Le celle fotovoltaiche e i moduli

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1 Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Costruzioni e Territorio Laboratorio Energia Ecologia Economia Le celle fotovoltaiche e i moduli Ivano Pola 1

2 Temi trattati L effetto fotovoltaico Tecnologie Fabbricazione di celle FV Fabbricazione di moduli FV Caratteristiche fisiche Caratteristiche elettriche 2

3 Utilizzo dell energia solare L effetto fotovoltaico Raggio solare Modulo Collettore fotovoltaico solare Energia calore elettrica Calore dissipato 3

4 La cella fotovoltaica Raggio solare Griglia contatto frontale Corrente Strato antiriflesso Silicio tipo n Silicio tipo p + E E E Lacuna Elettrone Contatto posteriore 4

5 Tecnologie sul mercato 5

6 Le 3 principali tecnologie sul mercato FV Tecnolgia cristallina Silicio Single crystal monocristallino Si sc-si (m-si) Silicio policristallino Multi crystal Si mc-si (p-si) Tecnolgia film sottile Silicio amorfo Amorphous Si a-si 6

7 Fabbricazione delle barre di silicio (m-si) Estrazione Riduzione Purificazione Cristallizzazione SiO 2 (sabbia di quarzo) SiO 2 +2C Si+2CO (silicio metallurgico) (Si+3HCl SiHCl 3 +H 2 ) Triclorosilane Distillazione Metodo Czochralski purezza: - purezza: % purezza: % lingotto di silicio 7

8 Fabbricazione della cella FV cristallina (m-si) Drogaggio Fase: Squadratura Taglio Deposito chimico Metalizzazione Operazione: Taglio con lama diamantata Taglio «wafers» Cella m-si Risultato: Barra di silicio Formate a partire dal silicio cristallino Spessore wafers: µm mm µm: limite robustezza Proc. richiede molta E (Temp: C) 8

9 Cella ad alta efficienza Struttura piramidale (fronte della cella) Strato riflettente (retro della cella) Assorbenza e Riflettanza => efficienza cella FV 9

10 3 principali tecnologie thin film - a-si silicio amorfo - CIS diseleniuro di indio e di rame - CdTe telluro di cadmio 10

11 Fabbricazione della cella FV film sottile (a-si) Fase: Metallizzazione superiore Deposito a-si Metallizzazione inferiore Operazione: Deposito conduttori trasparenti (0.7 µm) su substrato p.e. vetro (1.6 mm) Deposito struttura p-i-n (deposizione al plasma: SiH4) Deposito metallizzazione inferiore (Ag) Risultato: TCO a-si: 0,7 µm Cella a-si Formate a partire dal silicio gassoso (silano) < 2mm Basta 1µm per captare tutto lo spettro Costi di produzione contenuti (basso consumo di mat.) Possibile realizzare strutture a giunzione multipla 11

12 Struttura a giunzione multipla 12

13 Fabbricazione di moduli FV: I cristallini Test e triage celle Collegamento in serie delle celle Connessioni elettriche e Assemblaggio - controllo ottico - test foto-elettrico - misura Isc messa in serie di celle con Isc uguale EVA = etilvenilacetato (diventa trasparente trammite polimerizzazione) 13

14 Fabbricazione di moduli FV: I film sottili > Deposizione + incisione (meccania o laser) Copertura Contatto inferiore Film sottile Modulo Thin Film: collegamento in serie di singole celle longitudinali Conduttore trasparente Substrato di vetro, acciaio o 14

15 Moduli cristallini sandwich FV (c-si) Sigillante: fissaggio celle al vetro di copertura e alla chiusura posteriore Processo di laminazione: 150 C, sigillatura dei componenti Protezione dagli agenti atmosferici (grandine, pioggia, umidità) Tenuta meccanica (vento, dilatazioni termiche,...) Essenziali per garantire una durata di vita elevata dei moduli 15

16 Moduli cristallini Aggiunta finale di: > cornice metallica (Al anodizzato) > scatola di giunzione stagna 16

17 Collegamento in serie di celle La cella meno efficiente limita tutte le altre! Mismatch: P max modulo < Σ P max celle 17

18 Caratteristiche fisiche: celle (m-si, p-si) - Le misure più comuni sono: 10 x 10 cm 12,5 x 12,5 cm 15 x 15 cm - Le forme più comuni sono: quadrate, quadrate con smussatura sugli angoli, circolari - Lo spessore tipico è compreso tra 0.25 e 0.35 mm - La potenza tipica è di ca. 1,5 Watt 18

19 Celle colorate Ogni cella ha uno strato antiriflesso per limitare le perdite. Mediante questo strato si possono ottenere vari effetti colorati (ma il rendimento diminuisce del 15-30%!). 19

20 Celle con tutti i contatti sul retro: back contact cells Standard: Pin-Up Module (PUM): 20 ECN

21 Caratteristiche fisiche: moduli cristallini Tedlar / EVA / Vetro Condizioni limite di utilizzo tipiche (specificate dal produttore per ogni tipologia): > T amb dove il modulo può operare: -40 / +50 C > Escursione termica sopportata: -40 / +90 C > Carico massimo distribuito applicabile: Pa > Umidità relativa dell aria: % > Resistenza alla grandine: 25 mm diametro, 23 m/s Modulo laminato (senza cornice) 21

22 Moduli e celle semitrasparenti Moduli semitrasparenti Vetro / EVA / Vetro Celle semitrasparenti 22

23 Modulo semitrasparente incorporato in finestra a doppio vetro Caratteristiche: - Isolamento termico - Filtraggio di luce Applicazioni: - Facciate sud - Tetti 23

24 Moduli thin film Senza vetro Semitrasparente Substrato: acciaio Copertura: polimero (non vetro) Substrato: vetro Copertura: vetro Flessibile 24

25 Caratteristiche elettriche: cella m-si tipica (10x10 cm) Parametro Voc Isc Vm Im Cella V 3 A 0.45 V 2.8 A al cm 2 30 ma/cm 2 28 ma/cm 2 Pm = Im * Vm Pm 1.3 W 25

26 Il modulo fotovoltaico Primi moduli (per sistemi autonomi) 36 celle in serie (4x9 o 3x12) Watt 0.5 m² I moduli oggi : 1. Minimoduli o tegole solari (2-12 celle / 2-50 Watt) 2. Tradizionali allacciati alla rete ( Watt) (no. celle: multipli di 36) 3. Per facciate ( Watt) (no. celle: variabile, secondo caratteristiche facciata) 26

27 Caratteristiche elettriche di un modulo Potenza di picco: Pm Corrente di corto circuito: Isc Tensione a vuoto: Voc Tensione al punto di massima potenza: Vm Corrente al punto di massima potenza: Im Temperatura nominale di funzionamento di una cella: NOCT Dimensioni modulo Tolleranza valori Garanzie 27

28 Moduli fotovoltaici: STC e NOCT STC = Standard Test Conditions G incidente = W/m 2 T moduli = 25 C Spettro = 1.5 AM (massa atmosferica) Vento = 0 m/s NOCT = Nominal Operating Cell Temperature G incidente = 800 W/m 2 T aria = 20 C Vento = 1 m/s NOCT tipico C 28

29 Caratteristica I-V di un modulo Isc I m Pm=Im*Vm P=I*V Corrente [A] Potenza [W] FF = Pm I * SC V OC Tensione [V] V m Voc 29

30 Variazioni d irragiamento Dati etichetta Corrente [A] Pm Potenza [W] 1000 W/m2 Pm 200 W/m2 Tensione [V] Curva I-V Tensione [V] Potenza > Isc direttamente proporzionale all irraggiamneto G; Voc influenzata minimamente > Voc già elevata a piccoli irraggiamenti (!) > Risultato: se G cresce anche Pm aumenta 30

31 Variazioni di temperatura (per i moduli c-si) Corrente [A] 70 C Pm 10 C Potenza Potenza [W] [W] Pm 70 C 10 C Tensione [V] Curva I-V Tensione [V] Potenza > Voc diminuisce sensibilmente con la temperatura, relazione lineare (coeff. β) (paesi caldi!); Isc resta quasi invariata > Cristallini: -0.4 %/ C se T > 25 C e +0.4 %/ C se T < 25 C Amorfo: -0.2 %/ C se T > 25 C e +0.2 %/ C se T < 25 C 31

32 Fattori che influenzano il funzionamento di un modulo FV Irraggiamento Temperatura (!) Area Spettro della radiazione solare Angolo d incidenza, riflessioni... 32

33 POTENZE Potenze e Garanzie Tolleranza Pn [%] Pn [W] Potenza nominale dichiarata dal fabbricante Pa [W] Potenza reale all acquisto (misurata al LEEE-TISO) Pmin [W] Tolleranza o potenza minima dichiarata dal fabbricante Pr [W] Potenza reale stabilizzata (misurata al LEEE-TISO) Pg [% in anni] Potenza garantita dal fabbricante dopo x anni 33

34 Degrado iniziale (c-si) Potenza d acquisto (Pa) Potenza stabilizzata (Pr) Tolleranz a? Pn [W] Pa [W] Pmin [W] Pr [W] Pn [W] 3-10% ± 2% Pmin [W] 2000/ / /2003 Per pronostico resa energetica: più giudizioso utilizzare Pmin dichiarata piuttosto che Pn 34

35 L efficienza di conversione η Percentuale di energia contenuta nelle radiazioni solari che viene trasformata in energia elettrica η = P modulo / Area [W/m²] P luce [W/m²] Prodotti sul mercato: η varia da 5-25 % => 1m2 a STC > W 35

36 Confronto tra tecnologie (1/2) Tecnologia m-si p-si a-si! cella tipico % % 4 6 % 7 10 % Vantaggi Svantaggi -! elevato -! stabile - tecnologia affidabile - costo - E grigia - quantità materiale - complesso - costo - meno delicati (hot spot) - miglior occupazione - complesso - sensibile alle impurità - costo - fabbricazione - meno materiale - buon! a G " e luce art. - flessibile - coeff. Voc. f(t) -! basso, che scende - degrado iniziale 36

37 Confronto tra tecnologie (2/2) Tecnologia GaAs arseniuro di Gallio! cella tipico 22 % (labo) CdTe Tellurio di cadmio CdS/CuS solfuro di cadmio e di rame Culn Sez. seleniuro di rame e di indio (EnS) 10 % 5 % 12 % (labo) vantaggi - resiste a Televate - concentr. - gap ideale - fabbricazione - molto stabile svantaggi - tossicità - disp. di materiale - tossicità - disp. di materiale - tossicità - sensibile all umidità - tossicità (Cd) 37

38 Conclusione > Tecnologie principali FV: m-si p-si a-si => Grande varietà di moduli: dimensioni, caratteristiche elettriche e ottiche (trasparenza e colorazione) > P = I * V dipende da Irraggiamento, Temperatuta, Area > Se G allora P > Se T allora: per c-si, P [Coeff. potenza -0.4%/ C] per a-si, P [Coeff. potenza -0.2%/ C]! Ma: effetto di rigenerazione del silicio > P eff P n (etichetta) => pronostico energetico: fare riferimento a Pmin 38

39 GRAZIE PER L ATTENZIONE Buona giornata! 39