Solar Tech Lab SOLARE FOTOVOLTAICO. Energia al Trasferimento tecnologico. Descrizione. Tecnologia. Mercato. Contatti

Transcript

1 SOLARE FOTOVOLTAICO Energia al Solar Tech Lab Descrizione La cella fotovoltaica è un sistema che converte direttamente la radiazione solare in energia elettrica, senza organi in movimento ed è quindi potenzialmente adatto a qualsiasi tipo di applicazione con utenze elettriche. Il vantaggio/svantaggio è la sua forte dipendenza dalla radiazione solare, per cui idealmente può generare energia elettrica per circa 4000 h/anno, che poi si riducono a 1500/2000 h/anno nella realtà. La radiazione solare si divide in: Diretta: è quella proveniente direttamente lungo la linea che congiunge il Sole alla Terra ed ha un andamento noto in ogni località in funzione del giorno dell'anno e dell'ora. Diffusa: è quella parte della radiazione assorbita e dispersa dai gas presenti nell'atmosfera, oltre che da vapor d'acqua, acqua allo stato liquido o solido presente nelle nuvole e da particelle di polvere. Tecnologia Descrizione Ciclo di Vita Sviluppi Futuri Applicazioni Possibili Proprietà Intellettuale Mercato Impianti Dinamiche Industriali Contatti Referenti Infrastrutture

2 Riflessa dagli oggetti circostanti, o radiazione da albedo, ha un andamento che dipende dalle caratteristiche e dalla disposizione del paesaggio "visto" dalla superficie di raccolta. Lo stato dell arte presenta le seguenti tecnologie per quanto riguarda le celle fotovoltaiche: Tabella 1: caratteristiche tecnologie per celle fotovoltaiche Tecnologia Si monocristallino Si Policristallino Film sottile CdTe CIS/CIGS Si Amorfo Rendimento 11-16% 10-14% 10-11% 10-11% 4-7% del modulo Superficie FV 7-9 m2 8-9 m m m m2 necessaria per 1kWp Sensibilità alla radiazione convertita 80% diretta 20% diffusa 70% diretta 30% diffusa 50% diretta 50% diffusa 50% diretta 50% diffusa 30% diretta 70% diffusa Vantaggi Alto rendimento Tecnologia affidabile Stabilità nel tempo Tecnologia affidabile Stabilità nel tempo Ampi margini di riduzione dei costi di produzione Ampi margini di riduzione dei costi di produzione Alta integrabilità architettonica Buon rendimento per irraggiamento diffuso Svantaggi Materia prima critica Ridotte possibilità di miglioramento dell efficienza Materia prima critica Ridotte possibilità di miglioramento dell efficienza Presenza di cadmio Accessibilità alle materie prime critica nel caso di produzione su larga scala Ridotta efficienza Scarsa stabilità negli anni Ridotte possibilità di miglioramento dell efficienza Componenti di un impianto FV: la cella fotovoltaica è l elemento base di ogni sistema fotovoltaico. Il modulo fotovoltaico è un insieme di celle fotovoltaiche collegate tra loro in serie (o più raramente in parallelo), così da ottenere valori di tensione (o corrente) adatti ai comuni impieghi. Più moduli (anche detti pannelli se assemblati su una struttura comune)

3 collegati tra loro in serie costituiscono una stringa. L insieme delle stringhe, che sono collegate in parallelo, è definito campo fotovoltaico o generatore fotovoltaico. Esso costituisce la parte del sistema preposta alla generazione di energia elettrica tramite conversione dell energia solare. Ogni pannello/stringa sono provvisti di un diodo di blocco che, a fronte di eventuali squilibri di tensione tra le stringhe, evita il ricircolo di corrente nelle stringhe a tensione minore. In genere i diodi di blocco sono contenuti in quadri in parallelo, dove, quando la potenza installata del campo fotovoltaico lo richiede, possono essere disposti dei dissipatori per mantenere la temperatura di funzionamento di tale componente. I convertitori sono necessari in tutte le applicazione dove i parametri tensione e corrente generati devono essere allineati a quelli tipici dei carichi connessi o le caratteristiche della rete elettrica alla quale sono connessi. I convertitori che realizzano il condizionamento della potenza da CC a CA sono chiamati INVERTER. I convertitori che realizzano il condizionamento della potenza da CC a CC sono chiamati CHOPPER. In particolare, i BUCK sono chopper abbassatori di tensione, mentre i BOOST sono chopper elevatori di tensione. Oltre alla funzione di condizionamento della potenza, un convertitore per impianti FV ha funzioni di controllo e supervisione dell impianto. Torna all Indice Stadio rispetto al Ciclo di Vita Le tecnologie legate all impiego di wafer di Silicio, in forma mono/policristallina, ovvero quelle cosiddette di Prima Generazione, hanno raggiunto da alcuni anni la completa maturità commerciale e risultano essere una tecnologia affidabile e pienamente dimostrata. Occorre sottolineare che gli istituti di credito riconoscono la maturità e affidabilità di tali tecnologie, questo fatto ha consentito loro di mantenere un certo vantaggio rispetto alle celle a film sottile. Le tecnologie di prima generazione beneficiano soprattutto di innovazioni incrementali finalizzate all aumento dell efficienza dei processi tecnologici di produzione, altamente costosi ed energivori. Tecnologie meno consolidate, quali il film sottile, offrono maggiori margini di aumento del rendimento delle celle. Torna all Indice

4 Sviluppi Futuri Energia al Possibili aree di incremento dell efficienza delle tecnologie in commercio Di seguito si riportano le perdite di efficienza legate al pannello fotovoltaico. Si desidera sottolineare che ogni causa di perdita di efficienza è un potenziale aspetto da migliorare al fine di aumentare il rendimento del pannello: Riflessione o Il circuito metallico sulla superficie della cella riflette la radiazione o La cella solare riflette parte della radiazione Ombreggiamento o Il circuito elettrico sulla superficie riduce la superficie elettrica Perdite per ricombinazione o Il materiale ha dei difetti o Ricombinazioni radiative e di Auger Resistenze o Corto circuito tra la superficie e il retro della cella o Trasporto degli elettroni attraverso i contatti e I cavi Assorbimento o Non tutta la radiazione viene assorbita dalla cella Altri fattori o Sporco sulla cella o Condizioni non ideali Considerando invece l intero impianto fotovoltaico, è possibile identificare e quantificare ulteriori perdite di efficienza:

5 Tabella 2: differenti fonti di perdita di efficienza in un impianto fotovoltaico Come mostrato in tabella 2, stanno acquistando crescente importanza i paesi extra UE. Fra di essi la Cina ricopre il ruolo di mercato in maggior crescita in quanto il governo cinese ha recentemente dichiarato di voler raggiungere una potenza installata cumulata pari a 40MW, contro i 7Mw registrati a fine Come anticipato in precedenza, il mercato statunitense è previsto in ulteriore crescita grazie a politiche che puntano sulle energie rinnovabili. Anche il Giappone ricoprirà un ruolo sempre maggiore all interno del mercato, grazie a politiche di abbandono del nucleare. In un orizzonte di medio termine, diversi appaiono i mercati emergenti come quello sudamericano (10 GW tra 2013 e 2017), quello sudafricano (3,7 GW entro il 2016) e quello del Sud-Est Asiatico (3GW al 2017). Italia: la fine delle politiche incentivanti ha causato la contrazione del mercato. Tuttavia il mercato registra buone prospettive per quanto riguarda impianti di piccola taglia ad uso residenziale. Torna all Indice

6 Applicazioni Possibili e Sviluppi Futuri Solare fotovoltaico a concentrazione: si propone di diminuire i costi di impianto attraverso la riduzione delle quantità di materiali semiconduttori impiegati per le celle, che in un impianto fotovoltaico rappresentano il costo principale. L area di semiconduttore impiegato nelle celle, infatti, viene sostanzialmente ridotta di un fattore pari alla concentrazione ottica, a pari potenza elettrica nominale del sistema. Il fattore di concentrazione varia da un valore di poche unità nei sistemi a minore concentrazione fino ad un valore prossimo a 1000 nei sistemi a concentrazione più elevata finora studiati. I sistemi ottici di concentrazione possono essere basati sul meccanismo della riflessione (specchi) oppure più spesso su quello della rifrazione (lenti). In aggiunta alla drastica riduzione di materiale, con la concentrazione si ottiene in generale un rendimento della cella più elevato, in quanto, nonostante l effetto negativo legato alle maggiori temperature di lavoro, in queste condizioni aumenta la corrente di illuminazione, quindi l efficienza della cella. A differenza dei moduli fotovoltaici tradizionali, questa tecnologia per sua natura è in grado di convertire in energia elettrica la sola radiazione diretta proveniente dal sole e necessita quindi di meccanismi di movimentazione (tracking) per ottenere l inseguimento della radiazione solare. I costruttori di moduli a concentrazione si stanno orientando su diverse filosofie costruttive: sistemi ad alta concentrazione (da 400X fino a circa 1000X) che impiegano celle multi-giunzione basate su arseniuro di gallio (GaAs) derivate dalla tecnologia spaziale, sistemi a media concentrazione (tipicamente 10X-20X) che utilizzano celle in silicio monocristallino di elevata qualità, e infine sistemi a bassa concentrazione (2X-3X) basati su moduli convenzionali in silicio e realizzati mediante semplici specchi applicati ai lati del modulo. Gli operatori del settore sostengono che oltre un certo volume di moduli prodotti la curva di apprendimento per i costi CPV sarà ancora più ripida rispetto alla tecnologia FV. Fotovoltaico ibrido: consiste in un pannello che produce contemporaneamente energia elettrica e acqua calda (sostituirebbe quindi il tradizionale solare termico). In questo modo

7 si può potenzialmente sfruttare l 80% dell energia solare che non è convertita in energia elettrica. Vantaggi: l impianto produce due beni e quindi a pari costo si ripaga in meno tempo. In estate, il pannello può essere raffreddato con vantaggi sulla generazione dell energia elettrica. In Italia si può accedere alle detrazioni fiscali o al conto energia termica. Svantaggi: il pannello è più costoso Il rendimento di inverno è più basso Il rendimento termico è molto più basso di quello dei pannelli termici tradizionali (acqua calda prodotta a basse T) Applicazioni di nicchia Il pannello è ottimizzato sul lato elettrico quindi si riesce a recuperare poca energia termica o a bassa temperatura. Al momento non è sviluppato un pannello ottimizzato sia lato elettrico sia termico. Per rendere interessante la tecnologia ibrida bisogna introdurre una serie di miglioramenti: Introdurre un vetro camera per ridurre le perdite termiche (si riduce h con ambiente e T superficiale) Concentrare la radiazione così da migliorare il rendimento termico (C fattore di concentrazione) Bisogna considerare che, migliorare il rendimento termico vuol dire modificare il pannello introducendo delle superfici interposte tra la cella e il sole. Qualsiasi riflessione della radiazione solare comporta delle perdite ottiche, analogamente qualsiasi vetro camera riduce la radiazione incidente sulla cella con perdita di potenza elettrica generata. Secondo aspetto bisogna verificare la Temperatura di stagnazione: la cella non deve mai superare la temperatura di laminazione altrimenti si danneggia. Il limite per le celle al silicio tradizionale

8 è generalmente basso. Comunque bisogna considerare che a perdite di energia elettrica di qualche punto percentuale, corrisponde un significativo incremento di energia termica recuperata che in ambiti residenziali porta a vantaggi economici. Fotovoltaico ibrido + Pompa di calore: Una soluzione che consente risparmi energetici con pannelli ibridi commerciali e quindi con efficienze termiche basse, è quello di collegare il circuito termico del pannello con l evaporatore di una pompa di calore Vetri e film protettivi: Lo sviluppo di vetri con elevate trasparenze e/o di pellicole protettive che riducano lo sporcamento del vetro o quantomeno agevolino l autopulizia può essere certamente un ambito di interesse. Si può produrre fino al 5% in più migliorando la pulizia della superficie del pannello. Inverter e accumuli integrati:lo sviluppo della tecnologia fotovoltaica integrata architettonicamente richiede anche lo sviluppo di inverter integrati con il modulo per semplificare l installazione dei pannelli stessi e ridurre le perdite di trasmissione. Questa soluzione consente di ottimizzare la produzione di ciascun pannello, che vista l integrazione architettonica vede condizioni di funzionamento molto diverse. Infine, vista la necessità di mitigare le fluttuazioni di energia elettrica generata, si sta puntando su inverter con accumulo integrati. C è ampio margine per lo sviluppo di queste tecnologie che poi possono essere adottate anche in altre tecnologie rinnovabili come l eolico. Sistemi di tracking: Per aumentare la produzione di energia elettrica da tecnologia fotovoltaica si può incrementare la radiazione incidente sul pannello stesso mediante sistemi di inseguimento. Ottimizzazione delle logiche di inseguimento e attuatori efficienti sono certamente necessari per lo sviluppo di questa soluzione. Si desidera sottolineare che, lo sviluppo delle tecnologie connesse al fotovoltaico, può avere ricadute anche in altri settori.

9 Torna all Indice Proprietà Intellettuale Non è un percorso standardizzato, è legata alle modalità di collaborazione fra i soggetti coinvolti (imprese, enti di ricerca). Deve esserci l accordo delle parti delle parti coinvolte per procedere con la brevettazione. In caso di collaborazioni tra enti di ricerca e imprese, mancando l accordo sulla brevettazione, l ente di ricerca potrà procedere con la pubblicazione e diffusione dei risultati della ricerca. Torna all Indice

10 Mercato Impianti A livello mondiale, il mercato del fotovoltaico, con 33,7 GW installati nel 2012 è cresciuto rispetto al 2011 di circa il 20%, raggiungendo la quota complessiva di 101 GW. In Europa, nel 2012 sono stati connessi 16,8 GW di nuovi impianti, portando il cumulato a 69 GW. Fino al 2011 i Paesi europei hanno avuto un ruolo di primo piano nel mercato del fotovoltaico. Nel corso del 2012 sembra invece essersi consolidata una nuova fase di sviluppo del mercato, in cui si registra una forte crescita dei Paesi extra UE. Paesi quali Cina, India, Stati Uniti e Giappone rivestono un ruolo sempre più da protagonisti e sono i principali attori della crescita del mercato internazionale pari al 128% dal 2011 al Tabella 3: potenza annua e cumulata in esercizio a fine 2012 (fonte: Mercato italiano: Si registra un forte ridimensionamento dell Italia, pur mantenendo il secondo posto per quanto riguarda la potenza cumulata installata. Tale contrazione ha interessato principalmente gli impianti con taglia superiore a 1MW (-85% della potenza

11 installata fra 2011 e 2012 e ulteriore riduzione nel 2013)ed è principalmente causata dalla fine degli incentivi previsti nei Conti Energia e dagli effetti indiretti dell introduzione del meccanismo dei Registri sulla bancabilità dei progetti. Grafico 1: ripartizione della potenza installata (Fonte: Gli impianti di taglia residenziale registrano invece una crescita e hanno acquistato maggiore importanza nel mercato. Tale crescita è prevista mantenersi nei prossimi anni.

12 Grafico 2: potenza annua installata per taglia di impianto (fonte: Torna all Indice Dinamiche Industriali Le fasi a monte della filiera, soffrono di un contesto dominato dall oversupply. Questo comporta un importante contrazione dei prezzi dei moduli, a cui non è possibile far seguito una riduzione dei costi di produzione almeno di pari entità. La contrazione dei prezzi ha avuto un effetto importante sulle profittabilità dei leader di mercato, comportando le seguenti principali conseguenze: Riduzione della marginalità media superiore al 50% Processi di razionalizzazione della capacità produttiva Revisione dei piani produttivi e minimizzazione delle scorte Il fenomeno ha interessato in particolare la filiera europea. Si stima che entro il 2016 il 60%delle imprese attive nelle fasi a monte della filiera fotovoltaica internazionale potrebbe di fatto uscire dal mercato. Ad imporsi dovrebbe essere il modello dei produttori integrati. Filiera italiana: i produttori di componenti hanno subito una forte riduzione del gross margin fino a raggiungere anche margini negativi per i produttori di moduli a Si cristallino e

13 amorfo. Tale contrazione è causata dal fenomeno di oversupply e dalla concorrenza dei player cinesi che offrono pannelli a prezzi significativamente inferiori. La filiera italiana si è quindi concentrata nella distribuzione, progettazione e installazione degli impianti. Per quanto riguarda la produzione di pannelli, solo le tecnologie CdTe, CIS e CIGS offrono ancora margini positivi per la filiera italiana. Per quanto riguarda la produzione di tutti i componenti di un impianto, i produttori di inverter registrano la marginalità media più alta. (fonte: Torna all Indice

14 Contatti Referenti Giampaolo Manzolini Ruolo: ricercatore di ruolo Gruppi: Sistemi di conversione dell'energia (GECOS), Laboratori: Laboratorio di Sistemi Solari (Solar Tech), Micro-cogenerazione Indirizzo: Campus Bovisa - Via Lambruschini, Milano Telefono: Fax: giampaolo.manzolini@polimi.it Emanuele Ogliari Ruolo: dottorando Laboratori: Laboratorio di Sistemi Solari: Solar Tech Indirizzo: Campus Bovisa - Via Lambruschini, Milano Telefono: Fax: Solar Tech Lab: Laboratorio fotovoltaico emanuele.ogliari@polimi.it Infrastrutture Infrastrutture disponibili per attività di R&S, competenze ed esperienze Il Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano è in grado di prevedere le prestazioni di un impianto fotovoltaico e di simularne il funzionamento annuale mediante strumenti di calcolo, valutando le principali grandezze elettriche che ne descrivono il comportamento. L Ateneo, inoltre, possiede un laboratorio dedicato alla ricerca e sviluppo della tecnologia

15 fotovoltaica. Il Laboratorio di Sistemi Solari (Solar Tech) è posizionato sul tetto del Dipartimento di Energia in Bovisa. Le attività del laboratorio sono di seguito descritte: Misurazioni delle prestazioni di pannelli commerciali fotovoltaici, termici e fotovoltaici a concentrazione in condizioni reali di funzionamento al fine di valutarne le prestazioni effettive; le prestazioni di ciascun pannello verranno misurate e confrontate con la produzione attesa determinando il rendimento e identificando eventuali fenomeni di decadimento. Diverse tipologie di fotovoltaico (mono-s, poli- S,ecc.) sono attualmente installate così da poterne confrontare le prestazioni. Analisi degli ausiliari di sistema come l inverter o l inseguitore. Un obiettivo del laboratorio consiste nello studio di nuovi inverter capaci di ottimizzare l energia prodotta da ciascuna stringa di pannelli in condizioni reali, di scambiare dati con un sistema di controllo in remoto e adattarsi alla rete. Verranno svolte analisi e confronti tra le diverse tipologie di inseguitori sia applicate al fotovoltaico tradizionale, sia fotovoltaico a concentrazione e ibrido. Validazione di modelli predittivi; lo sviluppo di modelli previsionali della produzione da fonte rinnovabile aleatoria come il fotovoltaico è fondamentale al fine di aumentare la quota di energia prodotta da fonti rinnovabili. Questi modelli possono essere anche utilizzati per ottimizzare la produzione, distribuzione e accumulo dell energia elettrica, nonchè dello sviluppo di smart-grids. Modelli predittivi dell energia prodotta dai pannelli fotovoltaici verranno confrontati e validati attraverso le misure effettuate in laboratorio così da valutarne l effettiva affidabilità. Analisi di concetti avanzati come la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili inserite in reti isolate e con sistemi di accumulo. Un prototipo di sistema isolato sarà installato presso il laboratorio così da sviluppare i sistemi di controllo e ottimizzare le strategie di accumulo per diversi profili di richiesta elettrica. L obiettivo è quello di massimizzare l efficienza di conversione e semplificare l integrazione tra energie rinnovabili e sistemi di accumulo.

16 Energia al Ottimizzazione del sistema, sviluppo di componenti e test di prototipi. L ultimo obiettivo del laboratorio consiste nel miglioramento delle attuali tecnologie di conversione e realizzazione/test di prototipi precedentemente analizzati e sviluppati mediante modelli teorici. Un esempio di prototipo sviluppato è un pannello solare fotovoltaico a concentrazione con recupero termico. La finalità è quella di migliorare la tecnologia attuale, consentendo un risparmio economico rispetto ai sistemi tradizionali pur garantendo la medesima affidabilità. Il laboratorio è dotato di una stazione metereologica che misura la temperatura ambiente, la velocità del vento, radiazione solare sotto forma di radiazione normale diretta, radiazione totale su superficie orizzontale e radiazione diffusa. Il laboratorio è diviso in diverse aree che rispecchiano i diversi obiettivi perseguiti. È presente una zona per l analisi di pannelli commerciali, una zona dedicata alla misura delle prestazioni dei pannelli in funzione dell angolo di incidenza e/o degli ombreggiamenti, una zona dedicati al fotovoltaico con inseguimento e un ultima zona per i panneli fotovoltaici/termici e pannelli termici tradizionali. Attualmente sono installati più di 20 pannelli. Torna all Indice Laboratorio Solar Tech Solar Tech Solar tech Solar tech Attività Analisi/ e miglioramento pannelli commerciali Sviluppo prototipi pannelli ibridi Previsione produzione pannelli Sviluppo tecniche MMPT e studio impianti in isola con accumulo Resp. Scientifico Resp. Operativo Riferimenti (telefono; mail) Sonia Leva Sonia Leva sonia.leva@polimi.it Giampaolo Manzolini Sonia Leva Giampaolo Manzolini Emanuele Ogliari Giampaolo.manzolini@polimi.it Emanuelegiovanni.ogliari@polimi.it Sonia Leva Alberto Dolara Alberto.dolara@polimi.it