Il Fotovoltaico in agricoltura. Dott. Andrea Colantoni

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1 Il Fotovoltaico in agricoltura Dott. Andrea Colantoni

2 Un pò di storia L'effetto fotovoltaico è noto fin dal 1839, e trova il suo fondamento nella esperienza del fisico francese Edmond Becquerel ( ) che presentò alla Accademia delle Scienze di Parigi la sua "Memoria sugli effetti elettrici prodotti sotto l'influenza dei raggi solari". Edmond Becquerel Nel 1870 l'effetto fotovoltaico fu studiato in solido sul selenio, da Heinrich Hertz, e nel 1876, da William Adam e Richard Day, i quali conclusero che tali celle erano in grado di convertire la luce in elettricità con una efficienza compresa fra 1% e il 2%. Heinrich Hertz 2

3 Un pò di storia Il principio fu meglio compreso nel 1905 da Einstein - che nel 1921 per questa scoperta fu premiato con il Premio Nobel per la fisica - e nel 1930 da Walter Schottky. I due scienziati posero le basi scientifiche per la realizzazione della prima cella solare. Albert Einstein Nel 1954 Chapin, Pearson e Fuller, nei laboratori della Bell Telephone, svilupparono la prima cella basata su semiconduttori al silicio in grado di convertire il 6% dell'energia solare in energia elettrica. Gerald Pearson, Daryl Chapin, e Calvin Fuller

4 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica Silicio L atomo di silicio possiede 14 elettroni di cui 4 di valenza; in un cristallo di silicio puro ciascun atomo è legato in modo covalente con altri quattro atomi: ogni elettrone di valenza si lega con un elettrone di valenza di un altro atomo. Il passaggio dalla banda di valenza a quella di conduzione avviene trasmettendo all elettrone una opportuna quantità di energia. In tale passaggio l elettrone si lascia dietro una buca detta lacuna che può venire occupata da un altro elettrone. Il movimento degli elettroni comporta così anche quello delle lacune. Silicio

5 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica Donatore Silicio Fosforo Elettrone debolmente legato

6 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica Accettore Silicio Boro Lacuna

7 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Boro Silicio Boro Materiale P Silicio Boro Silicio Distanza Giunzione Boro Silicio Silicio Fosforo Silicio Silicio Densità di carica + - Materiale N Fosforo Silicio Silicio Fosforo Fosforo Silicio Regione di svuotamento

8 La cella e costituita da una sottile fetta di materiale semiconduttore, generalmente silicio opportunamente trattato, dello spessore di circa 0.3 mm e con una superficie compresa tra i 100 e i 225 cm2. Monocristallino omogeneo a cristallo singolo, sono prodotti da cristallo di silicio di elevata purezza. Il lingotto di silicio monocristallino e di forma cilindrica del diametro di cm e 200 cm di lunghezza, ottenuto per accrescimento di un cristallo filiforme in lenta rotazione. Successivamente, tale cilindro viene opportunamente suddiviso in wafer dello spessore di µm e la superficie superiore viene trattata producendo dei microsolchi aventi lo scopo di minimizzare la perdite per riflessione. Il vantaggio principale di queste celle e il rendimento (14-17%), cui si associa una durata elevata ed il mantenimento delle caratteristiche nel tempo. Il prezzo di tali moduli e intorno a /W ed i pannelli realizzati con tale tecnologia sono caratterizzati usualmente da un omogenea colorazione blu scuro.

9 Le iridescenze tipiche delle celle in silicio policristallino sono infatti dovute al diverso orientamento dei cristalli ed il conseguente diverso comportamento nei confronti della luce.il lingotto di silicio policristallino e ottenuto mediante un processo di fusione e colato in un contenitore a forma di parallelepipedo. I wafers che si ottengono presentano forma squadrata e caratteristiche striature con spessore di µm. Il rendimento e inferiore al monocristallino (12-14%), ma anche il prezzo /W. La durata e comunque elevata (paragonabile al monocristallino) ed anche il mantenimento della prestazioni nel tempo (85% del rendimento iniziale dopo 20 anni). Le celle con tale tecnologia sono riconoscibili dall aspetto superficiale in cui si intravedono i grani cristallini Una cella fotovoltaica può essere considerata come un generatore di corrente e può essere rappresentata dal circuito equivalente della figura sottostante. La corrente ai terminali d uscita I e pari alla corrente generata per effetto fotovoltaico Ig dal generatore ideale di corrente, diminuita della corrente di diodo Id e della corrente di dispersione Il. La resistenza serie Rs rappresenta la resistenza interna al flusso di corrente generata e dipende dallo spessore della giunzione P-N, dalle impurità presenti e dalle resistenze di contatto.

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14 Structural importance and Mechanism of Natural molecules The key to obtain such rapid electron transfer is to endow the dye with a suitable anchoring group, such as a carboxylate or phosphonate substituent or a catechol moiety, through which the sensitizer is firmly grafted onto the surface of the Titania. Proton coupled electron transfer Mechanism in Chemical Dye (DSSCs) The surface dipole is generated by proton transfer from the carboxylate groups of the sensitizer to the oxide charging the solid positively and leaving an excess negative charge on the dye.

15 GLI ALTRI COMPONENTI Struttura Inverter fotovoltaico Cavi 15

16 CELLE FOTOVOLTAICHE Quattro generazioni Prima generazione - Basate su silicio cristallino (efficienze medie 20%) Seconda generazione - Silicio e altri semiconduttori a film sottile Terza generazione - Celle organiche e polimeriche - Celle basate su giunzioni multiple di film policristallini Quarta generazione - Basate su processi innovativi (fotobiologici?)

17 Nei moduli, le celle fotovoltaiche non sono tutte identiche a causa delle inevitabili difformità di fabbricazione, pertanto due blocchi di celle collegate tra loro in parallelo possono non avere la stessa tensione. Si viene a creare conseguentemente una corrente di circolazione dal blocco di celle a tensione maggiore verso quello a tensione minore. Quindi una parte della potenza prodotta dal modulo viene persa all interno del modulo stesso (perdite di mismatch). La disuguaglianza tra le celle può essere determinata anche da un diverso irraggiamento solare, ad esempio una parte di celle sono ombreggiate, oppure dal loro deterioramento. Tali celle si comportano come un diodo che blocca la corrente prodotta dalle altre celle. Il diodo e sottoposto alla tensione delle altre celle, la quale può provocare la perforazione della giunzione con surriscaldamento locale e danni al modulo.

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23 * Riferito alle condizioni standard: w/m 2 + T cella 25 C + vento 0 m/s Dati: 8 m 2 di pannello fotovoltaico/kw di picco (Kwp)* 3kWp kwh/anno per kwh/ore anno (al nord) 1kW Kwh/anno energia_ prodotta Rendimento = energia _ ricevuta Rendimenti del 10-15%

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28 Soluzioni impiantistiche Dipendono dal luogo e dalle necessità del committente, nonché dalla bravura del progettista!

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37 Art. 12 comma 2 - Tariffa riconosciuta per un periodo di 20 anni a decorrere dalla data di entrata in esercizio dell impianto ed è costante in moneta corrente per tutto il periodo dell incentivazione.

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40 A decorrere dal primo semestre 2013 le tariffe assumono valore onnicomprensivo sull energia immessa nel sistema elettrico. Sulla quota di energia autoconsumata è attribuita una tariffa specifica

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52 Contesto Territoriale Ubicazione Coordinate Geografiche Quota Condizione delle tettoie Viabilità Comune di Viterbo (VT) Latitudine 42 25'38.75"N Longitudine 11 57'59.72"E 179 m s.l.m. Smaltire amianto e ricostruzione n. 2 tettorie con impianto fotovoltaico integrato. Sito raggiungibile mediante strada idonea al trasporto dei materiali. Non occorrono interventi sulla viabilità esistente. All impianto si accede tramite viabilità comunale. Superfici Occupate dall impianto Superficie tettoia 1 = 595 mq Superficie tettoia 2 = 183 mq Superficie occupata dall impianto fotovoltaico su tettoia 1 = 60 m 2 Superficie occupata dall impianto fotovoltaico su tettoia 2 = 91 m 2 Dati rilievo cliviometrici Ombreggiamenti Condizioni Ambientali Assente Nessuna

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54 Tettoia n. 1. Superficie soggetta a bonifica dell amianto m 2 Tettoia n. 2: Superficie soggetta a bonifica dell amianto m 2

55 N. 44 moduli fotovoltaici da 230 Wp per un totale di 10, 12 kwp installati

56 N. 40 moduli fotovoltaici da 230 Wp per un totale di 9, 20kWp installati

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58 Questi grafici e la tabella mostrano l'energia elettrica (stimata) che si può aspettare ogni mese dal sistema fotovoltaico; mostra anche la stima della media giornaliera e la produzione totale annuale.

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