CONCENTRAZIONE FV. il lancio del progetto

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1 PV > CONCENTRAZIONE FV METTE IL SOLE A FUOCO IL FV A CONCENTRAZIONE È UNA TECNOLOGIA MOLTO INDICATA PER LE ZONE CON ALTI LIVELLI DI IRRAGGIAMENTO DIRETTO, COME LE REGIONI DEL SUD ITALIA. ENEA CONDUCE UN INTENSO LAVORO DI RICERCA IN QUESTO CAMPO, A PARTIRE DAL PROGETTO PHOCUS, CON OBIETTIVO DI SVILUPPARE SISTEMI CPV AD ALTE PRESTAZIONI, A BASSO COSTO E FACILMENTE INDUSTRIALIZZABILI RAFFAELE FUCCI, CARMINE CANCRO, GIORGIO GRADITI, CARLO PRIVATO ENEA PORTICI Il fotovoltico concentrzione (CPV) è fr le tecnologie più promettenti per lo sfruttmento dell energi solre, in virtù dell su cpcità di ottenere vntggi economici di migliormenti relizzili in termini di efficienz di cell e di modulo. In un dispositivo CPV (Figur 1) si sostituisce l costos re di cell con sistemi meno dispendiosi di concentrzione dell luce, come lenti o specchi; inoltre con quest tecnologi si è riusciti relizzre celle con vlori di efficienz più elevt se prgonti lle celle disponiili per il fv trdizionle. Esistono delle criticità, prim fr tutte l necessità di utilizzre un sistem di inseguimento del disco solre. Le ttività di ricerc e sviluppo nel cmpo del fotovoltico concentrzione hnno vuto inizio negli nni Settnt, ll epoc delle diverse crisi petrolifere, qundo i primi sistemi furono sviluppti negli Stti Uniti per merito del Sndi Ntionl Lortories di Aluquerque (New Mexico) e grzie uno specifico progetto di ricerc lncito sempre negli Us. Le ttività di ricerc sono poi proseguite negli nni e i risultti più significtivi sono l relizzzione di celle fv, si singol giunzione si multigiunzione, con vlori di efficienze decismente elevte: in prticolre per celle singol giunzione in silicio l cell Bck point contct (Bpc) con entrmi i conttti elettrici sul retro e con vlori di efficienz superiori l 27%, e le celle multigiunzione relizzte con mterili dei gruppi III-V dell tell periodic degli elementi, con vlori di efficienz superiori l 43%. PROGETTO PHOCUS Nel nostro Pese Ene, l Agenzi itlin per le nuove tecnologie, l energi e lo sviluppo economico sosteniile, h ftto prtire le sue ttività per lo sviluppo dell tecnologi concentrzione nel 2002, con il lncio del progetto PhoCUS (Photovoltic concentrtors to Utility Scle). Il principle oiettivo del progetto è stto lo sviluppo, in stretto coordinmento con opertori industrili nzionli, di un tecnologi concentrzione fuoco puntule (Figur 1) e elemento ottico secondrio lente Figur 1. Schem di un concentrtore fv. cell Dissiptore 138 FV FotoVoltici 1/2012

2 PV Stzione di crtterizzzione outdoor dei sistemi CPV presso il centro Ene di Portici (Npoli). sso costo per mezzo di lenti rifrttive cpci di essere completmente integrte ll interno del modulo fv. Con l oiettivo di relizzre mnuftti d lt ffidilità, lte prestzioni e sso costo, si è fissto un fttore di concentrzione geometric (rpporto fr re dell lente e re dell cell) un vlore di duecento (200X) per evitre prolemi nell rimozione del clore dll cell; l elemento ottico secondrio è stto progettto essenzilmente per mitigre le perdite dovute possiili disllinementi. Inoltre, si è ftto ricorso lrgo uso di mterili e componenti convenzionli, tecniche di ssemlggio e mnifttur indirizzte verso un utomzione sso costo. Il risultto finle sono stti l relizzzione e il colludo di un serie di unità stndrd completmente ste su componenti innovtivi ppositmente sviluppti. Tre unità di generzione sono ttulmente sotto test in due differenti siti Ene: Portici, vicino Npoli, e Mnfredoni (Foggi). In riferimento i ricevitori, fr le diverse tecnologie disponiili l momento del progetto PhoCUS quell st sulle celle silicio cristllino (c-si) singol giunzione e con entrmi i conttti sul retro è semrt l più dtt d investigre; in un second fse del progetto si sono utilizzte celle multigiunzione III-V, nche per un confronto di prestzioni con i primi moduli relizzti con celle singol giunzione. LA TECONOLOGIA Il rpporto di concentrzione geometric di 200X è stto ottenuto con l utilizzo di un ottic primri (Figur 2, pgin successiv) st su lenti rifrttive in plstic, PMMA (PolyMetilMetAcrylte). L utilizzo dell plstic l posto di mterili più trdizionli come qurzo e vetro present un serie di vntggi, fr cui l possiilità di ottenere un gross produzione di mss, un mggiore cpcità mniftturier, un peso ridotto, un lt qulità dell guid ottic; quindi un sso costo unitrio. Fr le tecnologie di relizzzione si è scelto lo stmpggio iniezione (injection moulding) per l su lt produttività e il costo unitrio molto contenuto: spetti che lo rendono preferiile d ltre tecniche per il trsferimento industrile e per l ccessiilità l mercto. Sono stte sviluppte e revettte d Ene due tipi di ottiche primrie con vlori di efficienz ottic, confermte d misure indipendenti relizzte presso l Ino- Cnr (Istituto nzionle di >> FV FotoVoltici 1/

3 PV > CONCENTRAZIONE FV Figur 2. Lente sviluppt d Ene () e distriuzione dell irrdinz (). L prim soluzione è più efficce in termini di dissipzione del clore, mentre l second permette di ridurre i costi di produzione (minor consumo di mterile e semplificzione nell relizzzione del mnuftto). Un nlisi termogrfic outdoor trmite cmer infrrossi (AVIO-TVS 700) h permesso di verificre, con misure sul cmpo, l vlidità dei risultti del progetto termico (Figur 4). L figur evidenzi che le temperture rggiunte utilizzndo un dissiptore senz lette risultno più uniformi, m più lte, rispetto ll utilizzo di un dissiptore lettto. Il progetto e l relizzzione di un deguto involucro che rcchiud le celle conottic pplict) di Firenze, di circ l 80%. Fr i vntggi di queste lenti, è d rimrcre l cpcità di relizzre un distriuzione dell luce concentrt sull cell piuttosto uniforme (Figur 2) rispetto, titolo di esempio, l cso delle clssiche lenti di Fresnel; quest peculirità h un influenz importnte Figur 3. Dissiptori del clore progetto PhoCUS: in () il dispositivo con lette, in () quello senz. sulle prestzioni delle celle presentndo vlori di efficienz elettric più elevti. Si è reso necessrio relizzre un elemento ottico secondrio (Soe) con l oiettivo di ridurre le perdite ottiche custe dll ssemlggio del modulo e compensre un possiile ss ccurtezz di inseguimento del disco solre (Figur 1, pgin precedente); il componente relizzto present l form di un pirmide invertit con un ngolo di tilt di 63 cpce di ssicurre un più efficiente rccolt del fscio solre per errori di inseguimento fino ± 1 e uno spostmento dell immgine concentrt dll lente fino 0,8 mm. Prticolre ttenzione, nel progetto di un sistem CPV, deve essere rivolt l controllo dell tempertur opertiv sulle celle. L umento dell tempertur l di sopr di certi vlori crtteristici può portre un decdimento importnte nelle prestzioni elettriche del sistem fino l degrdo irreversiile del dispositivo, se questi vlori eccessivi dovessero durre lungo. Inoltre, un cell funzion meglio, cioè con efficienze più elevte, se l tempertur di funzionmento è ss. Per rgioni economiche e di ffidilità si è scelto un sistem di rffreddmento delle celle completmente pssivo, sto su dissiptori del clore. Con l oiettivo di studire l influenz dei sistemi di dissipzione sulle prestzioni energetiche del modulo, un modello termico semplificto del concentrtore PhoCUS è stto implementto medinte progrmmi di simulzione commercili e considerndo le seguenti specifiche opertive fornite di costruttori delle celle solri: temperture opertive di cell: 60 C; mssim tempertur di cell: 100 C. Il progetto del sistem di dissipzione h portto definire due possiili configurzioni (Figur 3): dissiptore in lluminio, 100x100 mm 2 con lette; dissiptore in lluminio 580x100 mm 2 senz lette (pitto). 140 FV FotoVoltici 1/2012

4 ENEA METTE IL SOLE A FUOCO PV centrzione insieme con l ottic, l struttur di dissipzione e tutte le connessioni elettriche, che si impermeile ll cqu e l vpor cqueo, sclile industrilmente ssi costi e che grntisc lte prestzioni sono compiti delicti, in qunto coprono spetti correlti che non possono essere ffrontti e risolti seprtmente. Inoltre, l relizzzione di questo mnuftto rppresent un punto crucile nel rggiungimento del costo totle dell energi prodott dl sistem, in qunto deve soddisfre due principli crtteristiche: ffidilità e durt. Lo sviluppo dell tecnologi concentrzione insieme con il progetto e l relizzzione dei primi prototipi è stto ftto in Ene in cooperzione con Eni-Tecnologie, in mterile plstico. I vntggi di un struttur in plstic rispetto un modulo trdizionle in metllo, sono di ntur tecnic ed economic. Dl punto di vist tecnico, inftti, un involucro in plstic rimne sostnzilmente stile temperture miente, riducendo così i prolemi di espnsione termic presenti, per esempio, in un struttur tutt in lluminio; si riducono nche possiili prolemi di isolmento elettrico. Dl punto di vist economico, un modulo in plstic cost sicurmente meno. Sono stti relizzti due tipologie di moduli concentrzione: il primo equipggito con celle singol giunzione in silicio monocristllino con entrmi i conttti sul retro e d lt efficienz (26% 200 soli, di SunPower); l cell risult sldt su di un sustrto in nitruro di lluminio. Il secondo è stto equipggito con celle commercili multigiunzione prodotte d Spectrol, con efficienz del 36,7% 50 W/cm 2 (500X); l cell è sldt su di un sustrto cermico di nitruro di lluminio ssieme con un diodo di y-pss con tecnologi SMD. Infine, l struttur di inseguimento progettt e relizzt present le seguenti crtteristiche: ssi costi di investimento per il funzionmento e l mnutenzione; modulrità per ridurre i costi di trsporto e instllzione; ffidilità e ccurtezz per minimizzre le perdite opertive; ccurtezz di inseguimento ± 0,2 ; funzionmento ordinrio fino un velocità medi del vento di 40 km/or. Il sistem è sto su un piedistllo che support un struttur rete di 35 m 2. Il movimento si relizz trmite due motori psso-psso situti in un sctol post nell prte lt del piedistllo. L struttur è equipggit con un sistem di controllo sto su un logic di controllo ciclo perto e chiuso. L prim è st sul clcolo continuo dell posizione del Sole (effemeridi solri) mentre il secondo è ottenuto per mezzo di un sensore solre CCD. ANALISI DELLE PRESTAZIONI Prim dell instllzione opertiv sulle strutture stndrd relizzte, le diverse tipologie di moduli concentrzione relizzte nell mito del progetto PhoCUS sono stte crtterizzte presso l stzione di crtterizzzione outdoor di misur sit nel centro Ene di Portici. Quest è dott di un inseguitore doppio Corrente Figur 4. Misur termogrfic sui dissiptori del clore con lette () e senz lette (). sse con movimentzione grntit d motori pssopsso; l ccurtezz di inseguimento è di ± 0,05 con determinzione dell posizione del disco solre medinte elorzione dei dti cten pert e cten chius. L stzione è dott nche di diversi sensori di rdizione solre che ne permettono un su complet crtterizzzione, nche in termini di spettro. Tensione Figur 5. Crtteristic tensione corrente del modulo con celle singol giunzione. Per il modulo singol giunzione (Figur 5) l efficienz opertiv misurt è pri l 17,8% considerndo l re dell lente efficce per l concentrzione luminos (0,584 m 2 ). Per il modulo con celle multigiunzione (Figur 6 pg. successiv) l efficienz opertiv è pri l 26,9% sempre considerndo l re dell lente efficce per l concentrzione luminos >> FV FotoVoltici 1/

5 PV >CONCENTRAZIONE FV ENEA METTE IL SOLE A FUOCO (0,584 m 2 ). Questo vlore risult molto prossimo ll efficienz mssim otteniile, pri 27,4%, considerndo le crtteristiche prestzionli dei componenti utilizzti, e rppresent un vlore di eccellenz se confrontto con i migliori risultti relizzti livello mondile (confronto riportto prità di prestzione di cell). Dl punto di vist dei sistemi, sull inseguitore PhoCUS instllto nel sito di Portici sono stte relizzte due differenti stringhe fv equipggite, rispettivmente, con moduli singol giunzione e multigiunzione. In dettglio: string (A) d 1,6 kwp (in condizioni stndrd STC) con 16 moduli connessi in serie; string (B) d 1,2 kwp (in STC) con 8 moduli multigiunzione connessi in serie. Le stringhe fv sono stte connesse ll rete pulic di distriuzione ss tensione (230V, 50Hz) trmite un inverter multistring. Il sistem h presentto un uon prestzione energetic, in ccordo con le specifiche di trg, mostrndo Corrente Tensione un vlore di efficienz medi vicino l mssimo possiile. In ccordo con l normtiv, sono stti clcolti gli indici di prestzione normlizzt giornlier. Come riportto in Tell 1 l produzione normlizzt giornlier (Y F ) e il rpporto di prestzione (PR) per l string B sono rispettivmente più lti del 12% e del 15% rispetto ll string A. I PROGETTI IN CORSO A conclusione del progetto PhoCUS, Ene h continuto le sue ttività di ricerc e sviluppo nel fv concentrzione prtecipndo un serie di inizitive in mito nzionle e internzionle. Nel luglio del 2008 è prtito il progetto integrto Apollon - Multi pproch for high efficiency integrted nd intelligent cocentrting PV modules systems nell mito del 7 Progrmm Qudro con un contriuto dellunione Europe di Figur 6. Crtteristic tensione corrente del modulo con celle multigiunzione. Y A Y F Y R P R L C L S (kwh/kw p /d) (h eq ) (kwh/kw p /d) Arry B 6,6 5,4 7,8 0,7 1,2 1,2 Arry A 5 4,8 7,8 0,6 2,8 0,2 Tell 1. Indici di prestzione giornlier normlizzt. Figur 7. Uno degli inseguitori CPV testti nell mito del progetto PhoCUS presso il sito Ene di Portici (Npoli). circ 8 milioni di euro. Il consorzio Apollon è composto d sedici prtner e h come oiettivo l decrescit del costo dell tecnologi un vlore di 2 euro/w, d rggiungere dopo cinque nni di ricerc e sviluppo di sistemi Point focus (Pf) e Dense rry (D). Rigurdo il prolem dell inseguimento solre, in Apollon si propone un pproccio più mpio: non solo l inseguimento del Sole con nuove soluzioni integrte, m nche l cpcità di inseguire il mssimo punto di potenz (MPPT) di ogni singolo modulo, per mssimizzre l potenz, minimizzre il costo e relizzre moduli integrti intelligenti. Ene è nche impegnt nel progetto Scoop (Itlin solr concentrtion technologies for photovoltic systems), che prevede lo sviluppo industrile di quttro prodotti concentrzione per le più promettenti ree future del mercto. In questi nni Ene h portto vnti un collorzione con Pirelli, Pirelli Inicitivs, per lo sviluppo congiunto di un sistem CPV prticolrmente innovtivo. Al momento il primo prototipo di quest struttur è instllto nel Centro di ricerche di Portici per vlutzioni prestzionli ed energetiche. D poco è prtit un nuov inizitiv, in collorzione con il Ministero dell miente e dell tutel del territorio e del mre, per lo sviluppo di un sistem di cogenerzione di elettricità ed energi termic per ppliczioni nel settore gricolo e per l edilizi residenzile. L ccordo h durt triennle per un importo di complessivo di 1,1 milioni di euro. Infine, d gennio Ene è coinvolt nel progetto europeo Ecosole, nell mito del 7 Progrmm Qudro, per lo sviluppo di un sistem CPV, che h come cpofil l itlin Beghelli. 142 FV FotoVoltici 1/2012