Densità di Potenza  radiazione solare per unità di tempo e di superficie. • Fuori l’atmosfera terrestre la potenza incidente su di una superficie unitaria, perpendicolare ai raggi solari, assume un valore di circa 1360W/m² (variabilità del ±3% dovuta all’ellitticità dell’orbita terrestre), questo valore prende il nome di Costante Solare • Sulla superficie terrestre, a livello del mare, in condizioni meteorologiche ottimali e sole a mezzogiorno, la densità di potenza è di circa 1000W/m²

1 LA RADIAZIONE SOLARE Per quantificare la diversa entità della radiazione, in funzione della posizione del sole, si fa spesso riferimento al concetto di: Air Mass ‘AM’  Rapporto tra la lunghezza del percorso effettivo dei raggi solari e la lunghezza del loro percorso più breve  AM = 1 / sin(h) dove h è l’angolo di zenit; Air Mass One ‘AM1’  condizione di AM in condizioni di atmosfera standard, valutato sulla superficie terrestre e misurato al livello del mare; Air Mass Zero ‘AM0’  condizione di AM fuori l’atmosfera.

RADIAZIONE EXTRA ATMOSFERICA - [W/m2] 1. LA RADIAZIONE SOLARE Costante solare  1360 W/m2 Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic 1300 1320 1340 1360 1380 1400 RADIAZIONE EXTRA ATMOSFERICA - [W/m2]

1. LA RADIAZIONE SOLARE Air Mass  AM = 1/sin(h) Angolo di zenit

Spettro della radiazione solare

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

1. LA RADIAZIONE SOLARE Confronto fra la radiazione solare giornaliera media incidente su superfici con differenti angoli di inclinazione  ed orientate a Sud (azimut ). Località con latitudine  Nord e cielo sereno [MJ/m2/giorno] Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic Verticale   60° Orizzontale   30° 5 10 15 20

1. LA RADIAZIONE SOLARE Andamento della radiazione solare giornaliera media annua al variare dell’inclinazione della superficie captante, orientata a Sud. Località con latitudine 43,68° Nord 3800 3900 4000 4100 4200 4300 10 20 30 40 50 [gradi] [Wh/m2] max

Profilo dei percorsi solari e della linea d’orizzonte 1. LA RADIAZIONE SOLARE Profilo dei percorsi solari e della linea d’orizzonte

Dati della Radiazione Solare La radiazione solare su una superficie inclinata può essere determinata mediante: • Mappe isoradiative (generalmente non permettono di distinguere le componenti della radiazione diretta e diffusa) pubblicate da vari organismi • Valori tabellati per ciascuna località (Servizio Meteorologico Nazionale) • Metodi di calcolo sperimentali (Norme UNI 10349 – UNI 8477, metodo di Liu e Jordan, ecc.)

Angoli di inclinaz.  e di orientaz.  di una superficie 1. LA RADIAZIONE SOLARE Angoli di inclinaz.  e di orientaz.  di una superficie Sud  

1. LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dell’irraggiamento su una superficie orizzontale (Norma UNI 10349) Noti, per le principali città, i valori della irradiazione giornaliera media mensile [MJ/m²], sul piano orizzontale, nelle componenti diretta e diffusa  si risale al valore dell’irradiazione per un generico sito: • Si identificano due località di riferimento • Si calcola il valore dell’irradiazione come media ponderale dei valori delle due località di riferimento pesate rispetto alla latitudine, secondo la relazione: Irradiazione e latitudine rispettivamente di calcolo e delle località di riferimento con:

1. LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dell’irraggiamento su una superficie comunque inclinata ed orientata (UNI 8477) (2) Definita una superficie con una sua inclinazione  ed orientazione , l’irraggiamento giornaliero medio H, su base mensile, viene espresso in rapporto R al valore corrispondente medio Hh sul piano orizzontale: Essendo Hh0 il valore medio mensile dell’irraggiamento solare orizzontale extratmosferico - valore tabellato con: Valore medio mensile del rapporto tra l’irraggiamento diretto sulla superficie e quello sull’orizzontale

1. LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dell’irraggiamento su una superficie comunque inclinata ed orientata (UNI 8477) Irraggiamento solare diffuso [MJ/m²] o [kWh/ m²] Irraggiamento solare globale orizzontale [MJ/m²] o [kWh/ m²] valore tabellato con: Frazione diffusa del soleggiamento Riflettanza dell’ambiente circostante  [0,04 - 0,75] (relativamente a strade sterrate e neve fresca con film di ghiaccio) – valore tabellato In mancanza di dati climatici diretti il rapporto Hd/Hh è calcolato facendo uso della correlazione con il coefficiente KT Indice di soleggiamento reale

1. LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dell’irraggiamento su una superficie comunque inclinata ed orientata (UNI 8477) - Calcolo di Rb Il coefficiente Rb si ricava a partire dai valori di Hb e Hbh che rappresentano rispettivamente il valore dell’irraggiamento solare diretto con e senza ostruzioni: Indice di soleggiamento reale con:

1. LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dell’irraggiamento su una superficie comunque inclinata ed orientata (UNI 8477) - Calcolo di Rb Declinazione media mensile – angolo che la retta tracciata dal centro della terra al sole forma con il piano equatoriale – valori medi tabellati in funzione della latitudine Costante solare – radianza su una superficie extratmosferica perpendicolare ai raggi solari - pari a 1353 W/m2 con: Coefficienti T, U e V valutati sul piano orizzontale ( = 0)

1. LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dell’irraggiamento su una superficie comunque inclinata ed orientata (UNI 8477) - Calcolo di Rb Angolo orario (tiene conto della rotazione della terra attorno al proprio asse), il suo valore ( ) può essere ricavato dall’espressione ts dove ts, compresa tra 0 e 24, è l’ora legale; Angoli orari ’ e ’’ rispettivamente dell’apparire e dello scomparire del sole per la superficie esposta; essi dipendono dalla giacitura della superficie e da eventuali ostruzioni; con: Per un piano orizzontale, in assenza di ostruzioni, gli angoli orari ’ e ’’ coincidono rispettivamente con -s e s (angolo orario del sorgere e del tramonto astronomico).

1. LA RADIAZIONE SOLARE å ESEMPIO 1 Energia solare annua = Calcolo dell’energia solare annua, su base media mensile, captata da una superficie s=10m2 caratterizzata da: Inclinazione =50° Azimut =10° Assenza di fenomeni di ombreggiamento (’=-s e ’’=s) Riflettanza =0,20 Posta in una località priva di ombreggiamenti di Cassino (lat. =41°38’) å 12 1 Energia solare annua = (Irraggiamento medio mensile)· sup.

? ? 1. LA RADIAZIONE SOLARE ESEMPIO 1 Rapporto riportato nel Prospetto II della norma UNI 8477 in funzione dell’indice di soleggiamento  ? Valore unitario in quanto abbiamo ipotizzato l’assenza di fenomeni di ombreggiamento

1. LA RADIAZIONE SOLARE ESEMPIO 1 Calcolo dell’irraggiamento globale orizzontale giornaliero medio mensile [kWh/(m2· giorno)]: Dall’appendice B della UNI 8477 si evincono i valori di Hh relativi a diverse località italiane. E’ possibile valutare l’irraggiamento giornaliero medio mensile per la latitudine in esame (Cassino 41°38’) interpolando i valori di due stazioni meteorologiche prossime alla lat. 41°38’

1. LA RADIAZIONE SOLARE ESEMPIO 1 Calcolo dell’indice di soleggiamento reale KT: Calcolati, per ciascun mese, i valori dell’irraggiamento Hh giornaliero medio mensile e noti dal Prospetto I i valori medi mensili dell’irraggiamento solare orizzontale extr'atmosferico Hh0 per le latitudini 41° e 42°, si ottengono per interpolazione i valori di Hh0 [kWh/(m2· giorno)] per la latitudine 41°38’ Calcolato l’indice KT, dal Prospetto II si evince il valore di Hdmese/ Hhmese :

1. LA RADIAZIONE SOLARE ESEMPIO 1

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 1.15m.

2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Tuttavia al diminuire della lunghezza d’onda, ai fotoni risulta associata un energia sempre maggiore ed in eccesso rispetto a quella richiesta per liberare la coppia elettrone - lacuna La percentuale di energia solare che teoricamente possibile convertire in energia elettrica non supera il 44% La rimanente parte, pari al 56%, è trasformato in calore 1.15

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 Elettrica (I-V) in funzione della Temperatura V [V] 40°C 60°C 20°C 0°C -20°C -40°C 0.53 0.57 0.60 0.64 0.68 0.72 0.75 0.50 0.25 1.00 TENSIONE A VUOTO – V0 (I=0) CORRENTE DI CORTOCIRCUITO ICC (V=0) 0.20 0.00 I [A]

2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Caratteristica Elettrica (I-V) in funzione della Radiazione Solare I [A] V [V] 500 W/m2 600 W/m2 700 W/m2 800 W/m2 900 W/m2 1000 W/m2 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 Caratteristica I-V di un modulo commerciale da 50Wp a 40°

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 ÷350m (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 10m 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

2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Il Campo Fotovoltaico COMBINAZIONE DI SERIE E DI PARALLELI PARALLELI DI SERIE + + - -

2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Il Campo Fotovoltaico DIODO DI STRINGA + PARALLELI DI SERIE + - DIODO DI LATO -

2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO (Minima distanza tra le file w) / (Lunghezza dei pannelli L) w/L 60° 7 Latitudine 55° Sud 6 5  L w 50° 4 3 40° 2 20° 1 0° 10 20 30 40 50 60 70 80 90  [°]