TEMATICHE DI RICERCA E SVILUPPI FUTURI NEL CAMPO DEI SISTEMI FOTOVOLTAICI

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1 TEMATICHE DI RICERCA E SVILUPPI FUTURI NEL CAMPO DEI SISTEMI FOTOVOLTAICI Prof. Ing. Simone Castellan Dipartimento di Elettrotecnica, Elettronica ed Informatica, Università di Trieste simone.castellan@deei.units.it

2 SISTEMI FOTOVOLTAICI NEL MONDO Fonte ENEA Totale potenza installata in Italia a fine sistemi indipendenti 13.3 MW, - sistemi connessi alla rete 445 MW. Potenza installata nel 2008: MW (quasi 5 volte di più che nel 2007). Fonte IEA PVPS (International Energy Agency Photovoltaic Power Systems Programme)

3 SISTEMI FOTOVOLTAICI IN EUROPA Totale potenza installata in Europa I valori per il 2008 sono stimati Fonte Commissione Europea

4 CELLE FOTOVOLTAICHE COMMERCIALI Per la realizzazione di celle fotovoltaiche sono adatti vari materiali semiconduttori, ma la maggior parte delle celle commerciali attuali è a base di silicio. Le tecnologie delle celle commerciali sono di due tipologie principali: - silicio monocristallino e policristallino in wafer (celle di cm 2 con spessore di 0.25mm), - film sottili (qualche µm) di diversi tipi di semiconduttori. Fonte ENEA (2007)

5 SILICIO CRISTALLINO Tecnologia matura sia in termini di rendimento ottenibile (12-14% per i prodotti commerciali medi) che di costi di produzione (2-2.5 /Wp), previsti miglioramenti del rendimento (nuovi prodotti dichiarano già il 18% con un record di laboratorio del 24.7%, ritenuto praticamente invalicabile), prevista riduzione dei costi di produzione. Cella in silicio monocristallino Cella in silicio policristallino

6 TECNOLOGIE A FILM SOTTILE Silicio amorfo e microcristallino (a-si e µsi) η = 6-9%, Diseleniuro di Rame e Indio (CIS e CIGS nel caso di aggiunta di gallio) η = 10-12%, Tellururo di Cadmio (CdTe) η = 9%.

7 TECNOLOGIE A FILM SOTTILE Quota di mercato contenuta (~ 7%), ma da tutte le fonti autorevoli è considerata come la soluzione con maggiori potenzialità per la riduzione dei prezzi (fino a valori inferiori ad 1 /Wp). Vantaggi rispetto al silicio cristallino: - si impiegano materiali a basso costo (vetro, metallo, plastica) con quantità minime di semiconduttori costosi ma con capacità di assorbimento superiori al Si cristallino; - la produzione comporta un basso consumo di energia e ridotti scarti di lavorazione; - minore dipendenza del rendimento dalla temperatura e buona risposta con luce diffusa e bassi livelli di irradianza (giornate nuvolose) migliore resa energetica; - possibile realizzazione di giunzioni multiple mediante sovrapposizione in serie di più stati di materiali semiconduttori diversi sfruttamento di intervalli diversi di lunghezze d onda dello spettro solare. Svantaggi rispetto al silicio cristallino: - confronto sfavorevole a causa della minore efficienza standard; - problemi tecnologici e di disponibilità di alcuni materiali; - elevati costi di investimento.

8 CELLE FOTOVOLTAICHE COMMERCIALI Fonte ENEA

9 CELLE FOTOVOLTAICHE COMMERCIALI Fonte ENEA

10 FOTOVOLTAICO A CONCENTRAZIONE È presente sul mercato in quantità molto limitata ma è attualmente fonte di interesse a livello mondiale da parte di importanti industrie ed istituti di ricerca. Dimensioni estremamente ridotte del materiale fotosensibile incidenza sul costo non supera il 10%, contro il 25% e oltre del fotovoltaico piano sono vantaggiosi gli sforzi volti ad aumentare l efficienza della conversione.

11 Solo prototipi di laboratorio. Due grandi famiglie: basso costo - celle dye sensitised (ispirate ai principi della fotosintesi), - celle organiche, - celle ibride a base di nanocompositi inorganicoorganico; TECNOLOGIE EMERGENTI alta efficienza - dispositivi multipli posti in serie con giunzioni di materiale specifico per la fotogenerazione in un preciso intervallo dello spettro solare, - sistemi a concentrazione in grado di separare le diverse componenti cromatiche della radiazione solare, inviandola a diverse celle separate fisicamente.

12 SISTEMA TRADIZIONALE SEMPRE ATTUALE! Come sfruttare l energia solare con metodi antichi ma sempre attuali! Attenzione però ad avvicinarsi con cautela perché si potrebbe essere sottoposti a pericolosi shock elettrici!

13 PREVISIONI PER IL FUTURO Fonte ENEA Previsioni a breve, medio e lungo termine della ripartizione del mercato per i diversi gruppi di tecnologie per le celle fotovoltaiche. Nuovi concetti = tecnologie emergenti + fotovoltaico a concentrazione

14 SISTEMA DI CONDIZIONAMENTO DELLA POTENZA Nei sistemi fotovoltaici connessi alla rete il sistema di condizionamento della potenza (normalmente detto inverter) ha il compito di trasformare in tensione alternata la tensione continua generata dai pannelli fotovoltaici e quindi fa da interfaccia fra generatore fotovoltaico e rete.

15 FUNZIONAMENTO A MASSIMA POTENZA Una cella fotovoltaica può operare in un punto qualsiasi della caratteristica I-V. Due punti importanti della caratteristica sono la tensione a circuito aperto (V oc ) e la corrente di cortocircuito (I sc ). I valori nominali tipici per una cella fotovoltaica sono V oc = V e I sc =20-40 ma/cm 2. Un altra caratteristica importante della cella fotovoltaica è la caratteristica P- V, sulla quale esiste un punto di coordinate (V mpp, I mpp ) in corrispondenza del quale si ha potenza massima erogata dalla cella. Il punto di funzionamento a massima potenza dei pannelli è funzione dell irraggiamento solare e della temperatura delle celle fotovoltaiche. Il sistema di condizionamento della potenza deve produrre un uscita che segua ampiezza e frequenza della tensione di rete e deve ricavare il massimo della potenza dai pannelli realizzando il cosiddetto MPPT (Maximum Power Point Traking).

16 SISTEMA DI CONDIZIONAMENTO DELLA POTENZA In questo settore alcune attuali tematiche di ricerca sono: - implementazione di nuovi e più evoluti algoritmi di MPPT (Maximum Power Point Traking) per il miglioramento dell efficienza globale del sistema, - sperimentazione di nuove tecniche anti-islanding volte sia ad eliminare o ridurre al minimo la NDZ (non detection zone) che ad evitare inopportuni interventi dell algoritmo anti-islanding a causa di disturbi della rete, - studio e sperimentazione di nuove topologie circuitali, ad es. impiegando strutture di tipo multilivello, - questione aperta sull opportunità di impiegare strutture centralizzate o distribuite per sistemi di media ed elevata potenza (A.Massi Pavan, S.Castellan, S.Quaia, S.Roitti and G.Sulligoi, Power electronic conditioning systems for industrial photovoltaic fields: centralized or string inverters?, Proc. of Int. Conference on Clean Electrical Power, Capri Italy, May 2007), - miglioramento del rendimento (valori nominali attuali del 94-96%, con punte del 98%) ad esempio utilizzando componenti al carburo di silicio (SiC) (rendimento del 99.3% dichiarato come risultato sperimentale dal Fraunhofer Institut).

17 ESEMPI DI SISTEMI FOTOVOLTAICI TRIFASE Schema di impianto da 20kW con sistema di condizionamento di stringa. L impianto è costituito da 12 stringhe, suddivise in 3 gruppi di 4 stringhe, ciascuno dei quali connesso allo stadio di ingresso un sistema di condizionamento monofase. Ciascun sistema di condizionamento è dotato di 4 MPPT, uno per ogni stringa. Schema di impianto da 20kW con sistema di condizionamento centralizzato. L impianto è costituito da 10 stringhe collegate ad un invertitore trifase dotato di un unico MPPT.

18 PRINCIPALI TEMATICHE DI RICERCA PRESSO L UNIVERSITA DI TRIESTE Sviluppo di un sistema per il monitoraggio di dati elettrici e climatici relativi al funzionamento di impianti fotovoltaici (M.Chiandone, S.Cleva, A.Massi Pavan and G.Sulligoi, Monitoring applications of electrical and climate data for PV systems using Linux RTAI, Proc. of International Conference on Clean Electrical Power, Capri (Italy), 9-11 June 2009). L obiettivo è quello di equipaggiare con il sistema proposto un certo numero (fino a 5) di campi fotovoltaici installati in Provincia di Trieste. Tutti gli impianti hanno una potenza nominale di 20kWp e diverse caratteristiche: utilizzo di inverter distribuiti e centralizzati, condizioni di ombreggiamento di diversa natura, diverse tecnologie di moduli fotovoltaici, differenti condizioni di orientamento, ore di sole, temperature di funzionamento, algoritmi MPPT, ecc. L insieme dei campi fotovoltaici monitorati potrà diventare un unica facility, distribuita e connessa in rete, per la realizzazione di studi comparativi nei settori dell ingegneria elettrica e ambientale.

19 PRINCIPALI TEMATICHE DI RICERCA PRESSO L UNIVERSITA DI TRIESTE Sviluppo di un simulatore di campo fotovoltaico per la verifica tecnologicoprestazionale di sistemi di condizionamento della potenza (A.Massi Pavan, S.Castellan and G.Sulligoi, An innovative photovoltaic field simulator for hardware-in-the-loop test of power conditioning units, Proc. of International Conference on Clean Electrical Power, Capri (Italy), 9-11 June 2009). Il simulatore in fase di sviluppo sarà dotato di uno stadio di potenza da 20kW controllato da un sistema di controllo del tipo HRT (Hard Real Time) implementato in una CPU commerciale. Il simulatore permetterà di riprodurre la caratteristica corrente-tensione di un generatore fotovoltaico in funzione del tipo di moduli utilizzati e delle condizioni climatiche di funzionamento, che possono essere variate sia automaticamente che manualmente per ogni modulo fotovoltaico costituente il sistema simulato. Il suo utilizzo permetterà di testare le performance dei sistemi di condizionamento della potenza commerciali operanti in differenti configurazioni di funzionamento.

20 PRINCIPALI TEMATICHE DI RICERCA PRESSO L UNIVERSITA DI TRIESTE Ottimizzazione di celle fotovoltaiche a film sottile di tellururo di cadmio. Lo scopo è quello di ottimizzare le proprietà ottiche, elettriche e microstrutturali dei film sottili e lo sviluppo di celle su substrati flessibili. Sviluppo di celle costituite da semiconduttori compositi nanostrutturati. Lo scopo è quello di sviluppare un materiale a banda intermedia utilizzando processi a basso costo. Le proprietà dei materiali a banda intermedia consentono un assorbimento molto efficiente dello spettro solare, aumentando fortemente il rendimento potenziale (dal 31%, limite termodinamico per un semiconduttore comune, al 63.5%, limite termodinamico per i semiconduttori a banda intermedia).

21 CONCLUSIONI Lo sviluppo dei sistemi fotovoltaici a cui si è assistito negli ultimi anni dimostra come questa fonte di energia stia suscitando notevole e concreto interesse da parte degli organismi di ricerca, delle istituzioni e del mondo produttivo. Le possibilità di miglioramento e le prospettive concrete di sviluppo consentono di considerare i sistemi fotovoltaici come un valido, anche se non risolutivo, aiuto per affrontare i problemi energetici ed ambientali determinati dalle esigenze della civiltà moderna. Attenzione però a non invertire certe tendenze positive prodotte dagli scompensi ambientali! 2010?

22 Grazie per l attenzione! l Prof. Ing. Simone Castellan Dipartimento di Elettrotecnica, Elettronica ed Informatica, Università di Trieste simone.castellan@deei.units.it