CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE FOTOVOLTAICO. Bergamo, anno accademico 2013/2014

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1 LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA Bergamo, anno accademico 2013/2014 1

2 La fonte di energia: il sole 2

3 La fonte di energia: il sole Potenza emessa dal sole: W (175 miliardi di megawatt). Potenza che raggiunge terrestre:1.350 W/m 2. l atmosfera Potenza che raggiunge la superficie terrestre: W/m 2 (valori medi). 3

4 Irraggiamento IRRAGGIAMENTO GLOBALE MEDIO ANNUO AL m^2 ANGOLO DI INCLINAZIONE OTTIMALE 4

5 kwh / kwp Data l estensione nord-sud dell Italia, la variazione di insolazione annua tra una località del settentrione rispetto ad una del mezzogiorno può superare il 40%. Producibilità Nord kwh/kwp Centro kwh/kwp Sud kwh/kwp 5

6 kwh / kwp Producibilità annua di un impianto fotovoltaico da 1 kwp con angolo di inclinazione dei moduli ottimale 6

7 Layout impianto fotovoltaico 7

8 L impianto fotovoltaico L IMPIANTO FOTOVOLTAICO E COMPOSTO DA: CELLE; PANNELLI (insieme di più celle); STRINGHE (insieme di più pannelli in serie); CAMPO (più stringhe in parallelo); INVERTER (converte l ene ene. elettrica da cc ad ca); TRASFORMATORE (innalza la tensione da bt a MT). 8

9 Come funziona il fotovoltaico? Quando un raggio luminoso colpisce il sottile strato di alcuni materiali detti semiconduttori, il più conosciuto dei quali è il silicio, i fotoni (le particelle di energia che compongono il raggio) trasferiscono la loro energia agli elettroni degli atomi che costituiscono il materiale. 9

10 Come funziona il fotovoltaico? -Materiale: silicio (4 elettroni di valenza). Drogaggio: -boro, terzo gruppo 3 elettroni di valenza; - fosforo, quinto gruppo 5 elettroni di valenza. 10

11 Come funziona il fotovoltaico? Mettendo a contatto i due materiali così ottenuti, si viene a verificare un flusso di diffusione di elettroni dalla zona n alla zona p e di lacune in direzione opposta ZONA P E 0 REGIONE DI SVUOTAMENTO ZONA N 11

12 Come funziona il fotovoltaico? Quando la giunzione p-n è investita dalla parte del silicio tipo n da un flusso luminoso questo cede energia agli atomi di Silicio portando alcuni elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzioni 12

13 L energia trasportata dal flusso luminoso è pari a: Dove v è la frequenza che è il reciproco della lunghezza d onda Efficienza di conversione E = h*v v = 1/λ Nel caso del Silicio l energia necessaria a liberare una coppia elettrone / lacuna è pari all energia associata ad un flusso luminoso avente una lunghezza d onda al massima pari a λmax = 1,15 mm 13

14 Efficienza di conversione 14

15 Efficienza di conversione λ > λmax => no liberazione coppia elettrone lacuna λ < λmax => si liberazione coppia elettrone lacuna ma ene. in eccesso => scalda il materiale SOLO IL 44% DELLA RADIAZIONE LUMINOSA CONCORRE A LIBERARE ELETTRONI DI CONDUZIONE RENDIMENTO MAX IDEALE MODULO FOTOVOLTAICO 44% 15

16 monocristallini; - policristallini; - amorfi. CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE I pannelli fotovoltaici Si monocrstallino Si policrstallino Si amorfo η cella 14% 20% 12% - 15% 5% 10% Vantaggi Rendimento elevato e stabile. Tecnologia affidabile. Minor costo. Tecnologia affidabile. Minori costi. Buon rendimento in presenza di basso irraggiamento e alte temperature. Possibilità d impiego su supporti flessibili. Svantaggi Elevato costo. Minor rendimento. Elevata necessità di spazi a causa del basso rendimento. 16

17 POTENZA E PRESTAZIONI DI UN MODULO FOTOVOLTAICO La scheda tecnica di un pannello fotovoltaico contiene varie informazioni. Le più importanti sono: - potenza - dimensioni I pannelli fotovoltaici - tipo di cella (mono o policristallino, amorfo, film sottile) 17

18 I pannelli fotovoltaici CALCOLO DEL RENDIMENTO DI UN MODULO FOTOVOLTAICO potenza η = sup erficie 220W = (1,644 0,992) m Se si divide il risultato ottenuto con un valore d irraggiamento di riferimento, quale ad 1000 W/m2 si ottiene la percentuale di conversione della potenza solare in potenza elettrica, cioè un rendimento. 2 W = 134,89 m W 134,89 2 η = m = 0,1349 = 13, 49% W m 2 18

19 Efficienza di conversione Le prestazioni del pannello sono testate in laboratorio con: - irraggiamento di 1000 W/m^2; - irraggiamento perpendicolare al modulo; - temperatura di 25 C. Nel mondo reale l irraggiamento nelle varie ore del giorno può essere maggiore o inferiore ai 1000 W/m^2. La temperatura può essere maggiore o minore di 25 C. 19

20 L irraggiamento che investe la celle si divide in: -diretto; -diffuso; Efficienza di conversione -albedo (emissioni elettromagnetiche dei corpi circostanti). Tecnologie di moduli diversi hanno prestazioni differenti in funzione della componente diffusa 20

21 Le stringhe Ogni pannello fotovoltaico è costituito da un certo numero di celle, solitamente 36 o 72, ogni cella ha ai suoi capi una tensione dell ordine dei 0,5 0,6 V. Un modulo presenta quindi una tensione hai suoi capi dell ordine, tipicamente, di 35 V e una corrente massima di qualche amper (es.: 5 A). Si collegano più pannelli tra loro in serie V V stringa stringa [ volt] = [ volt] = n n i= 1 i= 1 ΣV ΣV i i 21

22 Le stringhe Ad esempio si considerino 10 pannelli collegati in serie aventi una potenza nominale di 200 W l uno, collegandoli in serie si ottiene una potenza ai capi della stringa di W. P el [ W ] = V * I 22

23 I quadri di campo Al fine di ottenere una potenza ancora maggiore la stringhe sono collegate tra loro in parallelo tramite dei quadri di campo. Ponendo n stringhe in parallelo si ottiene una potenza pari alla somma delle potenze delle singole stringhe. n P[ W ] = i= 1 ΣP Collegando in parallelo 10 stringhe da W l una, quello che si ottiene è un sistema avente una potenza di 20 kw PW [ ] = V I = V ( I + I + I ) = V I + V I + V I = P+ P + P AB tot AB AB 1 AB 2 AB i A I 1 I 2 I 3 B 23

24 I quadri di campo Esercizio - supponiamo che un impianto fotovoltaico sia composto da: - tre stringhe in parallelo; - 20 pannelli per stringa; -potenza di picco di ogni pannello 180 W. A I 1 I 2 I 3 B Calcolare la potenza di picco di ogni stringa e quella dell impianto. 24

25 Gli inverter I pannelli fotovoltaici generano corrente continua. La maggior parte delle apparecchiature elettromeccaniche funziona con corrente alternata, così come la rete di distribuzione in media e alta tensione è in alternata. L inverter è un dispositivo la cui funzione è convertire la corrente da continua ad alternata. Due macrotipologie di inverter: - da esterno (proteggere da sole e calore); -da interni (per potenze elevate) Es.: da 2-3 kw Es.: da 200 kw 25

26 Gli inverter Dispositivo di inseguimento del punto di massima potenza (MPPT- Maximum Power Point Tracker). 26

27 Il trasformatore Compito del trasformatore è innalzare la tensione dal valore di uscita dagli inverter al valore di rete. Negli impianti grid-connected l energia elettrica è generata con valori di tensione nell ordine dei V. Rete elettrica di MT: V Due opzioni - trasformatori V + trasformatore 380 / V - trasformatore speciale 300 / V 27

28 Il trasformatore Compito del trasformatore è innalzare la tensione dal valore di uscita dagli inverter al valore di rete. L allacciamento alla essere in bt o MT: rete può - P < 100 kw, allacciamento in bt - P> 100 kw, allacciamento in MT Trasformatore da 400 \ V 28

29 Il punto di consegna Il punto di consegna è fisicamente una sala all interno della quale si trova la quadristica elettrica dove arrivano i cavi elettrici che portano l energia elettrica prodotta dall impianto fotovoltaico e ripartono i cavi elettrici della rete pubblica. 29

30 Le perdite del sistema Due tipologie di perdite: - distribuite (cavi in cc, ca e MT); - concentrate (inverter e trasformatori) - di temperatura (minori performance moduli e inverter) 30

31 L allacciamento alla rete di distribuzione Potenza impianto Allacciamento BT Allacciamento MT < 100 kw X > 100 kw e < kw X Le norme CEI e la variante V1 prescrivono alcuni dispositivi di protezione che devono intervenire nel caso di guasto o mal funzionamento della rete di distribuzione alla quale l impianto fotovoltaico è collegato. Tali dispositivi sono: - il dispositivo generale; - il dispositivo d interfaccia (1 per inverter fino a 3 inverter); - il dispositivo di generatore; 31

32 L allacciamento alla rete di distribuzione 32

33 L allacciamento alla rete di distribuzione CONTATORI DI SCAMBIO QUADRO ELETTRICO ENERGIA ELETTRICA ALLA RETE PUBBLICA CONTATORE DI PRODUZIONE ENERGIA ELETTRICA ALL UTENZA INVERTER MODULI FOTOVOLTAICI 33