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2 Cenni storici La scoperta dell effetto fotovoltacico va fatta risalire a Edmond Becquerel ( ), che effettuando esperienze con una cella elettrolitica in cui erano immersi due elettrodi di platino, scoprì che l intensità della corrente aumentava quando si esponeva la cella alla luce del sole. Nel 1876 si ottengono effetti analoghi con dispositivi alla stato solido, quali il selenio e le giunzioni fra questo elemento e ossidi metallici. Naturalmente il rendimento molto basso fece in modo che l effetto fotovoltaico non ebbe grande sviluppo. Nel 1954 presso i laboratori Bell, da Person, Fuller e Chapin, fu prodotta la prima cella solare commerciale: una giunzione piana su un monocristallo al silicio. A causa dell elevato costo le applicazioni erano limitate solo all alimentazione dei satelliti artificiali. Verso gli anni settanta si cerca di ridurre il costo di produzione, realizzando celle a sezione più larga e sviluppando procedimenti per il taglio che causassero minori sprechi del materiale. Oggi si producono celle larghe fino a 15 cm di diametro con spessori di 200 millesimi di millimetro ( micron). CARATTERISTICHE DELLA RADIAZIONE SOLARE L energia solare è l energia elettromagnetica emessa dai processi di fusione dell idrogeno contenuto nel sole. La densità di potenza, detta costante solare, raccolta su una superficie perpendicolare ai raggi solari è di circa 1300 W/ mq variabile durante l anno del 3% a causa dell ellitticità dell orbita terrestre. Il valore massimo sulla superficie terrestre è di circa 1000 W / mq, in condizioni ottimali di giornata serena e sole a mezzogiorno. LA RADIAZIONE SOLARE DIFFUSA, DIRETTA E RIFLESSA La radiazione diretta colpisce una qualsiasi superficie con un unico e ben definito angolo di incidenza, quella diffusa incide su tale superficie con vari angoli. Quando la radiazione solare diretta non può colpire una superficie a causa della presenza di un ostacolo, l area ombreggiata non si trova completamente oscurata grazie al contributo della radiazione diffusa. Una superficie inclinata può ricevere, inoltre, la radiazione riflessa dal terreno o da specchi d acqua o da altre superfici orizzontali. Le proporzioni di radiazione riflessa, diffusa, e diretta ricevuta da una superficie dipendono: Dalle condizioni meteorologiche ( in una giornata nuvolosa la radiazione è pressoché totalmente diffusa; in una giornata serena con clima secco, viceversa, predomina la componente diretta, che può arrivare fino al 90 % della radiazione totale); Dall inclinazione della superficie rispetto al piano orizzontale ( una superficie orizzontale riceve la massima radiazione diffusa e la minima riflessa; la componente riflessa aumenta al crescere dell inclinazione; Dalla presenza di superfici riflettenti( il contributo maggiore alla riflessione è dato dalle superfici chiare; così la radiazione riflessa aumenta in inverno, per effetto della presenza della neve, e diminuisce in estate, per effetto di assorbimento di colori scuri quali quello dell erba o del terreno) L intensità di radiazione solare incidente su una superficie al suolo è influenzato 2

3 dall angolo di inclinazione della radiazione stessa: più piccolo è l angolo che i raggi del sole formano con una superficie orizzontale e maggiore è lo spessore di atmosfera che essi devono attraversare e conseguentemente minore è la radiazione che raggiunge la superficie. La posizione ottimale, in pratica, si ha quando la superficie è orientata a sud con angolo di inclinazione pari alla latitudine del sito: l orientazione a sud massimizza la radiazione solare captata ricevuta nella giornata e l inclinazione pari alla latitudine rende minime, durante l anno, le variazioni di energia solare captate dovute alla oscillazione di +/- 23,5 della direzione dei raggi solari rispetto alla perpendicolare alla superficie di raccolta. Per l Italia si hanno si hanno regimi solari medio-alti con forti variabilità tra le regioni continentali e quelle più meridionali, specie nella stagione invernale: si passa dal valore di insolazione medio giornaliero annuo di 3,2 kwh/mq per la città di Udine al valore di 4,7 kwh/mq per Trapani. LA CONVERSIONE FOTOVOLTAICA La conversione diretta dell energia solare in energia elettrica, realizzata con cella fotovoltaica, utilizza il fenomeno fisico dell interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nel materiali semiconduttori, denominato effetto fotovoltaico. Fino ad oggi il materiale maggiormente utilizzato nella costruzione delle celle fotovoltaiche è stato il silicio cristallino. I suoi atomi, costituiti da 14 elettroni, ne possiedono 4 di valenza, cioè disponibili per legarsi in coppia con elettroni di altri atomi. Per esempio in un cristallo di silicio puro ciascun atomo è legato in modo covalente con altri 4 atomi: ogni elettrone di valenza si lega con un elettrone di valenza di un altro atomo. Questo legame elettrostatico può essere spezzato con una opportuna quantità di energia trasmessa all elettrone di legame che, saltando così a livello energetico superiore, chiamato bada di valenza, diviene libero di muoversi nel semiconduttore e in grado di contribuire, in presenza di un campo elettrico, al flusso di elettricità. Nel passare alla banda di conduzione, l elettrone si lascia dietro una buca, detta lacuna, che facilmente può venire occupato da qualche altro elettrone di un atomo vicino. A sua volta questo spostandosi crea un altra lacuna nel posto lasciato libero. Il movimento degli elettroni determina così, nella struttura atomica, anche il movimento delle lacune. Il flusso di elettroni è ordinato e orientato da un campo elettrico creato, all interno della cella, con la sovrapposizione di due strati di silicio, in ognuno dei quali si introduce un altro particolare elemento chimico ( operazione di drogaggio), per esempio fosforo e boro, in rapporto di un atomo per ogni milione di atomi di silicio. Nello strato drogato con fosforo, elemento di valenza 5, si costituisce una carica negativa debolmente legata composta dal 5 elettrone di valenza di ogni atomo di fosforo. Analogamente, nello strato drogato con boro, elemento di valenza 3, si determina una carica positiva in eccesso, composta dalle lacune presenti negli atomi di boro quando si legano al silicio. Il primo strato, a carica negativa, si indica con N, l altro, a carica positiva, si indica con P, la zona di separazione si chiama giunzione PN. Sovrapponendo i due strati si attiva un flusso elettronico dalla zona N alla zona P che, raggiunto il punto di equilibrio elettrostatico, determina un eccesso di carica positiva nella zona N, dovuto agli atomi di fosforo con un elettrone in meno e un eccesso di carica negativa nella zona P dovuto agli elettroni migrati dalla zona N. Il risultato è un campo elettrico stabile che facilita il passaggio degli elettroni verso la zona 3

4 N ostacolandone il flusso in senso inverso. I fotoni della luce solare, quando colpiscono la cella fotovoltaica, possono esserne riflessi, assorbiti o attraversarla. Un fotone assorbito produce calore oppure, se ha sufficiente energia, libera un elettrone dallo stato legato spingendolo nella banda di conduzione. Le coppie elettrone-lacuna così prodotte che non ricadono all interno del campo elettrico vagano casualmente nella struttura cristallina fino a ricomporsi con un altra carica di segno opposto. Le coppie elettrone-lacuna che ricadono sotto l influenza del campo elettrico vengono spinte in direzioni opposte dando origine a un flusso elettronico unidirezionale, che in caso di connessione della cella con conduttori all interno di un circuito chiuso, si traduce in energia elettrica. CARATTERISTICA ELETTRICA DELLE CELLE SOLARI Una cella fotovoltaica è essenzialmente un diodo di grande superficie. Esponendola alle radiazioni solari, la cella si comporta come un generatore di corrente il cui funzionamento può essere descritto per mezzo della caratteristica tensione-corrente sotto riportata: Quadr.1: quadrante dove la cella si comporta da semplice diodo in conduzione diretta Quadr.2: quadrante dove la cella ( buia o illuminata) passa in conduzione inversa Quadr.3: quadrante dove la cella si comporta da generatore di energia elettrica. In generale la caratteristica di una cella fotovoltaica è funzione di 3 variabili fondamentali: intensità della radiazione solare, temperatura e area della cella. L intensità della radiazione solare non ha un effetto significativo sul valore della tensione a vuoto, cioè a carico non collegato; viceversa l intensità della corrente di cortocircuito varia in modo proporzionale al variare della intensità di irraggiamento, crescendo al crescere di questa. La temperatura non ha un effetto significativo sul valore della corrente di cortocircuito; al contrario, esiste una relazione di proporzionalità tra questa e la tensione a vuoto, diminuendo la tensione al crescere della temperatura. L area della cella non ha alcun effetto sul valore della tensione; viceversa esiste una diretta proporzionalità tra questa e la corrente disponibile. 4

5 Gli effetti di queste variabili sulla caratteristica elettrica I-V sono sotto riportate, nella quale tensione e corrente sono rappresentate con la convenzione dei generatori. In condizioni di corto circuito la corrente generata è massima (Isc), mentre in condizioni di circuito aperto è massima la tensione Voc. In condizioni di circuito aperto e corto circuito, la potenza estraibile sarà nulla, poiché nella relazione P=V*I sarà nulla la corrente nel primo caso e la tensione nel secondo caso. Negli altri punti della caratteristica all aumentare della tensione aumenta la potenza, raggiungendo quindi un massimo e diminuendo repentinamente in prossimità della Voc. La potenza massima erogabile in condizioni di illuminamento e temperatura specificate viene misurata in watt di picco Wp. Si è convenuto internazionalmente di stabilire come condizioni di riferimento una temperatura della giunzione di 25 C e un irraggiamento di 1000 W/m 2. L efficienza di una cella fotovolatica risulta dal rapporto tra la potenza massima da essa erogata P max e l irraggiamento incidente sulla sua superficie A cella : h=p max / 1000* A cella Un altro parametro importante che tiene conto della qualità della cella è il Fill Factor ( fattore di riempimento) definito come rapporto tra la massima potenza disponibile e il prodotto Voc*Isc e che è in genere compreso tra 0,6 e 0,8 per celle al silicio cristallino: FF = (Vm*Im) / Voc*Isc Im e Vm corrente e tensione nel punto di max potenza. 5

6 EFFICIENZA DELLE CELLE SOLARI Di tutta l energia che investe la cella solare sotto forma di radiazione luminosa, solo una parte viene convertita in energia elettrica disponibile ai suoi morsetti. L efficienza di conversione per celle commerciali al silicio monocristallino è in genere compresa tra il 10% e il 14% mentre realizzazioni speciali di laboratorio hanno raggiunto valori del 23%. I motivi di tale bassa efficienza sono molteplici e possono essere raggruppati in 4 categorie: Riflessione: non tutti i fotoni incidenti la 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: per rompere il legame tra elettrone e nucleo è necessaria una certa energia, e non tutti i fotoni incidenti possiedono energia sufficiente. D altra parte alcuni fotoni troppo energetici generano coppie elettrone lacuna dissipando in calore l energia eccedente quella necessaria a staccare l elettrone dal nucleo. L efficienza di generazione di coppie elettrone-lacuna dipende quindi dalle caratteristiche della luce incidente : più precisamente dipende dalle condizioni atmosferiche e dall altezza del sole sull orizzonte, parametri che influenzano lo spettro solare a livello del suolo di tutto lo spettro solare a livello del suolo, quindi, solo una parte risulta utile per la conversione fotovoltaica. Ricombinazione: non tutte le coppi 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 quindi ricombinarsi. Resistenze parassite: le cariche generate e raccolte nella zona di svuotamento devono essere inviate all esterno; l operazione di raccolta viene effettuata dai contatti metallici, posti sul fronte e sul retro della cella; anche se durante il processo di fabbricazione viene effettuato un processo di lega tra silicio e alluminio dei contatti, resta una certa resistenza all interfaccia che provoca una dissipazione che riduce la potenza trasferita al carico. FABBRICAZIONE DI CELLE E MODULI FOTOVOLTAICI Il silicio, materiale maggiormente utilizzato dalle industrie per la fabbricazione delle celle fotovoltaiche, è l elemento più diffuso in natura dopo l ossigeno. Tuttavia per essere opportunamente sfruttato, deve presentare un adeguata struttura molecolare, (monocristallimo o policristallina o amorfa) e un elevato grado di purezza, caratteristiche non facilmente riscontrabile nel minerale in cui si trova allo stato naturale. Le celle fotovoltaiche più diffuse sono prodotte in fette di silicio di tipo monocristallino o policristallino di spessore 350 microm ( 3,5 decimi di millimetri) microm Su di esse viene effettuata una prima operazione di drogaggio, che consiste nella diffusione di atomi di boro all interno di tutta la fetta, ottenendosi così delle fette di tipo P. su queste viene ottenuta la giunzione PN effettuando una seconda operazione di diffusione, stavolta di fosforo, per una profondità di circa 0,4 mm. Ottenuta la giunzione PN è necessario disporre dei contatti metallici per permettere alla corrente generata di essere raccolta e inviata all esterno. Sulla parte da esporre alla luce ( in questo caso la n) si realizza una griglia metallica, che ha una configurazione geometrica che consente un efficiente compromesso fra elevata trasparenza alla luce incidente e basso valore di resistenza, cercando così da mantenere il più possibile elevato il rendimento di raccolta e conversione. Il contatto sul lato P, non essendo esposto alla luce, non risente di queste limitazioni e viene pertanto esteso a tutta la superficie della cella. Tanto la griglia dei contatti sul fronte, che la metallizzazione sul retro della fetta viene 6

7 ottenuta o per serigrafia o per evaporazione sotto vuoto. Realizzati i contatti metallici, il fronte della cella viene ricoperto da uno strato di materiale antiriflettente ( in genere un ossido di titanio) evaporato sotto vuoto fino a uno spessore di 0,8 mm. Tale strato è necessario per ottenere che tutta la luce incidente sul fronte della cella, senza riflessioni che causerebbero perdite di fotoni utili, venga raccolta dalla giunzione attivando il processo di conversione. La cella così ottenuta è la base di partenza per la realizzazione di moduli fotovoltaici, che si ottengono assemblando insieme più celle. Una cella fotovoltaica da 100 cmq produce infatti circa 2,5 A a 0,55 Vcc, un valore di tensione troppo basso per essere praticamente sfruttabile. Le celle vengono quindi connesse in serie o in parallelo pero ottenere la tensione e la corrente desiderata. SISTEMI FOTOVOLTAICI Il sistema fotovoltaico è un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che concorrono a captare l energia solare disponibile, rendendola utilizzabile dall utenza sotto forma di energia elettrica. Dal punto di vista delle strutture che sostengono i moduli fotovoltaici si parla di sistemi a inclinazione fissa, di un angolo pari alla latitudine del sito, oppure ad inseguimento, su un solo asse o attorno a due assi. I sistemi fotovoltaici si distinguono anche in isolati, dotati di batterie di accumulo, e connessi in rete, senza batterie di accumulo. CAMPO FOTOVOLTAICO Il campo fotovoltaico è un insieme di moduli fotovoltaici opportunamente collegati in serie o in parallelo in modo da realizzare le condizioni operative desiderate. Più moduli assemblati tra loro formano il pannello, mentre moduli o pannelli collegati elettricamente in serie, per ottenere la tensione nominale di generazione, formano la stringa. Infine il collegamento elettrico in parallelo di più stringhe costituisce il campo. Nella progettazione di un campo fotovoltaico devono essere effettuate alcune scelte che ne condizionano il funzionamento. Una scelta fondamentale è, sicuramente, quella della configurazione seire-parallelo dei moduli che compongono il campo fotovoltaico. Infatti tale scelta determina le caratteristiche elettriche del campo fotovoltaico. 7

8 In un serie di moduli, la corrente è limitata dal modulo che eroga la corrente più bassa, mentre in un parallelo è la tensione ad essere limitata dal modulo che ha la tensione di lavoro più bassa. Un punto importante della progettazione è costituito dalla scelta della tensione nominale di esercizio. Infatti una tensione bassa comporta correnti elevate che implicano maggiori sezioni dei cavi e organi di manovra più costosi, viceversa elevate tensioni necessitano di accurate e costose protezioni. Un altra scelta nella fase di progettazione riguarda il tipo di struttura di sostegno dei moduli. Per sostenere i moduli sono necessarie strutture di sostegno che devono rispondere a due esigenze tipicamente in contrasto fra di loro: basso costo ed affidabilità. GLI ACCUMULATORI Nei sistemi fotovoltaici isolati l accumulo di energia viene di solito realizzato mediante accumulatori elettrochimici. La presenza di batterie di accumulo permette di far fronte a punte di carico, senza dover sovradimensionare i generatori, nonché di garantire la continuità dell erogazione dell energia, anche in caso di basso irraggiamento o guasto temporaneo dei generatori. Un accumulatore deve presentare i seguenti requisiti: Elevata efficienza ( rapporto tra energia fornita e quella erogata) Lunga durata in regime di frequenti cicli di carica e scarica Elevata resistenza a grandi escursioni termiche Ridotta autoscarica Elevato rapporto capacità volume Basso costo Scarsa manutenzione Le batterie che vengono usate in impianti fotovoltaici e che rispondono ai precedenti requisiti sono quelle al piombo acido, che presentano una lunga durata, scarsa manutenzione. REGOLATORI DI CARICA Per gli accumulatori al piombo-acido è necessario effettuare la carica in modo da non superare la tensione di 2,4 V/elemento per evitare lo sviluppo di gas. Quindi si rende necessario interporre tra il campo fotovoltaico e la batteria un sistema di controllo di carica, che interrompa la corrente di carica quando la tensione ai capi della batteria abbia raggiunto un determinato valore massimo e la invii nuovamente nella batteria quando la tensione sia scesa sotto un determinato valore minimo. Il sistema di controllo della carica può essere realizzato con dispositivi che parzializzano la corrente fornita alla batteria ON-OFF totale o a gradini) oppure con dispositivi elettronici che modulino la corrente al variare della tensione della batteria ( chopper serie o parallelo). In sistemi semplici si trova soltanto il diodo di blocco per evitare la scarica notturna dell accumulatore sul campo fotovoltaico inattivo. 8

9 I CONVERTITORI CC/CA Sono dispositivi che effettuano una commutazione forzata, con interruzioni e conduzioni a intervalli stabiliti in modo da ottenere la tensione alternata di frequenza desiderata. I requisiti dei CC/CA sono : Alto rendimento di conversione da CC a CA Basso consumo in assenza di carico Bassa distorsione armonica Dimensioni e peso limitato Elevata affidabilità DIMENSIONAMENTO DEGLI IMPIANTI FOTOVOLATICI Il dimensionamento degli impianti fotovoltaici viene in genere eseguito sulla base dei bilanci fra l energia solare incidente sui moduli e da essi convertita in energia elettrica e gli assorbimenti legati ai carichi e all efficienza dei vari componenti dell impianto. Per il dimensionamento di un impianto fotovoltaico sono necessarie le seguenti fasi: Determinazione del carico elettrico Calcolo della radiazione solare disponibile Determinazione della taglia del generatore fotovoltaico e della batteria di accumulo DETERMINAZIONE DEL CARICO ELETTRICO La determinazione del carico elettrico può essere effettuata servendosi di tabelle, dove vengono riportati i fabbisogni energetici dei vari utilizzatori dell utenza assorbita in un mese e in un anno 9

10 Caratteristiche giornaliere medie mensili del carico elettrico ( mese di gennaio) Utilizzatore Tensione (Vca) Tempo di Utiliz. (h/ giorno) Potenza (W) Energia Ass.ta (Wh /giorno) Lampade *5* Pompa irrig Pompa san Frigo Televisore Totale 5190 Caratteristiche giornaliere medie mensili del carico elettrico ( mese di giugno) Utilizzatore Tensione (Vca) Tempo di Utiliz. (h/ giorno) Potenza (W) Energia Ass.ta (Wh /giorno) Lampade *3* Pompa irrig Pompa san Frigo Televisore Totale 7134 Calcolo del carico elettrico nei vari mesi dell anno Mese Energia Ass.ta (Wh /giorno) Mese Energia Ass.ta(Wh /giorno) gennaio 5190 luglio 7134 febbraio 5190 agosto 7134 marzo 5190 settembre 7134 aprile 7134 ottobre 5190 maggio 7134 novembre 5190 giugno 7134 dicembre

11 CALCOLO DELLA RADIAZIONE SOLARE DISPONIBILE Si utilizzeranno i dati della stazione meteorologica più vicina con caratteristiche simili alla località considerata. Esempio : Radiazione globale (Wh / m 2 / giorno) media giornaliera su piani a differenti inclinazioni. Stazione meteorologica di Crotone, Latitudine N. Dai dati riportati in queste tabelle si osserva che per la località in esame, l inclinazione di 60 risulta essere preferibile perché assicura un adeguata produzione di energia nei mesi invernali e non penalizza eccessivamente la produzione nei mesi estivi. Mese Energia Ass.ta (Wh /giorno) Mese Energia Ass.ta (Wh /giorno) Mese gen lug feb ago mar set apr ott mag nov giu dic anno DETERMINAZIONE DELLA TAGLIA DEL GENERATORE FOTOVOLTAICO E DELLA BATTERIA Si ipotizza che in ogni mese, l energia media mensile prodotta dal generatore Eg (Wh / giorno) sia sempre maggior o uguale alla corrispondente energia richiesta dal carico elettrico Ec ( Wh/ giorno), cioè Eg >Ec Essendo Eg = η g * Ag * H η g è definito come rendimento dell impianto fotovolatico, cioè il rapporto fra l energia fornita dall impianto al carico e l energia solare incidente sulla superficie dei moduli costituenti il generatore fotovoltaico ( in genere si considera 8% per moduli al silicio monocristallino, 6% per il pluricristallino, 7% nel caso sia presente un inverter ) Ag superficie totale dei moduli in m 2 H radiazione solare incidente sul piano dei moduli (Wh / m 2 / giorno) Determinata l area minima A g min E c = η H g Nel nostro esempio si vede che il mese che presenta il massimo del rapporto fra l energia 11

12 richiesta dal carico e la radiazione solare incidente è dicembre. Quindi l area minima dei moduli fotovoltaici risulta A gmin = 5190 (3338*0.07)=22.2 m 2 Si calcola la potenza di picco del generatore fotovoltaico P g = ηmod Ag min 1000 η mod rendimento di conversione del modulo fotovoltaico ( in genere si può considerare uguale a 13% per il modulo al silicio monocristallino e uguale all 11% per il pluricristallino) Pg =ηmod Ag min 1000 = 0.13*22.2*1000 = 2. 9kWp La capacità della batteria di accumulo Qb viene calcolata in modo da garantire un certo numero di giorni di autonomia Nga ( periodo in cui la batteria fornisce energia al carico senza alcun apporto energetico del generatore fotovoltaico) Ecmax N ga Qb = η DOD b η b rendimento di carica e scarica della batteria ( in genere circa l 80%) Ecmax valore massimo dell energia giornaliera media mensile richiesta al carico DOD Dept of discharge massima profondità di scarica della batteria ( circa 80%) Quindi ipotizzando che la batteria fornisca 5 giorni di autonomia, la sua capacità risulta: Q b = = 55.7kWh 0,8 0,8 a = 464Ah 120Vcc La scelta ottimale in base a criteri economici e impiantistici si fa tenendo presente: All aumentare della potenza del generatore fotovoltaico aumenta il costo stesso ma diminuisce quello della batteria La taglia del capo fotovoltaico e della batteria non può essere variata in modo continuo Per un dimensionamento corretto è necessario che il numero di giorni di autonomia della batteria sia almeno superiore a 1 se si utilizzano i dati giornalieri e superiore a 4 se si utilizzano i datti dei giorni medi mensili. 12

13 Caratteristiche tecniche di un modulo fotovoltaico Tipo di cella Silicio monocristallino Numero di celle 36 Potenza di picco Tensione alla massima potenza Tensione di circuito aperto Corrente alla max potenza Corrente di cortocircuito Corrente a 14,5 V 50 Wp 16.5 V 20.5 V 3.0 A 3.4 A 3.1 A Area totale 0,42 m 2 Peso 5 Kg Caratteristiche tecniche di batterie stazionarie Tipo di cella Numero di elementi in serie Capacità C10 ( Ah ) Tensione nominale Piombo acido a basso contenuto di antimonio V 13