Contents. Energie Rinnovabili. Photovoltaic effect Energy conversion and cell test Cells and modules Cell Efficiency PV systems electronics

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1 Università degli studi di Genova DIME, Dipartimento di Ingegneria Meccanica Sezione TErmoenergetica e Condizionamento ambientale, TEC Solar Energy: photovoltaic conversion Energie Rinnovabili Marco Fossa Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Sezione TEC, DIME Rev M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 1/ 100 Contents Photovoltaic effect Energy conversion and cell test Cells and modules Cell Efficiency PV systems electronics M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 2/ 100

2 M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 3/ 100 Photovoltaic Effect (I) Fonte: Leee-Supsi Semiconductors. There are two main semiconductor materials: germanium (Ge) and silicon (Si). This one is the most employed in the electronic industry, thanks to the abundancy of silica on earth A semiconductor is an insulator at low temperatures. Covalent bonds in the silicon crystal (diamon lattice disposition) do not make available any charge (electron) for current flow. Fonte: Leee-Supsi At high enough temperatures, or for photon absorption, some electrons in the valence band can move the conduction band, leaving holes (positive charges) in the valence band. Both conduction electrons or valence holes are charges able to carry the electric current M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 4/ 100

3 Photovoltaic Effect (Ib) In an undoped (intrinsic) semiconductor in thermal equilibrium, the number of electrons in the conduction band and the number of holes in the valence band are equal; no = po = ni, where ni is the intrinsic carrier concentration, depending on temperature (Fermi function). The intrinsic carrier concentration is typically very small compared to the densities of states and typical doping densities (ni cm 3 in Si) and intrinsic semiconductors behave very much like insulators; that is, they are not very useful as conductors of electricity M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 5/ 100 Photovoltaic Effect (III) Nel silicio cristallino quindi ciascun a atomo condivide con quelli adiacenti un elettrone tra quelli più esterni (elettrone di valenza) e si ottiene un ottetto di elettroni che rende la configurazione (nella realtà tridimensionale e tetraedrica) stabile. In questa configurazione di valenza gli elettroni non sono abilitati a muoversi. Un apporto energetico può portate gli elettroni dallo stato energetico di valenza a quello (banda) di conduzione. Tale apporto energetico nel silicio è pari circa a 1.2 [ev]. Considerando che l energia del fotone è data da: E = 1.23/λ [ev/µm] si evince come soltanto le lunghezze d onda inferiori a 1.1 [µm] possono essere utilizzate produrre elettroni di conduzione Quando un elettrone è passato alla banda di conduzione è capace di muoversi nel reticolo cristallino così come accade nei metalli. La lacuna che si crea nella banda di valenza rappresenta anch essa una carica libera abilitata a muoversi. Elettrone Lacuna Corrente elettrica Banda di conduzione Banda di valenza M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 6/ 100

4 Photovoltaic Effect (IIIb) When a semiconductor is taken out of thermal equilibrium, for instance by illumination and/or injection of current, the concentrations of electrons (n) and holes (p) tend to relax back toward their equilibrium values through a process called recombination in which an electron falls from the conduction band to the valence band, thereby eliminating a valence-band hole. There are several recombination mechanisms Electron Current hole Conduction band Valence band M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 7/ 100 Photovoltaic Effect (II) Fonte: Leee-Supsi Doping when semiconductor silicon is doped with phosphorous, one electron is donated to the conduction band for each atom of phosphorous introduced. Phosphorous is has five valence electrons. Silicon is now of type N If silicon is doped with boron (valency of three), each boron atom accepts an electron from the valence band, leaving behind a hole. Silicon is now of type P N P M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 8/ 100

5 Photovoltaic Effect (IV) Se nel reticolo cristallino del silicio sono presenti degli atomi droganti si creano lacune o elettroni liberi nella banda di valenza. L inserzione di atomi boro (trivalenti) produce una lacuna. L inserzione di atomi fosforo (pentavalente) induce un elettrone libero. Gli atomi boro sono anche detti atomi accettori (acceptors) e il semiconduttore diviene di tipo P. Gli atomi fosforo sono detti atomi donatori (donors) e il semiconduttore diviene di tipo N. L operazione di drogaggio avviene creando concentrazioni estremamente basse di drogante, dell ordine di 10-7 atomi droganti per atomo di silicio. N P M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 9/ 100 Photovoltaic Effect (V) Se vengono posti a contatto due strati P-N, si crea una giunzione (junction) con caratteristiche elettriche particolari. Infatti, se isolati, i cristalli P e N sono elettricamente neutri (stesso numero di cariche elettroni e protoni). Nei pressi della giunzione, per diffusione, lacune tenderanno a muoversi verso la zona N ed elettroni tenderanno a muoversi verso la zona P. Potenziale elettrico La diffusione è contrastata dal prodursi di un potenziale elettrico dovuto allo spostamento di cariche. La zona nei pressi della giunzione dove lo scambio di cariche avviene è detta zona di carica spaziale, o zona di svuotamento M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 10/ 100

6 Photovoltaic Effect (V) Where an n-type semiconductor comes into contact with a p-type semiconductor, a pn junction is formed. In thermal equilibrium there is no net current flow Since there is a concentration difference of holes and electrons between the two types of semiconductors, holes diffuse from the ptype region into the n-type region and, similarly, electrons from the n-type material diffuse into the p-type region. As the carriers diffuse, an electric field (or electrostatic potential difference) is produced, which limits the diffusion of further holes and electrons. Potenziale elettrico Depletion zone (zona di svuotamento) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 11/ 100 The Junction M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 12/ 100

7 The Junction (II) Se vengono posti a contatto due strati P-N, si crea una giunzione con caratteristiche elettriche particolari, anche in termini di valori energetici della banda di valenza e conduzione Questa rappresentazione consente di spiegare in una diversa maniera la migrazione delle cariche nella zona polarizzata (Animazione, tratta da Interactive Learning Centre University of Southampton, 1997 M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 13/ 100 The Junction (III) La giunzione così realizzata è di fatto un diodo semiconduttore (diode), cioè un elemento elettronico per il quale, se applicata una differenza di potenziale tra P e N (positiva su P) si ottiene il passaggio di corrente elettrica, a patto che il potenziale applicato sia superiore a un valore di soglia, tipicamente [V]. Se si inverte la polarità, il potenziale applicato si somma a quello creato dal processo diffusivo, ed il passaggio di cariche èinibito. M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 14/ 100

8 The Junction (IV) Il potenziale elettrico presente alla giunzione P-N e il passaggio da banda di valenza a banda di conduzione dovuto all assorbimento di fotoni sono alla base dell effetto fotovoltaico L assorbimento di fotoni libera una serie di coppie elettrone-lacuna. In mancanza della zona polarizzata di giunzione, l elettrone tornerebbe a brevissimo a legarsi ad un altro atomo. Il campo elettrico alla giunzione forza invece le cariche a passare nel semiconduttore polarizzato di segno opposto. In questa maniera gli elettroni possono raggiungere un elettrodo e fornire corrente elettrica ad un carico Fotoni e - carico M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 15/ 100 The Junction (V) A circuito aperto, la migrazione di cariche attraverso la giunzione produce una accumulo di cariche fino al raggiungimento di una tensione di equilibrio. Se il circuito si chiude su un carico, si ottiene una corrente elettrica M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 16/ 100

9 Cell structure Fonte: Leee-Supsi M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 17/ 100 PV Conversion (I) I fotoni in grado di liberare cariche nel semiconduttore sono quelli aventi lunghezza d onda inferiore a 1.1µm. Nello spettro solare a terra (AM =1.5), la frazione di energia contenuta nelle lunghezze d onda inferiori a 1.1µm è circa il 75% dell energia complessiva. Nella realtà il rendimento delle celle fotovoltaiche è molto lontano dal 75%. I motivi sono molteplici: L eccesso di energia dei fotoni produce calore non tutti i fotoni penetrano alla giunzione (riflessioni, schemature della griglia) Coppie lacuna-elettrone si ricombinano senza effetto fotovoltaico Una parte della corrente generata non fluisce al carico La corrente generata è soggetta a perdite per effetto Joule M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 18/ 100

10 PV Conversion (II) Diversi materiali hanno diverse energie di attivazione degli elettroni. Ciò comporta che fotoni a bassa energia non inducono effetto fotovoltaico e i fotoni dotati di extra energia dissipano questo surplus in calore Tenendo conto delle altre cause di dissipazione dell energia, il rendimento teorico massimo risulta al massimo il 30% circa. M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 19/ 100 Multijunction cells M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 20/ 100

11 Multijunction cells M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 21/ 100 Light concentration SOLIANT What they call a module includes eight receiver assemblies consisting of a high-efficiency multijunction Spectrolab or Emcore cell, two-level Fresnel 500X concentrator optics from 3M, a heat sink, and printed circuit board. Each module is also individually integrated with the company s proprietary TipTilt two-axis tracking system, which through its combination of inexpensive but reliable motors, movement sensors, and unique algorithms can track the sun through the course of the day with a pointing accuracy of 0.1%. M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 22/ 100

12 PV Conversion (III) Energia solare incidente sulla cella fotovoltaica Calore (escluso riflessioni) < Energia elettrica utile M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 23/ 100 Cell behaviour Quando la cella non è illuminata si comporta come un diodo. La caratteristica tensione-corrente è di tipo esponenziale, con un comportamento che può essere schematizzato da una discontinuità a gradino in corrispondenza della tensione di attivazione (circa 0.7V) Caratteristica al buio Quando la cella è illuminata si comporta come un generatore di corrente. R carico M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 24/ 100

13 Cell behaviour (II) La curva caratteristica della cella (come generatore) possiede una serie di parametri. I sc = corrente di corto circuito V oc = tensione a circuito aperto I m = corrente nel punto di massima potenza P max V m = tensione nel punto di massima potenza G sol assegnato Si definiscono i seguenti parametri prestazionali: Fattore di riempimento FF (Fill Factor) FF = P m / (I sc V oc ) Rendimento η η = P max / P solare incidente M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 25/ 100 Cell behaviour (II) it is clear that an efficient solar cell will have a high short-circuit current, I SC, a high open-circuit voltage, V OC, and a fill factor, FF, as close as possible to 1. G sol assegnato Si definiscono i seguenti parametri prestazionali: Fattore di riempimento FF (Fill Factor) FF = P m / (I sc V oc ) Rendimento η η = P max / P solare incidente M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 26/ 100

14 Cell behaviour (III) In generale la caratteristica di una cella fotovoltaica è funzione di tre variabili fondamentali: intensità della radiazione solare, temperatura e tipologia della cella. G 1 = 1 kw/m 2 I G 2 = 0.5 kw/m 2 T 1 = 20 C Fonte: Leee-Supsi T 2 = 60 C M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 27/ 100 Cell behaviour (IV) La temperatura di esercizio non ha un effetto significativo sulla corrente di corto circuito, mentre riduce proporzionalmente la tensione a vuoto La radiazione incidente riduce drasticamente la corrente prodotta, ma non ha effetti altrettanto marcati sulla tensione a vuoto. La diminuzione di rendimento con la temperatura di esercizio è stimabile in [%/ C] M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 28/ 100

15 Cell behaviour (V) La diminuzione di rendimento con la temperatura è stimabile in [%/ C] La temperatura di riferimento (temperatura di test) è 25 C. L irraggiamento di riferimento è 1000W/m 2 Il silicio cristallino, che ha migliori prestazioni, risente maggiormente del silicio amorfo degli effetti della temperatura Modulo da circa 70 celle M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 29/ 100 Cell behaviour (VI) MPP (maximum Power Point) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 30/ 100

16 Cell behaviour (VII) Il rendimento si mantiene quasi costante con l irradianza M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 31/ 100 Cell behaviour (VIII) L accoppiamento della cella ad un carico resistivo, produrrebbe punti di funzionamento caratterizzati da rendimento non ottimale. Il punto di funzionamento dovrebbe infatti sempre collocarsi nel punto di Potenza massima (punto di massimo rendimento) G Per ottimizzare le prestazioni della cella, vengono utilizzati dispositivi elettronici, tra cui il MPPT (maximum Power Point Tracker), il cui insieme è detto BOS, balance of the system M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 32/ 100

17 Cell test La procedura di test standardizzata prevede la misura della potenze elettrica generata per una irradianza di 1000W/m 2, con spettro di luce come da AM=1.5 (Norma Cei-EN , ). Durante la prova, in transitorio, la cella è mantenuta a T=25 C, ed illuminata per un brevissimo periodo. Una cella di riferimento provvede a misurare l irraggiamento effettivo. NOCT, Normal operating Cell Temperature, temperatura effettiva di lavoro per G=800W/m 2, T a =20 C, w wind = 1 m/s M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 33/ 100 Temperature control of PV modules (I) La diminuzione di rendimento con la temperatura è stimabile in [%/ C] Noct di targa (condizioni nominali, convezione forzata) = 45 C (tipico) In certe configurazioni (e.g. moduli PV in edifici a facciata doppia), è la convezione naturale responsabile principale del raffreddamento dei moduli, che possono pertanto portarsi a temperature più elevate (60 C) rispetto al Noct La disposizione dei moduli PV (continui in verticale, sfalsati, su intercapedini di diversa profondità, etc) determina diverse modalità dello scambio convettivo naturale, quindi diversi coefficienti di scambio h, quindi diverse temperature di esercizio all equilibrio diverse (più alte al diminuire di h). Uno studio è stato condotto presso UNSW, Sydney, cui ha collaborato il docente, per determinare gli effetti della disposizione dei moduli PV sul coeff. di scambio e sulla temperatura di parete di un sistema di riscaldatori che simulavano la presenza di moduli PV disposti lungo una parete verticale (Reference: C.Ménézo zo, M.Fossa, E.Leonardi, Exp. Thermal Fluid Science Journal, 2008) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 34/ 100

18 Temperature control of PV modules (II) La diminuzione di rendimento con la temperatura è stimabile in [%/ C] Noct di targa (condizioni nominali, convezione forzata) = 45 C (tipico) Ross, R.G. Jnr. and Smokler, M.I. (1986) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 35/ 100 Temperature control of PV modules (III) Configurazione studiata Courtesy of Insa-Lyon Configurazione reale Modulo PV Vetratura trasparente Zone riscaldate 1.6 D= 100 mm D a 1 Sezione di prova riscaldata (la seconda parete non è presente) z [m] 0.8 Z C2_75W/m² C3_75W/m² 0.6 C2_100W/m² C3_100W/m² C2_200W/m² 0.4 C3_200W/m² C1_100W/m² 0.2 C1_200W/m² C1_75W/m² C1 0 C T h -T [ C] M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 36/ 100 T wall -T air [ C] C3

19 Cells and modules (I) Le singole celle possono essere collegate tra loro in serie oppure in parallelo. L insieme delle celle costituisce un modulo. Il tipico modulo è costituito da celle in serie (o multipli). La ragione risiede nel fatto che così facendo è possibile ottenere una tensione a circuito aperto sufficiente a caricare un accumulatore al piombo, come accadeva nelle prime applicazioni off-grid. La cella ha dimensioni tipiche di 100cm 2 e forma esagonale o rettangolare. In condizioni nominali (irradianza 1000 W/m 2 ) produce una corrente di 3A, una tensione di circa 0.5V ed una potenza di 1.5W CELLE MODULI M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 37/ 100 Cells and modules (II) Le celle di silicio monocristallino (c-si) utilizzano semiconduttori altamente puri, la cui produzione è fortemente onerosa. Dalla massa fusa di silicio si producono barre monocristalline di diametro di circa 15cm che vengono in seguito tagliate in sottili fogli da µm. La produzione di celle policristalline è meno onerosa: In questo caso la massa di silicio è solidificata con cristalli di diverse dimensioni ed orientazione. Il rendimento di questo tipo di celle è inferiore al quello delle celle monocristalline. Si parla di celle a silicio amorfo (a-si) o celle a film sottile quando su un substrato di vetro o di altro materiale (anche non rigido) viene depositato un sottile strato di silicio, tipicamente di pochi microns. I costi sono i più bassi al pari delle prestazioni. Nelle celle a film sottile si utilizzano, oltre che silicio amorfo (a-si), rame-indio diseleniuro (CIS, CIGS) e cadmio tellururo (CdTe). Celle ad Arseniuro di Gallio hanno mostrato in laboratorio rendimenti superiori al 30%. Sono utilizzate in applicazioni spaziali M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 38/ 100

20 Cells and modules (IIb) Le celle di silicio mono e poli cristallino (c-si) presentano caratteristiche estremente stabili nel tempo (P>90% P 0 dopo 20 anni). La tecnologia è abbastanza consolidata e non si attendono grandi miglioramenti o riduzione dei costi. Le celle a silicio amorfo (a-si) presentano una riduzione delle prestazioni nella prima migliaia di ore di funzionamento. Hanno costi bassi (1000 /kwp 2010) Le celle a film sottile del tipo CIS e CIGS hanno prestazioni costanti nel tempo e potenziale di miglioramento nei costi e nelle prestazioni (>25% Laboratorio UNSW) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 39/ 100 Cells and modules (III) Produzione del silicio Diffusione differenti tecnologie, 2003 Fonte Castello, Enea M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 40/ 100

21 Cells and modules (IV) Silicio metallurgico: purezza 99% (2N) Materia prima: Quarzo, Sabbia di silice Silicio elettronico: purezza 99,9999 (6N) Silicio di qualità elettronica EG-Si Silicio solare: purezza 99,99 (4N) Blocchi di silicio e Wafers Cella fotovoltaica M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 41/ 100 Cells and modules (V) Fabbricazione della cella (c-si) Fonte Castello, Enea M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 42/ 100

22 Silicon process Schema ed immagine di una fornace di produzione del silicio metallurgico, (Fonte Elkem Silicon, Norway) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 43/ 100 Silicon process (II) Il processo più noto e più utilizzato è detto processo Siemens, basato sulla decomposizione del triclorosilano ad elevata temperatura. Altri processi utilizzano il Silano come composto di partenza. Le reazioni chimiche principali sono le seguenti: Si(solido)+3HCl = HSiCl 3 + H 2 (4.2) la reazione è accompagnata dalla formazione di Silano, con concentrazioni fino al 20% Si(solido)+4HCl = SiCl 4 + 2H 2 (4.3) Il triclorosilano (temperatura di ebollizione normale circa 32 C) è meno volatile rispetto ad altri silani quali il monosilano (temperatura di ebollizione normale circa -112 C, tossico). La distillazione frazionata del triclorosilano consente di ottenere elevati gradi di purezza. Il passo successivo è la vaporizzazione del triclorosilano e la reazione con l idrogeno, ad alta temperatura. Le reazioni chimiche sono diverse e i prodotti gassosi risultano H 2, HCl, SiCl 4, HSiCl 3, H 2 SiCl 4, e silicio puro che si deposita su elettrodi di silicio cristallino mantenuti a circa 1100 C. M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 44/ 100

23 Silicon process (III) La reazione avviene in un reattore CVD, (chem. vapour deposition), dove il silicio accresce in forma solida su elettrodi in silicio puro Ad ogni mole di silicio solido depositato corrispondono circa 3-4 moli di tetraclorosilano all uscita del reattore. Il tetraclorosilano può essere riconvertito in triclorosilano per riduzione con idrogeno, in due passaggi successivi a 1100 C e 500 C. M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 45/ 100 Silicon process (IV) Metodo Czochralski (CZ) Il processo si basa su una camera a vuoto (o contenente gas inerti come Ar, CO e SiO per croglioli di grande dimensione) dove polisilicio di opportuna pezzatura viene fuso in un crogiolo di quarzo alla temperatura di circa 1420 C. Quando il polisilicio è completamente fuso ed amalgamato, un monocristallo di inseminazione (seed crystal) viene calato nel crogiolo fino a toccare la parte liquida e subire la parziale fusione della parte terminale. Il cristallo di inseminazione viene mantenuto in lento movimento di rotazione e successivamente sollevato, per dar luogo ad un lingotto avente la forma di un solido di rotazione, che cristallizza in maniera ordinata (monocristallo). M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 46/ 100

24 Cell wafering Taglio del lingotto Il taglio del lingotto in sottili strati (wafer) è preceduto in genere dalla squadratura del lingotto medesimo, con una taglia standard 10x10 cm 2. Il taglio del lingotto in strati sottili è effettuato con macchine multifili, dove fino a 700 fili metallici, guidati da rulli scanalati, eseguono il taglio grazie all apporto di materiale abrasivo. L abrasivo utilizzato per il taglio è polvere di carburo di silicio (dimensioni 5~30 mm), miscelata in un liquido (slurry) che solitamente è glicole polietilenico (PEG). La dimensione dei fili (in acciaio inossidabile, spesso rivestito da ottone) è in genere compresa tra 120 e 160 µm. Negli ultimi anni si è assistito alla riduzione dello spessore del wafer da 325 a circa 200 µm. M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 47/ 100 Cell printing Macchina per screen printing M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 48/ 100

25 Cells, Energy Payback period To calculate payback, Dutch researcher Alsema reviewed previous energy analyses and did not include the energy that originally went into crystallizing microelectronics scrap. His best estimates of electricity used to make nearfuture, frameless PV were 600 kwh/m2 for single-crystalsilicon modules and 420 kwh/m2 for multicrystalline silicon. Assuming 12% conversion efficiency (standard conditions) and 1,700 kwh/m2 per year of available sunlight energy (the U.S. average is 1,800), Alsema calculated a payback of about 4 years for current multicrystallinesilicon PV systems. Projecting 10 years into the future, he assumes a solar-grade silicon feedstock and 14% efficiency, dropping energy payback to about 2 years. M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 49/ 100 Rendimento di conversione elettrica [%] Cells and and modules (VI) (Fonte Enea) c- System suitability and qualification approval are given in terms of DIN EN (IEC 61215), as well as electrical classification Protection Class II". Typical performance guarantee is 90 % for 10 years and 80 % for 25 years. M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 50/ 100

26 Efficiency Records Researchers at UNSW claim record 43% conversion efficiency (Fonte PV- Tech.org, 26 agosto 2009) According to the team, the silicon cell is optimised to capture light at the red and near-infrared end of the spectrum, meaning it is able to convert up to 46% of light in that colour range into electricity. When combined with four other cells, each optimised for different parts of the solar spectrum, the five-cell combination is capable of converting 43% of the sunlight hitting it into electricity, improving on the previous world record by 0.3% Prof. Green,UNSW M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 51/ 100 Efficiency Records (II) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 52/ 100

27 Efficiency and module surface A=P nom /(η G nom ) = 1/ η M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 53/ 100 Cells and modules (VII) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 54/ 100

28 Cells and modules (VIII) La tecnologia dei film sottili sfrutta la deposizione (ad esempio su vetro) di un sottilissimo strato di materiali semiconduttori, silicio amorfo ed alcuni semiconduttori Composti policristallini, quali il diseleniuro di indio e rame (CuInSe2), e il tellururo di cadmio (CdTe). Tale tecnologia punta sulla riduzione del costo della cella e sulla versatilità d impiego (ad esempio la deposizione su materiali da utilizzare quali elementi strutturali delle facciate degli edifici). Fonte: Enea Attualmente il problema maggiore sono le basse efficienze. La tecnologia a film sottile ha inoltre il vantaggio del bassissimo un consumo di materiale. Inoltre, utilizzando questa tecnologia è possibile ottenere moduli leggeri e flessibili, fabbricare il modulo con un unico processo. M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 55/ 100 Cells and modules (IX) A. Cella B. Vetro temperato (4mm tipico) C. EVA (vinil acetato di etilene) D. Chiusura posteriore E. Fiberglass o Tedlar M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 56/ 100

29 Cells and modules (IXb) String ribbon Bus Ribbon M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 57/ 100 Cells and modules (X) Modulo a silicio amorfo, Free Energy Europe (FEE-20-12) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 58/ 100

30 Cells and modules (XI) Modulo a silicio policristallino, Photowatt (PW1250) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 59/ 100 Cells and modules (XII) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 60/ 100

31 Cells and modules (XIII) Modulo tetto curvo (UniSolar) Tegole fotovoltaiche (Atlantis) Moduli semitrasparenti (ASE) Elementi facciata (Schuco) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 61/ 100 Cells and modules (XIV) Tegoloni fotovoltaici (SunTech) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 62/ 100

32 Schott semitransparent Cells and modules (XV) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 63/ 100 Cells and modules (XVI) Schott semitransparent Solar Heat Gain Coefficient (SHGC) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 64/ 100

33 Elettronics (I) Schema generale Fonte: Enea Schema grid-connected M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 65/ 100 Elettronics (II) Modulo Stringa Cella i Modulo - M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 66/ 100

34 Shading (I) i Cella oscurata - + Quando una cella fosse oscurata, cesserrebbe di comportarsi come un generatore per comportarsi come un diodo a funzionamento inverso (Zener). Questa situazione può portare al blocco della corrente generata. Se la cella è solo parzialmente oscurata, la corrente che attraversa il modulo risulta quella della singola cella in ombra. L intero modulo risulta penalizzato. M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 67/ 100 Shading (II) i - + Cella oscurata Se il modulo è mantenuto a bassa tensione di uscita, oppure in caso di corto circuito, la cella in ombra si può trovare a funzionare come un diodo inverso che deve dissipare la potenza generata dalle altre celle. In questa situazione la cella oscurata è sede di un Hot Spot, e le temperature possono superare anche abbondantemente i 100 C. Fonte: Leee-Supsi Per questo motivo si utilizzano diodi di by-pass, anche due per modulo, per isolare il modulo sede di malfunzionamento I V M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 68/ 100

35 Shading (III) - i + Cella oscurata M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 69/ 100 Shading (IV) 100% 73% Business Card covering half of one cell - i + Cella oscurata M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 70/ 100

36 Shading (V) Cella oscurata - Celle in serie senza diodi bypass i + Celle in serie con diodi bypass M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 71/ 100 Shading (Vb) Celle in serie con diodi bypass M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 72/ 100

37 Elettronics (IIIe) tanα p = tanα s / (cos(γ s - γ) - i + Cella oscurata M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 73/ 100 Elettronics (IIIf) i - + Cella oscurata tanα p = tanα s / (cos(γ s - γ) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 74/ 100

38 Elettronics (IV) Schema di collegamento di stringe costituite da moduli in serie e tra loro in parallelo + - M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 75/ 100 Elettronics (V) Ondulatore monofase (inverter) PWM = Pulse Width Modulation (modulazione a larghezza d impulsi) Qualità dell onda (grid connection) Cei EN Tensione delle armoniche pari <2%, armoniche dispari V<5% tipico M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 76/ 100

39 Elettronics (VI) Gli ondulatori (inverter) possono lavorare su stringhe o su singoli moduli In questa configurazione sono presenti un ondulatore per modulo (configurazione a modulo AC) Vantaggi: Nessuna connessione DC Nessuna interferenza tra moduli Prodotti di grande serie Svantaggi Rendimento non elevato, massimo 94% M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 77/ 100 Elettronics (VII) In questa configurazione è presente un ondulatore per stringa Vantaggi: Maggiore semplicità circuito Possibilità di agevole manutenzione Svantaggi Rendimento non elevatissimo, massimo 96% M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 78/ 100

40 Elettronics (VIII) In questa configurazione è presente un ondulatore per stringa Vantaggi: Maggiore semplicità circuito Elevati rendimenti Svantaggi Possibile interazione tra moduli e diminuzione dell energia prodotta In caso di guasto, l intero impianto cessa di produrre M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 79/ 100 Elettronics (IX) String/Field Power (PV) and inverter one (INV DC) Inverter sovradimensionato Sizing factor M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 80/ 100

41 Elettronics (X), Euro Inverter Efficiency M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 81/ 100 Elettronics (XI) L efficienza dell Inverter dipende sia da P/P nom che dalla tensione DC in ingresso M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 82/ 100

42 Sizing (I) Alcuni criteri di dimensionamento 1) N max moduli =V max, inv /V oc, T=-10 C 2) N min moduli =V mpp, inv,min /V mpp, mod, T=70 C 3) N stringhe =I max, inv /I sc, string M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 83/ 100 Sizing (II) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 84/ 100

43 Sizing (II) La caduta di tensione inoltre in condizioni nominali dovrebbe essere inferiore a 1% Regola di massima: 2-3 A per mm 2 di sezione M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 85/ 100 Yearly yield M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 86/ 100

44 Costs, grid connected Prezzo di produzione dell energia fotovoltaica (euro/kwh) a differenti latitutudini (EPIA 2005). M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 87/ 100 Costs, grid connected (modules, till jul. 2009) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 88/ 100

45 Costs, grid connected (modules, till jul. 2009) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 89/ 100 Costs, grid connected (modules, till jul. 2009) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 90/ 100

46 Costs, grid connected (modules, till nov. 2011) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 91/ 100 Orientation (I) Le considerazioni su l energia disponibile fatte a proposito dei collettori solari a bassa temperatura, possono essere applicate ai moduli fotovoltaici. L orientazione migliore (massima energia incidente annua) è quella a sud, tilt circa pari alla latitudine. Per esempio, nel caso di Genova [kwh/m 2 giorno]: Orizzontale Sud, tilt=30 Sud, tilt=44 Sud, verticale SO/SE verticale Gennaio Giugno Ottobre Media annua All energia disponibile si applica il rendimento di conversione nominale. Ad esso si aggiungono perdite per effetto di temperatura di lavoro (5-8%), riflessione (3-5%), mismatch intrinseco di celle e moduli (1-5%), ombreggiamento parziale (0-5%), conversione elettrica (5-10%) Tipicamente si ottengono 950 (kwh/anno)/kwp al nord Italia e 1250 al sud M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 92/ 100

47 Orientazione (II) Esempio dell effetto dell orientazione sulla captabilita dell energia su base annuale M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 93/ 100 Orientazione (III) Effetto dell orientazione rispetto al caso ottimale per Lione, Francia (sud, tilt=38 ) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 94/ 100

48 Orientazione (IV) Il costo dei moduli fotovoltaici può rendere conveniente l utilizzo di sistemi ad inseguimento. Sistemi ad inseguimento monoassiale Impianto atudela, Navarra, Spagna (1.2MWp) Asse di rotazione N-S M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 95/ 100 Orientazione (IVb) Sistemi ad inseguimento multiassiale Impianto di Osimo, AN. 1MWp M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 96/ 100

49 Sistemi ad inseguimento monoassiale, tracking diretto Orientazione (V) Energia captabile da filare fotovoltaico Sud Italia, [kwh/anno KWp] (Fonte Enel) Filare di larghezza 5m Fisso, tilt = Tracking interasse 10m 1620 Tracking interasse 12m Tracking, interasse 10m, tilt= Backtracking, interasse 10m Sistemi ad inseguimento monoassiale, backtracking (minimizzazione delle ombre) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 97/ 100 Sistemi ibridi PVT (I) I sistemi ibridi (detti anche PVT) sono costituiti dal moduli PV associati ad un opportuno scambiatore di calore che recupera una quotaparte di energia solare non convertita in energia elettrica I sistemi PVT possono classificarsi come: - collettori ibridi con vettore termico liquido (PVT/W) - collettori ibridi con vettore termico aria (PVT/A) -sistemi PVT integrati in facciate ventilate (PVT/F) -sistemi PVT a concentrazione (PVT/C) to/from other storage systems (e.g. geothermal) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 98/ 100

50 Sistemi ibridi PVT (II) (a) (b) (c) Collettori e sistemi solari ibridi: (a) PVT/W, (b) PVT/A, (c) PVT/F Problematiche: I moduli fotovoltaici classici sono in genere in grado di sopportare temperature di lavoro fino a 90 C, con condizioni nominali comprese tra 40 e 50 C (NOCT, normal operating cell temperature). I collettori solari piani per la conversione termica sono invece in grado di lavorare a temperature fino a C (stagnazione). Le celle fotovoltaiche sono inoltre sensibili alle temperature troppo elevate, per problemi di tipo elettronico (diffusione metallica e derive del rendimento) e legati alla presenza di rivestimenti quali EVA (ethyl vinyl acetate). La superficie captante di un modulo PV (la cella, con eventuale rivestimento) inoltre non possiede le caratteristiche radianti selettive di un captatore termico (elevata assorptività nel visibile e vicino infrarosso, bassa emissività nel lontano infrarosso) e non è pertanto in grado di assicurare i rendimenti di captazione dell energia solare tipici dei sistemi termici semplici. M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe -Pag. 99/ 100 Sistemi ibridi PVT (III) Thin Film module Fuji a-si, 3.65m 2, 190W p, on aluminium absorber/heat exchanger M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe - Pag. 100 / 100

51 If sunlight is concentrated by a factor of X (X sun illumination), the short circuit at that concentration is I SC,x =XI SC,1sun The incident power, P in, is determined by the properties of the light spectrum incident on the solar cell. PVT concentration, CPV (I) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe - Pag. 101 / 100 PVT concentration, CPV (I) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe - Pag. 102 / 100

52 PVT concentration, CPV (I) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe - Pag. 103 / 100 Hybrid PVT, CPV (I) M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe - Pag. 104 / 100

53 Fine presentazione M.Fossa, Energie Rinnovabili, UniGe - Pag. 105 / 100