Università di Ferrara, Dipartimento di Fisica

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1 D. Vincenzi Università di Ferrara, Dipartimento di Fisica L energia solare e i limiti fondamentali di concentrazione

2 Laboratorio Semiconduttori e Sensori Prof. Giuliano Martinelli Prof. Vincenzo Guidi Maria Cristina Carotta Cesare Malagù 200 µm Stefano Baricordi Alan Cervi Delia Puzzovio Sandro Gherardi Enrico Bagli Matteo Pasquini Federico Gualdi Alessio Giberti Andrea Mazzolari Marco Stefancich Beatrice Vendemiati Donato Vincenzi

3 Quanta energia invia il sole sulla terra?

4 Concentrare la luce del sole per

5 Il solare termodinamico: la centrale SEGS di Kramer Junction (CA) Potenza di 350 MW Temperatura di esercizio di 380 C Sistema operativo da 20 anni Utilizzo di olio minerale come fluido vettore

6 Il solare termodinamico: lo schema tipico dell impianto

7 Il progetto Archimede (ENEA) Potenza di 20 MW e Area totale m 2 Temperatura di esercizio di C Utilizzo di sali fusi come fluido vettore: NaNO 3 (60%) KNO 3 (40%) Possibilità di accumulo termico e di accoppiamento con una centrale convenzionale Installazione a Priolo Gargallo (SR) Il sale fuso solidifica a 238 C Il coating dei tubi degenera a 600 C

8 La conversione fotovoltaica e la separazione della cariche fotogenerate E hν E c V E F x E v n region p region Il sole invia sulla superficie terrestre circa 1000 W/m 2, ma le celle fotovoltaiche convenzionali ne riescono a convertire circa il 15 %

9 La produzione del silicio di grado elettronico Quarzite (SiO 2 ) 18 kg Fornace ad arco SiO 2 +2C Si+2CO 2 Reazione con H 2 (1200 C) HSiCl 3 + H 2 Si + 3HCl Distillazione ( C) HSiCl 3 HSiCl 3 HSiCl 3 HCl

10 Dal feedstock ai wafer di Silicio Crescita Czochralski (1400 C) Lingotti monocristallini Tagli, Lappatura, Lucidatura Wafers (1 kg)

11 Analisi economica dei pannelli PV Nei pannelli fotovoltaici piani il costo é diviso in 3 parti Materiale Assemblaggio 45 Lavorazione della cella Il costo finale del sistema é di circa 4-5 /W Il mercato dei pannelli PV piani è attualmente sostenuto da un politica di incentivi fiscali (CONTO ENERGIA) Il costo e la reperibilità del Si sono attualmente il limite più significativo allo sviluppo della tecnologia fotovoltaica standard

12 Produzione annuale di polysilicon (feedstock) nel 2007: ton CONSIDERAZIONE: Con la tecnologia attuale questa quantità di silicio è appena sufficiente per realizzare pannelli fotovoltaici per una potenza complessiva di 3500 MW. Ipotizzando 1000 MWh / anno da ogni MW installato, si raggiungerebbero appena 3.5 milioni MWh/anno vale a dire che tutto il polysilicon mondiale fornirebbe meno dell 1% del fabbisogno della sola Italia. La European Photovoltaic Industry Association (EPIA) prevede un aumento della produzione di polysilicon fino a ton nel 2010

13 Un approccio alternativo ai pannelli fotovoltaici piani: i sistemi a concentrazione Utilizzando sistemi a concentrazione a 200 soli basterebbero solo 1500 ton di polysilicon per soddisfare il 10% del fabbisogno italiano L idea è sostenibile sia per l impatto ambientale che per il payback energetico

14 Fotovoltaico a concentrazione Concentratore sviluppato presso i Sandia National Laboratories negli anni1970

15 Raffreddamento Specchi o lenti (elementi di concentrazione): alta superficie, resistenza ambientale Inseguimento Celle: : Disegno particolare, efficienze > 20%.

16 10 cm Esempi di concentratore solare con superfici riflettenti. (area di raccolta 2.5 m 2, fattore di concentrazione 100x)

17 Modulo Fotovoltaico a concentrazione Rondine Installazione di test presso l Università di Ferrara

18 Sistemi fotovoltaici a concentrazione Amonix, Tempe, AZ Solfocus, Mountain View, CA UC Merced, Merced CA Concentrix Solar GmbH

19 La quantità di silicio viene ridotta in ragione del fattore di concentrazione. L efficienza di conversione del sistema è limitata dal fatto che ogni materiale semiconduttore ha gap energetico che non gli permette di convertire tutto lo spettro solare. Una possibile soluzione per aumentare l efficienza è rappresentata dalle Celle solari multigiunzione basate su semiconduttori composti III-V

20 Celle fotovoltaiche multigiunzione

21 Efficienze di conversione a confronto

22 Limiti delle celle solari multigiunzione Grande complessità realizzativa. Se uno strato non funziona l intero dispositivo smette di produrre energia. Elevato costo e grande scarsità di materiale di substrati monocristallini Ge e GaAs (altissima concentrazione). Lo spessore di ciascun film attivo è calcolato sulla base di particolare spettro solare La grande quantità di energia concentrata sul ricevitore richiede l utilizzo di efficienti sistemi di raffreddamento

23 Un solo raggio, ma molte lunghezze d onda

24 Bilanciamento spettrale del sistema Cella Si: BP Saturn modificata (contatti elettrici) Cella InGaP: Cesi S.p.A. su substrato in Ge Misure di EQE e risposta spettrale assoluta La cella in Si sembra essere avvantaggiata su quasi tutto lo spettro solare.

25 Bilanciamento spettrale del sistema Attraverso la misura della RS, della tensione Voc e del FF in condizioni standard (AM 1.5) è possibile stimare l efficienza globale del sistema a separazione spettrale Occorre prendere in considerazione anche la tensione ai capi di cella (Voc o Vmax) Grafico dell efficienza monocromatica per celle in Si e InGaP

26 Concentratore solare composito Il concentratore è costituito da due collettori faccettati con asse ottico traslato. Il guscio esterno è in PMMA ed è rivestito da un film dicroico > < 650 nm Si InGaP

27

28 Lo spettro solare Il sole emette radiazione con una distribuzione spettrale prossima a quella di un corpo nero a 5800 K. All interno dell atmosfera terrestre lo spettro appare profondamente modificato.

29 Lo spettro solare: effetto dei gas permanenti e del vapor d acqua La quantità di atmosfera attraversata modifica lo spettro solare al livello del mare. Si usa il concetto ai air mass

30 Composizione dell atmosfera terrestre Permanent Constituents Variable constituents Constituent % by Constituent % by volume volume Nitrogen (N 2 ) Water Vapor (H 2 O) 0.04 Oxygen (O 2 ) Ozone (O 3 ) 12 x 10-4 Argon (Ar) Sulfur dioxide (SO 2 ) b x 10-4 Carbon dioxide (CO 2 ) Nitrogen dioxide (NO 2 ) x 10-4 Neon (Ne) x 10-4 Ammonia (NH 3 ) x 10-4 Helium (He) 5.24 x 10-4 Nitric oxide (NO) x 10-4 Krypton (Kr) 1.14 x 10-4 Hydrogen sulfide (H 2 S) x 10-4 Xenon (Xe) x 10-4 Nitric acid vapor trace Hydrogen (H 2 ) 0.5 x 10-4 Methane (CH 4 ) 1.5 x 10-4 Nitrous Oxide (N 2 O) 0.27 x 10-4 Carbon Monoxide (CO) 0.19 x 10-4

31 Il concetto di air mass Nell attraversare l atmosfera la radiazione solare viene attenuata (assorbita da molecole d aria, vapore o polvere) o diffusa (ozono, acqua e CO 2 ). La massa d aria influenza pesantemente lo spettro a terra.

32 Il concetto di air mass Il fattore AM è definito come la secante dell angolo zenitale. Alle nostre latitudini il fattore AM vale circa 1.5. La formula è valida fino ad angoli di 60 70, dopo di che occorre una interpolazione più complessa X = sec ( z)

33 La costante solare e il true solar time (TST) All esterno l irradianza media (nell arco dell anno) è di 1367 W/m 2. A causa della ellitticità dell orbita terrestre l irradianza reale al di fuori dell atmosfera è una funzione del giorno. = E0( n) 0 E0( n) I0 n I 2 r 0 2π n = = cos r 365 ( n ) 365

34 Il modello di emissione solare Il sole è una sorgente a distanza praticamente infinita, ma non è una sorgente puntiforme. Si parla di disco solare

35 Il modello di emissione solare ϕ Dalla terra il disco solare viene visto sotto un angolo di 4.65 mrad, corrispondenti a Nel progettare un concentratore solare occorre tenere conto della divergenza della sorgente (accettanza angolare)

36 L effetto di limb darkeking Il disco solare non ha uno spettro angolare di emissione uniforme. Formula empirica di Minnaert Il fattore β dipende dalla lunghezza d onda. Questo aspetto deve essere tenuto in considerazione nei sistemi a separazione spettrale

37 Diffusione della luce da parte dell atmosfera Radiazione incidente Particella θ La teoria di Rayleigh stabilisce l intensità della radiazione diffusa in funzione dell angolo di diffusione. L effetto è tanto maggiore quanto più corta è la lunghezza d onda

38 Diffusione della luce da parte dell atmosfera Anche le molecole di gas possono diffondere la radiazione elettromagnetica in virtù della loro polarizzabilità

39 La funzione di fase Esempio di funzione di scattering (funzione di fase) per una atmosfera continentale.

40 Il rapporto circumsolare L effetto della diffusione della radiazione solare da parte dell atmosfera crea una corona circolare detta Regione circumsolare I concentratori solari riescono a captare solo una porzione della radiazione circumsolare.

41 Il rapporto circumsolare (CSR) Il rapporto circumsolare è definito come il rapporto tra l intensità nella regione circumsolare e la somma delle intensità nella regione solare e circumsolare. Più è elevato il CSR più bassa è la radiazione diretta. Gli effetti possono essere non trascurabili.

42 I modelli completo dell emissione solare γ Φ( θ ) = e κ θ Il modello sviluppato da D. Buie è un fit su dati sperimentali raccolti nei LBL dagli anni 70.

43 I modelli completo dell emissione solare Frazione di potenza catturata da un concentratore lineare in funzione dell angolo di accettanza (dimensione ricevitore).

44 Gli effetti di un corretto utilizzo del modello solare

45 Gli effetti di un corretto utilizzo del modello solare

46 Gli effetti di un corretto utilizzo del modello solare

47 Teoria generalizzata dei concentratori ottici Non è possibile concentrare la radiazione incidente mantenendo la divergenza del fascio in ingresso. Un concentratore ottico può essere immaginato come una scatola nera con ingresso di area A e uscita di area A. I concentratori possono essere imaging e nonimaging

48 Fattore di concentrazione e accettanza angolare Il più semplice concentratore ottico è una lente sottile di focale f L altezza dell immagine è data da fθ. Se moltiplico la divergenza θ per la dimensione della pupilla a ottengo un invariante Lagrangiano

49 Fattore di concentrazione e accettanza angolare Supponiamo di porre sul piano dell immagine una apertura di raggio fθ. L apertura a è detta aperture stop mentre fθ è detta field stop Il field stop determina l accettanza angolare del sistema

50 Fattore di concentrazione e accettanza angolare Spot diagram di un sistema non stigmatico Le aberrazioni riducono il flusso radiante trasferito dal sistema ottico all interno del cerchio di diametro 2fθ

51 Fattore di concentrazione e accettanza angolare Un sistema perfettamente aplanatico ha efficienza di raccolta unitaria fino all angolo di accettanza massima θ max. Nel caso di aberrazioni il flusso trasferito per θ< θ max è inferiore ad 1.

52 Fattore di concentrazione e accettanza angolare Etendue parax = θa Etendue parax = (θa) 2 caso 2D caso 3D L etendue ha una interpretazione fondamentale nei sistemi ottici ed esprime la conservazione della radianza (o brillanza) Supponiamo di fare incidere su un sistema ottico una sorgente con radianza: W m B 2 sr Il flusso totale intercettato dal sistema è dato da Φ = B π 2 θ 2 a 2 [ W ]

53 Conservazione della radianza (brillanza) A meno delle perdite ottiche dovute alle proprietà dei materiali utilizzati (assorbimento, scattering) il flusso intercettato deve essere conservato ( aθ ) 2 = ( a θ ) 2

54 Fattore di concentrazione massimo Volendo calcolare il fattore di concentrazione massimo C=(a/a ) 2 basta imporre θ al valore massimo ossia π/2. 2 a θ = a θ 2 2 a π 2 = a θ 2 Sfortunatamente il risultato è sbagliato

55 Etendue generalizzata Consideriamo un generico sistema ottico che separa due mezzi di indice di rifrazione n e n. Un raggio è definito da x,y,z e l,m,n (coseni direttori) Possiamo esprimere la variazione di un raggio come un area nello spazio delle fasi X,P 2 2 n dx dy dl dm = n dx dy dl dm

56 Etendue generalizzata Supponiamo che la variazione avvenga solo nella direzione Y n dy dm = n dy dm Integriamo sia dy che dm su tutto il dominio di integrazione (y [ a,a], m [ sinθ, sinθ], ) ( θ ) = 4n sin( θ ) 4n a sin a Esplicito il fattore di concentrazione C 2d = a/a C = a a = n sin n sin ( θ ) ( θ ) C max = a a min = n n sin( θ )

57 Etendue generalizzata Nel caso 3D assial simmetrico la formula è leggermente modificata: C max = a a min 2 = n n sin ( θ ) 2 Questo valore di concentrazione può essere ottenuto solo nel caso di sistemi ottici aplanatici, ovvero privi di aberrazione sferica, coma, curvatura di campo. Può anche accadere che alcuni raggi che entrano nel sistema ottico non giungano alla porta di uscita a causa di riflessione totale interna.

58 Limite di concentrazione Il sole, nel caso il CSR sia uguale a 0, ha una divergenza tipica di Il limite di concentrazione in aria è dato da: C sun max a = a min 2 = sin 1 ( ) Per aumentare il limite teorico di concentrazione occorre aumentare n. (optical rod, incapsulanti, DF CPC) Nella pratica un angolo di uscita di 90 è assolutamente inutile.

59 E possibile costruire dei concentratori ottici che raggiungono il limite teorico di concentrazione? La risposta è SI. Ad esempio gli obiettivi da microscopio sono spesso prossimi al limite teorico di concentrazione.

60 E possibile costruire dei concentratori ottici che raggiungono il limite teorico di concentrazione? Esistono comunque sistemi più semplici che permettono di raggiungere il limite massimo di concentrazione se rinunciamo a qualcosa Curvatura di campo, aberrazione cromatica E possibile costruire un diottro perfettamente privo di aberrazione sferica, ma non di come a aberrazione cromatica

61 Sistemi rifrattivi: specchi parabolici Uno specchio parabolico concentra perfettamente i raggi in asse ma è affetto da aberrazione di coma. In gergo si dice che un concentratore parabolico è privo di aberrazione sferica. I sistemi riflettivi hanno il vantaggio che non soffrono di aberrazione cromatica. E non solo

62 Sistemi rifrattivi: specchi parabolici Non si suppone alcuna forma particolare del collettore. Per la proprietà del cerchio l angolo al centro è il doppio della accettanza angolare Definiamo Φ l angolo che sottende il collettore. a a = sin sin ( 2θ max ) ( Φ) Il fattore di concentrazione massimo si ottiene per Φ = π/2 Calcoliamo il fattore di concentrazione massimo

63 Sistemi rifrattivi: specchi parabolici a 2 a 2 a 2 = 2 a a 1 = 1 2 4sin ( θ ) max 2 cos cos ( 2θ ) max ( θ ) max 2 Il secondo fattore è praticamente unitario ma appare chiaro che la concentrazione massima è inferiore al 25 % del limite teorico. L angolo di uscita è il 50% del massimo consentito

64 La clean room del Laboratorio Sensori e Semiconduttori Superficie 115 mq Camera Gialla, Classe ISO 6 Flusso aria m 3 /h Bunker ADF

65 e il tetto del Dipartimento di Fisica

66 Grazie per l attenzione