Sistemi fotovoltaici

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1 Prof.ssa Matilde Pietrafesa Università Mediterranea Reggio Calabria Dipartimento DIIES dell Informazione, delle Infrastrutture e dell Energia Sostenibile Sistemi fotovoltaici 24/03/2016 1

2 Cenni storici 1839: Becquerel a 19 anni scopre l effetto fotovoltaico, osservando il formarsi di una ddp tra due elettrodi identici di platino, uno illuminato e l altro al buio. Tale ddp dipendeva dall intensità e dal colore della luce 1905: Einstein pubblica la sua teoria sull effetto fotoelettrico, del quale l effetto fotovoltaico rappresenta una sottocategoria nei primi anni 40 si possono osservare i primi dispositivi basati sul silicio dal 1953, grazie alle applicazioni in elettronica, il silicio diventa lo standard della produzione di celle fotovoltaiche 24/03/2016 2

3 Effetto fotoelettrico Quando una radiazione elettromagnetica investe un materiale può cedere energia agli elettroni più esterni degli atomi del materiale. L effetto fotoelettrico è il fenomeno fisico caratterizzato dall'emissione di elettroni da parte di una superficie, solitamente metallica, quando viene colpita da radiazione elettromagnetica contenente fotoni di determinata lunghezza d'onda.

4 Emissione di elettroni da parte di un metallo 1 ev = 1.6 x J Metallo Energia fotoni (ev) Lunghezza d'onda λ (nm) = c/f Frequenza f (Hz) = E(J)/h Radiazione Elettromagnetica Potassio (K) 2,25 ev 552 nm 5,43 x Hz luce verde Sodio (Na) 2,28 ev 544 nm 5,51 x Hz luce verde Calcio (Ca) 3,20 ev 388 nm 7,74 x Hz luce viola Torio (Th) 3,47 ev 357 nm 8,39 x Hz raggi ultravioletti Zinco (Zn) 4,27 ev 291 nm 1,03 x Hz raggi ultravioletti Rame (Cu) 4,48 ev 278 nm 1,08 x Hz raggi ultravioletti Ferro (Fe) 4,63 ev 268 nm 1,12 x Hz raggi ultravioletti Argento (Ag) 4,70 ev 263 nm 1,14 x Hz raggi ultravioletti Nichel (Ni) 4,91 ev 252 nm 1,19 x Hz raggi ultravioletti

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6 Cellula fotoelettrica L'effetto è sfruttato nella cellula fotoelettrica, in cui gli elettroni emessi da uno dei due poli della cellula, il fotocatodo, migrano verso l'altro polo, l'anodo, per effetto di un campo elettrico applicato.

7 Effetto fotovoltaico L effetto fotovoltaico è invece il fenomeno fisico che si realizza quando in un materiale semiconduttore un elettrone della banda di valenza, che corrisponde allo stato legato più esterno (guscio atomico esterno), assorbendo un fotone sufficientemente energetico incidente, passa alla banda di conduzione, ove non è più legato

8 Sistemi fotovoltaici Il fenomeno viene utilizzato per la produzione di energia elettrica in celle fotovoltaiche. Esse sono basate sulla capacità dei semiconduttori, opportunamente trattati (drogati), di convertire l energia della radiazione solare in energia elettrica.

9 Conduttori, semiconduttori isolanti Se un materiale presenta un unica banda di energia (banda di conduzione) occupata solo in parte è un conduttore Se invece un estesa banda proibita (band gap) (E gap 6 ev) separa la banda di valenza, piena, dalla banda di conduzione, vuota, il materiale è un isolante Se l ampiezza del band gap è relativamente piccola (E g 1 ev) il materiale è detto semiconduttore Conduttori (Litio, Sodio, Potassio, metalli nobili: Rame, Argento, Oro) Semiconduttori (Silicio, Arseniuro di Gallio) Isolanti (legno, plastiche)

10 Effetto della temperatura sui semiconduttori Nei semiconduttori, a bassa temperatura, in assenza di radiazione la banda di valenza rimane al completo e quella di conduzione libera, ed essi si comportano come isolanti Al crescere della temperatura, alcuni degli elettroni della banda di valenza acquisiscono energia termica superiore ad E g, spostandosi verso la banda di conduzione ed il materiale diviene perciò leggermente conduttori (semiconduttore)

11 Band gap in isolanti e conduttori Nel caso di materiali isolanti, il band gap risulta troppo elevato per essere eguagliato dall'energia di un fotone incidente, mentre per i materiali conduttori l'energia del band gap è piccolissima e viene fornita direttamente dalle fluttuazioni termiche. Nei semiconduttori, invece il piccolo band gap può essere colmato grazie all energia fornita da un fotone incidente.

12 Banda proibita e fotone Un fotone incidente, per far passare un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione, deve possedere un energia minima, superiore a quella corrispondente alla banda proibita del materiale. L'assenza dell'elettrone viene detta lacuna.

13 Energia dei Fotoni Solo i fotoni con contenuto energetico maggiore dell energia di band-gap E g (E > E g ) sono in grado di generare una coppia lacuna elettrone Se E < E g si avrà solo il riscaldamento della cella Se E >> E g si avrà sia il salto elettronico che il riscaldamento della cella.

14 Valori dell Energy gap nei Semiconduttori Il semiconduttore maggiormente diffuso è il silicio Si Analogamente al caso dell effetto fotoelettrico, il livello di banda del materiale determina la parte dello spettro di luce solare che può essere assorbito (IR-UV: ev). 24/03/

15 Generazione di una corrente elettrica in un semiconduttore Quando un flusso luminoso investe un semiconduttore e si verifica la transizione in banda di conduzione di un certo numero di elettroni (al quale corrisponde un egual numero di lacune che passa in banda di valenza) si rendono disponibili portatori di carica, sfruttabili per generare una corrente. A tal fine è necessario creare un campo elettrico interno, stabilendo eccessi di atomi caricati di segno opposto in parti opposte del materiale.

16 Drogaggio di un semiconduttore La creazione di un campo elettrico interno si ottiene mediante drogaggio del semiconduttore. Generalmente viene realizzato sostituendo atomi del semiconduttore (silicio, appartenente al quarto gruppo, con 4 elettroni di valenza) con atomi del terzo, come il boro, con 3 elettroni di valenza, e del quinto (fosforo), con 5, per ottenere strutture rispettivamente con eccesso di lacune e con eccesso di elettroni.

17 Tavola periodica

18 Atomo di silicio L'atomo di silicio possiede 14 elettroni, 4 dei quali di valenza, che possono partecipare alle interazioni con altri atomi, sia di silicio che di altri elementi, formando una struttura reticolare molto forte

19 Struttura del Silicio In un cristallo di Silicio chimicamente puro ogni atomo ha un legame covalente con altri 4 atomi, cosicché non vi sono elettroni liberi (ottetto elettronico). Tutti gli elettroni si trovano in banda di valenza e per passare in banda di conduzione si ha un gap di 1.14 ev 24/03/

20 Drogaggio del Silicio Alcuni atomi di silicio nel cristallo vengono sostituiti con atomi di FOSFORO con 5 elettroni di valenza, di cui 4 vengono usati per formare legami con atomi adiacenti di silicio, mentre il quinto diventa libero di muoversi nel reticolo. Si parla di portatori di carica negativi e di materiale di TIPO N. Se la sostituzione avviene con atomi di BORO, con 3 elettroni di valenza, ci sarà un elettrone mancante per completare i legami con gli atomi adiacenti di silicio, che agirà come se fosse un elettrone positivo, chiamato lacuna. Si parla in tal caso di portatori di carica positivi e 24/03/ materiale di TIPO P.

21 Giunzione p-n Lo strato drogato con elementi del terzo gruppo presenta quindi un eccesso di carica positiva; di contro quello drogato con elementi del quinto gruppo presenta un eccesso di carica negativa. Lo strato a carica negativa viene chiamato strato n, quello a carica positiva strato p, la zona di separazione è detta giunzione p-n. Globalmente il materiale è neutro.

22 Corrente di Diffusione Mettendo a contatto i due materiali così ottenuti, gli eccessi di cariche di segno opposto in parti opposte del materiale creano un campo elettrico, che instaura un processo di diffusione, ossia gli elettroni cominciano a diffondere dalla zona n alla zona p e le lacune in direzione opposta, dando vita alla corrente di diffusione. 24/03/

23 Regione di svuotamento Il processo di diffusione di elettroni e lacune determina vicino alla giunzione (zona più interessata al fenomeno, risentendo maggiormente della differenza di concentrazione) una zona intermedia, detta regione di svuotamento (depletion region) o di carica spaziale, spessa pochi micron, nella quale gli elettroni liberi e le lacune si ricombinano, lasciando ionizzati gli strati adiacenti di materiale: negativamente dalla parte di tipo p, positivamente dalla parte di tipo n.

24 Corrente di Drift Tale depletion region dà origine, a sua volta, ad un campo elettrico dovuto agli atomi di impurezze ionizzati rimasti nelle due zone, che si estende a cavallo della regione e che si oppone ad un ulteriore scambio di portatori di carica: si creeranno così due correnti, opposte a quelle di diffusione, rispettivamente di elettroni dalla zona P alla zona N, e di lacune dalla N alla P, dette correnti di Drift o di deriva.

25 Equilibrio Appena l'intensità della corrente di Drift diviene tale da contrastare la corrente di diffusione dei portatori di carica si instaura un equilibrio stabile dinamico. La Depletion region compresa dal campo elettrico risulta di fatto svuotata da portatori e si comporta dunque come un isolante.

26 Illuminazione della giunzione P-N Se la giunzione viene illuminata con fotoni dalla parte n, vengono a crearsi coppie elettrone-lacuna sia nella zona n che nella zona p. Più fotoni arrivano alla giunzione, più coppie di portatori si generano 24/03/

27 Collegamento ad un carico Il campo elettrico generato attraverso la giunzione spinge, come già visto, le coppie elettrone-lacuna in direzioni opposte. Connettendo la giunzione con un conduttore esterno, si otterrà un circuito chiuso nel quale il flusso di elettroni va dallo strato n, a potenziale maggiore, verso lo strato p, a potenziale minore fintanto che la cella è esposta alla luce. 24/03/

28 Collegamento ad un carico Gli elettroni in tal caso, una volta oltrepassata la zona di svuotamento, non possono più tornare indietro, perché il campo, agendo come un diodo, impedisce loro di invertire la marcia.

29 Corrente e tensione Nei materiali con bassa energia di banda E g si genererà un elevata corrente ed una bassa tensione, in quelli con alta energia di banda si genererà un elevata tensione ed una bassa corrente

30 Cella fotovoltaica Una cella fotovoltaica ha: spessore: 0,25-0,35 mm, forma: quadrata o ottagonale superficie: circa 100 cm 2 24/03/

31 Caratteristiche della cella fv Potenza 1.5 W p in condizioni standard: Irraggiamento = 1 kw/m 2 ; Temperatura = 25 C; Massa d aria = 1,5 (in tali condizioni la potenza è detta di picco) Superficie cm 2 Corrente 3-4 A Tensione 0.5 V 24/03/

32 Efficienza di una cella fotovoltaica Di tutta l energia che investe la cella solo una parte viene convertita in energia elettrica. Si definisce Efficienza il rapporto tra potenza elettrica generata e radiazione solare incidente. 24/03/

33 Perdite di energia Le cause della bassa efficienza delle celle possono essere raggruppate in quattro categorie: riflessione: non tutti i fotoni che incidono sulla cella penetrano al suo interno, dato che in parte vengono riflessi dalla superficie della cella e in parte incidono sulla griglia metallica dei contatti; fotoni troppo o poco energetici: non tutti i fotoni incidenti possiedono energia sufficiente per rompere il legame tra elettrone e nucleo; i fotoni troppo energetici dissipano invece in calore l'energia eccedente ricombinazione: non tutte le coppie elettrone-lacuna generate vengono raccolte dal campo elettrico di giunzione e inviate al carico esterno, dato che nel percorso dal punto di generazione verso la giunzione possono incontrare cariche di segno opposto e ricombinarsi;

34 Perdite di energia resistenze parassite: le cariche generate e raccolte nella zona di svuotamento sono inviate all'esterno attraverso i contatti metallici posti sul fronte e sul retro della cella. Anche se viene effettuato un processo di lega tra silicio e alluminio dei contatti, resta una certa resistenza all'interfaccia, che provoca dissipazioni e riduce la potenza trasferita al carico. Nel caso di celle al silicio policristallino, l'efficienza è ulteriormente diminuita dalla resistenza che gli elettroni incontrano ai confini tra un grano e l'altro e, ancor più nel caso di celle di silicio amorfo, dalla resistenza dovuta all'orientamento casuale degli atomi

35 Materiali utilizzati - Grado di purezza Il materiale attualmente più utilizzato è lo stesso silicio adoperato dall industria elettronica. Il silicio ha diversi gradi di purezza, in base ai quali le impurezze sono presenti in diverse quantità: Elettronico (1 parte su ) Solare (1 parte su 10000) Metallurgico (1 parte su 100) Il silicio adoperato per la produzione di celle FV è di grado solare, ottenuto prevalentemente dagli scarti di quello elettronico. Per tale ragione il suo costo è pari a circa 1/10 di quest ultimo 24/03/

36 Tipologie ed efficienze Monocristallino Policristallino A parità di produzione, la superficie occupata da pannelli in silicio amorfo sarà più che doppia rispetto ad un equivalente campo fotovoltaico in silicio policristallino e più che tripla rispetto ad un campo in silicio monocristallino Efficienza circa 21% per il silicio monocristallino circa 15% per il silicio policristallino circa 6% per il silicio amorfo Amorfo

37 Due generazioni di Fotovoltaico I moduli della prima generazione hanno struttura cristallina (silicio mono e poli cristallino) e sono realizzati su supporti rigidi; quelli di seconda generazione sono realizzati attraverso deposizione uniforme di piccolissime quantità di semiconduttore in un film sottile spesso 1-2 micron (silicio amorfo) su lamine di sostegno (vetro, metallo, plastica)

38 Silicio amorfo In questo caso è improprio parlare di celle essendo le superfici ricoperte in modo continuo, ottenendo strisce di materiale flessibile, leggero, facile da integrare nella struttura. Il costo di produzione è pressoché trascurabile rispetto agli altri costi, ma l efficienza è più bassa di quella della prima generazione ed è inoltre soggetta ad un consistente abbattimento, pari a circa il 20%, nei primi mesi di vita.

39 Riduzione dell efficienza al crescere della temperatura Monocristallino Policristallino Amorfo Riferimento

40 Celle fotovoltaiche in CIS I moduli attuali in CIS (Rame Indio Selenio) hanno efficienza vicina al 20% grazie alle ottime prestazioni anche con illuminazione diffusa ed alle migliori risposte ai salti di temperatura. L aspetto del prodotto e la sua adattabilità dimensionale lo rendono elemento architettonico di interesse per soluzioni di design di stile

41 Celle fotovoltaiche in CdTe Il Tellururo di cadmio (Cadmio, Tellurio) è un semiconduttore cristallino con caratteristiche simili al silicio (efficienza fino al 20%), ma meno costoso, poiché sia il cadmio che il tellurio sono considerati materiali di scarto (sono i pannelli a film sottile più economici). Ha la capacità di assorbire la radiazione solare anche in condizioni di luce diffusa Esiste una documentata tossicità del cadmio, che è nella lista dei materiali vietati nelle produzioni elettriche o elettroniche, ma non il tellururo di cadmio.

42 Celle fotovoltaiche a film sottile in CIGS Il CIGS (Rame Indio Gallio Selenio) è tra le tecnologie più promettenti, essendo composto da materiali con prestazioni molto elevate (alta efficienza di conversione, che ha l ulteriore pregio di essere molto stabile nel tempo) Alcuni moduli CIGS possono staccarsi e riattaccarsi come adesivi, altri sono realizzati con macchinari a stampaggio, che depositano uno strato di nano inchiostro assorbente su di un sottile foglio metallico di alluminio.

43 Celle al Solfuro di Cadmio Il CdS (Solfuro di cadmio) ha costi di produzione molto bassi poichè la tecnologia impiegata non richiede il raggiungimento delle temperature elevatissime necessarie alla fusione e purificazione del silicio. Viene applicato ad un supporto metallico con il processo di realizzazione a stampaggio roll-totoll.

44 Celle al Solfuro di Cadmio Può anche essere applicato per spray-coating, cioè letteralmente spruzzato come vernice, o realizzato in uno strato uniforme di piccoli nano-parallelepipedi, alti 500 nanometri, in una matrice di Tellururo di Cadmio. Tra gli svantaggi vi è la tossicità del cadmio ed il basso rendimento.

45 Celle all Arseniuro di Gallio Il GaAs (Arseniuro di Gallio), una lega binaria in grado di assicurare rendimenti elevatissimi, sottilissime, tuttavia ad un costo proibitivo

46 Fotovoltaico di terza generazione A differenza delle generazioni precedenti, la terza comprende una varietà di approcci: celle organiche, polimeriche, ibride, multigiunzione, a concentrazione, a nanocristalli, etc. 24/03/

47 Celle polimeriche Rispetto a quelle in silicio utilizzano materiali abbondanti e non sono costose da fabbricare, ma hanno efficienza molto bassa (2.5%) 24/03/2016 e sono relativamente instabili. Celle solari flessibili di varia tipologia: celle organiche, a film sottile di semiconduttori depositati su polimeri, ibride (abbinano semiconduttori organici con inorganici).

48 Celle a concentrazione Sono innovativi pannelli solari piani che utilizzano concentratori ottici per convogliare la radiazione su una cella fotovoltaica multigiunzione, caratterizzata da un efficienza più che doppia rispetto ai pannelli tradizionali.

49 Celle multigiunzione Si basano sulla tecnologia Indio Gallio Arsenico a triplo strato, nelle quali ogni giunzione è in grado di focalizzare selettivamente lo spettro solare Questa nuova tecnologia ha fatto registrare un efficienza superiore al 40% e recenti esperimenti mostrano un potenziale che può sfondare il muro del 50%

50 Celle a pigmenti sensibili Sono un tipo di celle fotovoltaiche ibride che usa un pigmento organico colorato. Hanno bassa efficienza ma anche costo molto basso

51 Celle fotovoltaiche trasparenti L efficienza è molto bassa (intorno all 1%), ma si stima di poter raggiungere il 5%. Può sembrare talmente bassa da non rivestire alcun interesse, ma se si pensa alle possibili applicazioni, si comprende il ruolo chiave nella diffusione del fotovoltaico.

52 Pannelli fotovoltaici termici Coniugano in un unico sistema elettricità e calore: le celle fotovoltaiche generano elettricità ed una serpentina posta sotto il pannello raccoglie energia termica per utilizzarla per l acqua calda sanitaria ed il riscaldamento.

53 Pannelli fotovoltaici termici Hanno il vantaggio di un minor costo, oltre a quello di raffreddare i pannelli FV, aumentandone l efficienza. Dell energia irradiata dal sole viene infatti convertita in elettricità solo il 20% circa, il rimanente 80% viene dissipato in calore, sfruttabile per la produzione di acqua calda sanitaria.

54 Efficienza delle diverse tipologie di celle

55 Il modulo fotovoltaico Le singole celle vengono connesse in serie e/o in parallelo, al fine di ottenere una tensione ed una corrente di taglia maggiore, assemblandole in un unica struttura: il modulo fotovoltaico I moduli possono avere dimensioni diverse (i più diffusi hanno superfici che vanno da 1 m 2 a 1,6 m 2 ) e prevedono tipicamente 36, 64 o 72 celle collegate elettricamente in serie Caratteristiche dei moduli: Potenza di Picco (Wp) Potenza erogata in condizioni standard Corrente nominale (A) Corrente erogata nel punto di lavoro Tensione nominale (V) Tensione di lavoro 24/03/

56 Potenza ed efficienza La potenza é proporzionale alla radiazione incidente. L efficienza dei moduli (e con essa la potenza) diminuisce all aumentare della loro temperatura Le perdite per mismatch (1-5%) sono legate a squilibri nella produzione elettrica dei moduli (es. nel voltaggio, se i moduli o le stringhe sono collegate in parallelo) La trasparenza del vetro si riduce con l angolo d incidenza solare (nelle prime ore del mattino e al tramonto, fino al 15% di riduzione) La potenza trasferita al carico si riduce per la presenza di resistenze parassite all interfaccia tra i contatti e il semiconduttore.

57 Generatore fotovoltaico

58 Impianti fotovoltaici Un impianto fotovoltaico è un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che concorrono a captare e trasformare l energia solare rendendola utilizzabile sotto forma di energia elettrica. 24/03/

59 Tipologie di impianti FV Produzione di energia da immettere in rete impianti grid-connected Produzione di energia per utenze isolate impianti stand alone

60 Impianti fotovoltaici grid-connected In tal caso la rete elettrica funge da serbatoio ad accumulo infinito, prelevando l energia prodotta in eccesso nei periodi di esubero di produzione e restituendola nei periodi di assenza (ore notturne). L energia in esubero viene venduta.

61 Impianti fotovoltaici stand-alone L integrazione dei moduli FV con sistemi di accumulo energetico, di varia natura, consente di assicurare all utenza l autosufficienza energetica. In tal caso non si beneficia della remunerazione per la vendita dell energia prodotta, ma non se ne effettua più l acquisto, utilizzando solo l energia autoprodotta.

62 Componenti degli impianti FV Impianti grid connected Impianti stand alone

63 Impianto fotovoltaico grid-connected Generatore fotovoltaico: produzione energia elettrica in corrente continua Inverter: Conversione DC/AC Utenza Contatore L inverter converte la corrente continua prodotta dai moduli in corrente alternata, per renderla disponibile all utenza o immetterla in rete

64 Componenti di un impianto FV grid-connected I principali componenti di un impianto FV connesso in rete sono: Moduli fotovoltaici Inverter per la conversione continua/alternata (questi due componenti sono comuni a tutte le tipologie di impianto) Contatore dell energia prodotta dal generatore FV Dispositivo di interfaccia con la rete elettrica Contatore di energia bidirezionale scambiata con la rete elettrica Il contatore di energia misura l energia prodotta dall impianto Il dispositivo di interfaccia con la rete assicura che la forma d onda dell energia elettrica immessa abbia le caratteristiche richieste 24/03/2016 dal fornitore locale 64

65 Componenti degli impianti stand alone I principali componenti sono: - Moduli fotovoltaici - Inverter - Regolatore di carica - Sistema di accumulo (batterie) La configurazione comporta che il campo FV venga dimensionato in modo tale da permettere, durante le ore di insolazione, sia l alimentazione del carico che la ricarica delle batterie. Il carico viene alimentato, attraverso il regolatore di carica, dal generatore o dal sistema di accumulo, in 24/03/ dipendenza della produzione.

66 Regolatore di carica Sistema di accumulo Il regolatore di carica (o regolatore di tensione) serve a preservare gli accumulatori da un eccesso di carica ad opera del generatore fotovoltaico e da un eccesso di scarica dovuto all utilizzazione. Entrambe le condizioni sono nocive per la corretta funzionalità e la durata degli accumulatori. Il sistema di accumulo serve ad immagazzinare una parte dell energia prodotta dal campo fotovoltaico per poi utilizzarla quando è necessario. Ciò è fondamentale perché la potenza richiesta dall utente non segue l intensità della radiazione solare e di conseguenza la produzione elettrica. 24/03/

67 Sistemi di accumulo energetico L'immagazzinamento (o stoccaggio) dell'energia prodotta è possibile grazie ad una serie di tecniche e processi che permettono di concentrare, su supporti diversi, differenti forme di energia per essere utilizzate successivamente. I sistemi di stoccaggio in uso commerciale oggi possono essere classificati in meccanici, elettrici, chimici, biologici, termici.

68 Batterie e celle a combustibile La soluzione più comune al problema di immagazzinare energia ai fini elettrici è fornita dal un banco di batterie ricaricabili, un dispositivo di accumulazione elettrochimico, dimensionato in modo da garantire sufficiente autonomia di alimentazione. Esse devono avere: basso valore di autoscarica lunga vita stimata manutenzione quasi nulla elevato numero di cicli di carica-scarica Hanno tuttavia piccola capacità e costi elevati. Altri dispositivi elettrochimici sono le celle a combustibile, per convertire l energia stoccata sotto forma di idrogeno.

69 Vari tipi di Batterie Batterie alcaline Batterie al litio Batterie al litio-polimero Batterie al nichel-cadmio Batterie al nichel-metallo idruro Batterie zinco-carbone

70 Impianti fv integrati negli edifici Gli interventi di integrazione architettonica si distinguono a seconda del tipo di superficie dell edificio utilizzata: tetto piano (terrazza) tetto inclinato facciata sistemi retrofit, applicati in contesti edilizi già esistenti sistemi integrati fin dalla fase di progettazione dell edificio. 24/03/

71 Impianti fv integrati negli edifici Impianti su superfici piane Se necessario, si può provvedere ad inclinare ed orientare in maniera ottimale il sistema FV in maniera da massimizzare la resa energetica, sostenendolo con strutture di supporto diverse da quelle dell edificio 24/03/

72 Impianti fv integrati negli edifici Impianti su superfici inclinate La loro inclinazione ed il loro orientamento non sono liberi e la resa energetica può non essere ottimale, ma non vi è necessità di strutture portanti, con il risultato di una maggiore armonizzazione estetica tra edificio e impianto Si possono usare tegole fotovoltaiche 24/03/

73 Impianti fv integrati negli edifici Impianti su facciate L installazione sulla facciata consente di realizzare impianti di elevata valenza estetica, soprattutto combinando i moduli con altri elementi, come superfici vetrate. 24/03/

74 Pensiline

75 Dimensionamento di un impianto fotovoltaico Il generatore dovrà essere dimensionato ossia va determinata la sua potenza di picco - sulla base dei seguenti fattori: - latitudine ed irraggiamento medio annuo del sito - carico elettrico - possibilità di collegamento alla rete elettrica - superfici disponibili dell edificio 24/03/

76 Fasi del dimensionamento a) Verifica dell idoneità del sito b) Determinazione della radiazione solare nel sito c) Scelta dell inclinazione dei moduli d) Determinazione del fabbisogno annuo di energia e) Calcolo della potenza di picco del generatore f) Valutazione dell efficienza dell impianto g) Determinazione della potenza dell inverter h) Dimensionamento del sistema di accumulo 24/03/

77 a. Verifica dell idoneità del sito Presenza di ombre (vegetazione, costruzioni, alture) Nebbie o foschie mattutine Nevosità Ventosità Queste informazioni determinano il collocamento del generatore fotovoltaico, la sua esposizione rispetto al Sud, l inclinazione sul piano orizzontale 24/03/

78 kwh/m² Radiazione solare L energia prodotta da un modulo è linearmente proporzionale alla radiazione solare incidente sulla sua superficie. Il valore della radiazione solare sulla superficie terrestre è pari a circa 1 kw/m 2, con cielo sereno e sole allo zenit C /03/2016 Irraggiamento specifico sull'orizzontale [kwh/m²] Temperatura esterna [ C] 78

79 b. Determinazione della radiazione solare nel sito Latitudine Longitudine Reggio C Dalla norma UNI si ricavano i valori medi mensili della radiazione solare su una superficie orizzontale, ottenendo un valore totale annuo pari a: I s = 1751 kwh/ (m 2 anno)

80 c. Scelta dell inclinazione dei moduli La captazione di energia solare è massima quando il pannello è orientato in posizione ottimale, verso SUD, con angolo di inclinazione pari alla latitudine del sito meno circa 10. Reggio Calabria: = 28 Tale inclinazione rende minime le variazioni di energia solare durante l anno dovute alle oscillazioni della direzione dei raggi solari (+/- 23 ) rispetto alla normale alla superficie 24/03/

81 Angolo di tilt

82 Radiazione solare e angolo di tilt Radiazione solare giornaliera media annua a Firenze (lat.43,7n) al variare dell inclinazione della superficie, orientata a Sud

83 Coefficienti correttivi per l inclinazione Per tenere conto dell inclinazione dei moduli una tabella consente di determinare il fattore correttivo della quantità I s Per Reggio Calabria (inclinazione 28 ) i dati più prossimi sono: inclinazione 30 e orientamento 0 (Sud), cui corrisponde un coefficiente di maggiorazione pari a 1.11

84 Radiazione solare corretta Il valore totale annuo della radiazione solare incidente sull impianto con inclinazione 30 sarà: Is = 1.11 I s = 1.11 x 1751 = 1944 kwh/m 2 anno

85 Distanza tra le file Si opta ad avere assenza di ombre a mezzogiorno del solstizio invernale, che in formule corrisponde: D/A = sinβ*tg(23,5+φ) + cos β

86 d. Determinazione del Fabbisogno energetico annuo I consumi delle utenze da alimentare vanno considerati in termini di energia richiesta giornalmente, per determinare quella totale annua. Si suppone un fabbisogno annuo pari a 4335 kwh/anno 24/03/2016

87 Esempio Energia = Potenza x Tempo di utilizzo 2 Lampade (15 W cad.) da alimentare per 5 h/giorno 1 TV color (60 W) da alimentare per 3 h/giorno Energia giornaliera totale necessaria 2 x 15W x 5 h/giorno + 60W x 3 h/giorno = 330 Wh/giorno 24/03/2016

88 e. Calcolo della potenza di picco del generatore ORE EQUIVALENTI h eq : periodo di tempo in cui l energia incidente I s nel sito all inclinazione dei pannelli è equivalente a quella prodotta da un irraggiamento standard di 1 kw/m 2 Tempo = Energia / Potenza h eq = h eq = 1944 kwh/m 2 anno 1 kw/m 2 = 1944 h/anno Iʹs 1 kw/m 2 24/03/

89 Determinazione della potenza di picco La potenza di picco P p si ottiene, al lordo delle perdite, dividendo il fabbisogno annuo (energia necessaria annualmente) per il numero di ore equivalenti: P p = eq P p = 4335 kwh 1944 h = 2.23 kw p 24/03/

90 f. Valutazione delle perdite di impianto E necessario tener conto delle perdite nel campo fotovoltaico e di quelle introdotte dai componenti che costituiscono l impianto (inverter, batterie, regolatori di carica, cavi di collegamento,..) Ipotizzando una percentuale per le perdite totali dell impianto, è necessario aumentare della stessa percentuale la potenza di picco del generatore fotovoltaico. Viene utilizzata a tal fine un efficienza η dell impianto. 24/03/

91 Efficienza dell impianto L entità delle perdite nel campo fotovoltaico varia dal 10 al 15% dell energia elettrica prodotta ed almeno la metà è dovuta all aumento della temperatura delle celle. A queste perdite vanno sommate quelle nel resto dell impianto, dovute all inverter, ai cavi e agli altri componenti elettrici, valutabili intorno al 5-10%. Complessivamente il rendimento dell impianto varierà nel range 75-85%. Considerando un rendimento medio dell 80%, la potenza di picco, al netto delle perdite, risulterà: P = P η = = 2.79 kw p

92 g. Calcolo della potenza dell inverter Viene determinata in modo differente a seconda che si tratti di impianto collegato in rete oppure in isola. Nel primo caso, essa eguaglia la potenza del generatore, mentre nel secondo è necessario valutare la potenza totale massima che dovrà essere collegata all inverter. Potenza totale = 2 x 15W + 1 x 60W = 90W POTENZA INVERTER > 90 W 24/03/

93 h. Dimensionamento del sistema di accumulo (impianti Stand Alone) In caso di impianti stand alone è necessario dimensionare l accumulo in modo tale da garantire un alimentazione del carico anche per un prefissato numero massimo di giorni consecutivi con assenza di insolazione. Il campo fotovoltaico viene dimensionato in modo da permettere, durante le ore di insolazione, sia l alimentazione del carico che la ricarica delle batterie di accumulo. 24/03/

94 Produzione di energia L energia prodotta da un pannello è data da: E = S η I s I s = radiazione incidente sul pannello S = superficie del pannello η = efficienza del pannello

95 Caratteristiche dei pannelli Tipo di pannello η r (%) β ( C -1 ) NOCT Mono-Si 14,0 45 0,40 Poli-Si 11,0 45 0,40 a-si 5,0 50 0,11 CdTe 7,0 46 0,24 CIS 7,5 47 0,46

96 Effetto della temperatura L efficienza η di un pannello diminuisce al crescere della temperatura: η = η r [1-β(t c -t r )] dove η r = efficienza del modulo alla temperatura di riferimento t r (25 C) β = coefficiente di temperatura del pannello t c = temperatura della cella, che può essere stimata da: t c = ta + con t a = temperatura ambiente NOCT = Nominal Operating Cell Temperature ( C) s

97 Efficienza dell inverter La potenza disponibile sarà data poi dall energia prodotta ridotta delle perdite dell inverter. Ed = Eηi con ηi efficienza dell inverter

98 Produzione annua di energia Fabbisogno familiare = circa 300 kwh/mese

99 Produzione energetica e superficie La quantità di energia prodotta da un generatore FV varia nel corso dell anno Alle latitudini dell Italia centrale, 1 m 2 di pannello può produrre in media: 0,3-0,4 kwh/giorno nel periodo invernale 0,6-0,8 kwh/giorno nel periodo estivo In totale circa 180 kwh/anno Considerando un valore medio di 0,5 kwh/m 2 giorno ed un fabbisogno medio, per una famiglia, di 10 kwh/giorno, occorre installare 20 m 2 24/03/

100 Fabbisogno annuo e superficie Il fabbisogno medio di energia elettrica di una famiglia italiana si aggira attorno ai kwh/anno. Un impianto fotovoltaico può generare: circa 200 kwh/ m 2 anno a CATANIA circa 150 kwh/ m 2 anno a MILANO Installando 20 m 2 si ottengono: 4000 kwh/anno a Catania e 3000 kwh/anno a Milano In villette monofamiliari in genere c è spazio sufficiente per ospitare i pannelli sulla falda meglio esposta

101 Accumulo Storage on grid

102 Incentivi Statali Per diversi anni il Governo Italiano ha promosso la diffusione della tecnologia fotovoltaica attraverso incentivi finanziari Il programma Tetti fotovoltaici ( ) ha erogato contributi in conto capitale per la costruzione di impianti fotovoltaici di piccola potenza (da 1 a 50 kwp) collegati alla rete elettrica Il Conto Energia ( ) non ha più previsto un contributo per l acquisto, ma la remunerazione per 20 anni dei kwh prodotti, sia per uso proprio sia se immessi in rete, ad un prezzo superiore a quello di mercato.

103 Forme di incentivazione attuali Detrazioni IRPEF È possibile scaricare il 50% del costo di investimento nei 10 anni successivi Scambio sul posto Il contributo ripaga l utente per l energia che ha immesso in rete ed in più rimborsa parte dei servizi Le due forme di agevolazione, cumulabili fra loro, sono equiparabili, stanti gli attuali prezzi degli impianti, agli incentivi in precedenza previsti dal Conto Energia 24/03/

104 Meccanismo di scambio sul posto Prevede un conto scambio, ma il bilanciamento viene effettuato tramite coefficienti legati ai prezzi di mercato di vendita ed acquisto dell energia al momento dello scambio: C s = min [O e ; C ei ] O e (Contributo Onere dell energia), prezzo dell energia elettrica prelevata dalla rete e pagata dall utente (prodotto tra i kwh prelevati ed il prezzo unico nazionale, PUN). Il PUN è variabile in base ai prezzi di mercato ed è una media nazionale dei prezzi rilevati mensilmente in ogni regione. C ei (Controvalore dell energia immessa), prezzo dell energia immessa in rete (prodotto tra i kwh immessi ed il prezzo zonale P z dell energia sul mercato del giorno prima ): infatti ogni giorno come una vera e propria borsa, i prezzi di acquisto e vendita dell energia fluttuano in base alle dinamiche del mercato.

105 Meccanismo di scambio sul posto E previsto inoltre il pagamento delle eventuali eccedenze fine anno Eccedenza = C ei - O e = (P z x E out ) (PUN x E IN ) (E out ed E IN indicano l energia immessa in rete e quella prelevata) ed il rimborso di parte dei servizi di rete (distribuzione, dispacciamento, misura e oneri del sistema), imposte escluse, versati per l energia prelevata: C usf x E s C usf (Corrispettivo unitario di scambio forfettario): conteggia le tariffe di trasmissione, distribuzione, dispacciamento e alcuni oneri E s (Energia scambiata), i kwh prima immessi e poi riprelevati. Corrisponde al minimo tra i kwh immessi e quelli prelevati durante l anno

106 Cosa succedeva con il Conto Energia DM 28/07/ /03/

107 24/03/

108 Energia elettrica: spese in Italia 24/03/

109 Energia elettrica: spese in Italia 24/03/

110 Spese in Italia 24/03/

111 Obbligo dell uso di fonti rinnovabili in edilizia Obbligatorio impianto solare termico per coprire il 50% del fabbisogno di acqua calda sanitaria Obbligatorio impianto fotovoltaico con potenza P = S/K S = Superficie in pianta dell edificio K = 50 a pieno regime del decreto, 65 fino al (A regime 2 kw ogni 100 m 2 ).

112 Capacità mondiale

113

114 Benefici ambientali Per ogni kwh prodotto da fonte rinnovabile (non prodotto da fonte fossile) si evita l emissione di 700 g di CO 2 Nell arco della vita utile di un impianto familiare si evitano: 40 tonnellate di CO 2

115 Fotovoltaico e impatto ambientale La conversione fotovoltaica dell energia solare ha caratteristiche tali da essere ritenuta la fonte rinnovabile più rispettosa dell ambiente. Gli impianti FV non generano emissioni inquinanti e, per la loro modularità, possono assecondare la morfologia dei siti di installazione. Inoltre, producono energia in prossimità dei carichi elettrici evitando perdite di trasmissione. Il loro impatto ambientale, tuttavia, non può essere considerato nullo 24/03/

116 Impatti ambientali inquinamento derivante dal processo produttivo Inoltre, soprattutto per impianti non integrati negli edifici: utilizzazione del territorio impatto visivo impatto su flora, fauna e clima locale La dimensione di questi impatti è tuttavia decisamente inferiore di quella di altre tecnologie energetiche convenzionali 24/03/

117 Processo produttivo L uso di materie prime, di energia e le conseguenti emissioni provocate dal processo di produzione dipendono dalla tecnologia usata, ma il silicio proviene in genere dal reimpiego degli scarti dell industria elettronica. Inoltre, i pannelli alla fine della loro vita devono essere smaltiti con riciclaggio. Sarebbe necessaria, quindi, un attenta analisi del ciclo di vita degli impianti, dalla fase di realizzazione, alla fase di funzionamento e di dismissione. 24/03/

118 Life Cycle Assessment Un impianto fotovoltaico non genera emissioni inquinanti durante il suo utilizzo, ma bisogna considerare quelle prodotte durante tutto il suo ciclo di vita (Life Cycle). Il Life Cycle Assessment è una verifica quantitativa completa degli impatti ambientali associati ad un prodotto, un processo o un servizio Vengono analizzate le principali attività intraprese nel corso del suo ciclo vitale, dalla culla alla tomba, ossia attraverso le fasi di acquisizione dei materiali grezzi, di produzione, trasporto, uso, fino allo smaltimento ed il riuso 24/03/

119 Utilizzazione del territorio L unico impatto del fotovoltaico è sostanzialmente riconducibile al suolo e all habitat sottratti. Il fabbisogno di territorio dipende dall impiego: decentrato o centralizzato in grandi impianti. Nel primo caso il territorio utilizzato può essere ridotto quasi a zero perché i pannelli vengono installati su superfici già sottratte all ambiente (tetti, facciate, ). L uso di impianti centralizzati richiede invece un enorme quantità di territorio la cui estensione dipende dalle caratteristiche dei moduli utilizzati. 24/03/

120 Impatto visivo e su flora e fauna L impatto visivo dipende dalle dimensioni dell impianto oltre che dal tipo di paesaggio. Quello sulla flora e la fauna può ritenersi trascurabile. 24/03/