CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE FOTOVOLTAICO. Bergamo, anno accademico 2013/2014

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1 LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA Bergamo, anno accademico 2013/2014 1

2 La fonte di energia: il sole 2

3 La fonte di energia: il sole Potenza emessa dal sole: W (175 miliardi di megawatt). Potenza che raggiunge terrestre:1.350 W/m 2. l atmosfera Potenza che raggiunge la superficie terrestre: W/m 2 (valori medi). 3

4 Irraggiamento IRRAGGIAMENTO GLOBALE MEDIO ANNUO AL m^2 ANGOLO DI INCLINAZIONE OTTIMALE 4

5 kwh / kwp Data l estensione nord-sud dell Italia, la variazione di insolazione annua tra una località del settentrione rispetto ad una del mezzogiorno può superare il 40%. Producibilità Nord kwh/kwp Centro kwh/kwp Sud kwh/kwp 5

6 kwh / kwp Producibilità annua di un impianto fotovoltaico da 1 kwp con angolo di inclinazione dei moduli ottimale 6

7 Layout impianto fotovoltaico 7

8 L impianto fotovoltaico L IMPIANTO FOTOVOLTAICO E COMPOSTO DA: CELLE; PANNELLI (insieme di più celle); STRINGHE (insieme di più pannelli in serie); CAMPO (più stringhe in parallelo); INVERTER (converte l ene ene. elettrica da cc ad ca); TRASFORMATORE (innalza la tensione da bt a MT). 8

9 Come funziona il fotovoltaico? Quando un raggio luminoso colpisce il sottile strato di alcuni materiali detti semiconduttori, il più conosciuto dei quali è il silicio, i fotoni (le particelle di energia che compongono il raggio) trasferiscono la loro energia agli elettroni degli atomi che costituiscono il materiale. 9

10 Come funziona il fotovoltaico? -Materiale: silicio (4 elettroni di valenza). Drogaggio: -boro, terzo gruppo 3 elettroni di valenza; - fosforo, quinto gruppo 5 elettroni di valenza. 10

11 Come funziona il fotovoltaico? Mettendo a contatto i due materiali così ottenuti, si viene a verificare un flusso di diffusione di elettroni dalla zona n alla zona p e di lacune in direzione opposta ZONA P E 0 REGIONE DI SVUOTAMENTO ZONA N 11

12 Come funziona il fotovoltaico? Quando la giunzione p-n è investita dalla parte del silicio tipo n da un flusso luminoso questo cede energia agli atomi di Silicio portando alcuni elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzioni 12

13 L energia trasportata dal flusso luminoso è pari a: Dove v è la frequenza che è il reciproco della lunghezza d onda Efficienza di conversione E = h*v v = 1/λ Nel caso del Silicio l energia necessaria a liberare una coppia elettrone / lacuna è pari all energia associata ad un flusso luminoso avente una lunghezza d onda al massima pari a λmax = 1,15 mm 13

14 Efficienza di conversione 14

15 Efficienza di conversione λ > λmax => no liberazione coppia elettrone lacuna λ < λmax => si liberazione coppia elettrone lacuna ma ene. in eccesso => scalda il materiale SOLO IL 44% DELLA RADIAZIONE LUMINOSA CONCORRE A LIBERARE ELETTRONI DI CONDUZIONE RENDIMENTO MAX IDEALE MODULO FOTOVOLTAICO 44% 15

16 monocristallini; - policristallini; - amorfi. CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE I pannelli fotovoltaici Si monocrstallino Si policrstallino Si amorfo η cella 14% 20% 12% - 15% 5% 10% Vantaggi Rendimento elevato e stabile. Tecnologia affidabile. Minor costo. Tecnologia affidabile. Minori costi. Buon rendimento in presenza di basso irraggiamento e alte temperature. Possibilità d impiego su supporti flessibili. Svantaggi Elevato costo. Minor rendimento. Elevata necessità di spazi a causa del basso rendimento. 16

17 POTENZA E PRESTAZIONI DI UN MODULO FOTOVOLTAICO La scheda tecnica di un pannello fotovoltaico contiene varie informazioni. Le più importanti sono: - potenza - dimensioni I pannelli fotovoltaici - tipo di cella (mono o policristallino, amorfo, film sottile) 17

18 I pannelli fotovoltaici CALCOLO DEL RENDIMENTO DI UN MODULO FOTOVOLTAICO potenza η = sup erficie 220W = (1,644 0,992) m Se si divide il risultato ottenuto con un valore d irraggiamento di riferimento, quale ad 1000 W/m2 si ottiene la percentuale di conversione della potenza solare in potenza elettrica, cioè un rendimento. 2 W = 134,89 m W 134,89 2 η = m = 0,1349 = 13, 49% W m 2 18

19 Efficienza di conversione Le prestazioni del pannello sono testate in laboratorio con: - irraggiamento di 1000 W/m^2; - irraggiamento perpendicolare al modulo; - temperatura di 25 C. Nel mondo reale l irraggiamento nelle varie ore del giorno può essere maggiore o inferiore ai 1000 W/m^2. La temperatura può essere maggiore o minore di 25 C. 19

20 L irraggiamento che investe la celle si divide in: -diretto; -diffuso; Efficienza di conversione -albedo (emissioni elettromagnetiche dei corpi circostanti). Tecnologie di moduli diversi hanno prestazioni differenti in funzione della componente diffusa 20

21 Le stringhe Ogni pannello fotovoltaico è costituito da un certo numero di celle, solitamente 36 o 72, ogni cella ha ai suoi capi una tensione dell ordine dei 0,5 0,6 V. Un modulo presenta quindi una tensione hai suoi capi dell ordine, tipicamente, di 35 V e una corrente massima di qualche amper (es.: 5 A). Si collegano più pannelli tra loro in serie V V stringa stringa [ volt] = [ volt] = n n i= 1 i= 1 ΣV ΣV i i 21

22 Le stringhe Ad esempio si considerino 10 pannelli collegati in serie aventi una potenza nominale di 200 W l uno, collegandoli in serie si ottiene una potenza ai capi della stringa di W. P el [ W ] = V * I 22

23 I quadri di campo Al fine di ottenere una potenza ancora maggiore la stringhe sono collegate tra loro in parallelo tramite dei quadri di campo. Ponendo n stringhe in parallelo si ottiene una potenza pari alla somma delle potenze delle singole stringhe. n P[ W ] = i= 1 ΣP Collegando in parallelo 10 stringhe da W l una, quello che si ottiene è un sistema avente una potenza di 20 kw PW [ ] = V I = V ( I + I + I ) = V I + V I + V I = P+ P + P AB tot AB AB 1 AB 2 AB i A I 1 I 2 I 3 B 23

24 I quadri di campo Esercizio - supponiamo che un impianto fotovoltaico sia composto da: - tre stringhe in parallelo; - 20 pannelli per stringa; -potenza di picco di ogni pannello 180 W. A I 1 I 2 I 3 B Calcolare la potenza di picco di ogni stringa e quella dell impianto. 24

25 Gli inverter I pannelli fotovoltaici generano corrente continua. La maggior parte delle apparecchiature elettromeccaniche funziona con corrente alternata, così come la rete di distribuzione in media e alta tensione è in alternata. L inverter è un dispositivo la cui funzione è convertire la corrente da continua ad alternata. Due macrotipologie di inverter: - da esterno (proteggere da sole e calore); -da interni (per potenze elevate) Es.: da 2-3 kw Es.: da 200 kw 25

26 Gli inverter Dispositivo di inseguimento del punto di massima potenza (MPPT- Maximum Power Point Tracker). 26

27 Il trasformatore Compito del trasformatore è innalzare la tensione dal valore di uscita dagli inverter al valore di rete. Negli impianti grid-connected l energia elettrica è generata con valori di tensione nell ordine dei V. Rete elettrica di MT: V Due opzioni - trasformatori V + trasformatore 380 / V - trasformatore speciale 300 / V 27

28 Il trasformatore Compito del trasformatore è innalzare la tensione dal valore di uscita dagli inverter al valore di rete. L allacciamento alla essere in bt o MT: rete può - P < 100 kw, allacciamento in bt - P> 100 kw, allacciamento in MT Trasformatore da 400 \ V 28

29 Il punto di consegna Il punto di consegna è fisicamente una sala all interno della quale si trova la quadristica elettrica dove arrivano i cavi elettrici che portano l energia elettrica prodotta dall impianto fotovoltaico e ripartono i cavi elettrici della rete pubblica. 29

30 Le perdite del sistema Due tipologie di perdite: - distribuite (cavi in cc, ca e MT); - concentrate (inverter e trasformatori) - di temperatura (minori performance moduli e inverter) 30

31 L allacciamento alla rete di distribuzione Potenza impianto Allacciamento BT Allacciamento MT < 100 kw X > 100 kw e < kw X Le norme CEI e la variante V1 prescrivono alcuni dispositivi di protezione che devono intervenire nel caso di guasto o mal funzionamento della rete di distribuzione alla quale l impianto fotovoltaico è collegato. Tali dispositivi sono: - il dispositivo generale; - il dispositivo d interfaccia (1 per inverter fino a 3 inverter); - il dispositivo di generatore; 31

32 L allacciamento alla rete di distribuzione 32

33 L allacciamento alla rete di distribuzione CONTATORI DI SCAMBIO QUADRO ELETTRICO ENERGIA ELETTRICA ALLA RETE PUBBLICA CONTATORE DI PRODUZIONE ENERGIA ELETTRICA ALL UTENZA INVERTER MODULI FOTOVOLTAICI 33

Producibilità. Nord 1.000 1.200 kwh/kwp. Centro 1.100 1.300 kwh/kwp. Sud 1.300 1.500 kwh/kwp

Producibilità. Nord 1.000 1.200 kwh/kwp. Centro 1.100 1.300 kwh/kwp. Sud 1.300 1.500 kwh/kwp La fonte di energia: il sole 2 La fonte di energia: il sole Potenza emessa dal sole: 175.000.000.000.000.000 W (175 miliardi di megawatt). Potenza che raggiunge terrestre:1.350 W/m 2. l atmosfera Potenza

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