LE ATTUALI TECNOLOGIE APPLICATE AL SOLARE TERMICO E FOTOVOLTAICO PESARO - 22 SETTEMBRE 2010

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1 LE ATTUALI TECNOLOGIE APPLICATE AL SOLARE TERMICO E FOTOVOLTAICO PRINCIPI PAOLO DIPARTIMENTO DI ENERGETICA UNIVERSITA POLITECNICA DELLE MARCHE PESARO - 22 SETTEMBRE 2010

2 NORMATIVA DI RIFERIMENTO CERTIFICAZIONE ENERGETICA AMBIENTALE DEGLI EDIFICI CON IL PROTOCOLLO ITACA-MARCHE CAPITOLO 2.2.1: ENERGIA TERMICA PER ACS

3 ENERGIA TERMICA PER ACS AREA DI VALUTAZIONE: Consumo di risorse CATEGORIA: Energia da fonti rinnovabili CRITERIO 2.2.1: Energia termica per ACS ESIGENZA: Incoraggiare l uso di energia prodotta da fonti rinnovabili (solare termico) per la produzione di ACS

4 ENERGIA TERMICA PER ACS INDICATORE DI PRESTAZIONE PER RESIDENZIALE: Fattore di copertura solare: % del fabbisogno stimato di energia termica per la produzione di ACS coperta da fonti rinnovabili (solare termico) parametrizzata in funzione del numero di piani SCALA DI PRESTAZIONE: Centro st. 4 piani > 4 piani NEGATIVO < 20 % < 50 % < 40 % -1 SUFFICIENTE 20 % 50 % 40 % 0 BUONO 38 % 62 % 52 % 3 OTTIMO 50 % 70 % 60 % 5

5 NATURA DELLA RADIAZIONE SOLARE Fotosfera kw/ m 2 a T = 5779 K 1367 W/m 2 costante solare all estero dell atmosfera terrestre

6 NATURA DELLA RADIAZIONE SOLARE Legge dello spostamento di Wien λ m T = 2897,6 µmk T sole = K λ m x = 2897,6 µm K λ m = 2897,6 = 0.5 µm 5.800

7 NATURA DELLA RADIAZIONE SOLARE

8 NATURA DELLA RADIAZIONE SOLARE Radiazione solare diretta Radiazione solare diffusa scattering

9 EFFICIENZA G T ( ) i Ta η = FR τα F n R UL G Superficie captante

10 EFFICIENZA Superficie captante

13 EFFICIENZA [η%] η 0 = rendimento ottico η perdite ottiche, vetro più emissione calore utile perdite termiche T T = FR τα FR UL i a ( ) n G η o Equazione di Bliss T = (T m - T a ) [K]

14 EFFICIENZA bilancio energetico di un collettore solare I q a q u Fluido termovettore q u G

15 EFFICIENZA Efficienza del collettore q u = q a q c η = q a q c / G G

16 EFFICIENZA *

17 EFFICIENZA τ = τ α τ ρ τ α = e - kl Trasmittanza trascurando la riflessione τ ρ = 1 ρ 1 + ρ Trasmittanza trascurando l assorbimento

18 EFFICIENZA Relazione di Fresnel Legge di Snell n 1, n 2 indici di rifrazione ρ

19 EFFICIENZA prova dei collettori solari Schema e vista circuito di prova chiuso per collettori a liquido dati climatici

20 EFFICIENZA retta di efficienza sperimentale Angolo di inclinazione del collettore 45 Temperatura di ingresso del fluido termovettore da 32 C a 60 C Flusso solare da 599 C a 1009 W/m 2

21 MATERIALI Collettori solari piani materiale piastra assorbente metallo alluminio rame acciaio polimero

22 MATERIALI Superfici selettive coeff. di riflessione monocromatico di superficie selettiva opaca I ρ λ I α λ I τ λ I ρ λ + α λ + τ λ = 1 coeff. di riflessione e trasmissione monocromatico di superficie selettiva trasparente

23 MATERIALI Superfici selettive α λ = 0.95 ε λ = materiale intrinsecamente selettivo 2. accoppiamento di materiale assorbente nel campo del solare e trasparente nel campo dell infrarosso con una superficie metallica riflettente (superficie metallica lucidata) 3. deposizione su superfici metalliche di rivestimenti di opportuno spessore che provochino interferenze distruttive 4. preparazione di superfici ruvide le cui rugosità si comportino diversamente nei due campi spettrali, solare ed infrarosso 5. dispersione di particelle metalliche su matrici metalliche o dielettriche Nickel nero Cromo nero rame nero

24 TIPOLOGIA A PIASTRA PIANA tecnologia collettori piani Tubi saldati su piastra con deformazioni l alloggiamento dei tubi semicircolari per Tubi graffati su piastra con deformazioni per l alloggiamento dei tubi Tubi ed alette formate attraverso il sistema roll-bond Tubi piegati a serpentina saldati su piastra Doppia piastra saldata Strisce di metallo estruso accoppiate meccanicamente

25 TIPOLOGIA A PIASTRA PIANA collettori privi di copertura trasparente Collettori a striscia costituiti da strisce estruse di vari materiali plastici quali: Etilene-propilene-diene monomero EPDM Poli Vinil Cloruro PVC Neoprene

26 collettori non vetrati TIPOLOGIA A PIASTRA PIANA Temperatura fluido termovettore a + 20 C sulla T aria Piastra di tubicini in polipropilene, neoprene, pvc. Uso stagionale estivo: piscine, camping, stabilimenti balneari

27 TIPOLOGIA A PIASTRA PIANA collettori non vetrati Sistema costruttivo

28 COLLETTORI A TUBI EVACUATI Temperatura fluido termovettore anche a C sulla T aria

29 COLLETTORI A TUBI EVACUATI

31 COLLETTORI A TUBI EVACUATI principio di funzionamento heat pipe isolamento termico tubo acqua scambiatore di calore assorbitore tubo di calore liquido vapore

32 COLLETTORI A TUBI EVACUATI Heat pipe sistema Thermomax

34 Energia FOTOVOLTAICO Elettrica - Introduzione AREA DI VALUTAZIONE: Consumo di risorse CATEGORIA: Energia da fonti rinnovabili CRITERIO 2.2.2: Energia Elettrica ESIGENZA: Incoraggiare l uso di energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili Corso Certificazione energetica ambientale degli Edifici Piano Casa Protocollo ITACA Sintetico

35 Energia FOTOVOLTAICO termica per ACS- Introduzione INDICATORE DI PRESTAZIONE PER RESIDENZIALE: Fattore di copertura solare: % del fabbisogno stimato di energia elettrica coperta da fonti rinnovabili parametrizzato in funzione del numero di piani SCALA DI PRESTAZIONE: 4 piani > 4 piani SUFFICIENTE 1 kwp/ua 1 kwp/ua 0 40 % pluri 60 % mono 30 % 1 55 % pluri 70 % mono 45 % 2 Corso Certificazione energetica degli Edifici Piano Casa Protocollo ITACA Sintetico

36 Energia FOTOVOLTAICO termica per ACS- Introduzione INDICATORE DI PRESTAZIONE PER RESIDENZIALE: Fattore di copertura solare: % del fabbisogno stimato di energia elettrica coperta da fonti rinnovabili parametrizzato in funzione del numero di piani SCALA DI PRESTAZIONE: 4 piani > 4 piani 70 % pluri 80 % mono BUONO 60% 3 85 % pluri 90 % mono 75 % 4 OTTIMO 100 % 90 % 5 Corso Certificazione energetica degli Edifici Piano Casa Protocollo ITACA Sintetico

37 Energia FOTOVOLTAICO Elettrica - Efficienza dei moduli 3. Dati impianto solare fotovoltaico unità di misura valore β 90 γ 0 S m 2 η % BOS % Su m 2 Corso Certificazione energetica degli Edifici Piano Casa Protocollo ITACA Sintetico

38 FOTOVOLTAICO Mercato suddiviso per tecnologie

39 FOTOVOLTAICO quote di mercato dei produttori di celle

40 FOTOVOLTAICO TECNOLOGIA

46 FOTOVOLTAICO - SILICIO

47 Energia FOTOVOLTAICO Elettrica - Efficienza - SILICIO dei moduli 1 a Generazione: QUALI SONO I MODULI FOTOVOLTAICI Celle convenzionali : Silicio monocristallino e policristallino Buona efficienza, alti costi, ridotta scalabilità industriale 2 a Generazione: Celle solari a film sottile: CdTe, CulnGaSe2, A-Si Efficienza discreta, bassi costi, alta scalabilità industriale 3 a Generazione: Celle organiche Alta efficienza, alti costi

48 FOTOVOLTAICO - SILICIO Il silicio monocristallino struttura cristallina omogenea (monocristallo), opportunamente drogato in modo da realizzare una giunzione p-n; Cella in silicio monocristallina quadrata Cella in silicio monocristallina semi-quadrata Cella in silicio monocristallina circolare

49 FOTOVOLTAICO - SILICIO Le caratteristiche elettriche di una cella

50 FOTOVOLTAICO - SILICIO Per realizzare il wafer si utilizza in generale la tecnica detta di Czochralski

54 FOTOVOLTAICO - SILICIO Prima del taglio in fette sottili i cristalli vengono sagomati per rendere la sezione più simile ad un quadrato Si passa poi al drogaggio dei wafer : Prima con il boro poi con il fosforo mediante diffusione di atomi alla temperatura di circa C Dopo avere apposto i contatti elettrici posteriormente e fissato le connessioni elettriche, si tratta la cella con uno strato antiriflesso

55 FOTOVOLTAICO - MODULI DI SILICIO celle precollegate elettricamente mediante ribbon Vinil acetato di etilene Polivinile florurato superficie posteriore di supportomateriale isolante con scarsa dilatazione termica

56 FOTOVOLTAICO - MODULI DI SILICIO difetti costruttivi - delaminazione

57 FOTOVOLTAICO - MODULI DI SILICIO pannelli fotovoltaici vetro fotovoltaico Tegole fotovoltaiche

58 FOTOVOLTAICO - MODULI DI SILICIO

59 Energia FOTOVOLTAICO Elettrica - Efficienza - MODULI dei moduli DI SILICIO Il silicio policristallino struttura cristallina non strutturalmente omogenea ma organizzato in grani localmente ordinati, opportunamente drogato in modo da realizzare una giunzione p-n; In alternativa al silicio monocristallino, l'industria fotovoltaica utilizza anche il silicio policristallino che ha costi di produzione inferiori e nel quale i cristalli si presentano ancora aggregati tra loro ma con forme e orientamenti differenti. Le celle di silicio policristallino hanno prestazioni elettriche solo di poco inferiori rispetto a quelle in silicio monocristallino.

60 Energia FOTOVOLTAICO Elettrica - Efficienza - FILM dei moduli SOTTILE FILM SOTTILE CRISTALLINO Confronto tra un modulo cristallino ed uno a film-sottile ombreggiati

61 FOTOVOLTAICO - FILM SOTTILE QUALI SONO I MODULI FOTOVOLTAICI 1 a Generazione: Celle convenzionali : Silicio monocristallino e policristallino Buona efficienza, alti costi, ridotta scalabilità industriale 2 a Generazione: Celle solari a film sottile: CdTe, CulnGaSe2, A-Si Efficienza discreta, bassi costi, alta scalabilità industriale 3 a Generazione: Celle organiche Alta efficienza, alti costi

62 FOTOVOLTAICO - FILM SOTTILE I film sottili Perché? - Le celle solari con i monocristalli hanno raggiunto in laboratorio efficienze vicine al limite teorico - Moduli al Si vengono venduti a 4-5euro/W o più un costo lontano dall essere competitivo con l energia elettrica ottenuta dai combustibili fossili - La produzione di Si mono o policristallino non è, in questo momento, sufficiente a soddisfare la domanda

63 FOTOVOLTAICO - FILM SOTTILE I film sottili Perché? - Nelle celle solari a film sottile la quantità di materiale usata è almeno 100 volte inferiore a quella usata per i moduli cristallini ed è una parte trascurabile del costo totale - Il substrato è in vetro o metallo a basso costo - Un costo di produzione inferiore a 0.5$/W

64 FOTOVOLTAICO - FILM SOTTILE CELLE SOLARI A FILM SOTTILE Celle in silicio amorfo (a-si) Celle al CdTe Celle al CIS

65 FOTOVOLTAICO - FILM SOTTILE SILICIO AMORFO Celle a tripla giunzione stratificate con 3 diverse tipologie di celle La parte alta assorbe la frazione del blu Lega silicio 80% e Germanio 10% radiazione verde Lega silicio 60% e Germanio 40% radiazione rossa

66 FOTOVOLTAICO - FILM SOTTILE PROCESSO DI PRODUZIONE Formato da vari steps: Uno lava Uno deposita tramite sputtering uno strato di Al/ZnO Uno deposita i 3strati in lega di A-Si e Ge L ultima deposita un rivestimento in ossido di Indio e Stragno (ITO) La cella a triplia giunzione è depositato su un substrato flessibile in acciaio inossidabile tramite un processo chiamato roll-to-roll condotte a basse temperature.

68 FOTOVOLTAICO - FILM SOTTILE Facciata fotovoltaica Modulo in silicio amorfo

69 FOTOVOLTAICO - FILM SOTTILE VANTAGGI Record di efficienza: 13% circa Perde quasi il 10% delle prestazioni nelle prime ore di esposizione Efficienza nel tempo tra il 5% e l 8% Superficie di colore uniforme marrone con riflessi rossastri Gran successo a livello estetico e architettonico Costi ridotti Dimensioni: moduli max.0,77x2,44m 2 Spessore del substrato: 1-3mm Spessore del silicio amorfo:0,001mm

70 FOTOVOLTAICO - FILM SOTTILE

74 FOTOVOLTAICO - FILM SOTTILE CELLE CdTe Il CdTe composto cristallino formato da: Cadmio Tellurio Schema della struttura cristallina

75 FOTOVOLTAICO - FILM SOTTILE Configurazione tipica di una cella costituita da multistrato: Ossido conduttivo trasparente (TCO) Strato buffer Film di CdS (solfuro di cadmio) Film di CdTe (tellurio di cadmio) Contatto posteriore metallico depositato su un substrato di vetro

76 FOTOVOLTAICO - FILM SOTTILE Il valore massimo di efficienza, ottenuto su una cella solare a film sottili CdS/CdTe di 1cm 2 di area, è del 16.5% (Wu, NREL); mentre moduli con efficienze tra il 7 e il 10% su un area di 0.6x1.2m 2 sono già prodotti da due compagnie: Antec (Germany) e First Solar (USA). Ricerche condotte dalla ditta Arendi hanno permesso di realizzare su scala di laboratorio celle fotovoltaiche di 4cm 2 con un efficienza media stabile nel tempo di oltre 15%.

77 FOTOVOLTAICO - FILM SOTTILE VANTAGGI CdTe assorbe energia anche a bassa intensità e in condizione di luce diffusa e risentono meno dell aumento di temperatura. Produzione di elettricità in condizioni di nuvolosità e nelle ore di alba e tramonto e nei mesi estivi.

79 FOTOVOLTAICO - FILM SOTTILE CELLE SOLARI CIS Diselenuro di rame e indio = CuInSe 2 VANTAGGI Assorbimento su un vasto spettro di luce Efficienza: 12% Sensibili al caldo e all umidità quindi necessitano di essere ben sigillate

80 FOTOVOLTAICO - FILM SOTTILE La tabella in basso propone un confronto qualitativo di merito tra le varie tecnologie descritte, comprendendo anche il cristallino in un'ottica di reale mercato. Va sottolineato che l'analisi risulta solo indicativa ed esclude la vita stimata e le valutazioni economiche in merito agli aspetti di salvaguardia ambientale (smaltimento, riciclo).

81 FOTOVOLTAICO - FILM SOTTILE QUALI SONO I MODULI FOTOVOLTAICI 1 a Generazione: Celle convenzionali : Silicio monocristallino e policristallino Buona efficienza, alti costi, ridotta scalabilità industriale 2 a Generazione: Celle solari a film sottile: CdTe, CulnGaSe2, A-Si Efficienza discreta, bassi costi, alta scalabilità industriale 3 a Generazione: Celle organiche Alta efficienza, alti costi

82 FOTOVOLTAICO - CELLE ORGANICHE Rispetto alle celle fotovoltaiche standard, che utilizzano un semiconduttore inorganico come il silicio, le celle organiche sono costituite da una serie di materiali organici (polimeri o piccole molecole, pigmenti a base vegetale derivati dai frutti di bosco). Le celle organiche si ispirano al processo di fotosintesi clorofilliana: utilizzano infatti una miscela di materiali in cui un pigmento assorbe la radiazione solare e gli altri componenti estraggono la carica per produrre elettricità. La loro struttura a sandwich è dovuta alla presenza di uno o più strati, ossia sottilissime pellicole in cui sono depositati i materiali fotoattivi, che, frapposte tra due elettrodi conduttivi, di cui almeno uno è trasparente, vengono depositate su un supporto o substrato, generalmente in vetro ma anche in plastica flessibile.

83 FOTOVOLTAICO - CELLE ORGANICHE Leggere e meno costose Con uno spessore complessivo di soli 250 milionesimi di millimetro, le celle solari organiche si presentano come estremamente sottili, leggere e flessibili, il che le rende suscettibili delle più svariate applicazioni. Possono essere depositate su larghe aree come veri e propri inchiostri o paste a partire da una soluzione liquida, con evidenti vantaggi in termini di costi del materiale e del processo produttivo, che rispetto alle celle al silicio non richiede grandi quantità di energia. Le celle organiche sono inoltre maggiormente ecocompatibili rispetto a quelle tradizionali, poiché consentono di ridurre gli scarichi nocivi all'ambiente tipici dell'industria dei semiconduttori. Bastano alcuni esempi per dare l'idea della convenienza economica del fotovoltaico organico: i moduli fotovoltaici a base di silicio costano circa 4 euro per watt picco (Wp); con la tecnologia organica questo costo si potrà ridurre a meno di 1 euro per Wp. Il costo attuale di 350 euro per un metro quadro di moduli solari potrà essere ridotto a meno di 100 euro.

84 FOTOVOLTAICO - CELLE ORGANICHE Struttura base della cella solare organica

85 Energia FOTOVOLTAICO Elettrica - Efficienza - CELLE dei moduli ORGANICHE VANTAGGI Record di efficienza: 4% circa Efficienza delle prime celle intorno allo % Efficienza attuale nell intervallo 2 3% Basate su sistemi polimerici a due fasi interpenetranti Le prestazioni decrescono rapidamente dopo poche ore di esposizione al sole