ENERGIA DA FOTOVOLTAICO: PROSPETTIVE, INNOVAZIONE E RICERCA

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1 FIERA DEL LEVANTE, 17 SETTEMBRE 2009 ENERGIA DA FOTOVOLTAICO: PROSPETTIVE, INNOVAZIONE E RICERCA Prof. GIUSEPPE GRASSI UNIVERSITA DEL SALENTO 1 FONTI ENERGETICHE Negli ultimi 300 anni l umanità ha cambiato fonti energetiche ogni 100 anni. Il 18 secolo è stato dominato dal LEGNO. Il 19 secolo (Rivoluzione Industriale) è stato dominato dal CARBONE. Il 20 secolo è stato dominato dal PETROLIO. 2 1

2 FONTI ENERGETICHE: GLI INTERROGATIVI Il 21 secolo sarà il secolo delle ENERGIE RINNOVABILI? Quali rinnovabili? Il FOTOVOLTAICO? FOTOVOLTAICO: SILICIO O FILM SOTTILE? Dove vanno RICERCA ed INNOVAZIONE? 3 SISTEMI FOTOVOLTAICI Sistema fotovoltaico: è un sistema composto da moduli (pannelli) e da un inverter che, utilizzando le proprietà di alcuni materiali semiconduttori (per es. silicio), permette di convertire l'energia solare in energia elettrica. Quindi energia fotovoltaica = energia elettrica. In particolare, l inverter trasforma la corrente continua prodotta dal semiconduttore in corrente alternata (da impiegare in loco o immettere in rete). 4 2

3 PERCHE IL FOTOVOLTAICO? Il FOTOVOLTAICO HA POTENZIALITA ENORMI Il consumo GLOBALE di energia di TUTTA l umanità in UN ANNO è equivalente alla quantità di radiazione SOLARE che raggiunge la superficie terrestre in UN ORA. Si è stimato che utilizzando l 1% della superficie degli USA con sistemi fotovoltaici con efficienza del 20% si coprirebbe tutto il fabbisogno energetico degli USA. Per valutare correttamente il precedente dato, basti pensare che le strade coprono attualmente l 1.5% della superficie USA. L ostacolo attuale alla diffusione del fotovoltaico è il costo dei pannelli, che incide per il 70% circa sul costo dell intero impianto. 5 I materiali dei pannelli OGGI Silicio monocristallino Silicio policristallino film sottile efficienza (*) % ca. 14 % 6-7 % peso (kg / mq) note Tecnologia più stabile Rendimenti buoni Tecnologia meno diffusa Rendimenti maggiori (*) : efficienza di conversione dell energia per quel tipo di modulo. Costi più bassi rispetto al monocristallino Miglior adattabilità all integrazione architettonica Necessarie superfici più ampie a causa minor rendimento 6 3

4 INNOVAZIONE E RICERCA FILM SOTTILE SILICIO OBIETTIVI: RIDURRE I COSTI E/O AUMENTARE L EFFICIENZA 7 Cos è il film sottile? Sono semiconduttori che possono essere realizzati in film ( pellicole ), con processi industriali relativamente semplici. ESEMPI (tutti in produzione): Silicio amorfo (α-si): gli atomi di silicio vengono deposti in forma amorfa (strutturalmente disorganizzata) sulla superficie di sostegno. Telluluro di cadmio (CdTe): composto chimico formato da Cadmio e Tellurio. Diseleniuro di Indio Rame Gallio (CuGaInSe2, noto come CIGS). 8 4

5 Perché le celle solari a film sottili? Le celle solari fatte con i monocristalli (Si) hanno raggiunto in laboratorio efficienze vicine al limite teorico. Per celle al Si, anche aumentando la produzione e ottimizzando il processo di fabbricazione, difficilmente il costo può scendere (il WAFER comunque costa). PER IL FILM SOTTILE, INVECE: Il processo di fabbricazione è più semplice e può essere completamente automatizzato. Il substrato può essere un vetro comune a basso costo o una sottile lamina (flessibile) Un costo di produzione inferiore a 0.5$/W èstato previsto dal NREL per i moduli fotovoltaici a film sottili (per una produzione annuale superiore a 100MW). 9 Tre esempi di celle a film sottili oggi in produzione / CdTe CdTe, efficienza massima 16.5% (FIRST SOLAR, 2MW, CA) EFFICIENZA MASSIMA DELLA CELLA STIMATA DAL NREL (CO, US) 10 5

6 Tre esempi di celle a film sottili oggi in produzione / CIGS CuGaInSe (CIGS), efficienza massima 19.8% ( 19.8% (SOLYNDRA) Cilindri che convertono luce diretta, diffusa e riflessa (360 ) 500M $ US Gov. 11 Tre esempi di celle a film sottili oggi in produzione / OPV OPV = ORGANIC PHOTOVOLTAIC ORGANIC ELECTRONICS: carbon-based (inorganic: es rame silicio) KONARKA: tecnologia basata su un materiale POLIMERO foto-reattivo brevettato (Nobel Prize, 2000: Alan Heeger) Materiale polimero è STAMPATO su materiali flessibili (roll-to- roll manufacturing) in maniera simile a come viene stampato un giornale su larghi rotoli di carta. Il risultato di questo processo è stato chiamato POWER PLASTIC (efficienza: 6%) 12 6

7 Tre esempi di celle a film sottili oggi in produzione / OPV KONARKA: leggeri e flessibili (silicio: pesante e rigido) 13 Tre esempi di celle a film sottili oggi in produzione / OPV KONARKA 14 7

8 Tre esempi di celle a film sottili oggi in produzione / OPV KONARKA 15 Perché le celle solari al SILICIO? Il Silicio è, insieme all ossigeno, uno dei materiali più abbondanti sulla Terra (Indio e Tellurio molto più rari). Alcuni esperti (Prof. Sachs, MIT) sostengono che una vera rivoluzione energetica (quindi larga diffusione) può compiersi solo con materiali abbondanti. 16 8

9 L innovazione nelle celle solari al SILICIO Nel 2008 è nata una start-up (1366 TECHNOLOGIES) come spin-off dell MIT W/mq (costante solare) è il valore medio di radiazione solare (in Watt/mq) appena sopra l atmosfera (misurata dai satelliti NASA). Obiettivo è quello di RIDURRE i costi di fabbricazione della cella in silicio attraverso processi innovativi. 17 L innovazione nelle celle solari al SILICIO Light capturing ribbon: il grooved ribbon (nastro scanalato) sostituisce i fili attualmente utilizzati per connettere le celle. La superficie i scanalata riflette la luce con un angolo opportuno, in modo da consentire quasi una rilfessione interna totale. (V-shaped grooves). La luce rimbalza dal ribbon alla superficie di vetro e poi indietro sulla cella. Tutto ciò porta ad una maggiore produzione di energia elettrica, in quanto si intrappola più luce rispetto al caso di fili di interconnessione tradizionali, che invece disperdono la luce all esterno. 18 9

10 Le direzioni della Ricerca (NREL) MATERIALI (CdTe, CGIS, OPV: proprietà di fisica dello stato solido, mobilità carica) PROCESSI FABBRICAZIONE (riduzione costi: printing, spray) CARATTERIZZAZIONE e MODELLISTICA di nuove celle (equivalente circuitale) MISURE (caratteristica I-V di cella o modulo) 19 La mia Ricerca all Università del Salento DUE TEMATICHE: MODELLI CIRCUITALI EQUIVALENTI PER CELLE OPV PREDIZIONE DELLA CARATTERISTICA I-V IN COLLABORAZIONE CON WESTERN MICHIGAN UNIVERSITY (MI, USA) 20 10

11 La Ricerca all Università del Salento La determinazione della caratteristica I-V di un modulo fotovoltaico, per ogni condizione di funzionamento, è un problema significativo. I costruttori riportano i parametri elettrici con riferimento alle condizioni standard (STC: radiazione 1000W/mq, temperatura 25 ). Queste condizioni sono molto diverse da quelle outdoor. Ne consegue che il funzionamento ottimale dell impianto, basato su STC, risulta poi diverso da quello che si registra sul campo. Di qui l utilità di sviluppare uno strumento previsionale, in grado di predire il funzionamento del pannello per valori diversi dell irraggiamento e della temperatura. 21 La Ricerca all Università del Salento E stata sviluppata (gruppo prof. Grassi) una tecnica basata su intelligenza artificiale, in particolare su RETE NEURALE ARTIFICIALE. Una rete neurale artificiale è un sistema di elaborazione dell informazione che simula il funzionamento di una rete neurale BIOLOGICA. E costituita da un insieme di unità di elaborazioni semplici (i neuroni) collegati tra loro attraverso una rete complessa di connessioni. La capacità di elaborare dati in maniera intelligente dipende dalla elaborazione collettiva

12 La Ricerca all Università del Salento 23 Predire la caratteristica I-V con Rete Neurale La caratteristica I-V di un modulo dipende dall irraggiamento W (W/mq) e dalla temperatura T (C ) della cella. La relazione matematica ti non è nota. Ne consegue che non si può determinare la caratteristica I-V con un equazione. La rete neurale viene addestrata con alcune curve I-V ottenute sperimentalmente. L apprendimento viene effettuato fornendo in ingresso alla rete neurale il valore dell irraggiamento e della temperatura, ed in uscita la coppia (I,V) della caratteristica

13 Predire la caratteristica I-V con Rete Neurale La Rete Neurale apprende dagli esempi forniti (ovvero, durante il processo di LEARNING vengono determinati i pesi delle connessioni). Dopo la fase di learning, quando alla Rete Neurale viene presentato un dato in ingresso nuovo (cioè non facente parte del set con cui la rete è stata addestrata) la Rete risponde in maniera efficace, dimostrando di aver APPRESO dagli esempi. Presentando in ingresso i valori dell irraggiamento e della temperatura (diversi da quelli dell apprendimento, quindi sconosciuti alla Rete), la Rete risponde facendo una PREDICTION della caratteristica I-V. 25 Predire la caratteristica I-V con Rete Neurale (primo esempio, collaborazione WMU, USA) 26 13

14 Predire la caratteristica I-V con Rete Neurale (secondo esempio, collaborazione WMU, USA) 27 Predire la caratteristica I-V con Rete Neurale (terzo esempio, collaborazione con WMU, USA) 28 14

15 Predizione della caratteristica I-V Moduli utilizzati: nominal 101-Wp Shell RMS100 p-si (glass cell tedlar package, silicio policristallino). Motivazione: disponibili presso la WESTERN MICHIGAN UNIVERSITY, MI, USA. L approccio proposto può essere utilizzato anche con altri tipi di moduli (è indipendente dal materiale, dalle dimensioni e da Wp). 29 CONCLUSIONI Il 21 secolo potrebbe essere DOMINATO dalle Energie Rinnovabili: tra queste, il fotovoltaico ha enormi potenzialità. DOMINATO non significa che avremo solo energie rinnovabili. L umanità ha un bisogno CONTINUO di energia. La CONTINUITA NON PUO ESSERE AFFIDATA ESCLUSIVAMENTE ALLE RINNOVABILI, CHE SONO FONTI INTERMITTENTI. GARANTIRE UN MIX ENERGETICO, POTENZIANDO LE RINNOVABILI