Antonio Stella Relatore: Paolo Gambino Studio comparativo di tecnologie fotovoltaiche differenti in condizioni realistiche Antonio Stella Relatore: Paolo Gambino

INTRODUZIONE Progetto “Minilab EnergEticaMente” in collaborazione con ENFASI s.c.a.r.l studio delle prestazioni di un impianto fotovoltaico in condizioni di lavoro realistiche confronto tra diverse tecnologie fotovoltaiche. “Minilab Energeticamente” Tetto dell’Istituto di Fisica di Torino.

Linee guida e scopi dello studio CONDIZIONI “REALISTICHE” CONDIZIONI STANDARD Posizionamento esterno Laboratorio Irraggiamento naturale Irraggiamento artificiale Valori effettivi Valori nominali IN PARTICOLARE VOGLIAMO FARE LE PROVE SU IMPIANTO REALE, COLLEGATO A INVERTER-> NO MODULI SINGOLI Come variano le prestazioni in presenza di ombreggiamenti? Come cambia l’efficienza in funzione di un irraggiamento variabile? Confronto tra tecnologie

L’effetto fotovoltaico Materiale semiconduttore (silicio) Interazione di un fotone Elettrone di valenza in banda di conduzione Drogaggi n e p utilizza il fenomeno fisico dell'interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nei materiali semiconduttori. Normalmente l'atomo di silicio possiede 14 elettroni, quattro dei quali sono elettroni di valenza, che permettono i legami con gli altri atomi. Se l'energia fornita da un fotone è sufficiente, l'elettrone viene portato ad un livello energetico superiore (banda di conduzione), dove è libero di spostarsi, contribuendo così al flusso di elettricità. L’elettrone che passa alla banda di conduzione lascia dietro di sé una lacuna, che può essere riempita da un altro. Per sfruttare l’elettricità è necessario creare un moto coerente di elettroni (e di buche), ovvero una corrente, mediante un campo elettrico interno alla cella. Il campo si realizza con particolari trattamenti fisici e chimici, creando un eccesso di atomi caricati positivamente in una parte del semiconduttore, ed un eccesso di atomi caricati negativamente nell’altro. In pratica questa condizione si ottiene immettendo piccole quantità di atomi di boro (carichi positivamente) e di fosforo (carichi negativamente) nel reticolo di silicio, ovvero drogando il semiconduttore. Nello strato drogato con fosforo, che ha cinque elettroni esterni o di valenza contro i quattro del silicio, è presente una carica negativa debolmente legata, composta da un elettrone, detto “di valenza”, per ogni atomo di fosforo. Analogamente, nello strato drogato con boro, che ha tre elettroni esterni, si determina una carica positiva in eccesso, composta dalle lacune presenti negli atomi di boro quando si legano al silicio. Il primo strato, a carica negativa, si indica con N, l'altro, a carica positiva, con P, la zona di separazione è detta giunzione P-N. Affacciando i due strati si attiva un flusso elettronico dalla zona N alla zona P che, raggiunto il punto di equilibrio elettrostatico, determina un eccesso di carica positiva nella zona N, dovuto agli atomi di fosforo con un elettrone in meno, e un eccesso di carica negativa nella zona P, dovuto agli elettroni migrati dalla zona N. Il risultato è un campo elettrico interno al dispositivo che separa gli elettroni in eccesso generati dall’assorbimento della luce dalle rispettive buche, spingendoli in direzioni opposte (gli elettroni verso la zona N e le buche verso la zona P) in modo che un circuito esterno possa raccogliere la corrente così generata. Ci sono diverse tecnologie che si basano su questi stessi principi fisici, ma hanno molte differenze ogni fotone incidente con energia hv superiore al gap del semiconduttore, genera una coppia di portatori elettrone-lacuna. Non tutti i fotoni vengono convertiti! Creazione di un campo elettrico (giunzione n-p) Flusso di elettroni = corrente

Tecnologie fotovoltaiche SILICIO CRISTALLINO Monocristallino: unico cristallo cilindrico di silicio purissimo alta efficienza (16-17%), longevità alto costo di produzione, grande spreco di materiale, fragilità. Policristallino: silicio fuso, colato in uno stampo cubico, poi tagliato costi di produzione inferiori, minori sprechi, longevità efficienza inferiore (15%), fragilità. FILM SOTTILE Sottilissimo strato di materiale semiconduttore depositato per vaporizzazione su superficie metallica o plastica Micromorfo: Silicio amorfo + silicio microcristallino. Eff. 12-13% CIS: Giunzione tra CIS drogato-p e ZnO drogato-n. Eff. 11-12% meno materiale usato, costi di produzione inferiori, flessibilità efficienza minore, vita più breve, maggiori costi di installazione

Condizioni di laboratorio INTRODUZIONE Condizioni di laboratorio STC (Standard Testing Conditions) Irraggiamento 1000 W/mq T modulo = 25°C Vento = 0m/s Spettro solare = AM 1.5 AM=AirMass Quantifica la riduzione della potenza solare nell’attraversare l’atmosfera

Film sottile MICROMORFO INTRODUZIONE Il “Minilab” Silicio CRISTALLINO 4 moduli (1mono e 3poli) Pnom = 900 Wp Sup = 6,5 mq Eff.nom = 13,6% Film sottile CIS 5 modulii Pnom = 375 Wp Sup = 3,6 mq Eff.nom = 10,4% 8 moduli ( 4 e 4 in parallelo) Pnom = 960 Wp Sup = 11,44 mq Eff.nom = 8,4% Film sottile MICROMORFO

Studio della risposta dei moduli all’ombreggiamento Obbiettivi Studiare come variano le prestazioni di un singolo modulo (in termini di Isc e Voc) in funzione di un progressivo ombreggiamento della supeficie del pannello. In particolare studiare le differenze tra: ombre verticali (nette e diffuse) ombre orizzontali (nette e diffuse) Procedura sperimentale COMMENTI: Motivare-> discorso stringhe in un impianto reale -> 1 passo modulo singolo Obbiettivi: specificare che “singolo modulo” implica che non è attaccato all’inverter spiegare cosa si intende per “ombre nette” e “ombre diffuse” Misurazione di Isc e Voc nelle diverse “configurazioni” di ombreggiamento tramite multimetro digitale. Normalizzazione dei valori sperimentali ottenuti da ciascun modulo rispetto ai rispettivi valori nominali. Confronto dei valori normalizzati tra le diverse tecnologie.

I moduli Caratteristiche “costruttive” Studio della risposta dei moduli all’ombreggiamento I moduli Caratteristiche “costruttive” Cis + al centro – agli estremi Ho capito bene? Se volessi disegnare le frecce nei film sottile, devo farle in orizzontale? La corrente va in orizzontale? Le due metà sel CIS sono collegate in parallelo? Le tre “stringhe verticali” del cristallino sono collegate in serie? DOMANDA: io il pannello posso installarlo nel verso che voglio?? Silicio Cristallino Film sottile CIS Film sottile Micromorfo

Risultati sperimentali - ombre verticali Studio della risposta dei moduli all’ombreggiamento Risultati sperimentali - ombre verticali Silicio cristallino: Isc pressochè costante fino a 2/3 della sup. ombreggiata. Voc cala di circa il 20% con andamento quasi-lineare. Film sottile CIS: Isc crolla del 50% per una copertura del 25% e si azzera per una superficie ombrreggiata del 75%. Voc si mantiene quasi costante fino al 50% di ombra netta. Film sottile micromorfo: Isc crolla a 0A per ombreggiamento del 30%. Voc cala linearmente del 15-20% per ombre del 70%. BARRE D’ERRORE! Silicio cristallino -> Basta una sola stringa verticale per garantire il funzionamento del modulo. Si vede che le stringhe sono in serie!! CIS -> Questi risultati sono dovuti a come è costruito il modulo ( le due metà sono “autonome” ). Se copro ¼ del modulo (quindi ½ di una delle due metà) funziona solo più l’altra! Quando copro anche ½ della seconda metà il modulo non produce più corrente! (Gli effetti sono quelli di un collegamento in parallelo) Micromorfo -> Non avendo la separazione a metà, basta un’ombra di 1/3 per azzerare la Isc del modulo

Risultati sperimentali - ombre orizzontali Studio della risposta dei moduli all’ombreggiamento Risultati sperimentali - ombre orizzontali Silicio cristallino: ombra su 1/3 del modulo causa l’azzeramento della Isc. La Voc cala circa del 15% per 1/3, e del 25% per 2/3 di superficie ombreggiata. Film sottile CIS: Isc cala quasi linearmente con l’ombreggiamento. Voc si mantiene pressochè costante. Film sottile micromorfo: Isc diminuisce quasi linearmente con l’ombreggiamento Voc pressochè costante. BARRE D’ERRORE Silicio cristallino -> fare un’ombra orizzontale sul modulo significa interrompere il circuito in tutte tre le “stringhe verticali”. Basta una copertura di 1/3 per azzerare la Isc. Film sottile in generale -> le “striscioline” di film sottile sono a contatto sul lato lungo. Un’ombra orizzontale anche le incrocia tutte non interrompe il circuito.

Conclusioni In generale il calo prestazionale non è proporzionale Studio della risposta dei moduli all’ombreggiamento Conclusioni In generale i pannelli risentono delle ombre che “interrompono il circuito” Moduli in silicio cristallino Ombre ORIZZONTALI Caso estremo: - ombra netta: 1/3 della supeficie ombreggiata causa l’azzeramento della Isc e un calo del 10-15% della Voc. - ombra diffusa: basta1/3 della superficie ombreggiata per causare un crollo della Isc del 90%! Voc cala del 5% circa. Moduli a film sottile (in generale) Ombre VERTICALI Caso estremo: - ombra netta: basta 1/3 - 1/2 della superficie coperta per azzerare la Isc. - ombra diffusa: per quanto riguarda la Isc andamento analogo alle ombre nette ma valori leggermente superiori (del 5% -10%). COMMENTI: In caso di ombra orizzontale quindi i moduli i solicio cristallino sarebbe meglio montarli in orizzontale! In generale il calo prestazionale non è proporzionale alla superficie ombreggiata!

Studio dell’efficienza al variare dell’irraggiamento Obbiettivi Studiare il discostarsi dell’efficienza effettiva da quella nominale in condizioni di irraggiamento naturale variabile. Procedura sperimentale Misurazione dell’irraggiamento e delle Idc e Vdc prodotte da un’intera stringa di moduli. Calcolo della potenza prodotta dalla stringa e quindi dell’efficienza. Normalizzazione delle efficienze di ciascuna stringa rispetto al corrispondente valore nominale e conseguente confronto tra tecnologie.

Alto irraggiamento (700-1000W/mq) Studio dell’efficienza al variare dell’irraggiamento Alto irraggiamento (700-1000W/mq) Cielo terso, giornata ventilata. Ore12.00-14.00, T=26-30°C Cielo terso, giornata ventilata. Ore 13.00-14.00, T=25-30°C 29 aprile: alte prestazioni, anche sopra i valori nominali (moduli nuovi) 31 agosto: eff. <20% rispetto alla nominale. Alte temperature dei moduli. 25 novembre: c-Si e micromorfo stabili su un’eff <20% rispetto alla nominale. CIS migliora le prestazioni rispetto all’estate grazie alle basse temperature. COMMENTI (incerti): Il primo periodo è di “assestamento”. I pannelli subiscono un degrado prestazionale nei primi mesi di utilizzo, per poi stabilizzarsi su un’eff. inferiore di quella nominale di circa il 20%. Con tempo sereno le tre tecnologie hanno funzionamenti confrontabili. - Le prese dati (una primaverile, una estiva, una invernale) sono state fatte più o meno alla stessa ora -> i risultati ottenuti non differiscono molto -> le stagioni, in condizioni di tempo sereno, non sembrano influenzare le prestazioni delle 3 tecnologie. Cielo sereno. Ore 12.30-13.30, T=6-8°C

Medio irraggiamento (400-700W/mq) Studio dell’efficienza al variare dell’irraggiamento Medio irraggiamento (400-700W/mq) Leggera velatura. Ore11.30-12.00, T=25-28°C Velatura chiara uniforme. Ore 9.30-10.30, T=25°C 1 giugno: leggera velatura chiara. Buone prestazioni, i moduli non ne risentono. 28 giugno: presa dati mattutina, spettro solare spostato su rosso e infrarosso. Grande calo prestazionale per il micromorfo. 26 novembre: leggera copertura del cielo. INTRO?:per ottenere irraggiamenti più bassi possiamo o sfruttare giornate nuvolose o mattina e sera. Ci siamo accorti dopo che ci sono molti effetti combinati che possono sballare i nostri risultati. COMMENTI: - 1 giugno: la velatura che compare nel pomeriggio provoca un calo di efficienza nonostante l’irraggiamento aumento -> diminuzione della luce diretta, aumento di quella diffusa ( I CIS E I MICROMORFO NON DOVREBBERO FUNZIONARE MEGLIO DEL CRISTALLINO?????) - 28 giugno: lo spettro solare del mattino è spostato verso l’infrarosso. Lo strato di silicio amorfo che compone il micromorfo è sensibile al BLU. Possibile che questo determini il cattivo funzionamento dei micromorfo? - 26 novembre: DOMANDA -> Perché le efficienze sono così alte per tutte le tecnologie nonostante il cielo sia leggermente coperto e l’irraggiamento sia basso??Mi starebbe bene per i film sottile che dovrebbero comportarsi bene anche con luce diffusa, ma mi sarei aspettato un calo prestazionale dei moduli in silicio cristallino… Cielo leggermente coperto. Ore12.30-13.30, T=4-7°C

Basso irraggiamento (0-400 W/mq) Studio dell’efficienza al variare dell’irraggiamento Basso irraggiamento (0-400 W/mq) Cielo leggermente velato. Ore 18.30-19.00, T=30°C Cielo leggermente coperto. Ore 17.00-18.00, T=28-30°C 25 giugno: presa dati serale, spettro solare spostato verso il rosso. Il micromorfo ne risente molto. 2 luglio: presa dati serale 26nov: cielo nuvoloso. In condizioni di basso irraggiamento nella fascia centrale della giornata (spettro solare piccato sul blu), i moduli in c-Si hanno un crollo prestazionale. 2 luglio: presa dati nel tardo pomeriggio ma prima rispetto a quella del 25giugno. Confrontando i dati del 25 giugno con quelli del 2 luglio si può (forse) provare la maggior sensibilità del micromorfo al cambiamento dello spettro solare nell’arco di una giornata.  Il 2luglio la presa dati viene fatta nel tardo pomeriggio, il 25 in serata. Mentre l’eff del silicio cristallino e del CIS sono, in entrambe le prese dati, pressochè costanti (ripettivamente 60% e 40% di quella nominale), l’efficienza del micromorfo è un 40-50% di quella nominale verso le 5.30 di pomeriggio, mentre è il 10% a sera più avanzata! (C’è anche da dire, tra l’altro, che il 2luglio il cielo era più coperto del 25/6, il che può aver diminuito l’effetto dei raggi infrarossi.) Ne potrei dedurre quindi che il micromorfo patisce molto lo spettro solare centrato sull’infrarosso. E un discorso valido e verosimile? Cielo nuvoloso. Ore 14.00-15.30, T=4-7°C

Riassunto e conclusioni Studio dell’efficienza al variare dell’irraggiamento Riassunto e conclusioni Prestazioni più stabili nell’arco della giornata. Marcato calo prestazionale con cielo nuvoloso. Moduli in silicio cristallino Marcato calo prestazionale mattino e sera, con spettro solare sul rosso. Più stabili in presenza di cielo coperto (quindi luce diffusa) Moduli a film sottile micromorfo DA AGGIUNGERE: Non si è riscontrata dipendenza dalla stagione!! O lo dico e basta?? ALTRE CONCLUSIONI??? PERCHE LUCE DIFFUSA Più stabili in presenza di cielo coperto (quindi luce diffusa) Apprezzabile calo prestazionale con spettro solare spostato sul rosso. Moduli a film sottile CIS

Errori, dubbi e spunti per il futuro “Capitolo ombre” Proseguire nello studio degli effetti delle ombre sul funzionamento di un’intera stringa! (Necessario tenere conto del funzionamento dell’inverter). “Capitolo irraggiamento” Errore di valutazione iniziale: molte più variabili in gioco di quelle che si pensassero! Analizzare dipendenza da nuvolosità e spettro solare separatamente! Necessario maggiore background di conoscenze nel campo della fisica della materia e dell’optoelettronica.

RINGRAZIAMENTI Grazie a “Frenkie”, Paolino, Giacomo e Donato per il lavoro svolto insieme, per i consigli e per aver condiviso gioie e dolori (ma soprattutto buono e cattivo tempo) sul tetto di Fisica. Al prof Gambino per il “In fondo dagli errori si impara di più” quando nulla sembrava avere un senso. All’Ing. Luca Nespoli per la pazienza, la disponibilità e per i suoi “insegnamenti telefonici”. Al Dott. W. Ferrarese, al Dott. L. Visca e al prof. Balestra per il grande aiuto e per la costante disponibilità. A tutti quanti i compagni. E al “bastone della mia vecchiaia” che (quando non ha bastonato) mi ha sostenuto dall’inizio alla fine di questo lavoro.