UN SISTEMA AUTOMATIZZATO PER LA CERTIFICAZIONE DELLE PRESTAZIONI ENERGETICHE DI APPARATI FOTOVOLTACI

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1 61 Congresso Nazionale ATI Perugia Settembre 2006 UN SISTEMA AUTOMATIZZATO PER LA CERTIFICAZIONE DELLE PRESTAZIONI ENERGETICHE DI APPARATI FOTOVOLTACI F. Asdrubali, G. Baldinelli, A. Presciutti Università degli Studi di Perugia, Dipartimento di Ingegneria Industriale, Via G. Duranti 67 - Perugia. SOMMARIO La recente introduzione di tariffe incentivanti per la produzione di energia elettrica da sistemi fotovoltaici, (D.M. 28 luglio 2005, il cosiddetto conto energia ) ha causato un rapido aumento della domanda di componenti fotovoltaici nel mercato italiano ed è cresciuta di conseguenza la richiesta di certificazione delle celle e dei moduli prodotti. Si sono pertanto progettati due apparati automatizzati in grado di tracciare la curva caratteristica tensione-corrente di un elevato numero di celle e moduli al giorno, al fine di effettuarne una classificazione sulla base delle prestazioni energetiche riscontrate. La memoria riporta la descrizione degli apparati di misura e classificazione di celle e moduli fotovoltaici, dei relativi sistemi di automazione, acquisizione ed elaborazione dati, progettati in conformità alle Norme tecniche vigenti. INTRODUZIONE A partire dagli ultimi mesi del 2005 si è innescato nel mercato italiano un rapido aumento della domanda di sistemi fotovoltaici, grazie all introduzione delle tariffe incentivanti previste dal Decreto ministeriale 28 luglio 2005, in attuazione dell art. 7 del D. Leg. 387 del Il Decreto, emanato dal Ministero delle Attività Produttive di concerto con il Ministero dell Ambiente, insieme alla successiva delibera n188/2005, definisce il cosiddetto conto energia per i sistemi fotovoltaici per impianti con taglie comprese tra 1 kw e 1000 kw di potenza, individua, quale soggetto attuatore, il Gestore della Rete di Trasmissione Nazionale e stabilisce le condizioni di erogazione delle tariffe incentivanti. Contemporaneamente a tale aumento della domanda di sistemi fotovoltaici si è innescata la richiesta di certificazione delle celle prodotte. Infatti, ai fini dell erogazione dei fondi, il Decreto esige determinati requisiti prestazionali dei moduli fotovoltaici installati. Di conseguenza, è sorta l esigenza di realizzare sistemi automatizzati in grado di certificare sia le singole celle che i moduli da immettere nel mercato. Oggetto del presente lavoro è la progettazione di due sistemi automatizzati (simulatori solari) che permettano di rispondere a tali richieste, grazie all impiego di sistemi pneumatici robotizzati. In particolare i sistemi per la verifica delle prestazioni devono essere in grado di identificarne le specifiche tracciando, sia per i moduli sia per le celle, le relative curve caratteristiche di Tensione- Corrente (V-I) al fine di poterli classificare in funzione di parametri predeterminati. Nella presente memoria si riporta la descrizione degli apparati per la determinazione delle prestazioni sia dei moduli che delle celle fotovoltaiche, dei relativi sistemi di automazione e di monitoraggio automatizzato progettato alla luce del Quadro Normativo vigente nel settore. 1. OBIETTIVI Una elevata efficienza dei moduli fotovoltaici può essere garantita soltanto se tutte le celle costituenti il medesimo modulo hanno le stesse caratteristiche elettrofisiche, o meglio, se presentano curve Tensione-Corrente (I-V) analoghe. Costruire, infatti, moduli con celle fotovoltaiche con prestazioni troppo differenti è causa dell insorgere dei cosiddetti fenomeni di mismatch, con conseguente dissipazione di energia elettrica, generazione di surriscaldamenti locali e penalizzazione del rendimento dell intero modulo fotovoltaico. Il mercato chiede di poter confrontare le prestazioni di tutte le celle prodotte, al fine di realizzare moduli fotovoltaici con elevate prestazioni a lungo termine. Pertanto, ci si è posti l obiettivo di progettare due sistemi separati che permettano di testare rispettivamente oltre 7000 celle e circa cento moduli al giorno. Si sottolinea come i sistemi proposti non hanno quale scopo principale quello di determinare il valore assoluto delle prestazioni degli apparati fotovoltaici esaminati, ma di effettuarne un confronto e una classificazione, in modo da realizzare ed immettere sul mercato componenti ad elevate prestazioni. 2. DEFINIZIONI Per una migliore comprensione delle finalità del presente lavoro di progetto e ricerca, è opportuno sottolineare cosa si intende per curve I-V analoghe. Nell analizzare le prestazioni

2 di una cella fotovoltaica, infatti, sono quattro i parametri che vengono tipicamente indagati (figura 1): - la corrente di corto circuito I sc (Short Circuit Current): è la corrente prodotta misurata a circuito chiuso, ossia la massima corrente producibile; - la tensione a circuito aperto, V oc (Open Circuit Tension): è la tensione prodotta misurata a circuito aperto (carico infinito), ossia la massima tensione producibile; - la corrente di picco I p ; - la tensione di picco V p I sc I p i (Ampere) 1000 W/mq 800 W/mq 600 W/mq 400 W/mq 200 W/mq L V p V oc V (volts) UNI IEC [10], che identificano rispettivamente la modalità di misura per la determinazione della curva caratteristica I-V per un dispositivo fotovoltaico, lo spettro di radiazione a cui devono essere sottoposti tali dispositivi e le prestazioni di quello che viene definito Simulatore Solare. Si riporta di seguito una sintesi di tali normative. UNI IEC : Misure delle caratteristiche tensionecorrente di dispositivi fotovoltaico La Norma illustra i passaggi necessari per la determinazione della Curva caratteristica I-V. Inoltre, introduce l impiego di una cella di riferimento (Reference Cel, [11]), ossia una cella di calibrazione presa a campione tra quelle da analizzare che deve essere omologata in un apposito centro qualificato (in Italia, presso il Laboratorio ESTI del CCR di Ispra (VA)). Per calibrare un analizzatore di sistemi fotovoltaici, meglio identificato come Simulatore Solare, si deve, infatti, verificare che la corrente prodotta da una cella di riferimento messa in corto circuito sia uguale a quella prodotta nelle medesime condizioni presso il Laboratorio di certificazione. Solo una volta verificata tale corrispondenza si può procedere ad inserire i test campione sotto un determinato spettro radiante e calcolarne i valori di Tensione e Corrente al variare dei carichi elettrici (R). La normativa, infine, identifica in modo univoco lo schema di collegamento (Figura 2) del campione con i sistemi di misura (Amperometro e Voltmetro), tipicamente integrati in un unico sistema definito I-V Test Analyser. Fig. 1 Curva Caratteristica I-V di una cella fotovoltaica. Solo le Curve I-V che presentano variazioni inferiori al 5-10% in relazione a ciascuno di questi quattro parametri sono da considerarsi analoghe e, pertanto, possono diventare elementi discriminanti in un processo di classificazione di una cella. Tali parametri vengono comunque raggruppati in quello che viene definito come Fill fattor, ossia il rapporto tra la massima potenza e quella massima teorica producibile dalla cella: 3. NORMATIVA F I V p p = (1) Isc Voc La qualifica e l omologazione di moduli fotovoltaici al silicio cristallino è regolamentata in Italia dalla Norma CEI EN [1]. Tale Norma prevede una serie di procedure per certificare le proprietà fisico-elettriche di un dispositivo fotovoltaico al silicio. In particolare, la EN61215 rimanda per i diversi test a ulteriori normative specifiche ([2],[3],[4],[5],[6],[7],[8],[9], [10]), che spaziano dalla caratterizzazione della robustezza delle terminazioni (IEC ) all isolamento elettrico dei supporti. In particolare, per la valutazione delle prestazioni esclusivamente elettriche, si deve far riferimento alle UNI IEC 60904, che permettono di identificare univocamente le caratteristiche tecniche degli apparati per l effettuazione dei test e le relative modalità di misura dei valori di tensione e corrente prodotta al variare dei carichi applicati. Ai fini del presente lavoro, tra le dieci parti che costituiscono la UNI IEC 90604, quelle di maggiore interesse sono la UNI IEC [2], la UNI IEC [4], e la V Analyser Fig. 2 Schema di connessione elettrica per il test di un campione secondo la UNI E presente anche un sensore di temperatura (temperatura di giunzione) che certifichi che la stessa sia compresa nell intervallo di 25 ± 2 C, imposto sempre dalla UNI UNI IEC Principali Misure per dispositivi solare fotovoltaico terrestri con dati dello spettro solare di riferimento. Il punto focale di tale normativa è la caratterizzazione spettrale che deve avere il fascio di luce radiante impiegato per testare i dispositivi fotovoltaici. Senza scendere in dettaglio, si sottolinea come per effettuare le misure sia richiesto che lo spettro incidente sia condizionato da un filtro AM 1.5, ossia riproduca lo spettro solare filtrato dall atmosfera terrestre con un angolo di incidenza sul piano orizzontale di 45. Infine, con la UNI IEC , Richiesta delle prestazioni di un Simulatore Solare, si prescrive che la ripartizione percentuale, in range di lunghezza d onda, della potenza emessa dalla sorgente luminosa impiegata per l analisi sia ripartita in analogia allo spettro solare. Infine, sempre nella UNI , R I Analyser T

3 si prescrive che la potenza radiante H incidente sul test campione abbia un uniformità u inferiore al 2%, valutata secondo la relazione: H u = H max max H + H 4. I SIMULATORI SOLARI min min x100 Alla luce del quadro normativo illustrato e per rispondere alle esigenze produttive menzionate, si è pervenuti alla progettazione di due simulatori solari. Il primo simulatore, definito Cell Sorter, è in grado di testare e classificare in modo automatico fino a 7000 celle fotovoltaiche al giorno. Il secondo simulatore è in grado di analizzare moduli con una superficie massima di 2000 X 1000 mm 2. Entrambi i sistemi sono composti essenzialmente in 4 parti: 1. Sorgente luminosa; 2. Analizzatore I-V; 3. Sistema di automazione; 4. Sistema di acquisizione e controllo. 5. SIMULATORE PER CELLE 5.1 Sorgente luminosa In relazione alle specifiche richieste dalla normativa UNI, si è scelto di impiegare, all interno del simulatore per celle, quale sorgente luminosa una lampada Xenon ad incandescenza che consente di rispettare i requisiti spettrali e allo stesso tempo avere un ciclo di vita di oltre 2000 ore di esercizio. L inserimento della lampada all interno di un apposito sistema riflettente (figura 3) consente di garantire uno spettro uniforme (u<2%) entro un fascio luminoso con diametro pari 12 pollici e alla distanza massima di 25 cm (figura 4). (2) Fig. 4 Uniformità su piano 12 x 12 cm 2, ( 1 : 100 W/m 2 ). 5.2 Analizzatore I-V L analizzatore I-V è un tester capace di variare il carico elettrico R nell arco di millesimi di secondo e acquisire i rispettivi valori di tensione e corrente, in modo tale da costruire la curva caratteristica dell apparato fotovoltaico testato in meno di un secondo. In particolare si riesce a effettuare campionamenti fino ad una frequenza pari a 66 khz. Il tester è dotato anche di un sensore Pt100 che permette di controllare la temperatura della cella con frequenza di 1 Hz in modo da verificare l eventuale superamento dei limiti imposti dalla Normativa (UNI ). Tramite collegamento seriale RS-232 è possibile, quindi, costruire e visualizzare la Curva I-V su PC e determinare i relativi parametri di analisi : I sc, V oc, I p e V p. Se il dispositivo fotovoltaico analizzato è una cella, allora il tester necessita di un amplificatore di segnale, in quanto la tensione prodotta da una singola cella è di circa 0,5 Volt; per poter certificare le prestazioni della cella con un errore inferiore al 5% si ha pertanto la necessità di valutare valori di tensione dell ordine dei mv. 5.3 Sistema di automazione Fig. 3 Lampada allo Xenon con sistema di riflessione. La lampada è dotata di un vetro di schermatura che ha la duplice finalità di mantenere la lampada sottovuoto, per garantirne un funzionamento duraturo, e di filtro Air Mass 1,5 come richiesto da Normativa. La necessità di dover testare e classificare migliaia di celle fotovoltaiche al giorno comporta l esigenza di realizzare un sistema automatico che in pochi secondi permetta di determinarne le prestazioni e classificarle in base a criteri prestabiliti. Pertanto, un Cell Sorter deve essere costituito da: a) un sistema di carico; b) un sistema di analisi e screening; c) un sistema di scarico; d) un sistema di termostatazione. Gli automatismi, in quanto inseriti all interno di processi produttivi, devono anche rispettare dei requisiti fondamentali quali: adattarsi ad un ambiente industriale; poter essere impiegati da personale non specializzato; avere bassi costi di impiego e manutenzione.

4 Pertanto, dopo una serie di analisi di natura tecnicaeconomica si è giunti ad identificare due tipologie di strutture di Cell Sorter che possono rispondere a tali esigenze. Ipotesi I a) Sistema di carico Tale sistema è costituito da una giostra nella quale vengono impilate le celle da testare. Un braccio dotato di ventosa con movimento rotazionale sul piano x-y e traslazionale sul piano z permette di prelevare dalla giostra una singola cella, e di collocarla sul piano di analisi (Figura 5). L apparato di Cell Sorter descritto permette di realizzare un sistema di classificazione in uno spazio limitato, tuttavia la sequenza complessiva di carico e scarico delle celle richiede che le misure siano presidiate per il 75 % del tempo. Pertanto, nel caso in cui non si abbiano particolari esigenze di spazio, si è analizzata una seconda tipologia di Cell Sorter che permette di effettuare il medesimo processo con un periodo di presidio di tempo inferiore da parte di personale tecnico. Ipotesi II In tale struttura si è mantenuto il sistema di analisi e screening ma si sono sostituiti i sistemi di carico e scarico a giostra con dei carrelli scorrevoli in base lo schema a blocchi di Figura 7. Sistema di carico con carrelli scorrevoli Determinazione della Curva Volt-Amperometrica Classificazione della cella Fig.5 - Cell Sorter con sistemi di classificazione rotanti (pianta). b) Sistema di Analisi e Screening. Una volta che la cella è posizionata sul piano di analisi un sistema automatizzato permette di posizionare dei morsetti, costituiti da pin in oro, sui rispettivi terminali con precisione micrometrica e di procedere, in pochi secondi, all acquisizione dei valori I-V al variare del carico R. Durante tale fase la sorgente luminosa deve irradiare una potenza incidente di 1000 W/m 2 sulla superficie della cella. Infine, i valori acquisiti e elaborati tramite software permetteranno di classificare la cella in base a criteri prestabili. c) Sistema di s carico Analogamente al sistema di carico, un ulteriore braccio meccanico provvede a prelevare la cella dal piano di test e posizionarla all interno di differenti giostre a seconda della classe prestazionale (A, B, C) di appartenenza determinata. In tal modo un operatore, alla fine del processo di screening, può prelevare ed inviare al magazzino le celle suddivise in gruppi di prestazioni omogenee. d) Sistema di termostatazione La normativa UNI IEC prescrive che la temperatura di giunzione della cella analizzata debba essere compresa tra i 23 e i 27 C, in quanto differenti valori di temperatura comporterebbero diversi valori di tensione e di corrente e, quindi, comprometterebbero la standardizzazione del processo. Pertanto, in quanto la radiazione emessa dalla sorgente determina un apporto energetico significativo al sistema, è necessario che un sistema di raffreddamento appositamente termostatato intervenga a regolare la temperatura dell ambiente di analisi. Sistema di scarico in carrelli scorrevoli Fig.6 Schema a blocchi del processo di screening di celle mediante impiego di carrelli scorrevoli. a) Sistema di carico Sistema a carrello scorrevole predisposto ad accogliere almeno 6 pile di celle contemporaneamente. Una volta riempito, il carrello trasporta le celle al sistema di carico per essere prelevate da un braccio meccanico (analogo al precedente) all interno del Cell Sorter, mentre, un secondo carrello, si dispone per un nuovo carico. In tal modo le celle impilate nel secondo carrello, nella fase di attesa, possono raggiungere la temperatura adatta alla misura grazie al sistema di termostatazione interno all apparato di misura. b) Sistema di scarico Un terzo carrello si pone automaticamente parallelamente al carrello di carico. In tal modo, dopo che la cella è stata analizzata, lo stesso braccio meccanico impiegato in fase di carico è in grado di posizionare la cella sul carrello di scarico a secondo dei risultati ottenuti dalla misura. Tale carrello prevede un ugual numero di scompartimenti destinati alle diverse classi di appartenenza (A,B,C) delle celle analizzate in modo tale che sia semplificata al massimo la loro catalogazione da parte di un operatore. Si stima che entrambi i sistemi consentano di prelevare e classificare una cella in circa 5, 6 secondi, permettendo, quindi, di analizzare circa 4800 celle durante le 8 ore lavorative fino a un massimo di 7200 in 12 ore. Tuttavia, il secondo sistema è in grado di poter lavorare in assenza di operatori per circa 30 minuti, mentre il primo per solo 5. Inoltre, il secondo sistema riesce a garantire una migliore regolazione della temperatura di giunzione delle celle. Si sottolinea come la potenzialità dei sistemi descritti è incentrata nel poter raggruppare apparati analoghi al fine di

5 realizzare campi fotovoltaici dalle migliori prestazioni. Da semplici considerazioni elettrotecniche [12], infatti, è noto come sia più performante un sistema costituito da stringhe di celle di efficienza media, ma dalle caratteristiche similari, che da stringhe con celle ad alta efficienza dalle caratteristiche disuniformi. principali determinati dall analisi per ciascun apparato come prescritto dalla UNI IEC [2]. 6. SIMULATORE PER MODULI Un sistema per l analisi delle prestazioni di moduli fotovoltaci si differenzia da un Cell Sorter principalmente in due aspetti: - non è richiesto un sistema automatizzato in quanto la produttività di un impianto può arrivare al massimo a circa moduli al giorno; - è importante la caratterizzazione dell impianto di illuminazione in quanto, per ottenere un uniformità di illuminamento sulla superficie del modulo inferiore a 10% (Simulatore di Classe C) occorre effettuare un analisi illuminotecnica degli apparati illuminanti e dei solidi fotometrici delle sorgenti luminose impiegate. Se, infatti, l esiguo numero di apparati fotovoltaici da testare permette di ovviare alla realizzazione di un sistema automatizzato, la loro estesa superficie (fino a 2 x 1 m 2 ) necessita l impiego contemporaneo di più sorgenti illuminanti la cui reciproca influenza può comprometterne l uniformità. In dettaglio, il simulatore solare è costituito da un box in lamiera (2 x 1 x 2 m 3 ) al cui interno è inserito: - un parco lampade uniformemente distribuito sul piano superiore; - un piano scorrevole predisposto per l appoggio dei moduli; - un sistema di misura Tensione-Corrente; - un sistema di termostatazione. Ogni modulo viene posizionato sul piano scorrevole ed inserito nel box sotto al parco lampade, dopo aver effettuato la misura l operatore procede a classificare il modulo in base ai dati analizzati. In fase di progettazione si è proceduto ad una analisi illuminotecnica dell interazione di differenti tipologie di lampade al fine di ottenere, sul piano di appoggio per moduli, i valori di radiazione e uniformità prescritti dalla normativa. I risultati dell analisi hanno evidenziato come per ottenere un uniformità inferiore al 8% sia necessario realizzare una maglia 200 x 100 cm (interasse 15 cm) nei cui nodi è stata posizionata una lampada ad incandescenza (360 W), il cui solido fotometrico è riportato in figura 7. In figura 8 è riportata una rappresentazione tridimensionale dei livelli di illuminamento riscontrabili sul piano di lavoro con il sistema illuminante adottato. Il processo di analisi sarà, quindi, costituito da una fase di inserimento dei moduli sul piano di lavoro, una fase di illuminamento con acquisizione dei relativi dati e una fase di scarico manuale. Si stima che l operatore abbia un tempo inferiore agli 8 minuti per completare ciascun processo. Una notazione particolare deve essere effettuata a riguardo dei criteri di classificazione. Allo stato attuale della ricerca sono, infatti, diversi i criteri di screening [13][14] che si possono scegliere per classificare un dispositivo fotovoltaico. Infatti, sono attualmente validi sia i metodi di classificazione in base ai valori riscontrati di potenza massima prodotta che in termini di Fill factor. I sistemi di screening progettati, comunque, permettono di effettuare la classificazione indipendentemente dal parametro di discriminazione scelto e di creare un report (Figura 9) che identifichi i parametri Fig. 7 - Solido fotometrico della lampada impiegata per il simulatore solare per moduli. Fig. 8 - Rappresentazione tridimensionale dei livelli di illuminamento sul piano di lavoro del simulatore solare per moduli. Fig.9 - Schema del Report di Analisi in uscita.

6 7. CONCLUSIONI Il continuo aumento di richiesta da parte del mercato italiano di pannelli dalle elevate prestazioni a lungo termine, dovuta alle recenti agevolazioni per la produzione di energia elettrica da energia fotovoltaica, comporta la necessità di classificare ogni cella e modulo prodotto in base alle caratteristiche elettrofisiche, al fine di garantire l uniformità delle prestazioni dei sistemi fotovoltaici realizzati. Presso i Laboratori del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell Università degli Studi di Perugia si è progettato, in conformità alle normative vigenti, un sistema automatizzato di screening per celle e moduli al silicio in grado di rispondere a tali esigenze. I sistemi sono in grado di analizzare rispettivamente oltre 7000 celle e 100 moduli al giorno, suddividendo gli apparti esaminati in classi di merito dal punto di vista prestazionale. Tali sistemi si possono, quindi, inserire all interno di processi industriali, al fine di ottimizzare la qualità dei prodotti finali, in base alle sempre più restrittive prescrizioni imposte dalle normative. SUMMARY Photovoltaic Industries need automatic devices to test cells and modules, so to increase the energy efficiency of P.V. products. At the Department of Industrial Engineering of the University of Perugia, two devices have been designed to analyse and screen automatically Photovoltaic Cells and modules. The systems can measure daily the I-V curves of approximately 7000 Ph-Cells and 100 modules and at the same time they can sort them by their efficiency. The paper describes the two devices designed according to IEC technical specifications and in particular the automatic uploading and downloading devices, the lighting and measurement systems. RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI [1]. EN Moduli Fotovoltaici per applicazioni terrestri, Qualifica del progetto e omologazione tipo. [2]. IEC Measurement Principles of PV Current- Voltage Characteristics. [3]. IEC Requirements for Reference Solar Cells. [4]. IEC Measurement Principles for Terrestrial PV Solar Devices with Reference Spectral Irradiance Data. [5]. IEC Determination of the Equivalent Cell Temp. of PV Devices by the Open Circuit Voltage Method. [6]. IEC Requirements for Reference Solar Modules. [7]. IEC Potovoltaic Devices Computation of spectral mismatch error introduced in the testing of PV devices [8]. IEC Measure of spectral response of PV device. [9]. IEC Solar Simulator performance requirements. [10]. IEC Methods of linearity measurements. [11]. A. Van der Heide, S. Winter, T. Moriarty, Comparation between large reference cells calibrated by ESTI-JRC, NREL and PTB, performed at ECN, The 20 th European Ph-Solar Energy [12]. F. Groppi, C. Zuccaio, Impianti solari Fotovoltaici a norme CEI, UTET. [13]. Kazmerski, Lawrence L, Photovoltaics: a review of cell and module technologies, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume: 1, Issue: 1-2, March 6, [14]. Zhao, Jianhua, Recent advances of high-efficiency single crystalline silicon solar cells in processing technologies and substrate materials, Solar Energy Materials and Solar Cells Vol: 82, Issue: 1-2, May 1, 2004, pp