FONDAMENTI DI SISTEMI FOTOVOLTAICI Sistemi e Impianti Fotovoltaici Le celle e i moduli fotovoltaici Principi chimico-fisici Le tecnologie (Si, GaAs,CdTe, ecc.) I limiti Processi e costi Esempi di applicazioni

La potenzialità dell’ energia solare Radiazione solare ≈ 90 000 000 Mtep/a Consumo mondiale ≈ 10 000 Mtep/a 1250 kWh/metro quadro all’anno 1000 kWh/mq al Nord Italia, 1500 al Sud Italia La potenzialità dell’ energia solare è, per ora, 10.000 volte il consumo mondiale di energia Ma non illudiamoci !!!

Solare Fotovoltaico

Copertura in Silicio amorfo da 100mq Produzione media annuale 15MWh Tetto tradizionale con moduli in Silicio micromorfo (0,38 m2; h =13%)

Dettaglio della facciata con moduli semi trasparenti in a-Si:H/a-Si:H/Ge (42 Wp/m2) Facciata Fotovoltaica (6,5 kWp) del Ministero dell’Ambiente della Baviera (1993)

Sistemi ad inseguimento solare: ad uno o due assi. Miglioramenti: Con un solo asse E-W inclinato 28% Con due assi 34%

Modulo a concentrazione a inseguimento solare Celle multigiunzione al GaAs, Rendimento celle: 40% Superficie 8,4 m2 Rendimento del modulo: 17,9 %Wp/m2 Costo previsto= 1,52 [€/Wp]

La cella al silicio: modello, principi di funzionamento, prestazioni e rendimento Le tecnologie Le celle multigiunzione Il rendimento delle celle multigiunzione

La cella monogiunzione: un modello elementare Potenza entrante: energia solare Potenza uscente: energia elettrica Potenza dissipata: energia termica ed irradiata I simboli strutturale elettrico

La caratteristica corrente-tensione (I-V) della cella fotovoltaica a) Rilevazione al variare dell’illuminazione a 25oC; b) Punto di massima potenza PM=IM.VM (MPP: Maximum Power Point) a) b)

I Isc Im Potenza massima Pm= Im.Vm= FF.Isc.Voc 0 Vm Voc V Caratteristica I-V schematizzata FF: Fattore di riempimento ( Fill Factor )

f(E) 0,5 Ev EFp EF EFn Ec E P I N

EC EFn n EV Eg eYo EFp e(Yo –V) p eV I=Io (exp(eV/kT)-1] Semiconduttori drogati e isolati Giunzione np non illuminata Giunzione illuminata ed erogante la corrente I

l Eg=h/l

Voc per cella ideale

I meccanismi di ricombinazione di volume “bulk” Radiativa Auger Prodotta da difetti (intrinseca) (estrinseca) (estrinseca) I meccanismi di ricombinazione di volume “bulk”

Cella c-Si con contatti posteriori Silicio cristallino GaAlAs

Telloluro di cadmio CdTe CIGS Silicio amorfo

Cella elettrolitica Cella solare “Dye Cell” polimerica Struttura giunzione Livelli “energetici”

Cella multigiunzione 2Eg1 = Eg Tandem a-Si/Ge, mm-Si,… Tandem Tandem Parallele 2 giunz. 3. giunz. 3 giunz. Cella multispettrale 2Eg1 = Eg

Esempi: Celle monogiunzione Cella CdTe Eg=1,5 DI=2 da cui P=3 Cella ideale (GaAs) Eg=1 DI = 4 da cui P=4 Cella al Silicio Eg=1,1 DI = 3,2 da cui P=3,5 Celle multigiunzione Cella amorfa tripla giunzione con Egi= 1,8/1,6/1,4 cui corrispondono DIi=1,4/0,5/0,3 Si ha P=SEgi.DIi= 3,74 Cella micromorfa con Egi=1,75/1,1 cui corrispondono DIi=1,5/1,7 Si ha P=SEgi.DIi= 4,49

Tipologia Radiazione Concentrata h % Radiazione senza concentrazione h % Eg delle giunzioni Esempi di tecnologie Materiali, h%, Eg delle giunzioni Note 1 giunzione 40,8 31 1,31 c-Si monocrist., 24,7 2 giunzioni 55,7 42,5 1,70/0,97 a-Si:H/mc-Si:H, 14,7 1,75/1,1 3 giunzioni 63,2 48,6 1,95/1,30/0,82 a-Si:H/a-SiGe, 13,5; 1,8/1,6/1,4 4 giunzioni 67,9 52,5 2,14/1,53/1,10/0,72 Non dato Infinite giunzioni 86,8 68,2 Teorico! Assorbitore a corpo nero (Müser) 85 53,6 Convertitore ideale Tc =2544oC Irradiaz. bidirez. Convertitore non reciproco 90 70 Irradiaz. bidirezionale Un solo circolatore Tc = Ta (Landesberg) 93,3 73,7 Assorbimento ed irradiaz. Bidirez corpo nero Tc = Ta Carnot 95 95 Rendimento limite termodinamico

Evoluzione delle tecnologie fotovoltaiche 1- Silicio cristallino 2- Film sottile 3- Il futuro?! 3 Cu [€/m2)

UNISOLAR 3mx0,4m circa 0,5KWp rendimento 7-10%

Stato di avanzamento del progetto ARENDI (Gruppo Marcegaglia) Apr, ‘07 Avvio progettazione esecutiva Apr. ‘08 consegna primi impianti ed avvio set-up Ott. ‘08 consegna impianti, Dic. avvio prove produzione Primo semestre ’09 inizio produzione

Substrato acciaio inox Contatto opaco Cella multigiunzione Contatto trasparente Substrato acciaio inox Struttura integrata delle celle nel modulo Viste schematiche dall’alto e laterale dell’impianto Unisolar per moduli a-Si in film sottile

Schema dell’impianto Oerlikon Solar CS: Stazionamento Cassette EH: Stazione di maneggiamento esterno LL: camere di caricamento e chiusura TC: camera di trasferimento PC: camere di trattamento Processo a lotti Oerlikon Solar Dimensioni moduli: max 1100x1250 mm Capacità produttiva: 20 MW/a

dei costi del kWh per l’ energia fotovoltaica Scenari di evoluzione dei costi del kWh per l’ energia fotovoltaica c€/kWh 50 40 30 20 10 OC=olio combustibile UD=utenze domestiche PV ammort.+ int. 3 % PV solo ammort. UD + int.3% /anno OC + int.10%/anno OC + int.5%/anno 2000 2007 2010 2020 2030

Generazione distribuita con riserva per black-out Produzione fotovoltaica in rete Rendimento globale 10% 25 m2 di tetto/1 MWh.anno PV PV = ~ = ~ Utenza Residenz. Utenza Residenz. Rete locale AC Gruppo di continuità Contatore d’Impianto Rete pubblica Generazione distribuita con riserva per black-out

Le 6E dello sviluppo sostenibile ecologia energia economia Sviluppo Sostenibile educazione estetica etica Le 6E dello sviluppo sostenibile