Tecnologie fotovoltaiche piane e a concentrazione

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Aldo Bevilacqua
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1 Vicenza, 26 settembre 2014 Tecnologie fotovoltaiche piane e a concentrazione Davide Del Col Università degli Studi di Padova Dipartimento di Ingegneria Industriale

2 Progetto regione Veneto SMUPR n Polo di ricerca nel settore Fotovoltaico Iniziato il 10 Febbraio, 2011 Progetto regione Veneto - SMUPR n Polo di ricerca nel settore Fotovoltaico POR CRO PARTE FESR Azione a regia Regionale

3 Workpackages WP1: Produzione di silicio multi-cristallino (F. Dughiero) WP2: Laser Processing (P. Villoresi) WP3: Fotovoltaico a concentrazione (S. Centro/D. Del Col) WP4: Sistemi di conversione per generatori fotovoltaici (G. Spiazzi) WP5: Tecnologia fotovoltaica organica e ibrida (M. Maggini) WP6: Caratterizzazione e affidabilità di celle solari (G. Meneghesso) WP7: Trasferimento tecnologico; relazioni esterne e diffusione dei risultati (G. Meneghesso)

Del Col) WP4: Sistemi di conversione per generatori fotovoltaici (G.

4 PV technology

5 Potenza FV cumulata Dati EPIA

6 Nuova potenza FV installata Dati EPIA

7 Scenario in Europa Dati EPIA

8 Andamento del costo di cella

9 Tecnologie FV

10 PV technology

11 PV technology

12 PV technology

13 Differenti approcci al FV

14 Tecnologie a film sottile

15 Tecnologie a film sottile silicio microcristallino ( -Si) silicio amorfo (a-si) telleriuro di cadmio (CdTe) diseleniuro di rame e indio (CIS / CIGS)

16 Celle micromorfe

17 Conversione di energia solare Fotovoltaico + termico (PVT)

18 Dispositivi PV/T presso DII - UNIPD

19 Perché fotovoltaico + termico?

20 Modello numerico del comportamento di sistemi PV/T

21 Modulo con piastra incollata e isolamento posteriore

22 Modulo con piastra roll-bond laminata

23 Modulo laminato Efficienza termica ed elettrica misurata

24 Producibilità elettrica annuale: Padova ENERGIA MENSILE [kwh/(m 2 mese)] Modulo con piastra incollata e isolato, inclinazione 34, orientato a sud MESI energia solare Database PVGIS Climate-SAF energia elettrica NOCT=50 C energia elettrica NOCT=60 C energia elettrica, raffreddamento Tw,in=20 C energia elettrica, raffreddamento Tw,in=40 C Gennaio 69,03 9,79 9,62 9,62 9,62 Febbraio 100,66 13,93 13,56 13,56 13,56 Marzo 149,97 20,04 19,40 20,84 19,40 Aprile 167,22 21,74 20,98 23,19 20,98 Maggio 194,19 24,32 23,39 26,85 23,94 Giugno 190,36 23,32 22,42 26,22 23,68 Luglio 210,55 25,26 24,16 29,01 26,34 Agosto 193,22 23,43 22,46 26,73 24,26 Settembre 161,79 20,42 19,67 22,56 20,10 Ottobre 115,89 15,27 14,86 16,11 14,86 Novembre 73,95 10,16 9,96 9,96 9,96 Dicembre 69,29 9,80 9,62 9,62 9,62 ENERGIA ANNUALE [kwh/(m 2 anno)] 1696,12 217,49 210,11 234,28 216,33 guadagno % con NOCT 50 C 7,72-0,54 guadagno % con NOCT 60 C 11,51 2,96

25 Producibilità termica annuale: Padova, t acqua,in = 40 C Da giugno ad agosto si ottengono circa 3 3,5 kwh/m 2 al giorno da un tradizionale collettore solare termico, considerando un efficienza media giornaliera del 50% Serve quindi una superficie pari a circa 3 5 volte quella dei collettori solari (circa 1 m 2 per persona per superficie opportunamente orientata) Con una superficie di m 2 (corrispondente a circa 2 kwp), a Padova, si copre il fabbisogno per l ACS da giugno ad agosto per 3 persone

26 Limiti del FV piano 1. Bassa efficienza di cella (generalmente < 20% con tecnologia al Si) 2. Grande area di semiconduttore 3. Limitate possibilità per aumenti di efficienza nel breve periodo 4. Dipendenza dalla temperatura: caduta di potenza ( %/K) 5. Basse prestazioni di moduli ibridi PVT

Benefici di CPV 1. Uso di celle ad alta efficienza (multi-junction): > 40% lab 2. Riduzione di area di semiconduttore 3. Minor diminuzione di potenza per effetto di temperatura: ~ 0.

27 Benefici di CPV 1. Uso di celle ad alta efficienza (multi-junction): > 40% lab 2. Riduzione di area di semiconduttore 3. Minor diminuzione di potenza per effetto di temperatura: ~ 0.04%/K 4. Possibilità di recupero di calore per utilizzo a bassa e media temperatura: dispositivi ibridi (CPVT) 5. Possibilità di installazione su tetti piani 6. Doppio uso del terreno

28 Esempio di utilizzo del territorio CPV Flat-plate PV

29 CFV - Fotovoltaico a concentrazione

30 Come funziona il CPV Components of the system: Optics (mirrors or lens) PV cell Receiver Cooling device Puntual or linear Sun tracker (1 or 2 axis motion)

31 Irradiance [ W/m 2 ] 1000 Solar energy conversion solar irradiance DNI Gh Dh DNI_cal Hour angle [ ] Padova, 1 min. data Clear sky summer day

AEI [%] Sistema ad inseguimento 35 Vertical-axis Parallel-axis Two-axes 30 25 20 15 10 5 0 Aumento di energia annua solare incidente per un

32 AEI [%] Sistema ad inseguimento 35 Vertical-axis Parallel-axis Two-axes Aumento di energia annua solare incidente per un sistema ad inseguimento a due assi, ad asse parallelo e ad asse verticale a differenti latitudini Berlin (52.5 N) Padova (45.4 N) Tunis (36.8 N)

33 Irradiation on a two-axes tracker Irradiation on a plane South-oriented tilted of latitude Radiazione solare : CPV vs. FV piano Flate-plate PV uses direct and diffuse radiation CPV uses direct radiation Padova K d = horiz. diffuse irradiation. / horiz global irradiation

34 Sistemi CPVT Concentrating photovoltaic-thermal

35 Applicazioni per sistemi CPVT The maximum operating temperature for a triple-junction cell is around 120 C

36 Generazione di potenza in una cella a giunzione singola (GaAs)

37 Generazione di potenza in una cella a tripla giunzione (GaInP/GaAs/Ge)

38 Effetto di temperatura e irraggiamento

39 Sistema CPVT presso DII-UniPD

Sistema CPVT presso DII-UniPD SOLAR IRRADIANCE (PYRHELIOMETER AND PYRANOMETERS) OPTICS Water outlet RECEIVER Water inlet CPVT MODULE: 3-J PV CELLS SECONDARY OPTICS

40 Sistema CPVT presso DII-UniPD SOLAR IRRADIANCE (PYRHELIOMETER AND PYRANOMETERS) OPTICS Water outlet RECEIVER Water inlet CPVT MODULE: 3-J PV CELLS SECONDARY OPTICS HEAT EXCHANGER Two-axes solar tracker Geometrical concentration ratio: 130 Projected height of mirrors: 2.86 m Length of the receiver: 2.4 m Length of each module: 1.2 m

41 Power [W] Temperature [ C] Power [W] Temperature [ C] Dati sperimentali Outlet water temperature: ~ 25 C Time [hour:minutes] Input power Outlet water temperature Heat flow rate Electric power Input power Outlet water temperature Heat flow rate Electric power Time [hour:minutes] Outlet water temperature: ~ 86 C

Efficiency [-] Dati sperimentali e simulazioni Model 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Electric Thermal Global 0-0.01 0 0.01 0.02 0.

42 Efficiency [-] Dati sperimentali e simulazioni Model Electric Thermal Global T * m = T T* m [K m 2 W -1 ] m,water -T AIR [K m DNI W -1 ] Reduced temperature difference

43 Thank you for your attention! Università degli Studi di Padova Dipartimento di Ingegneria Industriale

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