PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA

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1 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA Una cella fotovoltaica è costituita da materiale semiconduttore opportunamente trattato in relazione alla struttura atomica e alla relativa conduzione di corrente elettrica. MATERIALE ISOLANTE Gli elettroni di valenza non si possono allontanare dall atomo in quanto sono bloccati dalla banda di valenza (banda = stato energetico) MATERIALE CONDUTTORE Gli elettroni di valenza sono liberi di muoversi e il loro movimento, provocato da un campo elettrico, origina la corrente elettrica. La banda di valenza e la banda di conduzione sono sovrapposte. MATERIALE SEMICONDUTTORE Gli elettroni di valenza non si possono muovere come negli isolanti, ma la differenza energetica esistente fra banda di valenza e di conduzione è piccola, pertanto gli elettroni possono passare con facilità nella banda di conduzione se ricevono energia dall esterno. Tale energia può essere fornita dalla luce (effetto fotoelettrico). Grazie all effetto fotoelettrico un semiconduttore diventa conduttore, ma non generatore elettrico! 1

2 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA COME OTTENERE UN GENERATORE ELETTRICO L atomo di silicio ha 4 elettroni di valenza. L atomo di fosforo ha 5 elettroni di valenza. Inserendo atomi di fosforo fra quelli di silicio si crea una struttura avente un elettrone disponibile per la conduzione. Nel silicio si crea quindi un eccesso di cariche negative (elettroni) e si dice che esso è drogato negativamente (N). L atomo di boro ha 3 elettroni di valenza. Inserendo atomi di boro fra quelli del silicio si crea una struttura con zone in cui manca un elettrone (lacune), ossia zone con mancanza di carica negativa. Tutto avviene come se fosse presente una carica positiva. Si dice che il conduttore è drogato positivamente (P). La lacuna può essere colmata da un elettrone che si sposta da un atomo vicino formando a sua volta una lacuna. Lo spostamento di elettroni in un verso corrisponde allo spostamento di lacune nel verso opposto. Mettendo a contatto la zona drogata positivamente con quella drogata negativamente si ottiene la cosiddetta giunzione P-N. 2

3 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA GIUNZIONE P-N La regione N ha un eccesso di elettroni. La regione P ha un eccesso di lacune. Nella giunzione P-N gli elettroni si diffondono naturalmente dalla regione ad alta densità (N) a quella a bassa densità (P), creando un accumulo di carica negativa nella regione P. Analogamente avviene per le lacune, con formazione di accumulo di lacune (cariche positive) nella regione N. In sostanza, a ridosso della zona di giunzione si stabilisce un campo elettrico E i interno alla giunzione, il quale, una volta raggiunta la situazione di equilibrio, si oppone alla ulteriore naturale diffusione di cariche. Applicando dall esterno una tensione U, la giunzione permette il passaggio della corrente in un solo senso, funzionando come un diodo. Tale situazione viene attuata dall effetto fotovoltaico. La luce fornisce infatti agli elettroni l energia sufficiente (fotoni) per passare dalla banda di valenza a quella di conduzione. L elettrone, passando nella banda di conduzione, determina una lacuna. Le cariche elettriche sono messe in moto dalla differenza di potenziale presente nella giunzione P-N. 3

4 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA Nella figura 1 è schematicamente rappresentata la struttura interna di una tradizionale cella fotovoltaica al silicio monocristallino. La radiazione luminosa è assorbita nelle regioni del semiconduttore adiacenti alla giunzione pn ed origina le coppie di portatori elettroni lacune. La regione di tipo n, che è sulla parte della cella esposta alla radiazione, è a contatto con una pellicola trasparente di ossido conduttore o da una griglia metallica specificamente progettata per oscurare solo una frazione modesta della superficie. Lo strato conduttore o la griglia metallica costituiscono l elettrodo positivo. 4

5 CARATTERISTICHE ELETTRICHE DELLE CELLE FOTOVOLTAICHE CURVA CARATTERISTICA CORRENTE-TENSIONE Uoc = tensione a vuoto (0,5 0,6V) Isc = corrente di corto circuito ( ma/cm 2 ) PUNTO DI FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA CHIUSA SU UNA RESISTENZA R: È l intersezione della curva caratteristica corrente-tensione con la retta U=RI. Se il punto di funzionamento corrisponde a Imax e Umax (punto C), tale condizione è quella per la quale il generatore eroga la massima potenza. Infatti la potenza P=UI corrisponde all area del diagramma FATTORE DI RIEMPIMENTO FILL FACTOR FF Maggiore è FF, tanto più squadrata è la caratteristica di riempimento! I valori di FF indicano la qualità globale della cella. Valori tipici: 0,70 0,85 U FF = U MAX I I 0C MAX 0C 5

6 CARATTERISTICHE ELETTRICHE DELLE CELLE FOTOVOLTAICHE EFFICIENZA DI CONVERSIONE Varia fra 8 e 20% e determina la superficie delle celle necessaria per ottenere una determinata potenza η = POTENZA EROGATA ( = U I POTENZA RICEVUTA DAL SOLE MAX MAX MAX ) INFLUENZA DI IRRAGGIAMENTO SOLARE E TEMPERATURA La caratteristica I-U della cella varia in funzione dell irraggiamento solare e della temperatura. Sono fattori da considerare nel progetto dell impianto. All aumentare dell irraggiamento aumenta la corrente di corto circuito Isc della cella. All aumentare della temperatura diminuisce la tensione a vuoto Uoc e il fattore di riempimento FF. 6

7 TIPOLOGIA DELLE CELLE FOTOVOLTAICHE MONOCRISTALLINO SILICIO 90% POLICRISTALLINO CELLE A FILM SOTTILE 10% ALTRO (PER TECNOLOGIE PARTICOLARI) 7

8 MODULO FOTOVOLTAICO 1 CELLA POTENZA = POCHI WATT 1 MODULO PIU CELLE COLLEGATE FRA LORO COLLEGAMENTO CELLE IN SERIE IN PARALLLELO UTOT = Ui U = TENSIONE SINGOLA CELLA i ITOT = Ii I = CORRENTE SINGOLA CELLA i Più celle collegate fra loro costituiscono un blocco di celle. Combinando fra loro blocchi di celle in serie e in parallelo si ottengono moduli con tensioni e correnti diverse. Il modulo fotovoltaico è costituito da celle incapsulate con un sistema di cablaggio che le isola verso l esterno, le protegge dagli agenti atmosferici, resiste ai raggi UV, alle basse temperature, alle variazioni di temperatura, all abrasione e inoltre smaltisce facilmente il calore. 8

9 STRUTTURA DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA 9

10 DATI NOMINALI E SCELTA DEL MODULO I dati nominali caratterizzano le prestazioni del modulo fotovoltaico. Le prestazioni sono paragonabili solo a parità di condizioni ambientali e irraggiamento solare, pertanto le condizioni di prova dei moduli al fine della determinazione delle prestazioni devono essere standardizzate. CONDIZIONI UTILIZZATE IN LABORATORIO: STS (STANDARD TEST CONDITIONS) IRRAGGIAMENTO SOLARE: 1000W/m 2. TEMPERATURA: 25 C La caratteristica corrente-tensione della cella fotovoltaica varia al variare delle condizioni ambientali, pertanto sono introdotte delle condizioni operative per calcolare l influenza della temperatura sulla potenza prodotta dalla cella: NOCT (NOMINAL OPERATING CELL TEMPERATURE) IRRAGGIAMENTO SOLARE: 800 W/m 2. TEMPERATURA AMBIENTE: 25 C. VELOCITA DEL VENTO: 1 m/s. MODULO FUNZIONANTE A VUOTO. 10

11 DATI NOMINALI E SCELTA DEL MODULO Il costruttore indica la temperatura NOCT ( T NOCT ). T NOCT è variabile fra 40 e 50 C. N.B.: bassi valori di T NOCT indicano una buona capacità di smaltire il calore verso l esterno. Per irraggiamenti diversi dal valore NOCT (800 W/m 2 ) la temperatura viene corretta con l espressione: T G Per t 25 C : P P = Variazione percentuale di potenza = T C CELL P GP = TAMB + ( NOCT 20) 800 = IRRAGGIAMENTO SOLARE SUL PIANO DEI MODULI m m % = C T ( T CELL 25) Coeff. tabellato I moduli di silicio hanno una riduzione di efficienza dopo 6-12 mesi. La potenza nominale dichiarata dal costruttore si riferisce alla potenza stabilizzata (cioè già decurtata delle perdite dopo 6-12 mesi), ma occorre tener conto della maggiore potenza per l accoppiamento con l inverter (il modulo fotovoltaico produce una corrente continua, la quale viene trasformata dall inverter in c. alternata; l inverter deve essere accoppiato alle celle sulla base di parametri elettrici, tra i quali la potenza prodotta). Inoltre occorre considerare la tensione prodotta e la relativa classe di isolamento in relazione alla protezione dai possibili contatti indiretti: classe di impiego A per U>120V cc (moduli considerati CLASSE II), classe di impiego C per U 120V cc (moduli considerati SELV). I moduli in classe di impiego B sono considerati senza protezione contro i contatti diretti. 11

12 DATI NOMINALI E SCELTA DEL MODULO NOME COSTRUTTORE MODELLO N SERIE POLARITA DEI TERMINALI O DEI CONDUTTORI MAX TENSIONE DI ESERCIZIO PER CUI IL MODULO E ADATTO CLASSE DI IMPIEGO DEL MODULO SIMBOLO DI CLASSE II (PER MODULI A) ALTRI DATI FORNITI U OC TENSIONE A VUOTO I SC CORRENTE DI CORTO CIRCUITO POTENZA MASSIMA ± TOLLERANZA PERCENTUALE EFFICIENZA DI CONVERSIONE (η) È il parametro più noto ma è meno importante di quanto sembra! Infatti un modulo avente efficienza inferiore può produrre la stessa potenza di un modulo avente efficienza superiore se la propria superficie è maggiore. Moduli ad alta efficienza sono utili dove c è meno spazio. 12

13 DATI NOMINALI E SCELTA DEL MODULO TOLLERANZA SU POTENZA NOMINALE È in genere sottovalutato, ma invece è importante! Esempio: Se i moduli considerati avessero potenza nominale P con tolleranza pari a ±10%, l impianto potrebbe fornire una potenza pari a 0,9 P. Pertanto potrebbe essere più interessante valutare un lotto con tolleranza ±5%, anche se più costoso. TEMPERATURA NOCT e COEFFICIENTE DI TEMPERATURA C T Indicano come aumentano le perdite in funzione della temperatura. Un modulo è tanto più pregiato quanto minori sono T NOCT e C T. Tanto più la temperatura ambiente è elevata, tanto maggiore è il vantaggio conseguibile con moduli a bassa T NOCT e C T. I moduli in film sottile sono meno sensibili alla temperatura, quindi sono più adatti dove essa aumenta per mancanza di ventilazione, ad es. negli interventi integrati architettonicamente. CERTIFICAZIONI E GARANZIE CONTRATTUALI I moduli certificati e garantiti hanno maggior probabilità di durare e produrre energia per tutta la vita utile dell impianto. Per ottenere una tariffa incentivante i moduli devono essere certificati da un organismo di prova, indipendentemente dal costruttore, che ne attesti la conformità in base alle norme di prodotto. La garanzia dovrebbe riguardare il mantenimento delle condizioni iniziali! Ad es.: 90% della potenza nominale fino a 12 anni e 80% fino a 25 anni. 13

14 STRINGHE E CAMPO FOTOVOLTAICO MODULARITA La modularità della tecnologia PV (fotovoltaico) è un vantaggio! MODULO+MODULO+MODULO+ COLLEGATI IN SERIE = STRINGA STRINGA STRINGA STRINGA - COLLEGATE IN PARALLELO = CAMPO FOTOVOLTAICO Più moduli in serie permettono di ottenere la tensione richiesta. Più moduli in parallelo permettono di ottenere la potenza richiesta. GENERATORE PV È la parte in c.c. dell impianto(a volte è compreso anche l inverter). SCELTE PROGETTUALI La prima riguarda la tensione nominale del generatore PV. Visto che la potenza è P=UI, a pari potenza generata una tensione minore corrisponde a una corrente maggiore, comportando la scelta di cavi a sezione maggiore, soprattutto per limitare le perdite. Con l aumento della tensione aumentano invece i problemi riguardanti l isolamento e il reperimento di dispositivi di protezione e manovra sotto carico in c.c. L accoppiamento delle stringhe può provocare, per effetto della diseguaglianza, perdite del 5% della potenza erogata (mismatch). 14

15 INVERTER PANNELLO PV Produce corrente continua. RETE ELETTRICA Funziona in regime di corrente alternata. INVERTER La funzione principale dell inverter è quella di convertire la corrente continua in corrente alternata. L inverter può essere inoltre dotato di trasformatore. Il trasformatore è comunque una prescrizione obbligatoria per impianti collegati in rete al fine di impedire le immissioni di componenti di corrente continua. Per impianti fino a 20 kw di potenza il trasformatore può essere sostituito da una protezione che apra l interruttore generale per componenti di corrente continua uguali o superiori allo 0,5% della massima corrente dell inverter. VARIAZIONI DEL CARICO La potenza fornita dal pannello dipende dal punto di funzionamento. Per ottimizzare l energia ottenibile si deve adeguare il generatore al carico in modo che il punto di funzionamento corrisponda sempre a quello di massima potenza- Per tale motivo all interno dell inverter è presente un convertitore adeguatamente controllato, denominato MPPT, ovvero maximum power point tracking. È importante l accuratezza con cui l inverter individua il punto di max potenza. VARIAZIONE DELL IRRAGGIAMENTO La caratteristica corrente tensione della cella cambia con l irraggiamento solare, il quale può variare repentinamente (ad es. da 100 a 1000 W/m 2 in 2 secondi!). È pertanto importante che l inverter sia veloce nell individuazione del punto di massima potenza! 15

16 INVERTER INVERTER METTE IN PARALLELO L IMPIANTO PV CONLA RETE ENEL ADEGUA LA FREQUENZA CON I VALORI DI RETE SINCRONIZZA LA TENSIONE CON I VALORI DI RETE SI DISATTIVA PER ASSENZA DI RETE PER VALORI DI TENSIONE E DI FREQUENZA CHE ESCONO DAL RANGE PREFISSATO FUNZIONA ENTRO UN INTERVALLO DI TENSIONI IN INGRESSO AL DI FUORI DELLE QUALI VA IN STAND BY STRINGHE TENSIONE MAX QUANDO TEMPERATURA È MIN TENSIONE MIN QUANDO TEMPERATURA È MAX TENSIONI MAX E MIN DI STRINGA DEVONO RICADERE ENTRO L INTERVALLO ACCETTATO DALL INVERTER CON UN BUON MARGINE DI SICUREZZA!!! 16

17 PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA Un generatore elettrico produce una quantità di energia pari al prodotto della propria potenza per il tempo di funzionamento. E=Pt [kwh] P=L/t [kw] L=E=Pt [kwh] Le ore di funzionamento annue sono pertanto un parametro importante per la produzione di energia elettrica in un impianto tradizionale e sono pari al n di ore annuo (8760) decurtate delle ore fuori servizio per manutenzione o inconvenienti tecnici. Le ore di fermo di una centrale elettrica sono parte nota del totale, quindi la potenza nominale è un parametro significativo dell energia prodotta. In un impianto PV la P nominale non è significativa in quanto varia in funzione della località e dell istante considerato (giorno, ora e condizioni meteorologiche). L energia solare non è sempre disponibile e varia da un giorno all altro. ENERGIA PRODUCIBILE DA UN IMPIANTO PV IN UN DETERMINATO LUOGO Occorre stimare le ore equivalenti a piena potenza, le quali sono ore fittizie in quanto si riferiscono al funzionamento a potenza nominale. Ad esempio un impianto avente P=5kW che produce 5000kWh ha 1000 ore equivalenti a piena potenza. La convenienza di un impianto PV aumenta quindi col n di ore equivalenti a piena potenza, pertanto prima della realizzazione dell impianto stesso occorre valutare le risorse solari del luogo. L energia prodotta da un impianto PV dipende da: - RADIAZIONE SOLARE DISPONIBILE, - ORIENTAMENTO E INCLINAZIONE DEI MODULI, - RENDIMENTO DELL IMPIANTO. 17