Energia fotovoltaica

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1 1 Energia fotovoltaica SIMULIAMO UNO SVILUPPO TECNOLOGICO SOSTENIBILE C-1-FSE Docente: Prof. Ettore Panella Al giorno d oggi in tempi di recessione il problema energetico è fondamentale, ma affrontandolo è inevitabile incrociare un problema strettamente legato all energia: l ambiente Infatti da decenni questi dubbi sono affrontati a livello mondiale stabilendo accordi internazionali come il Protocollo di Kyoto. Si incentivano quindi tecnologie a basso impatto ambientale dividendo le risorse energetiche in: Rinnovabili - forme di energia non sono "esauribili" nella scala dei tempi "umani" il cui utilizzo non pregiudica le risorse naturali per le generazioni future. Energia marina Geotermica Eolica Idrica Biomasse Solare Non rinnovabili - fonti di energia derivate da risorse finite che tendono ad esaurirsi sulla scala dei tempi umani, diventando troppo costose o troppo inquinanti per l'ambiente. Nucleare Combustibili fossili 1

2 L energia derivata da fonti rinnovabili che abbiamo analizzato nel PON è l Energia Solare. 2 La trasformazione da raggi solari in energia elettrica avviene grazie all impianto fotovoltaico. Vantaggi: Svantaggi: IMPIANTO FOTOVOLTAICO assenza di qualsiasi tipo d emissione inquinante; risparmio dei combustibili fossili estrema affidabilità (vita utile superiore a 25 anni); costi di manutenzione ridotti al minimo; utilizzo di superfici marginali o inutilizzabili. variabilità ed aleatorietà della fonte energetica (irraggiamento solare) elevato costo iniziale degli impianti. La cella fotovoltaica Elemento base dell impianto fotovoltaico, si tratta di un fotodiodo ottimizzato costituito da materiale semiconduttore opportunamente drogato e trattato, che converte la radiazione solare in elettricità. 2

3 La radiazione solare 3 Radiazione solare: energia elettromagnetica emessa dal sole, a causa dei processi di fusione dell idrogeno in esso contenuto, e si propaga con simmetria sferica nello spazio Wh/m 2 Irraggiamento solare: potenza del campo elettromagnetico incidente sull unità di superficie W/m 2 Irraggiamento extraterrestre: W/m2 ± 3,3% (variazione della distanza Terra Sole) La distribuzione spettrale dell irraggiamento solare o indice AM (Air Mass) varia in funzione dell angolo di elevazione del sole sull orizzonte. (In alto)l irraggiamento solare varia in funzione dell angolo di elevazione (sen h) (m=1) - (sen 90 ) - irraggiamento MAX AM0 - la densità di radiazione solare oltre l atmosfera (1,353 kw/m2) (assenza di attenuazioni) AM1 - spessore di atmosfera standard attraversato dai raggi solari in direzione perpendicolare alla superficie terrestre e misurato al livello del mare (1.000 W/m2) AM1,5 - STC (Standard Test Conditions) densità di radiazione 1000 W/m2; temperatura esercizio cella 25 C; (in laboratorio) 3

4 4 L Irraggiamento solare globale è limitato dal: Molecole d aria, acqua e pulviscolo atmosferico Riflessione. Irraggiamento solare globale Diretto + Diffuso + Riflessa Gli strumenti di misura: Piranometro (Err.2%) o Solarimetro (5% - Meno costoso): Rilevano l energia della radiazione solare incidente nell unità di tempo (W/m2) ed è possibile ottenere valore medio orario, l integrale giornaliero, il valore massimo, ecc. 4

5 La conversione fotovoltaica 5 L energia solare convertibile in energia elettrica è pari al 44%. L efficienza di conversione di una cella è limitata da: non tutti i fotoni incidenti sulla cella penetrano al suo interno (alcuni sono riflessi dalla superficie della cella, altri incidono sulla griglia metallica dei contatti); fotoni che non hanno energia sufficiente per liberare una coppia elettrone/lacuna; una parte degli elettroni liberati dai fotoni non arrivano al carico esterno in quanto trovano lungo il percorso delle cariche di segno opposto con cui ricombinarsi (effetto di ricombinazione ); esistono le cosiddette resistenze parassite : i contatti metallici posti sul fronte e sul retro della cella presentano una resistenza che provoca dissipazioni di potenza. Quando un fotone dotato di sufficiente energia viene assorbito nella cella, all'interno di quest'ultima si crea una coppia di cariche elettriche di segno opposto, chiamate elettrone e lacuna, che si rendono disponibili per la conduzione di elettricità. Per generare effettivamente la corrente elettrica è però necessaria una differenza di potenziale che faccia muovere tali cariche, ed essa viene creata grazie all'introduzione di piccole quantità di impurità nel materiale delle celle: tali impurità, (boro e fosforo) dette droganti di tipo N ed P, sono in grado di modificare profondamente le proprietà elettriche del semiconduttore. (A sinistra) cella investita dai fotoni (In basso) spettro dei fotoni utili, dissipati o sottosoglia 5

6 Variazione della caratteristica corrente tensione 6 Nel grafico possiamo osservare la curva caratteristica corrente tensione in funzione dell irraggiamento solare. All aumentare dell irraggiamento solare corrisponde un aumento di corrente quindi di potenza. La tensione invece rimane pressoché costante. Nel grafico possiamo osservare la curva caratteristica corrente tensione in funzione della temperatura. All aumentare della temperatura corrisponde una diminuzione di tensione quindi di potenza. La corrente invece rimane pressoché costante. Inclinazione e orientamento dei moduli Angolo di inclinazione o di tilt ß: angolo di inclinazione del modulo rispetto al piano orizzontale. L esposizione del modulo è tale da massimizzare la radiazione solare diretta Inclinazione ottimale = Lat -10 diretta. 6

7 7 Angolo di orientazione o di azimut α: angolo di orientazione del piano dei moduli rispetto al meridiano 0. Misura lo scostamento del piano rispetto all orientazione verso SUD (per i siti nell emisfero terrestre settentrionale) o verso NORD (per i siti nell emisfero meridionale). Modalità installazione ottimale: INCLINAZIONE (Tilt) 34 - ORIENTAZIONE (Azimut) 0 DIREZIONE Sud 7

8 Fattore di albedo 8 Si definisce il fattore di albedo la quota parte della radiazione globale incidente su una superficie orizzontale che viene riflessa. Tipo di superficie Riflettanza Strade sterrate 0.04 Superficie acquosa 0.07 Bosco conifere 0.07 Asfalto 0.1 Tetti o terrazze in bitume 0.13 Suolo (creta) 0.14 Erba secca 0.2 Pietrisco 0.2 Calcestruzzo 0.22 Bosco 0.26 Superfici scuri di edifici 0.26 Erba verde 0.26 Foglie secche 0.3 Superfici chiare di edifici 0.6 Neve 0.75 Radiazione diretta + diffusa + riflessa Un pannello posto su una superficie innevata ha un rendimento maggiore perché ha il massimo fattore di albedo e quindi riceve una radiazione riflessa sommata a quella diretta e diffusa. Ombreggiamenti: Gli ombreggiamenti ovviamente hanno degli effetti negativi sul pannello, riducendone la producibilità; Quindi è necessario individuare gli ombreggiamenti: con la bussola, si individua l angolo tra la direzione del sud e l ostacolo α; con il clinometro si determina l angolo rispetto all orizzontale con cui l osservatore vede l ostacolo ß. 8

9 9 (In alto)principio del clinometro con ostacolo (In basso)diagramma solare annuale Il diagramma solare annuale verifica l altezza del Sole nei vari mesi. Se un ostacolo supera la linea del percorso del sole (nell esempio da ottobre a dicembre) avremo in quei mesi ombra. Nel calcolo degli ombreggiamenti bisogna prevedere la formazione degli ostacoli durante la vita dell'impianto, come ad esempio la crescita di alberi. Qualora non fosse possibile evitarle, mediante l'ausilio di precise scelte progettuali bisogna cercare di minimizzare gli effetti negativi da esse indotti. Una cella ombreggiata da vita al cosiddetto effetto tubo da giardino, in quanto essa si comporta come un diodo polarizzato inversamente. Una cella polarizzata inversamente impedisce il passaggio di corrente a tutte le celle connesse in serie dando vita allo stesso effetto che si verifica con un tubo da giardino quando, schiacciando su un punto di esso, si noterà all'uscita una drastica diminuzione del flusso d'acqua a causa della pressione esercitata. 9

10 10 C'è da dire inoltre che una cella in ombra, comportandosi come un diodo in polarizzazione inversa, è sottoposta alla tensione prodotta da tutte le altre celle in serie ad essa collegate, la quale risulta nettamente superiore alla tensione di perforazione del diodo e quindi avviene il fenomeno di scarica, ovvero la corrente elevata attraversa la giunzione provocando surriscaldamento della cella che si danneggia in tempi brevi. Per poter ovviare a questo problema si utilizzano i diodi di by-pass che trovano alloggiamento nella cassetta di terminazione (junction box) il cui scopo è quello di cortocircuitare e quindi isolare il singolo modulo in caso di malfunzionamento. (In alto) Junction box (A sinistra) Posizione nel modulo del Junction box (A destra) Diodo di by-pass Per installazioni a terra o su tetti piani bisogna considerare l ombreggiamento del piano dei moduli disposti su più file. In linea di massima si usa posizionare i moduli ad una distanza pari a 3 volte l'altezza H. 10

11 Tipologie di celle fotovoltaiche 11 Composizione della cella 11

12 12 L installazione del campo (generatore) fotovoltaico è legato alla producibilità del territorio. In Italia: 12

13 In Europa: 13 Applicazioni dei sistemi fotovoltaici Alimentazione di utenze isolate dalla rete (Stand alone): Stazioni di pompaggio, Illuminazione pubblica, elettrificazione di villaggi o utenze isolate. Accumulo dell energia prodotta dai moduli fotovoltaici. La batteria è l elemento più critico del sistema. 13

14 14 Impianti connessi alla rete (Grid connected): Funzionamento in regime di interscambio con la rete elettrica locale: ore di luce l utenza consuma l energia prodotta dall impianto di notte o in condizioni di luce insufficiente l utenza preleva energia dalla rete elettrica ( batteria di capacità infinita ) Se l impianto produce più di quanto richiesto, l energia in eccedenza viene immessa nella rete (Enel Distribuzione). Per la connessione alla rete elettrica bisogna seguire un iter autorizzativo tra: UTENTE (Privato o Azienda) GESTORE DI RETE (Enel distribuzione) 14

15 15 L incentivazione del Fotovoltaico L ultimo passo dell iter autorizzativo è la richiesta incentivi. UTENTE (Privato o Azienda) GSE (Gestore Sistema Elettrico) Attività del GSE: Gestisce l incentivazione della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili. D.M. 19/02/2007 Il meccanismo in conto energia : erogazione di un corrispettivo commisurato all elettricità prodotta dagli impianti. Impianti fotovoltaici della potenza da 1 kw collegati alla rete elettrica. Richiesta di ammissione alle tariffe a valle dell entrata in esercizio dell impianto. Il valore della tariffa è costante in moneta per un periodo di venti anni. (2%) L incentivo è funzione della tipologia dell impianto: Non integrato Parzialmente integrato Integrato 15

16 Non integrato architettonicamente 16 Impianto installato a terra. Impianti inseguitori solari. 16

17 Parzialmente integrato 17 Moduli fotovoltaici installati su tetti piani. In presenza di balaustra perimetrale, la quota max riferita all'asse mediano dei moduli, deve risultare non superiore all altezza minima della stessa balaustra. Moduli fotovoltaici installati su tetti, coperture, in modo complanare alla superficie di appoggio senza la sostituzione dei materiali che costituiscono le superfici. 17

18 Integrazione architettonica totale 18 Sostituzione dei materiali di rivestimento di tetti, coperture, facciate di edifici e fabbricati con moduli fotovoltaici aventi la medesima inclinazione e funzionalità architettonica della superficie rivestita. Frangisole i cui elementi strutturali siano costituiti dai moduli fotovoltaici e dai relativi sistemi di supporto. 18