MARIE CURIE PON OBBIETTIVO B AZIONE 1 CORSO ENERGIA IN FORMAZIONE

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1 ISTITUTO TECNICO SETTORE TECNOLOGICO MARIE CURIE PON OBBIETTIVO B AZIONE 1 CORSO ENERGIA IN FORMAZIONE L'EFFETTO FOTOVOLTAICO E LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA PhD ing. Mario S. D. Acampa

2 L'EFFETTO FOTOVOLTAICO E LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA 1. LA RADIAZIONE SOLARE 2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE 3. SISTEMI FOTOVOLTAICI

3 1. LA RADIAZIONE SOLARE Il Sole: fonte primaria di energia È una sfera di gas riscaldati da reazioni di fusione termonucleare con una temperatura interna di circa C e superficiale esterna di circa 6000 C. Emette, come tutti i corpi riscaldati, una radiazione elettromagnetica su uno spettro continuo 200 nm a 3000 nm ; tale radiazione elettromagnetica è la principale fonte di energia che alimenta i processi vitali sulla terra.

4 1. LA RADIAZIONE SOLARE Irraggiamento solare La potenza del campo elettromagnetico incidente sulla unita di superficie prende il nome di Irraggiamento solare (misurato in W/m 2 ). La costante solare L irraggiamento solare all esterno della atmosfera terreste viene invece detto costante solare ed ha un valore medio convenzionale di 1353 W/m 2 (in realtàvaria durante l anno per effetto dell eccentricità dell orbita terrestre e per la variabilità dell attività solare)

5 1. LA RADIAZIONE SOLARE Luce diretta, diffusa, assorbita e riflessa Della radiazione solare incidente sull atmosfera terrestre una parte viene o assorbita o riflessa dalla stessa atmosfera e dalle nuvole; la radiazione che riesce a proseguire viene parzialmente diffusa dall aria e dalle particelle ivi sospese andando infine ad incedere, separata in queste due componenti diretta e diffusa sulla superficie terrestre o degli oceani che tuttavia riflettono ancora parte di questa radiazione.

6 1. LA RADIAZIONE SOLARE Interazione della radiazione con l atmosfera La radiazione solare, nell attraversare l atmosfera, interagisce con questa in funzione della lunghezza d onda della radiazione stessa, delle condizioni meteorologiche (pressione) e dello spessore di atmosfera da attraversare. Indice massa d aria AM (Air Mass) Rappresenta l influenza che ha l atmosfera terrestre sulla radiazione solare in un punto della superficie terrestre e vale: AM=P/P 0 senϑ Dove: P è la pressione atmosferica nel punto ed istante considerati P 0 la pressione di riferimento (bel tempo al livello del mare) pari a 1,013x10 5 Pa ϑèl angolo di elevazione del sole sull orizzonte

7 1. LA RADIAZIONE SOLARE Valori significativi sono: AM=0 superficie esterna all atmosfera AM=1 al livello del mare in una bella giornata AM = AM0 = 0 Limite sup. dell'atmosfera assorbente AM = AM1 = 1 AM=P/P0sen( ) Orizzonte locale ~ 100 km Superficie Terrestre

8 1. LA RADIAZIONE SOLARE Distribuzione spettrale dell irraggiamento solare L irraggiamento solare èdistribuito in modo continuo su uno spettro di lunghezze d onda che va dall ultravioletto agli infrarossi. Dalla figura si può notare come della radiazione extra-atmosferica (in giallo) arrivi sulla superficie terreste al livello del mare solo una parte (in rosso).

9 1. LA RADIAZIONE SOLARE Energia dalla radiazione elettromagnetica Dalla meccanica quantistica è noto che la radiazione elettromagnetica ha un comportamento duale: da un lato si comporta come un onda, quindi dotata di proprie frequenze, lunghezze d onda ed intensità, dall altro come particelle, dette fotoni, dotate di una energia pari a E=hc/λ E è l energia del singolo fotone h èla costante di Planck pari a circa 6,626x10-34 Js λ è la lunghezza d onda della onda elettromagnetica associata al fotone c èla velocitàdella luce paria circa m/s

10 1. LA RADIAZIONE SOLARE Èproprio l energia posseduta dai fotoni quella che si cerca di catturare ricorrendo all effetto fotovoltaico sfruttato nelle celle fotovoltaiche

11 Cenni sulla struttura elettronica degli atomi Ogni atomo possiede ai suoi livelli energetici più esterni una banda di valenza nella quale si trovano i suoi elettroni piùperiferici, detti di valenza, disponibili per l interazione con altri atomi, che tuttavia non sono liberi di muoversi liberamente fuori del legame che si viene a costituire con altri atomi. Affinché si produca un effettivo spostamento di cariche è necessario che l elettrone acquisisca una energia sufficiente a superare il gap di energia per portarsi nella banda di conduzione

12 Caratteristiche conduttive dei materiali Nei materiali isolanti gli elettroni di valenza sono bloccati nella banda di valenza perchétroppo elevato il gap di energia per passare alla banda di conduzione. Nei materiali conduttori le bande di valenza e di conduzione sono sovrapposte e gli elettroni sono liberi di muoversi, e se sottoposti ad un campo elettrico originano una corrente elettrica. Nei materiali semiconduttori gli elettroni di valenza sono bloccati nella banda di valenza come negli isolanti, ma in questo caso il gap di energia per passare nella banda di conduzione è molto piccolo e pertanto gli elettroni possono passarvi con facilità.

13 Effetto fotovoltaico Nei materiali semiconduttori l interazione di un elettrone di valenza con un fotone dotato di energia sufficiente può far passare l elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione, rendendo il semiconduttore un conduttore. Questo fenomeno è detto effetto fotovoltaico.

14 Il silicio Il materiale semiconduttore per eccellenza è il silicio, dotato di 14 elettroni di cui 4 di valenza, che si lega ad altri atomi di silicio formando reticoli cristallini nei quali ogni atomo stabilisce 4 legami covalenti con altrettanti atomi di silicio. Trasmettendo una opportuna energia agli elettroni questi passano nella banda di conduzione, lasciando un buco detta lacuna che può a sua volta essere occupata da un altro elettrone; si realizza quindi oltre ad un movimento di elettroni anche un movimento apparente di lacune. Silicio Silicio

15 Il drogaggio negativo (N) Il silicio puro tuttavia conserva una bassa conduttività, perché nel passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione occorre rompere un legame covalente. Pertanto per aumentare la conduttività si introducono nel reticolo cristallino degli atomi con 5 elettroni di valenza, come il fosforo, in modo che il quinto elettrone, non potendosi legare a nessun atomo passa molto più facilmente nella banda di conduzione, ottenendo un eccesso di cariche negative; in questi casi si dice che il silicio è drogato negativamente (N). Silicio Fosforo Donatore Elettrone debolmente legato

16 Il drogaggio positivo (P) Se invece si introducono nel reticolo cristallino degli atomi con 3 elettroni di valenza, come il boro, accade che viene a mancare un elettrone per formare un legame covalente e si crea una lacuna che si comporta a tutti gli effetti come carica positiva, si ottiene quindi un eccesso di cariche positive; in questi casi si dice che il silicio è drogato positivamente (P). Silicio Boro Lacuna Accettore

17 La giunzione P-N, Il Diodo a giunzione Se si mettono in contatto un semiconduttore di tipo P ed un semiconduttore di tipo N avviene che nella zona prossima alla giunzione gli elettroni in eccesso del semiconduttore N tendono a diffondersi nella zona P con un accumulo di carica negativa nella zona P, viceversa le lacune in eccesso del semiconduttore P tendono a diffondersi nella zona N con un accumulo di carica positiva nella zona N; questo accumularsi di cariche crea un campo elettrico che si oppone ad una ulteriore diffusione di elettroni e lacune fino a raggiungere l equilibrio. La zona prossima alla giunzione si svuota di cariche disponibili in eccesso in banda di conduzione, questa viene detta regione o zona di svuotamento. L oggetto cosìcreato prende il nome di diodo a giunzione.

18 La giunzione P-N 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

19 Simbolo e caratteristica tensione-corrente del diodo a giunzione V I

20 Caratteristica tensione-corrente del diodo La caratteristica tensione-corrente del diodo (convenzione di segno dell utilizzatore) è la seguente Dove: Ièla corrente che attraversa il Diodo Vèla tensione applicata al Diodo I 0 èla corrente di saturazione del Diodo qèla carica elettrica dell elettrone 1,6x10-19 C kèla costante di Boltzman 1,38x10-23 J/K T è la temperatura assoluta della giunzione

21 Il Diodo polarizzato direttamente

22 Il Diodo polarizzato inversamente

23 La cella fotovoltaica e la generazione di energia elettrica Se la giunzione P-N viene investita da un fascio luminoso succede che per l effetto fotovoltaico nella zona circostante la giunzione P-N si creano delle coppie lacuna-elettrone, le lacune si spostano nellala zona P e gli elettroni nella zona N, venendosi così a creare una differenza di potenziale utile a far circolare una corrente una volta collegato un carico esterno. Anche nelle restanti parti del semiconduttore si vengono a creare delle coppie lacuna-elettrone, ma la loro energia non è sufficiente a superare la zona di svuotamento e pertanto si ricombinano praticamente tutte.

24 La cella fotovoltaica e la generazione di energia elettrica

25 Caratteristica tensione-corrente della cella fotovoltaica La caratteristica tensione-corrente della cella fotovoltaica (convenzione di segno dell utilizzatore) è la seguente Dove: I è la corrente che attraversa la Cella fotovoltaica V è la tensione applicata alla Cella fotovoltaica I 0 èla corrente di saturazione della Cella fotovoltaica I sc èla corrente di cortocircuito della Cella fotovoltaica qèla carica elettrica dell elettrone 1,6x10-19 C kèla costante di Boltzman 1,38x10-23 J/K T è la temperatura assoluta della cella fotovoltaica

26 Caratteristica tensione-corrente della cella fotovoltaica I Quadrante dove la cella si comporta da semplice diodo in conduzione diretta Caratteristica al buio Caratteristica alla luce Quadrante dove la cella passa in conduzione inversa I m Quadrante dove la cella si comporta da generatore di energia elettrica V m V oc V Punto di Massima Potenza I sc

27 Parametri caratteristici della cella fotovoltaica Corrente di cortocircuito La corrente di cortocircuito I sc aumenta con l area della giunzione P- N, valori tipici per il silicio cristallino sono compresi nell intervallo ma/cm 2. Tensione a vuoto Altro parametro è la tensione a vuoto V oc, si ottiene ponendo I=0 nella caratteristica della cella fotovoltaica e vale La tensione a vuoto dipende essenzialmente dal tipo di semiconduttore e per il silicio vale circa 0,5 0,6 V

28 Chiudendo la cella su di una resistenza R il punto di funzionamento si ottiene intersecando la caratteristica della cella con quella della resistenza V = RI, variando il cui valore varia il punto di funzionamento, quando il punto di funzionamento è(v m,i m ) si ha che la cella eroga la massima potenza possibile. La caratteristica della cella per correnti inferiori a I m è prossima a quella di un generatore ideale di corrente che mantiene costante la corrente al variare della tensione. Fill factor (fattore di riempimento) Èpari al rapporto FF= V m I m / V oc I sc tanto piùèelevato il FF tanto piùè squadrata la caratteristica della cella, avvicinandosi alla caratteristica ideale; è quindi un indice della qualità della cella, per le celle in commercio vale 0,70 0,85.

29 Caratteristica tensione-corrente e di potenza della cella fotovoltaica (convenzione di segno del generatore) I [A] I sc Caratteristica I-V V = R I P [W] I m Punto di massima potenza P m = V m I m Andamento della potenza P = V I V m V oc

30 Il rapporto tra la potenza elettrica massima che eroga la cella e la potenza che riceve dal sole è l efficienza di conversione della cella η. Valori tipici vanno dal 5% al 20%. 2. LE CELLE FOTOVOLTAICHE Efficienza della cella fotovoltaica

31 Efficienza della cella fotovoltaica Principali fenomeni che limitano l efficienza della cella: fotoni con energia eccessiva rispetto a quella necessaria a produrre la coppia elettrone-lacuna, l energia in eccesso si trasforma in calore fotoni con energia insufficiente rispetto a quella necessaria a produrre la coppia elettrone-lacuna, l energia si trasforma in calore Fenomeni di ricombinazione nella cella delle coppie elettrone lacuna Riflessione sulla superficie incidente Presenza della griglia conduttiva superiore che scherma parte della cella Perdite sulla resistenza interna della cella e nei contatti elettrici.

32 Efficienza dell effetto fotovoltaico Utilizzando come semiconduttore il silicio, l energia minima necessaria a liberare una coppia elettrone lacuna corrisponde ad una lunghezza d onda massima della radiazione luminosa di 1150 nm. Pertanto solo parte dello spettro solare innescherà l effetto fotovoltaico (area ombreggiata in figura). Solo circa il 44% dell energia si trasforma in elettricità il resto si dissipa in calore.

33 Circuito equivalente di una cella fotovoltaica Tutte le perdite possono essere tenute in conto introducendo nel circuito equivalente della cella una resistenza in parallelo R p che tiene conto della diminuzione della corrente prodotta dalla cella e da una resistenza in serie R s che tiene conto della diminuzione della tensione prodotta dalla cella. La presenza di queste R s resistenze allontana ulteriormente la R caratteristica da quella p ideale con conseguente diminuzione del fill factor.

34 Variazione della caratteristica col variare dell irraggiamento Al aumentare dell irraggiamento solare, aumenta anche il numero di fotoni che colpisce la giunzione P-N e pertanto aumenta la corrente I sc dalla cella, senza che vari apprezzabilmente la tensione V oc. I [A] W/m W/m W/m W/m W/m W/m 2 Caratteristica I-V di un modulo commerciale da 50Wp a V [V]

35 Variazione della caratteristica col variare della temperatura All aumentare della temperatura, diminuisce la tensione V oc e pertanto varia la corrente erogata dalla cella, senza che vari apprezzabilmente la corrente I sc CORRENTE DI CORTOCIRCUIT O I CC (V=0) TENSIONE A VUOTO V 0 (I=0) C -20 C 0 C 20 C 40 C 60 C V [V]

36 Tipologie di celle fotovoltaiche La maggior parte delle celle fotovoltaiche attualmente in commercio è costituita da semiconduttori in silicio per i seguenti motivi: Disponibilità pressoché illimitata (risorse del pianeta) Largo utilizzo nell industria elettronica (processi tecnologici di raffinazione, lavorazione e drogaggio ben affinati) Possibilità di riciclare gli scarti dell industria elettronica in quanto l industria fotovoltaica tollera concentrazioni di impurità tipicamente di (contro i valori di relativi all industria elettronica)

37 Celle al silicio monocristallino Gemmazione e crescita cristallina. Il silicio a cristallo singolo è ottenuto da un processo detto melting a partire da cristalli di silicio di elevata purezza che, una volta fusi, vengono fatti solidificare a contatto con un seme di cristallo. Il silicio solidifica nella forma di un lingotto cilindrico costituito da un unico cristallo del diametro di cm e lunghezza di circa 200 cm; Taglio. Il lingotto viene affettato con particolari seghe in wafers con spessore di µm (spinto sfruttamento del lingotto contro un estrema fragilità dei wafers) Efficienza η= %

38 Celle al silicio policristallino Forma. Il silicio policristallino è caratterizzato dalla presenza di più cristalli aggregati fra di loro con forme, dimensioni ed orientamenti differenti; Costi contenuti. (rispetto al silicio monocristallino) Efficienza η= %

39 Celle al film sottile (silicio amorfo, CdTe, CuIS, ) Forma. Il semiconduttore, sotto forma di gas, è depositato in strati dell ordine di 10 µm su qualsiasi superficie (tecnica dei film sottili); Maggiore variabilitàdelle prestazioni elettriche con irraggiamento e temperatura. Costi contenuti (rispetto al silicio policristallino) Efficienza η= 5 12 %

40 Celle multigiunzione Tecnica della giunzione multipla. Con il drogaggio differente di vari strati di semiconduttore collegati in serie si ottengono celle con diverse sensibilitàallo spettro solare. Il risultato si traduce in un maggior rendimento e resa energetica; Efficienza η> 20 %

41 3. SISTEMI FOTOVOLTAICI Modulo fotovoltaico È un insieme di più celle fotovoltaiche collegate elettricamente in blocchi di serie e parallelo ed assemblate in un unico contenitore. Ciò perché una singola cella non ha caratteristiche sufficienti a soddisfare gli impieghi più comuni. La tensione di più celle collegate in serie è pari alla somma delle tensioni della cella, la corrente di più celle collegate in parallelo è pari alla somma delle correnti delle singole celle.

42 3. SISTEMI FOTOVOLTAICI Diodi di bypass Necessari ad evitare che l effetto mismatch (non perfetta uguaglianza fra le caratteristiche delle celle) o gli ombreggiamenti provochino potenziali danni alle celle

43 3. SISTEMI FOTOVOLTAICI Struttura di un modulo fotovoltaico

44 3. SISTEMI FOTOVOLTAICI Struttura di un campo fotovoltaico Schema elettrico e diodi di blocco

45 3. SISTEMI FOTOVOLTAICI Convertitori (regolatori di carica, inverter, )