L energia inesauribile

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1 CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO Nozioni di base L energia inesauribile Il potenziale del sole Il sole é una stella di forma pseudosferica, composta da idrogeno e elio, con un diametro di circa km ed è situata a km dalla terra. La temperatura al suo interno raggiunge i 10 7 K. Il sole è una fonte di energia ancora poco utilizzata, ma con un grande potenziale. Ogni giorno arrivano sulla terra miliardi di kwh. Un metodo per poter recuperare questa preziosa energia sono i moduli fotovoltaici.

2 FOTOVOLTAICO Un primo sguardo Luce e Calore Le radiazioni emesse dal sole sotto forma di luce e calore possono essere utilizzate. - La luce può essere trasformata direttamente in elettricità per mezzo di pannelli fotovoltaici sfruttando le proprietà di materiali semiconduttori come il silicio. - Il calore può essere utilizzato per il riscaldamento dell acqua per mezzo di pannelli solari. La parte di energia solare che riesce a raggiungere la terra in un ora equivale al consumo energetico di tutto il mondo di un anno.

3 FOTOVOLTAICO Un primo sguardo Com è costruito un modulo fotovoltaico Il componente base di un modulo fotovoltaico è la cella Cella Modulo Diverse celle assemblate Stringa Diversi moduli collegati Campo Diverse stringhe collegate

4 FOTOVOLTAICO Un primo sguardo Com è costruito un modulo fotovoltaico Un immagine di un modulo in film sottile. In alcuni tipi di modulo non esiste il concetto di cella che infatti non la si può individuare. Questo perché il modulo viene realizzato spruzzando del composto di silicio sulla superficie del pannello. Si parte quindi dal concetto di modulo.

5 FOTOVOLTAICO Un primo sguardo Tipologie di moduli fotovoltaici Sono 3 le tipologie di moduli fotovoltaici più utilizzate: Silicio mono cristallino Famiglia Cristallino Silicio poli cristallino Silicio amorfo, CIS, CdTe Famiglia Film sottile

6 PANNELLI FOTOVOLTAICI: FUNZIONAMENTO I pannelli fotovoltaici sono anche detti pile solari perchè trasformano l'energia luminosa dei raggi solari in energia elettrica sfruttando l'effetto fotoelettrico: una piastra metallica in silicio, esposta alla luce solare (fotoni), emette cariche elettriche (elettroni). Un generatore fotovoltaico è formato da: - celle in silicio (10 cm x 10 cm); - modulo: insieme di più celle; - pannello (1 m x 1,6 m): insieme di moduli inseriti in una struttura metallica; - stringa: insieme di pannelli collegati tra di loro con cavi elettrici; - generatore fotovoltaico: stringhe tra di loro collegate per ottenere la potenza elettrica voluta.

7 La fisica dei materiali L effetto fotovoltaico Un modulo fotovoltaico è un dispositivo in grado di convertire l'energia solare direttamente in energia elettrica mediante effetto fotovoltaico. Questo tipo di conversione è possibile grazie a 3 fenomeni fisici: Assorbimento della luce nei materiali, Trasferimento dell energia dei fotoni alle cariche elettriche, Il collegamento delle cariche elettriche. Il materiale utilizzato dovrà avere delle proprietà ottiche e elettriche specifiche per permettere la conversione fotovoltaica.

8 La fisica dei materiali Interazione della luce con la materia I raggi luminosi che incidono in un solido subiscono 3 modifiche ottiche. - La riflessione: la luce non riesce a penetrare nel corpo solido ed è rinviata verso l esterno. - La trasmissione: La luce attraversa l oggetto senza subire nessuna trasformazione. I(incidente) = A (assorbita) + T (trasmessa) + R (riflessa) - L assorbimento: Le luce penetra nell oggetto e non esce più. L energia verrà restituita sotto un altra forma (ad es. calore). Nei moduli fotovoltaici l obiettivo è di aumentare la quota di luce assorbita, perché è l unica parte che verrà trasformata in energia elettrica.

9 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica Silicio L atomo di silicio possiede 14 elettroni di cui 4 di valenza; in un cristallo di silicio puro ciascun atomo è legato in modo covalente con altri quattro atomi: ogni elettrone di valenza si lega con un elettrone di valenza di un altro atomo. Il passaggio dalla banda di valenza a quella di conduzione avviene trasmettendo all elettrone una opportuna quantità di energia. In tale passaggio l elettrone si lascia dietro una buca detta lacuna che può venire occupata da un altro elettrone. Il movimento degli elettroni comporta così anche quello delle lacune. Silicio

10 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica Donatore Silicio Fosforo Elettrone debolmente legato

11 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica Accettore Silicio Boro Lacuna

12 Materiale N Materiale P Distanza PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Boro Silicio Boro Silicio Boro Silicio Giunzione Boro Silicio Silicio Fosforo Silicio Silicio Densità di carica + - Fosforo Silicio Fosforo Regione di svuotamento Silicio Fosforo Silicio

13 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La conversione dell energia solare in energia elettrica avviene sfruttando l effetto indotto da un flusso luminoso che incide su un materiale semiconduttore drogato Ogni fotone dotato di energia sufficiente, sulla base della relazione E = h, con h costante di Plank ed lunghezza d onda della radiazione, è in grado di liberare all interno della giunzione P-N una coppia elettrone lacuna. Utilizzando come semiconduttore il silicio, l energia minima necessaria a liberare una coppia elettrone lacuna corrisponde ad una lunghezza d onda massima della radiazione luminosa di 1.15 m.

14 DENSITA' SPETTRALE DI POTENZA PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO [W/m²] % Frazione dello spettro della radiazione solare potenzialmente convertibile in energia elettrica per un semiconduttore al silicio W/m² (AM0) 1000 W/m² (AM1) Radiazione con contenuto energetico sufficiente a liberare una coppia elettrone - lacuna La percentuale di energia solare che teoricamente possibile convertire in energia elettrica non supera il 44% LUNGHEZZA D'ONDA 0,3 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 [µm] La rimanente parte, pari al 56%, è trasformato in calore

15 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica I principali semiconduttori utilizzati sono: Silicio (Si) Germanio (Ge) Arseniuro di Gallio (GaAs) Solfuro di Cadmio (CdS) Solfuro di Rame (Cu 2 S) Celle a giunzione multipla (Tandem)

16 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Circuito equivalente di una cella fotovoltaica Il rendimento delle celle fotovoltaiche in silicio, anche nelle prove di laboratorio è molto distante dal 44%, in quanto intervengono ulteriori inefficienze: 1. Non tutti i fotoni incidenti sulla cella fotovoltaica penetrano all interno, alcuni sono riflessi ed altri intercettati dall elettrodo frontale (resistenza R s ) 2. Alcune coppie elett. lacuna si ricombinano prima che queste possano essere separate dal campo elettrico interno alla giunzione (grado di purezza del Si) 3. Parte dell energia potenziale ceduta alla cella, risulta insufficiente per liberare la coppia elettrone lacuna (diodo) I L I D R S I C R C

17 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Caratteristica Tensione Corrente di una Cella Solare I Quadrante dove la cella si comporta da semplice diodo in conduzione diretta Caratteristica al buio Caratteristica alla luce Quadrante dove la cella passa in conduzione inversa I m Quadrante dove la cella si comporta da generatore di energia elettrica V m V Punto di Massima Potenza

18 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Caratteristica Elettrica (I-V) in funzione della Temperatura CORRENTE DI CORTOCIRCUITO I CC (V=0) TENSIONE A VUOTO V 0 (I=0) C 60 C 20 C -40 C -20 C 0 C V [V]

19 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Caratteristica Elettrica (I-V) in funzione della Radiazione Solare I [A] W/m W/m W/m W/m W/m W/m 2 Caratteristica I-V di un modulo commerciale da 50Wp a V [V]

20 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Caratteristica I-V di una Cella Solare ed andamento della Potenza I [A] 1.00 I m Caratteristica I-V Punto di massima potenza P m = V m I m P [W] Andamento della potenza P= V I V 0.60 V [V] m

21 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Tipologie di celle fotovoltaiche La maggior parte delle celle fotovoltaiche attualmente in commercio è costituita da semiconduttori in silicio per i seguenti motivi: Disponibilità pressoché illimitata (risorse del pianeta) Largo utilizzo nell industria elettronica (processi tecnologici di raffinazione, lavorazione e drogaggio ben affinati) Possibilità di riciclare gli scarti dell industria elettronica in quanto l industria fotovoltaica tollera concentrazioni di impurità tipicamente di (contro i valori di relativi all industria elettronica)

22 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Tipologie di celle fotovoltaiche Celle al silicio monocristallino. Gemmazione e crescita cristallina - Il silicio a cristallo singolo è ottenuto da un processo detto melting a partire da cristalli di silicio di elevata purezza che, una volta fusi, vengono fatti solidificare a contatto con un seme di cristallo. Il silicio solidifica nella forma di un lingotto cilindrico costituito da un unico cristallo del diametro di 13 20cm e lunghezza di circa 200cm; Taglio Il lingotto viene affettato con particolari seghe in wafers con spessore di m (spinto sfruttamento del lingotto contro un estrema fragilità dei wafers)

23 Celle al silicio policristallino PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Tipologie di celle fotovoltaiche Forma - Il silicio policristallino è caratterizzato dalla presenza di più cristalli aggregati fra di loro con forme, dimensioni ed orientamenti differenti; Costi contenuti (rispetto al silicio monocristallino) Celle al silicio amorfo Forma Il semiconduttore, sotto forma di gas, è depositato in strati dell ordine di 10 m su qualsiasi superficie (tecnica dei film sottili); Instabilità delle prestazioni elettriche? Tecnica della giunzione multipla Con il drogaggio differente di vari strati di silicio collegati in serie si ottengono celle con diverse sensibilità allo spettro solare. Il risultato si traduce in un maggior rendimento e resa energetica; Costi contenuti (rispetto al silicio policristallino)

24 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Tipologie di celle fotovoltaiche La connessione elettrica tra le celle fotovoltaiche è ottenuta per mezzo di due contatti metallici, uno sulla faccia esposta e l altro su quella opposta, normalmente ottenuti per evaporazione sotto vuoto di metalli a bassissima resistenza elettrica ed effettuando successivi trattamenti termici al fine di assicurarne la necessaria aderenza alla superficie della cella. Mentre la metallizzazione posteriore copre tutta la faccia, quella frontale esposta alla luce deve avere una configurazione geometrica tale da consentire un buon compromesso tra trasparenza alla radiazione incidente e massima raccolta degli elettroni liberi nel processo di conversione

25 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO I Sistemi Fotovoltaici Il sistema fotovoltaico è un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che concorrono a captare e trasformare l energia solare disponibile, rendendola utilizzabile dall utenza in energia elettrica. La struttura di un sistema fotovoltaico può essere molto varia; nella sua forma più generale può essere schematizzato col seguente schema a blocchi: pag. 25

26 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO CAMPO FOTOVOLTAICO (MODULI) SISTEMA DI ORIENTAMENTO CONVOGLIAMENTO IN SERIE E PARALLELO TRA LE CONNESSIONI DEI MODULI CONVERSIONE C.C./C.A. BATTERIA REGOLAZIONE DI CARICA / SCARICA BATTERIA GENERATORE DI SOCCORSO QUADRO ELETTRICO DI DISTRIBUZIONE CARICO (RETE - UTENTI) SERVIZI AUSILIARI INTERNI QUADRO ELETT. C.C. CARICO IN C.C.

27 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO I Sistemi Fotovoltaici Dal punto di vista delle strutture di sostegno dei moduli, si parla di: Sistemi ad inclinazione fissa - (struttura portante fissa) Sistemi ad inseguimento attivi - single/double axis tracking systems (caratterizzati da motori passo e elettronica di controllo) Sistemi ad inseguimento passivi (principio di funzionamento basato sulla differenza di pressione che si forma in due cilindri, contenenti ciascuno particolari sostanze es. freon e olio) Dal punto di vista elettrico si dividono in: Sistemi isolati o stand alone Sistemi connessi in rete grid connected

28 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO I Sistemi Fotovoltaici Schemi a blocchi Sistema di Pompaggio Azionamento a CAMPO FOTOVOLTAICO INVERTER frequenza variabile POMPA Utenza Isolata CAMPO FOTOVOLTAICO REGOLATORE DI CARICA INVERTER CARICO IN C.A. BATTERIA CARICO IN C.C.

29 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO I Sistemi Fotovoltaici Schemi a blocchi Sistema Ibrido Isolato (fotovoltaico eolico diesel) CAMPO FOTOVOLTAICO GENERATORE EOLICO DIESEL REGOLATORE DI CARICA INVERTER CARICO IN C.A. BATTERIA CARICO IN C.C.

30 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO I Sistemi Fotovoltaici Schemi a blocchi Impianto Collegato alla Rete RETE CAMPO FOTOVOLTAICO INVERTER QUADRO ELETTRICO DI INTERFACCIA UTENZA

31 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Il Campo Fotovoltaico Il campo fotovoltaico è un insieme di moduli fotovoltaici opportunamente collegati in serie e in parallelo in per realizzare le condizioni operative desiderate CELLA MODULO MODULO PANNELLO

32 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Il Campo Fotovoltaico PANNELLO STRINGA

33 Vantaggi e svantaggi delle due famiglie Famiglia Cristallino - Dimensioni più contenute - Efficienza 12-16%* - Sensibili alle ombre Famiglia Film sottile - Dimensioni più ingombranti - Efficienza 6-9%* - Non sensibili alle ombre (produce anche con cielo nuvoloso) - Non richiede inclinazione dei pannelli - Meno influenzati dalla temperatura - Usufruisce di più ore di luce (produce prima al mattino e termina più tardi la sera) - Ritorno dell investimento più veloce * in condizioni particolari di misurazione

34 PANNELLI FOTOVOLTAICI: FUNZIONAMENTO La corrente elettrica prodotta dai pannelli fotovoltaici è di tipo continuo. Per renderla utilizzabile all'interno delle abitazione (corrente alternata) è necessario un inverter. SISTEMI ISOLATI Vengono utilizzati dei sistemi di accumulo dell'energia elettrica (batterie) e successivamente utilizzata (case isolate, rifugi di montagna, lampioni stradali). SISTEMI COLLEGATI ALLA RETE Impianti realizzati sulle singole abitazioni e collegati alla rete di distribuzione elettrica.

35 Sistemi connessi alla rete elettrica Schema di un impianto fotovoltaico collegato alla rete L energia prodotta attraverso i pannelli è autoconsumata o immessa nella rete elettrica. È possibile riprendere in un secondo momento l energia prodotta e non auto-consumata.

36 PANNELLI FOTOVOLTAICI: VANTAGGI - SVANTAGGI Per l'installazione di un impianto fotovoltaico da 3KWp sono necessari: - Circa ma in continua diminuzione; - 20 mq di superficie del tetto (impianto integrato: pannelli inseriti in sostituzione delle tegole - impianto semi integrato: pannelli inseriti sopra le tegole con una struttura in acciaio); - Incentivi statali (conto energia) sull'energia prodotta (KWh) + risparmio bolletta elettrica

37 I moduli thin film Tipologia delle celle amorfe A causa dell elevato costo, della maturità della tecnologia e per ridurre la quantità di silicio utilizzato, la maggior parte dei produttori di moduli FV sta sviluppando la tecnologia a film sottile. Questa tecnologia permette di depositare un sottilissimo strato di materiale semiconduttore direttamente su un supporto solido o flessibile (ad es. vetro, acciaio, plastica, stoffa ). Lo spessore ridotto (1-2 micron) permette di velocizzare il processo produttivo e di rendere insignificante il costo stesso del semiconduttore utilizzato. Gli attuali rendimenti dei moduli cristallini (circa 12-16%) sono superiori rispetto ai moduli a film sottile (6-9%), ma vi sono enormi possibilità di miglioramento per questi ultimi.

38 Glossario Efficienza In una conversione di energia l efficienza è il rapporto tra la potenza utile e la potenza fornita al sistema. L efficienza è espressa come valore compreso tra zero e uno o sotto forma di percentuale. Un sistema con un efficienza uguale a 1 o 100% è un sistema privo di perdite dove l energia primaria è convertita nella sua totalità in energia secondaria. L efficienza di un modulo o di una cella è calcolata sulla base della misura della potenza massima. Conoscendo il valore della potenza massima (equivale alla potenza utile), le dimensioni del modulo in m 2 e la potenza di irraggiamento (equivale alla potenza fornita al sistema), si può calcolare l efficienza. La misura avviene tramite un irraggiamento costante di 1000 W/m 2 come è definita dalle norme.

39 Tensione e corrente al punto di massima potenza La tensione e la corrente al punto di massima potenza sono i valori che si misurano nel momento in cui il modulo fornisce la sua potenza massima.

40 L irraggiamento solare I moduli fotovoltaici convertono la luce solare direttamente in energia elettrica. Da qui l importanza di capire e studiare il raggio del sole. Al confine con l atmosfera terrestre l energia solare è una costante che ha un valore medio pari a 1367 W/m 2, mentre a livello del suolo l irraggiamento è molto variabile. La cartina accanto mostra l energia a livello del suolo in Europa.

41 LA RADIAZIONE SOLARE La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre si distingue in: (1) diretta (2) diffusa (3) riflessa Le proporzioni di radiazione (1), (2) e (3) ricevuta da una superficie dipendono da: (a) condizioni meteorologiche (b) inclinazione della superficie (c) presenza di superfici riflettenti

42 La diffusione della luce Le tre componenti dell irraggiamento al suolo -L irraggiamento diretto: radiazione che giunge al suolo direttamente dal sole. -L irraggiamento diffuso: è la radiazione che giunge al suolo dopo essere stata riflessa e in parte assorbita dall atmosfera (aria, nuvole). -L irraggiamento per albedo: è la radiazione riflessa dal suolo. Generalmente è la parte meno preponderante ma in condizioni particolari come nel caso di una superficie ghiacciata, la presenza di un lago o del mare può essere considerevole.

43 LA RADIAZIONE SOLARE Dati della Radiazione Solare La radiazione solare su una superficie inclinata può essere determinata mediante: Mappe isoradiative (generalmente non permettono di distinguere le componenti della radiazione diretta e diffusa) pubblicate da vari organismi Valori tabellati per ciascuna località (Servizio Meteorologico Nazionale) Metodi di calcolo sperimentali (Norme UNI UNI 8477, metodo di Liu e Jordan, ecc.)