Impianti Fotovoltaici

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1 Impianti Fotovoltaici Gianluca Gatto Università degli Studi di Cagliari Dipartimento di ingegneria Elettrica ed Elettronica 1

2 INDICE Impiego dell energia solare Effetto fotovoltaico Tipologie Impianti Problematiche di Mismatch Scelta dell inverter 2

3 Fotovoltaico e sistemi di generazione distribuita Obiettivo dell Unione Europea per la diffusione delle energie solari: installazione entro il milioni di metri quadrati di collettori solari; 3000 MW di impianti solari fotovoltaici; Programmi di incentivazione delle energie rinnovabili Conto energia remunerazione diretta del kwh solare (decreto del 19 febbraio 2007) delibere n dell Autorità Energia Elettrica e Gas 3

4 Conto Energia Il beneficio economico è costituito da due voci: ricavo derivante dalla remunerazione di tutti i kwh prodotti dall impianto fotovoltaico (quota del Conto Energia) utilizzo dei kwh fotovoltaici prodotti Energia consumata localmente Autoconsumo l utilizzo delle eccedenze secondo net-metering vendita della stessa energia a tariffe prefissate. 4

5 Come si può impiegare l energia del Sole? Termodinamico Fotovoltaico Solare Termico 5

6 Impianto Fotovoltaico Captazione e conversione in energia elettrica Dispositivo di Regolazione e controllo Dispositivo di distribuzione in rete Dispositivo di inseguimento Accumulo in batteria o equivalente 6

7 Classificazione dei sistemi fotovoltaici In funzione della tipologia della strutture di sostegno dei moduli. 1. Sistemi ad inclinazione fissa ; 2. Sistemi ad inseguimento attivi 3. Sistemi ad inseguimento passivi 7

8 Sistemi ad inclinazione fissa 8

9 Sistemi ad inseguimento attivi monoassiali biassiali 9

10 Sistemi ad inseguimento caratteristiche Condizione ideale 1)Controllo basato sulla lettura dei sensori di radiazione. 2)Controllo del sistema di tipo predittivo (posizione astronomica) 3)Sistema misto Totale ombreggiamento Parziale ombreggiamento Situazione comune 10

11 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. 11

12 Classificazione dei sistemi fotovoltaici Dal punto di vista elettrico CONNESSI IN RETE IMPIANTI FOTOVOLTAICI ISOLATI 12

13 Impianti grid connected RETE CAMPO FOTOVOLTAICO INVERTER QUADRO ELETTRICO DI INTERFACCIA UTENZA 13

14 Impianti Stand Alone CAMPO FOTOVOLTAICO INVERTER POMPA REGOLATORE DI CARICA INVERTER CARICO IN C.A. BATTERIA CARICO IN C.C. 14

15 Impianti Stand Alone Ibridi CAMPO FOTOVOLTAICO GENERATORE EOLICO DIESEL REGOLATORE DI CARICA INVERTER CARICO IN C.A. BATTERIA CARICO IN C.C. 15

16 Campo Fotovoltaico 16

17 Moduli fotovoltaici SILICIO MONOCRISTALLINO elevata purezza rendimento più elevato (η=13-15 %) costo maggiore SILICIO POLICRISTALLINO minor rendimento (η=9-13 %) costo minore FILM SOTTILE minor rendimento (η=7-10 %) costo minore Garanzia prestazioni anni Lunga durata (> 100 anni) Certificazioni (CE, TÜV, ecc) 17

18 Moduli fotovoltaici 18

19 Effetto fotovoltaico Produzione diretta di corrente elettrica attraverso illuminazione, con luce solare, di opportuni materiali semiconduttori. 19

20 Caratteristica I-V della Cella Fotovoltaica I La cella FV si comporta da semplice diodo in zona attiva Cella esposta alla radiazione solare Cella non esposta alla radiazione solare Quadrante dove la cella passa in conduzione inversa I p La cella si comporta da fotogeneratore Vp MPPT V 20

21 Caratteristica I-V della Cella Fotovoltaica La caratteristica elettrica della cella risulta essere analoga a quella di un diodo traslata verticalmente del valore della corrente fotogenerata, avendo considerato i valori positivi della tensione e della corrente secondo la convenzione dei generatori. Circuito equivalente Il punto di lavoro al quale è associata la massima potenza estraibile dalla cella è detto MPP (Maximum Power Point) ed è dato da: Il MPP rappresenta la condizione di adattamento d impedenza tra cella fotovoltaica e carico elettrico alimentato 21

22 Caratteristica I-V funzione della Temp. Una variazione di temperatura determina una traslazione orizzontale della caratteristica, con una variazione di tensione di segno opposto (coefficiente di temperatura negativo) Caratteristiche I-V funzione della radiazione incidente Una variazione della radiazione incidente determina una traslazione verticale della caratteristica a cui corrisponde una variazione di segno concorde della corrente (la ISC è direttamente proporzionale alla radiazione incidente) 22

23 Mismatch delle celle fotovoltaiche + Per ottenere determinati valori di tensione e di corrente i moduli e le stringhe del campo fotovoltaico devono essere opportunamente connesse (serie e parallelo). Causa disomogeneità delle caratteristiche elettriche delle celle. - Problema di mismatch in una serie di moduli la corrente è limitata dal modulo che eroga la corrente più bassa; in un parallelo la tensione è limitata dal modulo che eroga la tensione più bassa) 23

24 Mismatch delle celle fotovoltaiche La disomogeneità delle comportamento elettrico delle celle è causato dal processo di produzione industriale, Dalle differenti condizioni operative (temperatura e irraggiamento) Il punto di lavoro assunto in corrispondenza della corrente di funzionamento della serie è tale per cui la cella interessata da un minore irraggiamento è soggetta all inversione della tensione ai suoi capi e viene vista come un carico dalle restanti celle della serie (discorso duale per la tensione relativamente alla connessione parallelo) Dissipazione di parte della potenza generata sulla stessa cella (effetto hot spot) 24

25 Valutazione delle perdite per mismatch L energy efficiency è un parametro rappresentativo delle perdite per mismatch η energy = E tot i E i l energia prodotta complessivamente dall impianto ftv l energia prodotta complessivamente considerando ogni generatore ftv indipendentemente 25

26 Come si possono ridurre l effetto del mismatch? Selezionare i moduli Evitare la connessione parallelo di stringhe con differenti esposizioni Evitare surriscaldamenti dei moduli Passare da configurazione central converter e string converter. Differenti inverter Inverter con differenti MPPT 26

27 Come si possono ridurre l effetto del mismatch? Selezionare i moduli Evitare la connessione parallelo di stringhe con differenti esposizioni Evitare surriscaldamenti dei moduli Passare da configurazione central converter e string converter. Differenti inverter Inverter con differenti MPPT 27

28 Risultato ottenuto con l analisi descritta Confronto tra la configurazione Central e String Inverter Incremento di efficienza 4,3% per una giornata limpida e soleggiata; 5,9% per una giornata nuvolosa. Energy efficiency in % 28

29 Confronto economico tra le configurazioni: inverter centrale e ad inverter di stringa Confronto tra la configurazione Central e String Inverter Impianto fotovoltaico trifase considerato: Potenza nominale: 30 kwp; 12 stringhe di 12 moduli Efficienza complessiva del sistema fotovoltaico: 14% Configurazione a inverter centrale Configurazione a inverter di stringa Caratteristiche moduli: Pn: 210 Wp Efficienza: 17% (efficienza di cella: 19%) inverter trifase 12 inverter monofase in connessione tri-monofase Configurazione Central Inverter Configurazione String Inverter Costo impianto euro euro Produzione annua dell'impianto kwh/anno kwh/anno Ricavo annuale da Conto energia euro/anno euro/anno Risparmio autoconsumo annuo euro/anno euro/anno Ammortamento impianto 7,91 anni 7,96 anni Ammortamento impianto con detraz. Irpef 7,49 anni 7,52 anni Guadagno successivo al tempo di ammortamento euro euro 29

30 Conclusioni Vantaggi della configurazione a inverter di stringa Incremento della produzione di energia e dell efficienza energetica dell impianto Maggior redditività dell impianto Minori ricadute economiche nel caso di guasti o malfunzionamenti dell inverter Svantaggi Maggior costo di installazione dell impianto Tendenza all utilizzo della configurazione ad inverter di stringa! 30

31 Classificazione Inverter Per impianti grid connected si sincronizza sulla tensione di rete non opera se sconnesso dalla rete non gestisce alcun sistema di accumulo Per impianti stand alone ha un riferimento di frequenza interno gestisce sistema di accumulo solitamente (accumulatori al piombo acido) 31

32 Tecnologie degli Inverter Tecnologia - 50 Hz Vantaggi: alta affidabilità, sicurezza dell isolamento galvanico Svantaggi: basso grado di efficienza, peso e dimensioni elevate 32

33 Tecnologie degli Inverter In ingresso stadio di conversione tipo fly buck in alta frequenza Inverter tipo PWM in uscita Vantaggi: dimensioni e peso, separazione galvanica - sicurezza Svantaggi: maggior numero di componenti 33

34 Inverter senza trasformatore Tecnologie degli Inverter Vantaggi: Dimensioni e peso ridotti Buona efficienza di conversione Svantaggi Assenza di isolamento galvanico richiede precauzioni addizionali 34

35 GRAZIE PER L ATTENZIONE per qualsiasi informazione! Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica Università degli Studi di Cagliari Piazza d Armi Cagliari Tel. 070/ gatto@diee.unica.it 35