Energia elettrica fotovoltaica (1)

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1 Energia elettrica fotovoltaica (1) L effetto fotovoltaico si verifica all interno dei materiali semiconduttori quando gli stessi sono esposti ad un bombardamento fotonico. Nel Silicio, ad esempio, ogni atomo contiene 14 elettroni di cui 4 sono disponibili a legarsi in coppia con elettroni di altri atomi, detti per questo Elettroni di valenza; i legami così realizzati possono tuttavia venire interrotti qualora agli elettroni di valenza venisse fornita una quantità di energia sufficiente a farli passare nella Banda di Conduzione. A questo livello energetico l elettrone può muoversi liberamente fra i diversi atomi del materiale contribuendo così a creare un flusso di corrente elettrica, flusso che assume forma ordinata solo qualora nel materiale fosse presente un campo elettrico orientato. L energia necessaria a far passare gli elettroni dalla Banda di Valenza a quella di Conduzione viene fornita dai fotoni di cui è composta la luce solare; essi non sono tutti equivalenti: per poter essere assorbito e partecipare al processo di conversione, un fotone deve possedere un'energia superiore ad un certo valore minimo, che dipende dal materiale di cui è costituita la cella; in caso contrario, il fotone passa attraverso tutto lo spessore del dispositivo senza innescare il processo di conversione. Con il silicio, materiale semiconduttore più usato per la costruzione delle celle, i fotoni con lunghezza d'onda superiore a 1.1 µm non vengono assorbiti, così come i fotoni con troppa energia, che vengono utilizzati solo parzialmente (in tal caso il fotone viene assorbito, ma la frazione di energia in eccesso rispetto al valore di soglia necessario per l'assorbimento viene convertita in calore e quindi persa dal punto di vista elettrico). Questo meccanismo detto "a soglia" è essenziale per determinare l'efficienza di conversione ottenibile con celle costruite con materiali differenti. 1

2 Energia elettrica fotovoltaica (2) Quando un fotone dotato di sufficiente energia viene assorbito nella cella, all'interno di quest'ultima si crea una coppia di cariche elettriche di segno opposto, chiamate elettrone e lacuna, che si rendono disponibili per la conduzione di elettricità. Per generare effettivamente la corrente elettrica è però necessaria una differenza di potenziale che faccia muovere tali cariche, ed essa viene creata grazie all'introduzione di piccole quantità di impurità nel materiale delle celle. Tali impurità, dette droganti, sono in grado di modificare profondamente le proprietà elettriche del semiconduttore. Introducendo fosforo (elemento di valenza 5) per esempio, si ha la formazione di silicio definito di tipo n, mentre usando impurità come il boro (elemento di valenza 3) si ha la formazione di silicio di tipo p. Lo strato n- sarà caratterizzato da una densità di elettroni liberi molto più alta di quella presente nel silicio normale, nello strato p- le cariche in eccesso sono di segno positivo. Banda passante fotovoltaica 0,4 λ 1,1 [ µm] 2

3 La cella fotovoltaica Nella zona di contatto tra i due tipi di silicio, detta giunzione p-n, si ha la formazione di un forte campo elettrico, capace di muovere in direzioni opposte le cariche elettriche positive e negative generate dalla luce in prossimità della giunzione. In questo modo le cariche vengono separate e, collegando questo dispositivo ad un circuito esterno, si potrà avere una circolazione di corrente: tanto maggiore è la quantità di luce incidente, tanto maggiore è la corrente generata. La tipica cella fotovoltaica prodotta industrialmente è costituita da una sottile fetta di silicio mono o policristallino, di spessore pari a circa 0,3 mm, di forma circolare (ormai obsoleta), quadrata o rettangolare e con un'area di circa cm². Nello spessore della cella si distinguono due strati semiconduttori: quello superiore esposto alla radiazione solare, molto sottile, di tipo n, ed un secondo strato, di tipo p, in cui avviene l'assorbimento della luce incidente. La luce genera all'interno della cella le coppie elettrone-lacuna, che migrano verso gli elettrodi sotto l'azione del campo elettrico presente alla giunzione p-n: gli elettroni vengono raccolti dall'elettrodo superiore, le lacune da quello inferiore, creando un generatore di corrente. La potenza massima erogabile in condizioni di illuminazione e temperatura specificate viene misurata in Watt di picco (Wp): si conviene che, alla temperatura della giunzione di 25 C e con un irraggiamento di 1000 W/m², una cella ha una potenza nominale di 1 W di picco se eroga la potenza massima di 1W. Celle al Silicio Monocristallino sono in grado di produrre circa 1,1-1,4 Wp di energia elettrica, alla tensione di 0,5 Volt (2,5 ampere), con un rendimento del 12-14%. Il rendimento energetico di una cella fotovoltaica è dato dal rapporto tra la potenza massima erogata e l'irraggiamento incidente sulla sua superficie: per il silicio monocristallino varia da 0,12 (celle commerciali) a 0,25 (celle sperimentali o all Arseniuro di Gallio). Il fatto che i rendimenti energetici delle celle non siano elevati è associato alla considerazione che parte dell'energia che investe una cella si perde: per riflessione, per fotoni di lunghezza d onda esterna alla banda fotovoltaica e per resistenze parassite. 3

4 Tipologie di Celle Fotovoltaiche La maggior parte delle celle fotovoltaiche in commercio è costituita da Silicio, opportunamente drogato; nel Silicio Monocristallino risiedono le migliori prestazioni ma il costo è abbastanza elevato. Per tale ragione viene maggiormente utilizzato il Silicio Policristallino o il Silicio Amorfo, quest ultimo è disponibile anche su supporto flessibile in versione a film sottile. Più celle vengono assemblate per dare origine ad un Modulo fotovoltaico, generalmente 36, 64 o 72. I collegamenti elettrici con l esterno avvengono mediante delle cassette di terminazione stagne, con grado di protezione IP65, dotate di passacavi ed applicate con gomma siliconica sul retro dei moduli. All interno delle cassette sono presenti i diodi di By-Pass che evitano l assorbimento di corrente dalla rete o dalle batterie in assenza di soleggiamento. Silicio MonoCristallino Tipo di Materiale Potenza Specifica Rendimento (W/mq) Energetico Silicio Monocristallino ,14-0,16 Silicio Policristallino fino a 110 0,13-0,14 Silicio Amorfo Silicio Amorfo Multigiunzione circa 60 variabile 0,03-0,06 0,06-0,12 Silicio PoliCristallino CIS (Copper Indium Diselenide) variabile circa 0,11 CIGS (Copper Indium Gallium Diselenide) variabile oltre 0,11 Film Sottile al Telloruro di Cadmio (CdTe) variabile circa 0,15 Arseniuro di Gallio variabile oltre 0,20 4

5 Radiazione solare di riferimento AM 1,5 Per valutare le prestazioni di una cella o di un modulo fotovoltaico è necessario che ci si affidi ad una distribuzione spettrale della radiazione solare incidente che sia di riferimento; il problema che emerge immediatamente è che l assorbimento atmosferico dipende dallo spessore e dalle caratteristiche della fascia atmosferica interposta fra la radiazione incidente ed il modulo oggetto di prova. La norma CEI 82-3 definisce un valore standard di distribuzione spettrale al suolo chiamato AM1,5; tale dato esprime il rapporto fra: il percorso effettivo fatto dai raggi solari nell attraversare l atmosfera ed il percorso che gli stessi raggi fanno qualora il sole si trovi allo Zenith. Con questa distribuzione spettrale viene assunto un valore di Irraggiamento per unità di superficie di 1000 [W/m 2 ] ed una temperatura ambiente di 25 [ C]; l insieme delle 3 condizioni di prova danno origine a quelle che vengono chiamate STC (Standard Test Conditions). Il rendimento energetico nominale della cella, anche chiamata Efficienza Nominale, viene così definito come: η = cella R P STC STC A cella Composizione spettrale della luce solare con attenuazione atmosferica AM 1,5 Zona di lavoro del Silicio 5

6 Prestazioni di un pannello fotovoltaico Le prestazioni elettriche di una cella fotovoltaica, così come di un pannello, sono descrivibili mediante il grafico Corrente-Voltaggio; emerge chiaramente come a Circuito Aperto, punto V OC, ossia quando il pannello non è collegato al carico, si ha il massimo voltaggio, la corrente massima si ha invece in condizioni di Corto Circuito, I SC. La potenza elettrica generata è pari al prodotto della corrente per il voltaggio, tale potenza assume il valore massimo laddove la curva caratteristica del pannello mostra il ginocchio, la cui forma è intimamente legata alla tipologia di cella selezionata. Potenza Elettrica P = V I Potenza Massima PM = VM IM Fill - Factor VM IM FF = 0,75 0,80 V I OC SC 6

7 Influenza delle condizioni ambientali L analisi fatta in precedenza vale per un pannello che operi in condizioni STC, operativamente ciò non si verifica mai per cui è importante conoscere come le caratteristiche elettriche di un pannello vengano a modificarsi al variare della temperatura ambiente e della Irradiazione solare incidente. Al diminuire della potenza radiante si ha una decisa riduzione della corrente di corto circuito, di contro il voltaggio a circuito aperto non varia in modo marcato; il risultato sarà una forte diminuzione della potenza massima erogabile dal pannello. La temperatura gioca un ruolo differente modificando invece il voltaggio a circuito aperto e operando una moderata influenza sulla corrente di corto circuito; l influenza sul valore di potenza massima risulta meno marcata. Il Silicio Amorfo risulta meno influenzato dalla variazione della temperatura dalle condizioni STC. Materiale cella Coefficiente β (mv/ C) Silicio monoscristallino -2,299 Silicio policristallino -2,133 Arseniuro di Gallio -2,213 7

8 Campo fotovoltaico L unità più piccola di un Campo fotovoltaico è la CELLA che genera una tensione di circa 0,5 Volts. Più celle collegate in serie e/o in parallelo danno origine ad un MODULO L insieme di più moduli da origine ad un PANNELLO Più pannelli messi in serie formano una STRINGA L insieme di più stringhe, messe in parallelo fra di loro, da origine ad un CAMPO fotovoltaico. La tensione di uscita di un modulo varia da 16 a 36 volts, a seconda del tipo e numero di celle; quest ultimo può variare da 6 a oltre 200 celle per modulo, in funzione della potenza di uscita del modulo stesso. 8

9 Sistemi connessi alla rete (grid connected) La tensione di uscita di un campo fotovoltaico connesso alla rete può variare da 50 a 450 V continui, qualora l inverter operi a 230 VAC; si raggiungono gli 800 VDC su inverter trifase (400 VAC). 9

10 Sistemi Isolati La tensione di uscita di un campo fotovoltaico isolato assume i seguenti valori: Monofase: da 10 a 250 VDC a seconda della tensione dell accumulo (variabile da 12 a 220 VDC) Trifase: da 400 a 700 VDC su accumuli di dimensioni di 450 VDC. 10

11 Componenti elettrici di un sistema FV (1) Il campo fotovoltaico è un generatore di elettricità in corrente continua la cui caratteristica elettrica varia in funzione dell irraggiamento solare incidente, il carico applicato al campo fotovoltaico presenta invece caratteristiche di assorbimento legate alla tipologia di utilizzo dello stesso; è così evidente che bisogna interporre fra il sistema FV ed il carico un insieme di apparati elettronici che hanno il compito di: adattare il voltaggio di uscita del campo FV a quello richiesto dal carico provvedere alla carica degli accumulatori, qualora fosse previsto un sistema di accumulo far operare il campo FV sempre nel punto di massima potenza. INVERTER Alla prima richiesta provvede l INVERTER che è un convertitore di corrente continua (CC) in corrente alternata (CA) alla frequenza desiderata. In tal caso si definisce la potenza nominale dell Inverter, in uscita o in entrata, la potenza che l apparecchio è in grado di erogare o assorbire in condizioni di Riferimento, la sua efficienza viene definita come il rapporto fra la potenza elettrica in uscita e quella in ingresso; generalmente tale valore è circa 0,9 purché la potenza di ingresso sia di almeno un 10% più grande di quella in uscita. In impianti di potenza superiore a qualche kw è opportuno impiegare più inverter di taglia ridotta con le uscite in CA collegate in parallelo fra di loro. REGOLATORE DI CARICA Esso provvede alla carica degli accumulatori evitando che le batterie vengano caricate eccessivamente in caso di sovrapproduzione di energia FV; nello stesso tempo il regolatore impedisce che vi siano delle scariche eccessive della batteria qualora l assorbimento del carico venisse soddisfatto dagli stessi accumulatori. 11