IMPIANTI FOTOVOLTAICI

Transcript

1 IMPIANTI FOTOVOLTAICI Generalità e IMPIANTI FOTOVOLTAICI L impianto fotovoltaico è l insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che captano l energia solare, la trasformano in energia elettrica, sino a renderla disponibile all utilizzazione da parte dell utenza. E fondamentalmente costituito dai seguenti componenti: un generatore un sistema di condizionamento e controllo della potenza un eventuale accumulatore di energia (batteria) la struttura di sostegno 2

2 IMPIANTI FOTOVOLTAICI Tutti gli impianti fotovoltaici, in base alle loro caratteristiche e al loro utilizzo, sono classificabili nelle seguenti categorie: Alimentazione diretta; Funzionamento ad Isola (Stand Alone) Funzionamento per immissione in rete (Grid connectetd) 3 IL GENERATORE FOTOVOLTAICO In commercio troviamo i moduli fotovoltaici che sono costituiti da uninsieme di celle. I più diffusi sono costituiti da 36 celle disposte su 4 file parallele collegate in serie. Hanno superfici che variano da 0,5 a 1m 2 e permettono l accoppiamento con gli accumulatori da 12Vcc nominali. Più moduli collegati in serie formano un pannello, ovvero una struttura comune ancorabile al suolo o ad un edificio. Più pannelli collegati in serie costituiscono una stringa. Più stringhe, collegate generalmente in parallelo per fornire la potenza richiesta, costituiscono il generatore fotovoltaico 4

3 IL GENERATORE FOTOVOLTAICO 5 IL GENERATORE FOTOVOLTAICO Il generatore fotovoltaico produce CORRENTE ELETTRICA CONTINUA. Dal punto di vista elettrico non ci sono praticamente limiti alla produzione di potenza da sistemi fotovoltaici, perché il collegamento in parallelo di più file di moduli, le stringhe, consente di ottenere potenze elettriche di qualunque valore. Il trasferimento dell energia dal sistema fotovoltaico all utenza avviene attraverso ulteriori i dispositiviiti i necessari a trasformare la corrente continua prodotta in corrente alterna, adattandola alle esigenze dell utenza finale. L energia elettrica prodotta sarà, ovviamente, proporzionale all energia solare incidente 6

4 LA CELLA FOTOVOLTAICA Il componente elementare di un generatore fotovoltaico è la CELLA. È lì che avviene la conversione della radiazione solare in correnteelettrica ltti CONTINUA Cella in silicio monocristallino Cella in silicio policristallino 7 LA CELLA FOTOVOLTAICA L efficienza di conversione delle celle attualmente disponibili sul mercato varia dal 10% al 21%. La cella si comporta come una minuscola batteria e nelle condizioni di soleggiamento tipiche dell Italia (1kW/m 2 ), alla temperatura di 25 C fornisce: una corrente I = 3A una tensione V = 0,5V UnaU potenza di picco P p = 1,5 1,7Wp. 1 8

5 TECNOLOGIA DELLA CELLA FOTOVOLTAICA Essa è costituita da una sottile fetta di un materiale semiconduttore, quasi sempre silicio opportunamente trattato, dello spessore di circa 0,3mm. Può essere rotonda o quadrata e può avere una superficie compresa tra i 100 e i 225cm 2 Il silicioche i costituisce i la fetta viene drogato mediante l inserimentoi su una faccia di atomi di boro (drogaggio p) e sull altra faccia con piccole quantità di fosforo (drogaggio n) 9 TECNOLOGIA DELLA CELLA FOTOVOLTAICA CELLA FOTOVOLTAICA SOLE CRISTALLO DI TIPO n CRISTALLO DI TIPO p CCEICB/RINNO21.DOC CCEICB/RINNO51.DOC Nella zona di contatto tra i due strati a diverso drogaggio si determina un campo elettrico. Quando la cella è esposta alla luce, pereffetto effetto fotovoltaico, si generano delle cariche elettriche e, se le due facce della cella sono collegate ad un utilizzatore, si avrà un flusso di elettroni sotto forma di corrente elettrica continua. 10

6 CELLA FOTOVOLTAICA 11 TECNOLOGIA DELLA CELLA FOTOVOLTAICA Attualmente il silicio, monoe policristallino, impiegato nella costruzione delle celle è lo stesso utilizzato dall industria dus a elettronica, ee ca,che richiede materiali ae a molto o puri e quindi costosi. Tra i due tipi il silicio policristallino è il meno costoso, ma ha rendimenti leggermente inferiori del monocristallino. Per ridurre il costo della cella sono in studio nuove tecnologie che utilizzano il silicio amorfo e altri materiali policristallini,,quali il Seleniuro di Indio e Rame e il Tellurio di Cadmio. 12

7 CELLA FOTOVOLTAICA 13 L'EFFETTO FOTOVOLTAICO Consiste nella conversione diretta della radiazione solare in energia elettrica. Tale fenomeno avviene nella cella fotovoltaica, o o tipicamente pca ecostituita da una asottile lamina di materiale semiconduttore, molto spesso silicio. Il modello corpuscolare della luce prevede che essa sia formata da particelle, prive di massa, cui si dà il nome difotoni fotoni. Ognifotone trasporta unaquantità dienergia 14

8 Quando un fotone dotato di sufficiente energia viene assorbito dalla cella, nel materiale semiconduttore si crea una coppia di cariche elettriche di segno opposto: un elettrone (cioè unacarica di segno negativo) ed una lacuna (carica positiva). Si dice allora che queste cariche sono disponibili per la conduzione di elettricità. i Per aumentare l efficienza della conduzione il silicio viene drogato. L'EFFETTO FOTOVOLTAICO 15 EFFETTO FOTOVOLTAICO L EFFICIENZADI CONVERSIONE L efficienza diconversione è limitata da: fattori di tipo fisico: sco dovuti alle aecaratteristiche a c e del fenomeno fotovoltaico e pertanto assolutamente inevitabili fattori di tipo tecnologico: derivano dal particolare processo adottato per la fabbricazione della cella. 16

9 EFFETTO FOTOVOLTAICO L EFFICIENZADI CONVERSIONE Le cause di inefficienza di tipo fisico rappresentano il 56 % di tutta l energia incidente e sono essenzialmente dovute al fatto che: non tutti i fotoni possiedono un energia sufficiente a generare una coppia elettrone lacuna; l eventuale eccesso di energia dei fotoni (rispetto all energia minima richiesta) non genera altre coppie, ma viene semplicemente dissipato sotto forma di calore all interno della cella. 17 EFFETTO FOTOVOLTAICO L EFFICIENZADI CONVERSIONE Le cause di inefficienza di tipo tecnologico (che rappresentano il 28 % di tutta l energia incidente) sono invece dovute al fatto che: non tutti i fotoni riescono a penetrare all interno della cella, una parte di essi viene riflessa; una parte della corrente generata non arriva al carico, ma circola soltanto all interno della cella; solo una porzione dell energia che il fotone cede all elettrone, viene trasformata in energia elettrica; non tutte le coppie elettrone lacuna generate vengono separate dal campo elettrico di giunzione, una parte si ricombina all interno della cella; l energia e e gaeett elettrica capodottaè prodotta soggetta a perdite causate dalla a presenza di resistenze serie. 18

10 EFFETTO FOTOVOLTAICO L EFFICIENZADI CONVERSIONE Le due perdite di tipo fisico (che, come si è visto, sono quelle più consistenti) sono evidenziate in altra forma nel seguente grafico: energia in eccesso (non sfruttata) nel visibile: 32 % lunghezza d onda troppo grande (infrarosso): 24 % 19 LE CARATTERISTICHE ELETTRICHE DELLA CELLA La cella fotovoltaica, quando non viene illuminata, ha un comportamento analogo a quello di un diodo a semiconduttore. In queste condizioni la tensione e la corrente sono legate da una relazione di tipo esponenziale. Quando la cella viene illuminata, la giunzione diventa una sorgente di coppie elettrone lacuna, pertanto, da un punto di vista circuitale, ha un comportamento analogo a quello di un diodo con un generatore di corrente in parallelo. Il circuito equivalente della cella sarà quello sopra indicato (con R s si è indicata la resistenza serie che la corrente I, uscente dalla cella, incontra prima del carico) 20

11 LE CARATTERISTICHE ELETTRICHE DELLA CELLA Volendo ricavare la caratteristica corrente tensione della cella (cioè il grafico della relazione che lega la corrente netta I uscente dalla cella alla tensione V che si genera ai suoi capi), è sufficiente eseguire il bilancio delle correnti al nodo X: I = I g I d Da questa relazione si vede che il grafico cercato, rispetto alla caratteristica ti I d Vdel solo diodo, è ribaltato verticalmente (cioè in corrente, a causa del segno che compare davanti a I d ), e spostato verso l alto di una quantità pari alla corrente fotogenerata I g 21 LE CARATTERISTICHE ELETTRICHE DELLA CELLA Per cui la caratteristica I V della cella illuminata avrà il seguente andamento: punto di lavoro Nel grafico abbiamo indicato con: V oc :la tensione di circuito aperto (open circuit), che si misura ai terminali della cella dopo aver scollegato il carico I = 0; retta di carico I sc :la corrente di corto circuito (short circuit), che si misura in uscita dalla cella dopo aver effettuato un collegamento diretto tra i suoi terminali V = 0 (in queste condizioni anche la corrente I d è nulla, per cui la corrente di corto circuito I sc coincide con la corrente foto generata I g ). Poiché la corrente fotogenerata varia con l irraggiamento e con la temperatura (in misura minore), la caratteristica corrente tensione della cella risulterà influenzata anche da questi parametri 22

12 CELLA FOTOVOLTAICA 23 I MODULI FOTOVOLTAICI Le celle solari costituiscono i un prodotto intermedio dell industria fotovoltaica: forniscono valori di tensione e corrente limitati in rapporto a quelli normal mente richiesti dagli apparecchi utilizzatori, sono estremamente fragili, elettri camente non isolate, prive di supporto meccanico. Esse vengono quindi assemblate in modo opportuno, a costituire un unica struttura: il modulo foto voltaico. Si tratta di una struttura robusta e maneggevole, in grado di garantire molti anni di funzionamento anche in condizioni ambientali difficili. 24

13 I MODULI FOTOVOLTAICI I moduli in commercio attualmente più diffusi (con superficie variabile da 0,5 a 2 m 2 ), che utilizzano celle al silicio mono e policristallino, prevedono tipica mente 36 celle collegate elettricamente in serie. Il modulo così costituito ha una potenza che va dai 50 ai 350 W p, a seconda del tipo e dell efficienza delle celle, e tensione di lavoro di circa 18V con corrente da 3 a 20 A. I moduli comunemente usati nelle applicazioni commerciali hanno un rendimento complessivo che va dal 12 al 21%. 25 Cella FV I MODULI FOTOVOLTAICI 10 cm Corrente = 3 Ampere Tensione = 0,5 Volt Potenza di picco = 1,5 Watt MODULO FV n celle = 36 in serie Potenza di picco = 50 a 350 Watt Tensione = 18 Volt in corrente continua 26

14 I MODULI FOTOVOLTAICI 27 I MODULI FOTOVOLTAICI Un modulo FV è costituito da: 28

15 COSTRUZIONEDEI MODULI FOTOVOLTAICI Il processo di fabbricazione dei moduli è articolato in tre fasi: 1. La connessione elettrica consiste nel collegare (normalmente in serie) le singole celle, per ottenere i valori di tensione e di corrente desiderati. Al fine di ridurre le perdite, è necessario che le celle di uno stesso modulo abbiano caratteristiche elettriche simili tra loro. 2. L incapsulamentoconsiste Lincapsulamento consiste nell inglobare lecellefotovoltaiche tra una lastra di vetro e una di plastica. È importante che l incapsulamento, oltre a proteggere le celle, sia trasparente alla radiazione solare, stabile ai raggi ultraviolettie e allatemperatura temperatura, abbiacapacità autopulentie e consenta di mantenere bassa la temperatura delle celle. In linea di principio la vita di una cella solare è infinita: sono pertanto solo le carattetistiche ti ti dell incapsulamento l a dt determinare la durata di vita del modulo, oggi stimabile in anni. 3. Il montaggio della cornice conferisce al modulo maggiore robustezza, e ne consente l ancoraggio alle strutture di sostegno. 29 I MODULI FOTOVOLTAICI Dati di targa P p = V oc = I sc = V mp = I mp = DATI DI TARGA 90 Watt 20,7 V 6,2 A 16,7 V 5,4 A Specifiche climatiche i 1000 W/m 2 e 25 C P p = Potenza di picco nelle condiz. standard V oc = Tensione a circuito aperto I sc = Corrente a circuito aperto V mp = Tensione al punto di max potenza I mp = Corrente al punto di max potenza 30

16 ARCHITETTURA DEGLI IMPIANTI (GENERATORI) FOTOVOLTAICI PANNELLO FV Più moduli collegati in serie o in parallelo formano il pannello, ovvero una struttura rigida iid ancorabile al suolo o ad un edificio. STRINGA FV Un insieme di pannelli, collegati elettricamente in serie in modo da fornire la tensione richiesta. ihi GENERATORE FV E formato da più stringhe collegate in parallelo, per fornire la potenza richiesta. 31 PANNELLO FV Moduli collegati in serie o in parallelo 32

17 STRINGA FV Pannelli collegati in serie per ottenere la tensione voluta 33 STRINGA FV Pannelli collegati in serie per ottenere la tensione voluta 34

18 GENERATORE FV Stringhe collegate in parallelo per ottenere la potenza voluta 1 a Stringa 2 a Stringa 3 a Stringa 35 SIMBOLOGIA ELETTRICA Un solo modulo FV o anche un intero Generatore FV vengono solitamente rappresentati elettricamente da questo simbolo:

19 RACCOMANDAZIONI DI SICUREZZA ATTENZIONE: poiché il modulo fotovoltaico può essere assimilato ad un generatore di tensione permanentemente alimentato dalla luce del giorno, per i cablaggi dei circuiti in c.c. occorre, ai fini della sicurezza, seguire la seguente procedura: Eseguire tutti i collegamenti utilizzando appositi attrezzi di lavoro sotto tensione; Collegare in serie i moduli FV lasciando aperta la stringa in un punto (es.: collegamento del modulo centrale); Collegare successivamente gli estremi della stringa (polo positivo e polo negativo) al relativo sezionatore del quadro di sottocampo CC; avendo cura di lasciare aperto il sezionatore in oggetto, completare il collegamento del modulo lasciato scollegato precedentemente. 37 LE TIPOLOGIE DI IMPIANTI FOTOVOLTAICI Gli impianti fotovoltaici si classificano in : IMPIANTI AD ALIMENTAZIONE DIRETTA IMPIANTI ISOLATI (STAND ALONE) nei quali l energia prodotta alimenta direttamente un carico elettrico e l eccedenza viene generalmente accumulata in apposite batterie di accumulatori. IMPIANTI CONNESSI ALLA RETE ELETTRICA (GRID CONNECTED) nei quali l energia viene convertita in c.a. per alimentare il carico utente e/o immessa in rete, con la quale l impianto lavora in regime diinterscambio. 38

20 IMPIANTIAD AD ALIMENTAZIONEDIRETTA L apparecchio da alimentare viene collegato direttamente al modulo FV. Il grande svantaggio di questo tipo di impianti è che l apparecchio collegato non funziona in assenza di sole (di notte). Applicazioni: piccole utenze come radio, piccole pompe, calcolatrici tascabili,ecc. 39 IMPIANTI STAND ALONE 40

21 IMPIANTI STAND ALONE Sono impianti NON COLLEGATI ALLA RETE ELETTRICA nazionale. Sono principalmente costituiti dai seguenti elementi: PANNELLO/MODULO FOTOVOLTAICO REGOLATORE DI CARICA: è un apparecchio elettronico che regola la ricarica e la scarica degli accumulatori. Uno dei suoi compiti è di interrompere la ricarica ad accumulatore pieno. ACCUMULATORI (Batterie) : sono i magazzini di energia di un impianto fotovoltaico. Essi forniscono l energia elettrica quando i moduli non sono in grado di produrne, per mancanza di irradiamento solare. INVERTER: trasforma la corrente continua proveniente dai moduli e/odagliaccumulatori accumulatori incorrente alternata convenzionale a 230V. Se l apparecchio da alimentare necessita di corrente continua si può fare a meno di questa componente. 41 IMPIANTI STAND ALONE Schema a blocchi c.c. c.c. c.a. 42

22 IMPIANTI STAND ALONE L energia fornita dal modulo, ma momentaneamente non utilizzata,viene usata per caricare degli accumulatori. Quando il fabbisogno aumenta, o quando il modulo FV non funziona (p.e. di notte), viene utilizzata l energia immagazzinata negli accumulatori. Questi impianti risultano tecnicamente ed economicamente vantaggiosi nei casi in cui la rete elettrica è assente o difficilmente raggiungibile. Infatti, spesso sostituiscono i gruppi elettrogeni. APPLICAZIONI: zone non raggiunte dalla rete di distribuzioneelettrica elettrica e dove l installazione di essa non sarebbe conveniente. ESEMPI APPLICATIVI: apparecchiature per il pompaggio dell acqua, soprattutto in agricoltura; ripetitori radio, stazioni di rilevamento e trasmissione dati(meteorologici e sismici), apparecchi telefonici; apparecchi di refrigerazione, specie per il trasporto medicinali; sistemi di illuminazione; segnaletica sulle strade, nei porti e negli aeroporti; alimentazione dei servizi nei camper; impianti pubblicitari, ecc. 43 IMPIANTI GRID CONNECTED 44

23 IMPIANTI GRID CONNECTETD Sono impianti COLLEGATI ALLA RETE ELETTRICA nazionale. Sono costituiti da: PANNELLO/MODULO FOTOVOLTAICO INVERTER: trasforma la corrente continua proveniente dai dimoduli liin corrente alternata convenzionale a 230V. Se l apparecchio da alimentare necessita di corrente continua si può fare a meno di questa componente. CONTATORE BIDIREZIONALE: misura l energia prodotta dall impianto e non utilizzata dall utenza e che viene quindi ceduta alla rete elettrica e nell altra l direzione l energia prelevata dalla rete elettrica necessaria all utenza, quando l impianto FV non produce energia (notte) o ne produce meno del necessario (ore serali, cielo nuvoloso, presenza di nebbia o neve) QUADRO ELETTRICO: per la distribuzione dell energia CONTATORE MONODIREZIONALE (opzionale): serve a misurare l energia prodotta dall impianto FV. 45 IMPIANTI GRID CONNECTED Schema a blocchi c.c. c.a. c.a. 46

24 IMPIANTI GRID CONNECTED Nelle ore in cui il generatore fotovoltaico non è in grado di produrre l energia necessaria a coprire la domanda di elettricità, la rete fornisce l energia richiesta. Viceversa, se il sistema fotovoltaico produce energia elettrica in più, il surplus può essere trasferito alla rete o accumulato. L energia momentaneamente non utilizzata viene immessa nella rete pubblica (REGIME DI INTERSCAMBIO). Il gestore di un impianto di questo tipo fornisce dunque l energia eccedente a tutti gli altri utenti collegati alla rete elettrica, come una normale centrale elettrica. Un inverter trasforma la corrente continua prodotta dal sistema fotovoltaico in corrente alternata. I sistemi connessi alla rete, ovviamente, non hanno bisogno di batterie perché la rete di distribuzione sopperisce alla fornitura di energia elettrica nei momenti di indisponibilità della radiazione solare. Il gestore di un impianto fotovoltaico di questo tipo verrà pagato dall impresa erogatrice di energia elettrica per l energia immessa in rete. L energia è ecologica ed aiuta ad ammortizzare gli investimenti in tempi relativamente brevi. Applicazioni: in qualsiasi posto che disponga di un allacciamento standard alla rete pubblica, come abitazioni, uffici, stabilimenti industriali, officine artigianali, banche, scuole, edifici pubblici, ecc.: 47 IMPIANTI GRID CONNECTED Regime di interscambio Negli impianti per immissione in rete l energia viene convertita direttamente in corrente elettrica alternata che può alimentare le normali utenze oppure essere immessa nella rete, con la quale lavora in regime di interscambio. In quest ultimo caso presso l utente sono installati due contatori: uno che contabilizza l energia elettrica fornita dall impianto fotovoltaico alla rete ed uno che contabilizza l energia elettrica che l utente preleva dalla rete. Nell ipotesi in cui le due tariffe coincidano, l utente paga all ente erogatore dell energia elettrica ltti solo la differenza tra l energia consumata, prelevata dalla rete, e quella fornita alla rete. 48

25 IMPIANTI GRID CONNECTED Gli impianti fotovoltaici per immissione in rete rappresentano dal punto di vista applicativo la soluzione ideale in quanto tutta l energia generata dall impianto viene comunque utilizzata: o direttamente dall utente o immessa nella rete elettrica che costituisce quindi un sistema di accumulo infinito. La mancanza di un sistema di accumulo locale consente inoltre di ridurre sia i costi iniziali sia quelli di esercizio (le batterie di accumulo dopo un certo numero di anni devono infatti essere sostituite). Per comprendere meglio la logica con la quale funzionano gli impianti fotovoltaici per immissione in rete è utile fare riferimento al grafico che riporta il bilancio energetico di un impianto fotovoltaico per una tipica utenza residenziale. 49 IMPIANTI GRID CONNECTED 50

26 IMPIANTIFOTOVOLTAICI IBRIDI Sono realizzati in utenze dove è necessaria o richiesta autonomia e indipendenza dalla rete elettrica nazionale che di fatto è utilizzata solo per la cessione di energia, mentre l acquisto è limitato a casi eccezionali (assenza di soleggiamento per lunghi periodi a causa del maltempo). 51