Introduzione: pro e contro del FV

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1 Introduzione: pro e contro del FV Gli impianti fotovoltaici convertono la luce (visibile e non) direttamente in energia elettrica con efficienze del 5-18%, non trasformano il calore in energia elettrica (temperature di solo C) contribuendo al global warming, né richiedono acqua per il raffreddamento come le centrali termiche convenzionali (a olio, carbone e gas) e nucleari. Tecnologia Rendimento m-si ; m-si/a-si 13-19% p-si 12-14% a-si ; a-si/µc 5-9% CIS/CIGS 10-11% CdTe/CdS 9-10%

2 Altri pregi dei moduli (o pannelli) fotovoltaici sono: elevata affidabilità e lunga vita (>25 anni con EPBT < 4 anni); ridotto costo di manutenzione (pulizia del vetro); assenza di rumore e di inquinamento atmosferico; smaltimento privo di scorie a fine vita. I difetti consistono in: fluttuazione della produzione energetica; necessità di componenti aggiuntivi; alto costo di installazione ( /kwp).

3 Il compromesso tensione-corrente: la meccanica quantistica distingue i materiali in base ai salti energetici Isolanti Semiconduttori Banda di conduzione Ec Ev Banda di conduzione Ec Eg Conduttori Eg Ev Banda di conduzione Ec Ev Banda di valenza Banda di valenza Banda di valenza Tensione teorica (V) di alcuni semiconduttori Silicio cristallino (c-si) 1,12 Silicio amorfo (a-si) 1,75 Diseleniuro Indio Rame (CuInSe) 1,05 Tellururo di Cadmio (CdTe) 1,45

4 Esempi di impianti realizzati col programma italiano in conto installazione 20 kwp a inseguimento solare (AMIAT) 20 kwp a frangisole (AMIAT)

5 Esempi di impianti realizzati col programma italiano in conto installazione 16 kwp con tetto + frangisole (Provincia di Torino ) 16 kwp a parete curva (Environment Park)

6 La transizione dal conto installazione al conto energia 20 kwp su tetto piano (16 scuole del Comune di Torino con AEM) 50 kwp con sun-tracking (privati a Saluzzo)

7 Criticità riscontrate nei collaudi effettuati: mancato rispetto dei dati di targa dei moduli FV; ombratura estiva nel caso dei frangisole; anomalie di funzionamento degli inverter; errata installazione del locale inverter; scarsa affidabilità di componenti non necessari.

8 Relazione tipica per la stima della produzione energetica nell ottica del conto energia: Energia = Pn heq PR Cumulative installed capacity [MWp] (kwp) h/anno 0,7-0, On-grid centralized On-grid distributed Off-grid non domestic Off-grid domestic Year IEA - PVPS PVGIS di JRC (Ispra)

9 Fasce di potenza col conto energia (ritorni dell investimento in 8-12 anni) Potenza dell impianto Scambio sul posto ( /kwh) Cessione in rete ( /kwh) 1-20 kw 0,462 0, kw n.a. 0, kw n.a. Valore gara aggiornato vecchio Potenza dell impianto Non integrato ( /kwh) Parzialmente integrato ( /kwh) Integrato ( /kwh) 1-3 kw 0,40 0,44 0, kw 0,38 0,42 0,46 P > 20 kw 0,36 0,40 0,44 nuovo

10 Il software gratuito PVGIS del JRC dell Unione Eurpoea:

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12 Valore economico dell energia FV ( /kwh), in assenza di incentivo, al variare del costo di installazione e del kwh/kwp Costo d installazione [ /kwp] Final yield [kwh/kwp] Costo d installazione [ /kwp] Final yield [kwh/kwp] Costo di funzionamento e manutenzione (O&M) = 1%Ci e tasso di interesse i = 1% Costo O&M = 1%Ci e tasso di interesse i = 4%

13 Parametri tipici dei moduli fotovoltaici: tecnologia della cella; tolleranza sulla potenza nominale (-5%/+5% o -3%/+3%); dimensioni della cella (12,5 12,5 cm2 o 15,6 15,6 cm2); coefficienti termici della potenza (-0,3 %/ C o -0,5 %/ C); temperatura di normale funzionamento NOCT (45-50 C); peso; tensione di sistema ( V).

14 Configurazione impiantistica dell unità di condizionamento della potenza: centralizzata (inverter trifase o anche monofase); string inverter; moduli in AC; master-slave. Funzionalità aggiuntive richieste all inverter: finestra di inseguimento della massima potenza (MPPT); regolazione di potenza attiva e reattiva (fattore di potenza unitario); protezione all interfaccia con la rete.

15 Prospettive nel fotovoltaico per il futuro prossimo : tecnologia innovativa per i moduli FV (alto rendimento con HIT e BSC oppure basso costo con i film sottili e nel silicio EFG, string ribbon); sistemi di inseguimento e concentrazione (per es. lenti di Fresnel) per celle con efficienze > 25% (ENEA, CESI, Università); incremento nella capacità installativa degli impianti (attualmente MWp/anno contro 1000 MWp/anno in Germania).

16 Il silicio di grado solare La prima fase è la fabbricazione del silicio metallurgico ("Metallurgical Grade" MG-Si) dal quarzo inesauribile- in un crogiolo di grafite con arco elettrico (T = C) secondo la reazione SiO2 + 2C Si + 2CO in cui si produce silicio (purezza del 98-99%), consumando molta elettricità ( 50 kwh/kg); dal monossido di carbonio si genera CO2 con modeste emissioni <0,3 g/kwh. La produzione annuale di silicio metallurgico supera il milione di tonnellate ed è impiegata quasi interamente nell'industria dell'acciaio e dell alluminio (2-4 $/kg). La seconda fase, di purificazione estrema (con concentrazione di impurità fino a ), comune all'industria dell'elettronica e del solare fotovoltaico, si applica al 3-5% della produzione di MG-Si: i costi salgono a $/kg.

17 Il silicio di grado solare La seconda fase si suddivide in più stadi: 1. il silicio metallurgico, ridotto in polvere, reagisce con acido cloridrico in fase gassosa in un reattore a letto fluido ("fluidized bed") secondo una reazione esotermica, che sviluppa triclorosilano (SiHCl3) e idrogeno; 2. il triclorosilano è liberato dalle impurità (cloruri) con un processo di distillazione frazionata: il triclorosilano è allo stato liquido a temperature inferiori ai 30 C, perciò è facilmente separabile dall'idrogeno; 3. si produce silicio policristallino ("polysilicon") di elevatissima purezza mediante un processo di deposizione chimica di vapore (Chemical Vapour Deposition, CVD) nel reattore Siemens (T = C con ingente consumo di elettricità ~ 200 kwh/kg).

18 Il silicio di grado solare Nel reattore una barra di Si puro, a forma di "U", si accresce grazie al silicio liberato dal triclorosilano: al termine del periodo di deposizione (10 giorni per tonnellata), si estrae il silicio sotto forma di frammenti irregolari rompendo la barra. Un altra via è la produzione di silicio granulare, sostituendo il terzo stadio con una reazione a temperatura più bassa (800 C), secondo un processo continuo in un reattore a letto fluido. In esso si introducono Si in particelle e una corrente gassosa di SiHCl3 e H; il Si puro si deposita sulla superficie delle particelle formando dei granuli. reattore a letto fluido reattore Siemens

19 Le tecnologie del p-si La tecnologia per il lingotto poli-cristallino (la più usata nel mondo) è quella del "block casting": il silicio, fuso con l energia elettrica, è versato in un crogiolo di grafite, poi si effettua un raffreddamento controllato con cristallizzazione direzionale ("directional solidification"). I cristalli di Si sono allineati verticalmente alla superficie. Nel crogiolo solidificano, con velocità di cristallizzazione di 3,5 kg/h e consumo energetico di kwh/kg, 244 kg di silicio. Poi, con un taglio, si ricavano lingotti a forma di parallelepipedo, con base quadrata di lato 15,6 cm; ai lingotti si asporta la testa e la coda, in cui si concentrano impurità e difetti del reticolo. Il materiale ha già un drogaggio a base di boro (tipo P). Quindi, i lingotti sono tagliati in fette con seghe multi-filo diamantato, ottenendo wafer di spessore 0,2-0,3 mm; purtroppo, il 30-50% del materiale è rimosso come sfrido (riciclato nella fusione).

20 Le tecnologie del p-si Una volta ottenuto il wafer di tipo P, levigato e ripulito con attacchi chimici ("etching"), bisogna creare la giunzione, mediante diffusione gassosa a temperature di C, con composti a base di fosforo, per ottenere il drogaggio di tipo N sulla faccia opposta. La diffusione del drogante interessa uno strato dell'ordine del micrometro. In seguito è depositato uno strato antiriflesso di nitruro di silicio o di ossido di titanio, con la proprietà di ridurre le perdite per riflessione a pochi punti percentuali. Infine sono realizzati gli elettrodi: sulla faccia anteriore esposta alla luce si depone un elettrodo a griglia con una serigrafia ("screen printing" con lega di Al-Ag), in modo da ottenere un intimo contatto con lo strato drogato N, mentre sulla faccia posteriore si depone un elettrodo a placca in lega di Al. In un anno, con 1 kg di silicio trasformato in moduli FV, si producono oltre 200 kwh di energia elettrica.

21 Le tecnologie del p-si la sequenza tradizionale dal SG-Si alla cella la tecnologia Edge defined Film Growth ("EFG") che consiste nell'estrarre e raffreddare, attraverso una sottile fessura ottagonale, il silicio fuso (simile ad una trafilatura): si ottiene un cilindro cavo, dal quale si estraggono 8 file di celle con taglio laser la tecnologia string ribbon per avere direttamente il wafer senza il taglio del lingotto

22 Le tecnologie del m-si Nella tecnologia mono-cristallina (la prima sviluppata nella storia del FV), si possono distinguere due tecnologie innovative, oltre a quella convenzionale: quella con l etero-giunzione di Si monocristallino / Si amorfo (moduli con rendimento del 16-17%); quella con entrambi i contatti collocati nella faccia inferiore della cella all back surface contacts (moduli con rendimento del 18-19%). cella con etero-giunzione m-si/a-si cella back surface contacts

23 Le tecnologie dei film sottili Caratteristiche comuni a tutte le tecnologie thin film (qualche µm): vetro TCO (ZnO) p i temperature di lavorazione ( C) minori; connessione delle celle contemporaneamente alla loro fabbricazione (connessione integrata o monolitica tra i vetri che incapsulano il modulo); correnti ridotte 1-3 A, rendimenti nel campo 5-11%, coefficienti termici di perdita più bassi (-0,2-0,3%/ C)... a-si vetro vetro TCO TCO CdS CdS n CuInSe2 CdTe TCO contatto contatto riflettore vetro vetro vetro etero-giunzione CIS/CdS cella CdTe/CdS n p i celle tandem µc-si

24 Celle multi-giunzione e concentrazione Le celle multi-giunzione sono realizzate mediante successive deposizioni di differenti materiali semiconduttori (In-Ga-P-As-Ge). In genere sono costituite da 2 o 3 celle (stack) di sezione 1 cm2. Le interfacce tra le celle sono realizzate mediante diodi tunnel. L efficienza commerciale è del 30%. Con un sistema sofisticato di puntamento del sole e con lenti di Fresnel per concentrare volte la radiazione, si realizzano impianti C-PV ad alta resa energetica. Griglia AR N+ AR -GaAs+ Window: N -AlInP Cella GaInP Diodo tunnel Cella InGaAs Diodo tunnel Emitter: N+ -GaInP Base: P -GaInP BSF: P+ -AlInGaP TD: P++ -AlGaAs TD: N++-InGaP Window: N+ -AlGaAs + Emitter: N -InGaAs Base: P-InGaAs Buffer: P+ -InGaAs TD: P++ -AlGaAs TD: N++-GaAs Cella Ge Window: N+ -AlInP Emitter: N -InGaP Substrate: P -Ge Contatto