Energia solare e celle fotovoltaiche

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1 Capitolo 1 Energia solare e celle fotovoltaiche La conversione dell'energia presente come radiazione solare in energia elettrica può essere effettuata direttamente (senza passaggi intermedi) mediante una cella fotovoltaica. Essa è costituita da una sottile lamina di materiale semiconduttore, generalmente silicio, sulla quale tramite drogaggio viene ricavata una giunzione p-n. Il fenomeno fisico alla base della conversione da radiazione solare in energia elettrica è l effetto fotoelettrico; cioè la capacità delle radiazioni elettromagnetiche, con sufficiente energia, di estrarre elettroni dagli atomi di un materiale. La radiazione solare, costituita da fotoni di diversa energia (lunghezza d'onda), investendo la cella fotovoltaica cede parte dell'energia alla struttura atomica del materiale costituente la cella. Se l'energia associata al fotone è maggiore dell'energia di banda (ossia l'energia necessaria per estrarre un elettrone dall'orbita atomica esterna e portarlo nello stato di conduzione) nel materiale semiconduttore si genera una coppia elettrone-lacuna che, essendo svincolata dal legame atomico, è disponibile per la conduzione di elettricità. Affinché la coppia fotogenerata non subisca il fenomeno della ricombinazione e quindi possa partecipare effettivamente alla conduzione, essa deve essere soggetta ad un campo elettrico. Nelle celle solari tale campo elettrico è presente nella zona di svuotamento creata dalla giunzione p-n, quando la carica è fotogenerata all'interno di questa zona, il campo elettrico fa migrare in versi opposti gli elettroni e le lacune indirizzandoli rispettivamente verso la zona di tipo n e verso la zona di tipo p. Collegando le due zone della giunzione ad un circuito elettrico, la differenza di potenziale dovuta alla separazione di carica dà luogo alla circolazione di una corrente elettrica di intensità proporzionale al numero di coppie elettrone-lacuna fotogenerate, la corrente è quindi in prima approssimazione proporzionale alla quantità di luce incidente. 1.1 Tipi di celle ed efficienza La cella può utilizzare solo una parte dell'energia contenuta nella radiazione solare incidente. L'efficienza di conversione dipende dalle caratteristiche del materiale di cui è costituita la cella, per le celle commerciali in silicio è in genere compresa tra il 12% e il 17%, mentre realizzazioni speciali in laboratorio hanno raggiunto valori del 24%. L'efficienza di una cella è limitata da numerosi fattori, alcuni dei quali di tipo fisico cioè dovuti a fenomeni fotoelettrici e pertanto assolutamente inevitabili, mentre altri, di tipo tecnologico, derivano dal particolare processo adottato per la fabbricazione. Pagina 1 di 111

2 Le cause di inefficienza sono principalmente dovute al fatto che: - non tutti i fotoni posseggono energia sufficiente a generare una coppia elettrone lacuna. - l'eccesso di energia dei fotoni non genera corrente elettrica ma viene dissipata in calore all'interno della cella. - parte dei fotoni sono riflessi e quindi non penetrano all'interno della cella. - una parte della corrente non fluisce attraverso il carico ma si richiude all'interno della cella. - solo una parte dell'energia ceduta dal fotone viene convertita in energia elettrica. - una parte delle coppie elettrone-lacuna si ricombinano all'interno della cella. - la corrente erogata genera perdite di potenza per effetto Joule all'interno della cella Per fornire un ordine di grandezza delle succitate cause esse sono riportate nel grafico sottostante (fig. 1.1). Figura 1.1: Perdita energetica media cella fotovoltaica Figura 1.2: rendimento medio delle celle fotovoltaiche Come già detto in precedenza la materia prima che è comunemente utilizzata per la produzione delle celle fotovoltaiche è il silicio. Sulla base del processo produttivo, in particolare dal tipo di cristallizzazione, si possono individuare tre principali tipologie di cella: - celle al silicio monocristallino: sono prodotte con gli stessi monocristalli di silicio utilizzati nell'industria elettronica, il cui processo produttivo comporta costi molto elevati legati principalmente al grado di purezza raggiunto. Il vantaggio principale di queste celle è l'elevato rendimento (16%) anche se il dispendio di energia dovuto alla loro produzione è elevato e dà luogo ad un energy pay-back time 1 di circa tre anni. Questa tipologia può essere individuata visivamente in quanto le celle presentano una uniforme colorazione blu. - celle in silicio policristallino: sono prodotte principalmente riutilizzando il silicio di scarto dell'industria elettronica, in particolare la loro produzione avviene colando il silicio liquido in blocchi cilindrici e poi tagliandolo in sottili dischi. 1) energy pay-back time: tempo di funzionamento in condizioni di irraggiamento nominale necessario per rigenerare l energia spesa per costruire la cella Pagina 2 di 111

3 Pur presentando un minor rendimento (12%) rispetto alla tipologia precedente, sono le più diffuse avendo il maggior rapporto rendimento accettabile /prezzo. Le celle di questa tipologia sono riconoscibili visivamente in quanto presentano un disegno ben distinguibile dovuto all'unione dei vari cristalli che si formano durante il processo di solidificazione - celle in silicio amorfo: sono prodotte mediante deposizione catodica su un supporto trasparente di due sottili strati di atomi di silicio drogati rispettivamente in modo n e p. Questa tipologia di cella ha un rendimento minore delle precedenti (7%) ma si adatta bene anche in presenza di irraggiamento diffuso (cielo coperto). L'energia spesa per produrle è molto piccola, infatti, pur avendo un basso rendimento, il loro pay-back time è di circa 1.5 anni. Le celle che adottano questo processo costruttivo sono riconoscibili dalla loro colorazione scura (tendente al marrone), inoltre, essendo formante per deposizione possono essere realizzate di qualsiasi forma geometrica, integrandosi a pieno con le strutture architettoniche Caratteristiche e modello elettrico di una cella La cella fotovoltaica, quando non viene illuminata, ha un comportamento analogo a quello di un diodo al silicio. In queste condizioni la tensione e la corrente sono legate dalla tipica relazione esponenziale ottenuta risolvendo l'equazione della conservazione della carica di una giunzione p-n. Quando la cella viene illuminata, la giunzione diviene una sorgente di coppie elettronelacuna pertanto assume un comportamento analogo a quello di un diodo connesso in parallelo ad un generatore di corrente. Graficamente la caratteristica tensione-corrente di un cella illuminata risulta equivalente a quella di un diodo, traslata verticalmente verso il basso di una quantità pari alla corrente fotogenerata, proporzionale quindi, all'intensità luminosa. Il circuito equivalente di una cella è mostrato in figura 1.3. (a) (b) Figura 1.3: a) circuito equivalente cella fotovoltaica, b) caratteristica I-V della cella Pagina 3 di 111

4 Il circuito comprende, come già accennato, un generatore di corrente (I pk ), che tiene conto della corrente generata per effetto fotovoltaico; il diodo che descrive la ricombinazione interna alla cella. R s rappresenta la resistenza parassita della cella che comprende la resistenza dei due strati di silicio e la resistenza ohmica dei contatti metallici, mentre nella resistenza R p (resistenza di shunt) sono concentrate tutte le perdite dovute alle correnti di dispersione che si richiudono all'interno della cella. Matematicamente la corrente che eroga la cella solare al carico, può essere rappresentata con la seguente formula: q ( V + Rs I ) V + R N K T s I I = I pk Isat ( e 1) (1.1) R p dove q è la carica dell'elettrone, K è la costante di Boltzman, T è la temperatura della cella [ K], I sat è la corrente inversa di saturazione ed è una costante dipendente dal materiale costituente la cella e dalla temperatura. Tracciando la curva in base all'equazione 1.1 si ottiene la figura 1.4. Tale curva è sostanzialmente il quarto quadrante del grafico di figura 1.3 avendo cambiato segno alla corrente. Figura 1.4: curva corrente-tensione di una cella solare sottoposta ad irraggiamento La curva di figura individua tre punti significativi: - I sc relativo al valore di corrente fornita dalla cella posta in corto circuito. - V oc relativo al valore della tensione presente ai capi della cella a circuito aperto - MPP (Max Power Point) punto della caratteristica corrispondente al massimo trasferimento di potenza dalla cella al carico, individuato dai valori di tensione e corrente rispettivamente V mpp e I mpp. Pagina 4 di 111

5 1.2 L'impianto Fotovoltaico Gli impianti fotovoltaici sono sistemi in grado di captare e trasformare l'energia solare in energia elettrica con caratteristiche tali da poter essere utilizzata dall'utente. Fondamentalmente possono essere classificati in: - Impianti isolati (Stand-Alone): nei quali l'energia prodotta alimenta direttamente un carico elettrico e la parte in eccedenza, è, generalmente, accumulata in apposite batterie di accumulatori, che la rendono disponibile all'utenza nelle ore in cui manca l'adeguata insolazione. - Impianti connessi alla rete elettrica di distribuzione (Grid-Connected): l'energia viene convertita in corrente elettrica alternata (220V 50Hz in Europa) per alimentare il carico e/o immessa nella rete pubblica di distribuzione, con la quale l'utenza lavora in regime di interscambio La configurazione dell'impianto è essenzialmente determinata dall'uso finale dell'energia prodotta, esso è quindi costituito, oltre che dal generatore fotovoltaico e dal carico, dal dispositivo di inseguimento del punto di massima potenza MPPT (Maximun Power Point Tracker (generalmente implementato con convertitore CC/CC) e dal convertitore CC/CA (inverter) eventualmente tra i due convertitore può essere interposto un sistema di accumulo dell'energia in eccesso (fig. 1.5). Figura 1.5: l impianto fotovoltaico Ciascun blocco dell impianto (fig. 1.5) ha una sua specifica efficienza che condiziona la resa complessiva dell'intero sistema di conversione. Vengono di seguito analizzati in dettaglio i componenti principali della fig. 1.5 senza effettuare la distinzione tra sistemi isolati o connessi alla rete. In particolare il sistema connesso alla rete è oggetto di questo elaborato e quindi sarà ampiamente trattato nei prossimi capitoli. Pagina 5 di 111

6 1.2.1 Il generatore fotovoltaico La singola cella costituisce il componente elementare dell'impianto, ma, per essere in grado di fornire una potenza elettrica significativa, deve essere collegata in serie ad altre celle fino a formare il modulo fotovoltaico. Per aumentare ulteriormente la potenza vengono assemblati meccanicamente ed elettricamente più moduli, tale struttura è denominata pannello, ovvero una struttura rigida ancorabile al suolo o ad un edificio. Più pannelli collegati elettricamente in serie in modo tale da fornire la tensione richiesta, costituiscono una stringa fotovoltaica. Infine, il collegamento in parallelo di più stringhe, per fornire la potenza elettrica desiderata, costituisce il generatore fotovoltaico (o campo fotovoltaico) vedi figura riassuntiva (fig. 1.6). Figura 1.6: Il generatore fotovoltaico Un componente accessorio dei moduli e dei pannelli è rappresentato dalla struttura di sostegno, essa generalmente orientata verso Sud, sarà progettata in modo da rispondere ad esigenze di basso costo e lunga affidabilità. Nei sistemi di grandi dimensioni tale struttura dovrà permettere di variare periodicamente l'inclinazione dei pannelli fotovoltaici per poter ottenere il massimo rendimento in ogni stagione. Come le singole celle anche il generatore PV (PhotoVoltaico) presenta analoga caratteristica V-I per quanto riguarda l'andamento, mentre risultano diversi (dipendenti dal numero e dal collegamento delle varie celle) i valori di I sc e V oc. Supponendo di utilizzare moduli di uguali caratteristiche elettriche sottoposti alla stessa energia luminosa di irraggiamento [W/m 2 ], la tensione V oc di un campo fotovoltaico risulterà essere pari alla somma delle V oc dei singoli pannelli connessi in serie costituenti la stringa. Analoga considerazione può essere fatta per la I sc che però è pari alla somma delle I sc delle singole stringhe connesse in parallelo, a sua volta la I sc di una stringa è uguale alla I sc di ogni singolo pannello essendo essi connessi in serie. Pagina 6 di 111

7 1.2.2 Sistema di accumulo energetico In sistemi isolati, nel caso in cui la potenza richiesta dall'utente non segua l'intensità dell'insolazione, vale a dire che la quantità d energia prodotta non coincide temporalmente con la quantità di energia richiesta dall'utenza, la parte in eccesso deve essere quindi immagazzinata. Per far ciò si impiega un sistema di immagazzinamento energetico costituito da un banco di accumulatori ricaricabili, generalmente piomboacido (basso costo, buona affidabilità), dimensionato in modo tale da garantire una adeguata autonomia di funzionamento. A prescindere dal tipo di accumulatori utilizzati, questa soluzione rappresenta sempre un elemento critico del sistema poiché richiede un'accurata gestione e manutenzione (sostituzione periodica degli accumulatori) per evitare un decadimento delle prestazioni e dell'affidabilità. Inoltre, al fine di proteggere gli accumulatori da sovraccarichi e da eccessive scariche, in modo tale da aumentarne la vita utile, si devono impiegare opportuni dispositivi regolatori di carica-scarica (che sono spesso implementati direttamente all'interno del convertitore DC/DC) Power Conditioning Con il termine power conditioning si intende rappresentare quelle apparecchiature elettroniche atte ad interfacciare e condizionare il flusso di potenza per adattare le caratteristiche del generatore fotovoltaico a quelle dell'utilizzatore. Come si evince dallo schema a blocchi di fig. 1.5, in questa categoria rientrano i seguenti dispositivi: - Regolatore di carica: è implementato negli impianti in cui sia necessario l'utilizzo di accumulatori, esso ha il compito di regolare la carica degli accumulatori al fine di proteggere gli stessi da sovraccarichi o da eccessive scariche, in modo da aumentarene la vita utile. Lo scopo del regolatore di carica è quindi quello di far lavorare gli accumulatori nell'intervallo di tensione-corrente indicato come ottimale dal costruttore. - Convertitore DC/DC + MPPT: sebbene la sua presenza non è sempre necessaria e vada ad aumentare sensibilmente il costo dell'impianto esso è utilizzato per adattare la tensione della stringa fotovoltaica alla tensione richiesta dall'inverter. La presenza di questo dispositivo rende possibile l'implementazione (in generale tramite software inserito nel controllore) di un'ulteriore funzionalità: il Maximun Power Point Tracker (MPPT).Questo algoritmo permette di estrarre sempre la massima potenza dal generatore fotovoltaico anche al variare delle condizioni ambientali e di irraggiamento. L'MPPT individua ciclicamente la coppia di valori tensione-corrente forniti dal generatore PV per la quale risulta massimo il trasferimento di potenza verso l'utilizzatore. Come è stato illustrato nei precedenti paragrafi, il valore di tale coppia varia in funzione dell'irraggiamento solare e della temperatura della cella, richiedendo quindi periodicamente l'intervento del dispositivo al fine di raggiungere sempre il massimo rendimento. - L'inverter: è un convertitore statico DC/AC (in passato poteva essere Pagina 7 di 111

8 realizzato dinamicamente tramite l'accoppiata di un motore ad un alternatore) che converte la corrente continua (prodotta dai pannelli o uscente dal convertitore DC/DC) in corrente alternata 50Hz 230V (in Italia) che può quindi essere utilizzata per l'alimentazione delle normali utenze a bassa tensione o immessa (previa adeguata sincronizzazione) nella rete elettrica di distribuzione nazionale. Il principio di funzionamento di un'inverter per applicazioni fotovoltaiche non differisce sostanzialmente da quello degli inverter utilizzati nelle applicazioni industriali (es. controllo motori monofase) tuttavia risultano diverse le caratteristiche e le funzionalità dei due apparecchi. Nel dettaglio gli inverter per uso PV sono progettati per massimizzare il loro rendimento e sono in grado di implementare tutte quelle funzioni necessarie al rispetto delle normative che regolamentano la sicurezza elettrica e le caratteristiche della corrente che deve essere immessa in rete (IEEE929 Stati Uniti, IEC61727 Europa). L'inverter per l'interfacciamento alla rete elettrica di impianti fotovoltaici è argomento di questo elaborato, pertanto sarà trattato dettagliatamente in seguito. 1.3 Gli Impianti fotovoltaici Isolati In questo tipo di impianti l'energia generata, oltre che alimentare il carico elettrico, è accumulata in batterie di accumulatori che la rendono disponibile nei periodi in cui il generatore fotovoltaico non produce energia sufficiente al fabbisogno dell'utenza. Questi impianti rappresentano la soluzione più idonea e affidabile per soddisfare le richieste di energia di utenze isolate per le quali il costo di elettrificazione, mediante collegamento alla rete elettrica nazionale, risulterebbe oneroso e di difficile conciliazione con eventuali vincoli ambientali. Nei sistemi fotovoltaici isolati l'immagazzinamento dell'energia è, in generale, effettuato mediante accumulatori elettrochimici. La presenza di accumulatori permette inoltre al sistema di far fronte a punte di carico senza dover sovradimensionare i generatori, nonché garantisce la continuità dell'erogazione di energia anche in caso di basso irraggiamento o guasto temporaneo dei generatori. Inoltre, la batteria di accumulatori è spesso utilizzata anche per realizzare l'accoppiamento ottimale del generatore PV e il resto del sistema. Mentre per i sistemi connessi alla rete si vuole massimizzare l'irraggiamento annuale medio e quindi la produzione annuale dell'impianto dal momento che il surplus e i deficit sono compensati dalla rete elettrica, per un impianto isolato dotato di accumulatori si desidera massimizzare l'irradiazione giornaliera e minimizzare il divario tra il mese più favorevole e quello meno favorevole. In particolare, per determinare la potenza nominale del generatore PV da installare, per assicurare l'autosufficienza dell'impianto, è necessario imporre che la produzione dell'impianto nel mese più sfavorevole risulti maggiore dell'assorbimento energetico dell'utenza. Far ciò però comporta un surplus di energia nei mesi più favorevoli, tale energia potenzialmente disponibile rimarrà inutilizzata comportando quindi una sorta di Pagina 8 di 111

9 abbassamento del rendimento medio dell'intero impianto. Un'altra soluzione adottata per non sovradimensionare eccessivamente il generatore fotovoltaico e riuscire a mantenere un'adeguata erogazione energetica anche nei periodi più sfavorevoli e nell'eventualità di accumulatori scarichi è quella di interfacciare una fonte di generazione energetica ausiliaria come ad esempio un generatore con motore a combustione interna. I blocchi costitutivi e i principali lay-out di un impianto di questo tipo sono rappresentati nelle figure seguenti (fig. 1.7). Figura 1.7: layout impianti fotovoltaici isolati, a) impianto con solo accumulatori, b )impianto con fonte energetica di emergenza Pagina 9 di 111