Moduli fotovoltaici: Brevi cenni su nozioni base Stato dell arte. Parma, Francesco Giusiano.

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1 Moduli fotovoltaici: Brevi cenni su nozioni base Stato dell arte Parma, Francesco Giusiano

2 Celle di laboratorio: dimensioni 1 cm 2 Tipo di cella Efficienza in STC c-si 25% HIT 22% m-si 20% a-si (tripla giunzione) 13% a-si (singola giunzione) 4% CdTe 16% CIS-CIGS 19% III-V (multigiunzione) 41% Celle di Graetzel 12% Celle organiche 6%

3 Definizione di efficienza η=p el /P sol = (I mpp x V mpp ) / (G x A) I mpp : corrente erogata nel punto di max potenza V mpp :tensione nel punto di max potenza G : irradianza solare (simulata) sulla cella A : superficie della cella STC (condizioni standard di test): G=1000 W m -2 ; Spettro AM1.5 ; T cel =25 C Con G fissata, η diminuisce al crescere di T Con T fissata, η diminuisce al diminuire di G

4 Limiti teorici all efficienza delle celle FV # di giunzioni 1sole nsoli 1 31% 41% 2 43% 56% 3 49% 64%... 68% 87% Adattata da C.Honsberg e A.Barnett- High efficiency Photovoltaics -University of Delaware-17/03/2008

5 Celle commerciali: dimensioni 10 2 cm 2 Cella in c-si: fetta (wafer) tagliata da monocristallo di Si; max 156x156 mm 2 ; s 200 μm Cella in m-si: fetta tagliata da un lingotto di Si policristallino; dimensioni anche maggiori ; spessore simile Cella HIT: wafer c-si fra film a-si Cella tipo ribbon : fetta tagliata da un nastro continuo estratto da un bagno di Si fuso Cella in film sottile: vari materiali citati sopra; spessore molto minore ( qualche μm) e dimensioni molto più libere Stessa definizione di η: ma presenti tolleranze di fabbricazione fra vari esemplari

6 Moduli commerciali: dimensioni 10 4 cm 2 Costituiti da n celle collegate in serie: la meno efficiente limita anche le altre Potenza di picco definita in STC e ovviamente nel punto di massima potenza della caratteristica I-V Moduli di celle cristalline possono essere solo rigidi Moduli di celle a film sottile possono anche essere flessibili o arrotolabili, o realizzati con geometrie diverse da quella piana

7 Efficienze dei moduli (adattati da Photon ) c-si, m-si, HIT : da 12 a 17% ( un fabbricante dichiara 19.6% su un modulo c-si) ; c T tra -0.30%/ C e -0.55%/ C a-si : 6-7% (tripla giunzione);c T tra -0.12%/ C e -0.23%/ C CdTe : 10%; c T -0.25%/ C CIS-CIGS: 7-10%; c T -0.35%/ C Garanzia sul prodotto: tra 5 e 15 anni Garanzia sulle prestazioni: anni al 90% della potenza di picco 25 anni all 80% della potenza di picco

8 Caratteristiche energetiche e ambientali dei moduli Tempo di ritorno energetico (EPBT): 4 tipi di moduli:c-si, m-si, ribbon-si, CdTe EPBT tra 4.4 e 2.6 anni a 1000kWh/kW p tra 2.7 e 1.1 anni a 1700kWh/kW p Emissioni nocive durante il ciclo di vita: a parità di kwh prodotti risultano molto inferiori rispetto agli impianti convenzionali sia come GHG che come metalli pesanti. Smaltimento a fine vita: difficoltà diverse a seconda del materiale delle celle e del tipo di modulo

9 Dai kw p installati ai kwh prodotti Per una data P (kw), la E (kwh) prodotta dipende da: Irradiazione totale H (kwh/m 2 ) nel piano dei moduli Derating termico dell efficienza dei moduli Derating da bassa irradianza Ombreggiamenti o difetti di singole celle e/o moduli Raccolta della potenza DC fino all inverter Conversione DC-AC nell inverter

10 Indice di prestazione dell impianto P.R. (performance ratio) Data H nel piano dei moduli ( possibilmente misurata con piranometro) Si calcola il numero n di ore equivalenti di irradianza a 1kW/m 2 n= (H kwh/m 2 ) / (1 kw /m 2 ) Data l energia E in AC ( misurata con strumentazione adeguata) Si calcola il numero m di ore equivalenti a potenza di picco m= (E kwh) / (P kw p ) P.R.= m / n ( di solito espresso in percentuale)

11 Prospettive future per celle e moduli Sviluppo per celle e moduli in Silicio: Fabbricazione con meno materiale, meno energivora e meno costosa:fette più sottili, ribbon-si, deposizioni microcristalline, metodi più efficienti per i contatti elettrici,... Opzione bassa per dispositivi di terza generazione :efficienze relativamente basse, ma costi molto bassi e possibilità di fabbricazione su larghissima scala Opzione alta : perseguimento di efficienze sempre più vicine ai limiti TD, con dispositivi multigiunzione, dispersione spettrale della radiazione solare e concentrazione. Nel giro di 1-2 anni ci si possono aspettare celle di laboratorio con efficienza 50%.

12 Prospettive per BIPV e UIPV I moduli vengono prodotti sempre più frequentemente con la caratteristica di essere anche elementi costruttivi Arrivano sul mercato sistemi di montaggio più semplici, affidabili, e anche più validi esteticamente Sono disponibili strumenti hardware e software per il monitoraggio della radiazione solare e della potenza elettrica erogata dell impianto Sono disponibili sistemi di ottimizzazione delle prestazioni del singolo modulo, compresi i microinverter, che offrono più libertà di progettazione e possibilità di aumentare le prestazioni Sono arrivati sul mercato moduli ibridi PVT, con cui si fa cogenerazione solare

13 Prospettive per la generazione elettrica come sistema Bisogna indagare il limite posto dalla disponibilità di materiali Sono necessari progressi nelle modalità di certificazione, in modo da garantire effettivamente le prestazioni ( iniziativa PV GAP) Servono controlli ambientali sulla fabbricazione( CrystalClear) e sul riciclo/smaltimento a fine vita (PV-Cycle) di moduli e altri componenti Sono necessari progressi verso una rete elettrica, che tolleri la presenza di una frazione molto significativa ( e al limite preponderante) di generazione da fonti rinnovabili discontinue Bisogna sviluppare sistemi di accumulo,p.e. tramite produzione di idrogeno elettrolitico e veicoli elettrici plug-in che consentano di gestire la discontinuità della generazione FV

14 Una previsione autorevole(?): Stephen o Rourke-Deutsche Bank Securities Industry Strategy Symposium-SEMI-01/2008

15 Grazie per l attenzione!

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