LA MANUTENZIONE. Ing. S.Iannello

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1 LA MANUTENZIONE Ing. S.Iannello

2 La Tecnologia fotovoltaica Negli ultimi dieci anni si è assistito ad un progressivo lento interessamento a quelle che sono le tecnologie fotovoltaiche di produzione di energia. Le politiche al riguardo hanno creato una serie di facilitazioni economiche e legislative affinché l installazione di generatori solari diventi il più estesa possibile e sostituisca almeno in parte le tradizionali produzioni di energia, ormai sempre più problematiche a livello ambientale, sociale, economico.

3 La Tecnologia fotovoltaica La produzione di energia utilizzando l effetto fotovoltaico e quindi trasformando l energia del sole in energia elettrica sembra essere al momento una delle più sviluppate prospettive considerate. In teoria, infatti, il globo terrestre viene irradiato con una quantità di energia, gratuita, ben superiore al consumo totale mondiale (in un ora il sole irraggia sul nostro pianeta tanta energia quanta l intera umanità ne consuma in un anno).

4 La Tecnologia fotovoltaica Il punto chiave della tecnologia fotovoltaica è costituito dalla capacità di un materiale semiconduttore di adattarsi per liberare elettroni, quando viene colpito dalla luce solare. I componenti più importanti di un sistema fotovoltaico sono le celle, ovvero l unità basica che raccoglie la luce solare, unite a formare moduli o placche fotovoltaiche. Tutte le celle fotovoltaiche sono provviste di due strati semiconduttori, uno con carica negativa e uno con carica positiva in modo da produrre un campo elettrico quando la cellula è investita dalla luce solare.

5 Effetto fotovoltaico La conversione diretta dell energia solare in energia elettrica utilizza il fenomeno fisico dell interazione della radiazione luminosa con gli elettroni nei materiali semiconduttori, denominato effetto fotovoltaico. L oggetto fisico in cui tale fenomeno avviene è la cella solare, la quale altro non è che un diodo con la caratteristica essenziale di avere una superficie molto estesa (alcune decine di cm2). Per analizzare in modo più approfondito l effetto fotovoltaico è necessario quindi descrivere, almeno concettualmente, il funzionamento del diodo (giunzione p-n).

6 Effetto fotovoltaico Se prendiamo il silicio, esso ha 14 elettroni di cui 4 sono di valenza. Se alcuni atomi di silicio del cristallo vengono sostituiti con atomi di fosforo che ha 5 elettroni di valenza, di questi elettroni 4 verranno usati per legami chimici con atomi adiacenti di silicio, mentre il quinto diventa libero di muoversi nel reticolo del cristallo. Analogamente se la sostituzione avviene con atomi di boro, che ha solo 3 elettroni di valenza, ci sarà un elettrone mancante per completare i legami chimici con gli atomi adiacenti di silicio. Tale elettrone mancante agisce come se fosse un elettrone positivo e viene chiamato lacuna.

7 Effetto fotovoltaico La giunzione p-n (diodo) si realizza unendo una barretta di materiale di tipo n con una barretta di materiale di tipo p. Gli elettroni liberi (portatori) si sposteranno verso le zone in cui non esistono elettroni liberi nel tentativo di ristabilire l equilibrio. Analogamente le lacune si sposteranno nella regione nella quale non ci sono lacune e ci sarà quindi un flusso di cariche positive nel verso contrario. Con il proseguire di tale processo di diffusione, da un lato si verificherà un eccesso di cariche negative mentre un eccesso di cariche positive si avrà sul lato opposto. Nella regione di interfaccia dei due materiali si è così creato un campo elettrico che diventa sempre più grande man mano che le lacune e gli elettroni continuano a diffondere verso i lati opposti.

8 Effetto fotovoltaico Tale processo è quello che avviene quando una particella costituente un raggio solare colpisce la cella fotovoltaica.

9 Cella fotovoltaica La cella fotovoltaica è un generatore di corrente che, tramite l effetto fotovoltaico descritto, trasforma (trasduce) in elettricità l energia solare incidente. La cella diventa così come una pila elettrica capace di alimentare un circuito elettrico esterno. Questo dispositivo è realizzato con materiali semiconduttori, materiali cioè che conducono la corrente elettrica.

10 Cella fotovoltaica Si tratta di una tecnologia priva di manutenzione, silenziosa e pulita. Infatti, rispetto ad altre tipologie di impianti, dove la produzione di energia avviene attraverso un procedimento meccanico (ad esempio l eolico o le centrali idroelettriche), nelle celle fotovoltaiche non vi sono parti meccaniche in movimento, il che rende la loro vita teoricamente illimitata. Le celle fotovoltaiche vengono costruite utilizzando principalmente il silicio, materiale presente in abbondanza nella crosta terrestre (argilla, granito, quarzo), non tossico e facilmente lavorabile.

11 Cella fotovoltaica Il tipo di cella fotovoltaica più diffuso è di colore nero o blu, con spessore complessivo compreso tra 0,25 mm e 0,35 mm. La cella si comporta come una minuscola batteria, producendo nelle condizioni di radiazione solare solare tipiche (per l Italia, radianza pari a 1 kw/m2 e temperatura di cella pari a 25 C) una corrente tra i 3 A e 4 A a una tensione di circa 0,5 V, generando quindi una potenza di 1,5-2 Watt di picco (Wp).

12 Cella fotovoltaica E composta da due strati sovrapposti di materiale semiconduttore, generalmente silicio, la cui conducibilità viene aumentata mediante uno speciale trattamento, noto come drogaggio. Il primo strato, di tipo (p), viene drogato con atomi di boro, mentre l altro strato, di tipo (n), viene drogato con piccole quantità di fosforo. Questi due strati così composti avranno proprietà elettriche opposte, e nel loro punto di contatto si avrà una giunzione (detta giunzione pn), che è il punto in cui avrà luogo l effetto fotovoltaico.

13 Cella fotovoltaica

14 Cella fotovoltaica Lo strato di tipo p, localizzato nella parte posteriore della cella, è a contatto con uno strato metallico che ricopre l intera superficie e che costituisce l elettrodo negativo, mentre, lo strato di tipo n, esposto alla radiazione, è a contatto con una pellicola trasparente di ossido conduttore o, con una griglia metallica che, in entrambi i casi, costituisce l elettrodo positivo. La cella fotovoltaica si completa con una pellicola di materiale antiriflettente che viene depositata sulla sua superficie per minimizzare le perdite di radiazione per riflessione, ed infine una lastra di vetro conferisce stabilità strutturale e protegge la superficie della cella dagli agenti atmosferici.

15 Cella fotovoltaica Il silicio utilizzato in questo ambito può essere di tre tipologie: monocristallino policristallino amorfo

16 Cella fotovoltaica

17 Cella fotovoltaica Le celle in silicio monocristallino sono caratterizzate da un omogenea colorazione blu. Vantaggi: discreto rendimento (15-20%) Svantaggi: elevato costo di produzione. Con rendimento si intende la percentuale di energia captata e trasformata rispetto a quella totale giunta sulla superficie del modulo.

18 Cella fotovoltaica Le celle in silicio policristallino sono caratterizzate da un rendimento inferiore (circa 15-17%) poiché all interno sono presenti delle impurità che limitano il passaggio della corrente elettrica. Si ottiene riciclando componenti elettronici scartati, il cosiddetto scraps di silicio che viene rifuso per ottenere una composizione cristallina compatta. Il vantaggio è dovuto ai minori costi. Tali celle sono riconoscibili grazie a un disegno ben distinguibile dovuto ai cristalli presenti all'interno.

19 Cella fotovoltaica Solitamente il colore delle celle fotovoltaiche è il blu scuro dovuto al rivestimento antiriflettente in ossido di titanio, fondamentale per ottimizzare la captazione dell'irraggiamento solare. Le celle di colori differenti in genere implicano una perdita d'efficienza.

20 Cella fotovoltaica Le celle in silicio amorfo, riconoscibili per via del caratteristico colore scuro, sono prodotte mediante spruzzamento catodico di atomi di silicio su una piastra di vetro. Al loro interno, per aumentare l assorbimento della radiazione solare, sono aggiunte sostanze come ossigeno, idrogeno e carbonio, che permette di raggiungere rendimenti dell 8% circa. Tali dispositivi sono particolarmente indicati nelle zone spesso vi è la presenza di nuvole o ostacoli fissi, ottenendo rendimenti del 10% circa superiori alle altre tipologie. Oltre al basso rendimento, un ulteriore limite è dato dal marcato degrado nel tempo del rendimento (1% annuo).

21 Cella fotovoltaica Esistono poi altre tipologie di celle dette celle in film sottile (a cui appartengono anche quelle in silicio amorfo) che si contraddistinguono per il ridotto costo di produzione, e per la possibilità di realizzare dispositivi estremamente sottili e flessibili. I limiti sono quelli descritti per le celle in silicio amorfo. Alcuni esempi sono rappresentati dalle celle in: tellururo di cadmio (CdTe), solfuro di cadmio, arseniuro di gallio, indio, selenio.

22 Cella fotovoltaica Tali materiali sono applicati in una pellicola sottile (dell ordine di pochi micron) su un di materiale di sostegno, (vetro o ceramica) per ridurre la massa e, pertanto i costi. Hanno versatilità d impiego (es. su materiali da utilizzare quali elementi strutturali delle facciate degli edifici), anche se, per quanto riguarda sopratutti il Si-a resta da superare l ostacolo rappresentato dalla bassa efficienza. Ne consegue che a parità di produzione elettrica richiesta, la superficie occupata da un campo fotovoltaico amorfo (film sottile) sarà maggiore rispetto ad un equivalente campo fotovoltaico cristallino.

23 Cella fotovoltaica Celle a film sottile

24 Cella fotovoltaica Nell ultimo decennio sono state sviluppate nuove tecnologie che consentono la produzione di celle semitrasparenti, offrendo nuove opportunità per la progettazione e per il mercato. La loro trasparenza media è del 10% e si possono realizzare celle colorate, permettendo così nuove opportunità artistiche in ambito architettonico.

25 Il modulo fotovoltaico La tensione generata da una singola cella risulta troppo bassa per poter essere sfruttata, si rende quindi necessario collegare insieme più celle per formare dei moduli fotovoltaici. Il collegamento avviene mediante ribbon metallici (busbar) che attraversando la cella formano opportune serie e paralleli elettrici. I busbar hanno il compito di canalizzare gli elettroni generati dal modulo per il cosiddetto effetto fotovoltaico, cioè portano (come dice la parola stessa bus ) la corrente che genera il nostro modulo fotovoltaico

26 Il modulo fotovoltaico

27 Il modulo fotovoltaico La potenza erogata da un modulo fotovoltaico è sempre minore della sommatoria delle potenze generate dalle celle prese in maniera univoca, questo perché, ad esempio, due blocchi di celle collegate in parallelo avranno tensioni diverse, causate da inevitabili difformità costruttive, che portano alla formazione di una corrente che circola dal blocco a tensione maggiore a quello a tensione minore. Tali perdite di potenza vengono dette perdite di mismatch.

28 Il modulo fotovoltaico

29 Pannelli fotovoltaici Collegando meccanicamente tra di loro più moduli fotovoltaici otteniamo il pannello fotovoltaico, in pratica l insieme dei moduli in grado di produrre la potenza richiesta alla tensione prestabilita. Un pannello è generalmente racchiuso in una struttura in grado di proteggere dagli agenti atmosferici ed è composto da diversi elementi che costituiscono un sandwich di materie prime, detto laminato.

30 Composizione del pannello Indipendentemente dalla tipologia di cella utilizzata la struttura è identica in quanto si tratta di un sandwich di vari materiali che hanno lo scopo di proteggere le celle di silicio. Il film di Tedlar rappresenta il supporto rigido su cui viene assemblato il tutto. Il Tedlar è un supporto di polivinilfluoruro utilizzato per le sue caratteristiche di robustezza, resistenza agli UV e agli agenti atmosferici. In alcune tipologie di pannelli è sostituito da una lastra di vetro temperato.

31 Composizione del pannello A seguire troviamo un sottile foglio di E.V.A. (Etilene Vinil Acetato), utilizzato per isolare elettricamente le celle dalla struttura. Durante la "cottura" del pannello, fondendo provvede a riempire tutte le irregolarità delle celle. Viene utilizzato anche per la sua eccezionale trasparenza ai raggi solari. Al di sopra dell E.V.A. vengono posizionate le celle, preconnesse mediante i busbar. Su queste viene steso un secondo foglio di E.V.A. e quindi una lastra di vetro temperato a basso contenuto di ferro per garantire una maggiore trasparenza ai raggi solari.

32 Composizione del pannello Il sandwich così realizzato viene inviato al laminatore, una macchina nella quale viene creato il vuoto; a questo punto la piastra del laminatore viene riscaldata fino a 145 C per 10 minuti, in modo da favorire la polimerizzazione dell E.V.A. che si trasforma in un collante inerte, garantendo il contatto meccanico tra vetro e celle, oltre all isolamento elettrico. Con il riscaldamento viene anche eliminata l aria residua interna.

33 Composizione del pannello Infine il laminato è pronto per essere inserito in una cornice di alluminio anodizzato (resistente alla corrosione), dotata di vari fori per il fissaggio alla struttura adatta a sostenerlo e a orientarlo opportunamente verso il sole. Se la laminazione viene fatta correttamente, il laminato sarà in grado di resistere alle intemperie per almeno 25/30 anni Per ultima è presente la scatola di giunzione che consente il collegamento tra gli apparati.

34 Composizione del pannello

35 Composizione del pannello

36 Stringhe e campo fotovoltaico Si dice stringa il collegamento in serie di più moduli fotovoltaici. Più stringhe collegate in parallelo danno forma al campo fotovoltaico, in cui la corrente totale è data dalla somma della corrente in uscita da ogni stringa.

37 Stringhe e campo fotovoltaico

38 Stringhe e campo fotovoltaico Le disuguaglianza strutturali dei moduli, comportano problemi di mismatch anche nei campi fotovoltaici con conseguenti perdite, a volte anche dell ordine del 5% rispetto alla potenza nominale. Per far fronte al problema della circolazione di correnti inverse tra le stringhe, si utilizzano i diodi di blocco, tali dispositivi entrano in funzione, escludendo l intera stringa di competenza, anche quando un solo modulo è ombreggiato.

39 Stringhe e campo fotovoltaico Quindi nella progettazione occorre ridurre al minimo le zone soggette a oscuramenti o, almeno, di raggruppare i moduli soggetti a ombreggiamento in modo che siano tutti presenti nella medesima stringa. Se, ad esempio, di fronte al campo fotovoltaico si ha un palo, bisognerà fare in modo che l effetto dell ombra si senta su una sola stringa e non vada ad intercettare più serie di pannelli fotovoltaici, compromettendo quindi il corretto funzionamento di tutto l impianto.

40 Stringhe e campo fotovoltaico

41 CELLA fino a: 1.5 V 4.7A MODULO PANNELLO fino a: 50 V 10 A STRINGA (moduli serie) Fino a 1000 V 10 A CAMPO (stringhe parallelo) Fino a 1000V 1000 A

42 Impianti fotovoltaici Stand-alone Caratterizzati dal completo isolamento dalla rete elettrica di distribuzione, sono impiegati per elettrificare le utenze difficilmente collegabili alla rete (baite in montagna); in questi impianti, l energia prodotta alimenta direttamente un carico elettrico (in continua o in alternata), mentre la parte in eccedenza viene generalmente immagazzinata in un apposito sistema di accumulo, per renderla disponibile all utenza nelle ore di generazione fotovoltaica nulla o insufficiente.

43 Impianti fotovoltaici Grid Connected Negli impianti connessi a una rete elettrica di distribuzione, l energia viene convertita in corrente elettrica alternata per alimentare il carico-utente e/o per essere immessa nella rete stessa (con la quale lavora in regime di scambio sul posto ), a seconda delle condizioni istantanee della generazione fotovoltaica e dell utilizzatore.

44 Un sistema non connesso alla rete elettrica è composto da: - uno o più pannelli fotovoltaici - una o più batterie Impianti stand alone - un regolatore per ottimizzare la carica della batteria - un inverter (opzionale).

45 Impianti stand alone

46 Impianti grid connected Un sistema connesso alla rete elettrica è composto da: - più pannelli fotovoltaici (potenza totale minima 1 kw) -un inverter - un quadro elettrico di connessione alla rete

47 Impianti grid connected