Introduzione al Solare fotovoltaico. Principi e componenti di un sistema FV piano

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Geronima Mancini
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1 Istituto Tecnico Statale per Geometri Gian Battista Aleotti 26 Febbraio Ferrara, Via Camilla Ravera, 11 Introduzione al Solare fotovoltaico Principi e componenti di un sistema FV piano Antonio Parretta ENEA di Bologna Università di Ferrara

2 Principi e componenti di un sistema FV

3 Principi di funzionamento di una cella solare Single-Si Multi-Si

4 Celle solari al Silicio cristallino

5 La cella solare hν e hν e - h Ē N load e - h P SCR e Meccanismi alla base del funzionamento di una cella solare.

6 La cella solare Curva caratteristica I/V di una cella solare al buio (1) e sotto illuminazione (2).

7 La cella solare FF = ImpVmp/IscVoc Eff(%) =100 x Pmax/Pinc Pinc=1kW/m 2 CARATTERISTICA CORRENTE-TENSIONE E CURVA DI POTENZA

8 La cella solare SH SH CIRCUITO ELETTRICO EQUIVALENTE n = fattore di idealità del diodo, compreso tra 1 e 2 I( V ) = I ph I 0 ( e qv nkt 1) ; R S = R SH = 0 I( V ) = I ph I 0 ( e q( V + R nkt S I ) 1) V + R R SH S I ; R S, R SH 0 EQUAZIONE CARATTERISTICA

9 La cella solare MISURA DELLA CARATTERISTICA I/V Il comportamento di una cella fotovoltaica, o di un modulo FV, si può studiare attraverso la sua curva caratteristica (o curva I/V). Si utilizzano due multimetri, uno per misurare la corrente (amperometro) e uno per misurare la tensione (voltmetro), ed una resistenza variabile (reostato).

10 La cella solare EFFETTO DEL LIVELLO D ILLUMINAZIONE

11 La cella solare 1.00 EFFETTO DELLA TEMPERATURA

12 Diverse tipologie di celle solari Silicio monocristallino Alta efficienza: fino al 18% (10-20%) Alto livello di purezza: monocristallo Alto costo di produzione Colore uniforme e spigoli smussati Silicio policristallino Efficienza massima: 14% Wafer policristallino da fusione di silicio di scarto dell industria elettronica Costo di produzione inferiore Colore disuniforme e spigoli vivi 1kWp: ~ 7m 2

13 Diverse tipologie di celle solari Silicio amorfo Il silicio viene spruzzato (con tecniche al plasma) su un substrato anche flessibile Bassa efficienza: 8% (6-10%) Integrazione architettonica 1kWp: ~15 m 2 Celle polimeriche Il materiale fotoattivo è di tipo organicopolimerico Bassa efficienza Prospettive di costi bassissimi

14 Il generatore fotovoltaico

15 Il generatore fotovoltaico + Stringhe PC Modulo 3 stringhe in parallelo 2 blocchi in serie 2 celle per sottostringa Pannello PC = Power Conditioning Equipment

16 NO MISMATCH LOSSES Curva I-V di un modulo da 36 celle in serie in condizioni operative normali.

17 Il generatore fotovoltaico GLI HOT SPOTS N celle buone cella difettosa + I > + + Mismatched cells connesse in serie Circuito equivalente di più celle fotovoltaiche, di cui una difettosa, collegate tra loro in serie e in condizioni di cortocircuito. Se la serie di celle ( o di moduli) è mantenuta in condizioni di corto circuito, o ad una tensione molto bassa, e ne viene ombreggiata una (uno), si può verificare un fenomeno di surriscaldamento locale (Hot Spot). La cella oscurata si trova polarizzata inversamente ad una tensione prossima alla tensione a vuoto di tutta la serie di celle funzionanti. In tal caso la cella oscurata si trova a dover dissipare la potenza generata dalle restanti celle, provocando un aumento locale di Temperatura (Hot Spot) che può portare alla distruzione della cella.

18 I DIODI DI BYPASS Il generatore fotovoltaico Diodo di bypass SH SH (1) Curva I-V del modulo interamente Irradiato, (2) con una cella ombreggiata e un diodo di bypass sulla cella, (3) con un diodo di bypass per ogni stringa di celle, (4) In assenza di diodo di bypass. Effetto della presenza di un diodo di bypass sulla caratteristica I/V del generatore fotovoltaico.

19 Il generatore fotovoltaico IL DIODO DI BLOCCO I > I modulo Max celle/diodo. Diodi di bypass in parallelo a gruppi di celle in un modulo. < Diodi di blocco per evitare che le batterie si scarichino sul modulo durante la notte

20 I diodi di bypass

21 Il generatore fotovoltaico + Schema di collegamento di stringhe fotovoltaiche in parallelo.

22 Processi di fabbricazione di celle e moduli

23 Celle al silicio multicristallinio

24 Modulo al silicio multicristallinio Low iron glass Float glass Struttura del Modulo Solare

25 Moduli fotovoltaici commerciali Silicio amorfo, 40 Wp, 160 Euro, ~ 4 Euro/W Silicio mono, 110 Wp, 780 Euro, ~ 7 Euro/W Silicio poli, 150 Wp, 700 Euro, ~5 Euro/W

26 Moduli FV in architettura

27 Moduli FV flessibili a film sottile Riduzione della quantità di materiale utilizzato Costruzione di moduli di grande area Ampie possibilità di applicazioni architettoniche

28 Parametri caratteristici Modulo al silicio multicristallino SHARP NE-80E2E Potenza di picco 80W Specifiche

29 Caratteristiche elettriche

30 Sistemi di accumulo dell energia

31 Accumulatori al Pb-acido scarica Sistema: Pb/ H2SO4/ PbO2 Reazione all anodo ( ): Pb + H2SO4 PbSO4 + 2H+ + 2e Reazione al catodo (+): PbO2 + H2SO4 + 2H+ + 2e PbSO4 + 2H2O Reazione complessiva: Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O

32 Accumulatori elettrochimici Sistema Tensione (V) Energia (Wh/Kg) Autoscarica in % al mese a 25 C Ciclo vita medio (n cicli) Pb-acido Costo minimo Ni-Cd Effetto mem. Ni-MeH Debole eff.mem. Li-ione No eff.mem. Zn-aria

33 Regolatori di carica Generatore FV diodo di blocco al carico hν Accumulatori Regolatore Sistema fotovoltaico con regolatore di carica, diodo di blocco e accumulatore. Il regolatore evita una carica o scarica eccessiva della batteria. Il regolatore fa lavorare il generatore nel punto di massima potenza (MPPT). Ottimizza il processo di carica della batteria.

34 Impianti stand alone BATTERIE Lead-acid, nickel-cadmium, zinc-bromide, zinc-chloride, magnesium-litium, sodium-sulphur, nickel-hydrogen, redox batteries. REGOLATORI DI CARICA Limitano il livello di scarica e di sovraccarica. Quattro set-points: Regulation set point (VR), Regulation hysteresis (VRH), Low voltage disconnect (LVD), Low voltage disconnect hysteresis (LVDH).

35 Convertitori statici (inverter)

36 Inverter per applicazioni stand alone Convertitori cc/ca con le seguenti funzioni: * Devono mantenere opportuni valori di tensione e frequenza sulle linee * Devono tollerare situazioni transitorie di sovraccarico * Devono limitare il contenuto di armoniche (per evitare interferenze con le apparecchiature elettroniche) * Sono alimentati tipicamente a 12, 24 o 48 Volt, con potenze ~100W ~ kw, e innalzano la tensione ai 110 o 240 Vac per piccoli sistemi * I circuiti d ingresso hanno come riferimento la tensione delle batterie Esempi di inverter per applicazioni isolate Inverter da 1500 W di potenza d uscita

37 Inverter per applicazioni grid-connected Gli inverter grid-connected hanno la funzione di convertire l energia elettrica da cc prodotta dai moduli FV a ca ed iniettarla in rete nel modo più efficiente possibile. La rete si comporta come una batteria di capacità infinita, che prende in carico tutta l energia in uscita dall inverter, per poi rilasciarla a richiesta degli utilizzi dell utente. Si tratta di una batteria virtuale. I circuiti d ingresso hanno come riferimento il generatore fotovoltaico, non la batteria. Devono adattarsi a variazioni ampie di tensione. Necessitano di un circuito inseguitore del punto di massima potenza (MPPT) sulla curva caratteristica I/V del generatore FV. Caso generale di connessione di inverter fotovoltaici alla rete elettrica Esempio di inverter grid-connected da 120 W per modulo fotovoltaico singolo (modulo AC).

38 Applicazioni grid-connected

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