Le celle fotovoltaiche

Transcript

1 Le celle fotovoltaiche ing. Liborio Alvano La cella fotovoltaica La cella è costituita da due sottili strati di silicio di spessore compreso tra 0,2 e 0,35 mm, sovrapposti (giunzione p-n). Si presenta in genere di colore nero o blu e con dimensioni variabili dai 10 ai 12 cm Per aumentare l'efficienza della cella fotovoltaica la superficie esterna della cella viene trattata con un rivestimento antiriflesso costituito dalla deposizione di un sottile strato di ossido di titanio (TiO 2 ). La cella fotovoltaica Curva caratteristica M = massima potenza CC = corto circuito OC = circuito aperto

2 Condizioni di riferimento La potenza di picco W p di una cella è la potenza che la cella riesce ad erogare in condizioni di STC. In condizioni di radiazione minore, anche la potenza decresce. Per temperature maggiori di 25 C (STC), la potenza decresce. Condizioni di riferimento Collegamento in serie delle celle stessa corrente, maggiore tensione Collegamento in parallelo delle celle stessa tensione, maggiore corrente Dalla cella al modulo Dalla connessione elettrica serie/parallelo di più celle si ottiene un modulo. Dal numero di celle connesse e dal tipo di collegamento si ottengono i valori di I e V desiderati. I moduli in silicio mono o policristallini rappresentano la maggior parte del mercato. Sono tecnologie costruttivamente simili e prevedono che ogni cella fotovoltaica sia cablata in superficie con una griglia di materiale conduttore che ne canalizzi gli elettroni. Ogni singola cella viene connessa alle altre mediante ribbon metallici (busbar) (sono quelli evidenziati nel cerchio) che attraversando la cella formano opportune serie e paralleli elettrici. I busbar hanno il compito di portare (come dice la parola stessa bus ) la corrente che genera il nostro modulo fotovoltaico; i busbar hanno il compito di canalizzare gli elettroni generati dal modulo per il cosidetto effetto fotovoltaico.

3 Dalla cella al modulo Sopra una superficie posteriore di supporto, in genere realizzata in un materiale isolante anti-umidità come il vetro temperato o un polimero come il Tedlar (6) vengono appoggiati un sottile strato di acetato di vinile, identificato come incapsulante EVA che serve per l isolamento delle celle dall umidità e per isolamento elettrico (4). Tedlar è il nome commerciale di un film di polivinilfluoruro prodotto dalla DuPont e caratterizzato da resistenza meccanica, buone caratteristiche di barriera ai raggi UV e di resistenza all'invecchiamento atmosferico EVA = Etilen vinil acetato è una plastica copolimerica (etilene + acetato di vinile), flessibile ed elastico, usato per sigillare il tutto. Si prendono le celle, si assemblano, si poggiano tre pannelli di EVA e si pone sopra il vetro caldo; l'eva fonde ed isola il tutto dall'aria. Sopra le nostre celle assemblate (5) c è un secondo strato di EVA e un materiale trasparente che funge da protezione meccanica anteriore per le celle fotovoltaiche, in genere vetro temperato (3) a basso contenuto di ferro per garantire una maggiore trasparenza ai raggi solari. Un vetro di questo tipo lascia passare circa il 91,5% dell'irraggiamento ricevuto. Il procedimento di pressofusione trasforma l EVA in mero collante inerte (2). Il sandwich realizzato in questo modo viene inviato al laminatore, o forno, una macchina nella quale viene creato il vuoto in circa 5 minuti; a questo punto la piastra del laminatore viene riscaldata fino a 145 C per 10 minuti in modo da favorire la polimerizzazione dell'eva. Trascorso questo tempo il coperchio si apre e il laminato ora è pronto per le lavorazioni successive. Dopo la laminazione il laminato ha raggiunto le caratteristiche richieste per essere installato in quanto, se la laminazione è stata fatta correttamente, il laminato è in grado di resistere alle intemperie per almeno 25/30 anni Le celle vengono chiuse in una scatola di giunzione nella parte posteriore del modulo fotovoltaico e il sandwich ottenuto viene fissato ad una cornice in alluminio (1). Il modulo deve avere una struttura robusta resistente alle condizioni ambientali esterne. Nella parte posteriore del modulo viene applicata la scatola di giunzione che comprende la morsettiera di collegamento dei cavi e i diodi di bypass (foto sotto). Questi definiscono la massima tensione del sistema e sono finalizzati ad evitare che le celle non in conduzione (ad esempio a causa di ombreggiamenti) siano attraversati dalla corrente e vengano danneggiati per surriscaldamento. I due connettori che escono dalla scatola di giunzione hanno le due polarità (+) e (-) per essere poi collegati in serie e formare le stringhe del nostro impianto fotovoltaico. Dalla cella al generatore fotofoltaico Assemblando un certo numero di celle si ottiene il modulo, un insieme di moduli collegati in serie (+) e (-) formano il pannello, un insieme di pannelli collegati in parallelo formano una stringa e infine un insieme di stringhe formano il nostro generatore (o campo) fotovoltaico.

4 Dalla cella al generatore fotofoltaico Tipologie di celle Il silicio adoperato per le celle può essere ottenuto: mediante il taglio di un lingotto fuso di silicio da da un singolo cristallo: monocristallino da più cristalli: policristallino mediante un processo di deposizione di uno strato di silicio amorfo su un supporto plastico o su una lastra di vetro Le celle in silicio monocristallino Una cella di un modulo al silicio monocristallino è costituita da un singolo cristallo di silicio, il che garantisce una massima conducibilità dovuta al perfetto allineamento degli atomi di silicio allo stato puro ed è realizzata a partire da un wafer la cui struttura cristallina è omogenea (monocristallo), Il rendimento dei moduli al silicio monocristallino si aggira attorno al 14% 16% e le celle fotovoltaiche sono di colore blu scuro (quasi nero) a forma ottagonale. Le celle in silicio monocristallino Questo è il motivo della forma ottagonale delle celle che compongono i moduli monocristallini Le celle in silicio policristallino Per le celle in silicio policristallino, il wafer non è strutturalmente omogeneo ma organizzato in grani localmente ordinati; si ottiene riciclando componenti elettronici scartati, ossia il cosiddetto scraps di silicio il quale viene rifuso per ottenere una composizione cristallina compatta. Le celle di un modulo policristallino o multi cristallino sono costituite da un insieme di più cristalli di silicio; il rendimento di un modulo policristallino si aggira intorno all 12% 14% e le celle sono di colore blu intenso di forma quadrata come puoi vedere dalla foto qui sotto. Le celle in silicio policristallino Dopo la lavorazione e i vari tagli si ottiene la nostra cella policristallina. E assemblando le celle otteniamo il modulo policristallino:

5 Monocristallino o policristallino? Attualmente le due tecnologie si equivalgono, le celle commercializzate in silicio monocristallino e policristallino hanno un efficienza di conversione pressoché identica (12-14 % per il policristallino, % per il monocristallino). Il monocristallino viene tagliato direttamente dal lingotto di silicio, mentre il policristallino è un assemblaggio di componenti elettronici di recupero. Se vogliamo essere ulteriormente precisi, il mono converte meglio la luce diffusa, non è necessario quella diretta del sole. Al contrario il policristallino è più indicato in zone del centro-sud italia dove il sole è maggiormente presente nell'arco dell'intera giornata Le celle e i moduli in silicio amorfo Questi sono sicuramente i pannelli più economici presenti sul mercato ma che purtroppo presentano un rendimento minore rispetto alle altre soluzioni. Questo comport,a parità di energia, una maggiore superficie Il modulo si presenta esteticamente come un'unica grande superficie continua di colore scuro, come fosse una unica cella estesa per tutto il pannello. Le celle e i moduli in silicio amorfo Moduli in silicio amorfo: vantaggi Il pannello fotovoltaico in silicio amorfo è costituito da una lastra di vetro trasparente rivestita, su un lato, da uno strato sottilissimo di silicio amorfo (ridottissima quantità di materiale necessario) (spessore 1-2 µ) trattato chimicamente con altre sostanze per aumentarne la conducibilità. In questa maniera il vetro avrà un lato trasparente (rivolto verso il sole) e un lato opaco (costituito dalla lastra di silicio) su cui viene innestata la struttura di alluminio per il fissaggio del modulo al tetto. Ai lati della lastra vi sono anche due fili elettrici che trasporteranno l energia prodotta dal pannello all impianto elettrico. Basso quantitativo di silicio; Basso costo energetico: restituzione energia in pochi anni e produzione pari a volte quella di produzione; Capacità di produzione anche in condizioni nuvolose ( % di rendimento); Minore impatto estetico e maggiore possibilità di adattamento architettonico (forme non geometriche, superfici curve, ecc ): integrazione architettonica, uso in zone vincolate; Elevata resistenza meccanica a vento e neve, urti e pressioni. Moduli in silicio amorfo: svantaggi Moduli in silicio amorfo Rendimento inferiore rispetto ai mono/policristallini 6-9 % contro 12-16% per 1 kwp occorrono circa 20 mq contro 8-10 mq dei mono/poli; Perdita di potenza elevata nei primi mesi (che poi resta contenuta); Normalmente non adatti a piccoli impianti residenziali ma a grossi impianti industriali o su terreni.

6 Moduli in silicio amorfo Moduli in silicio I moduli fotovoltaici in silicio cristallino più comuni hanno dimensioni variabili da 0,5 m² a 2,0 m², con punte di 2,5 m² in esemplari per grandi impianti. Non vi è comunque particolare interesse a costruire moduli di grandi dimensioni, a causa delle grosse perdite di prestazioni che l'intero modulo subisce all'ombreggiamento (o malfunzionamento) di una sua singola cella;; La potenza più comune si aggira intorno ai 230 Wp a 32 V, raggiunti in genere impiegando 60 celle fotovoltaiche (il modulo da 60 celle in silicio policristallino è il più utilizzato in Italia e copre circa il 90% dei moduli). La superficie occupata dai modelli commerciali si aggira in genere intorno ai 7,2 m 2 /kwp, ovvero sono necessari circa 7,2 metri quadrati di superficie per ospitare pannelli per un totale nominale di Wp. I migliori moduli in commercio raggiungono un'efficienza del 19,6% e richiedono quindi una superficie di 5,147 metri quadrati per Wp. Attualmente i costi di un pannello di buona qualità si aggirano intorno a 0,78 0,82 /W