Guida ai sistemi fotovoltaici a concentrazione Pubblicato il: 20/12/2011 Aggiornato al: 20/12/2011 di Donatella Mormandi 1 Introduzione Il fotovoltaico a concentrazione, o CPV (Concentration Photo-Voltaic), sta guadagnando sempre più spazio nel comparto dell energia solare e vi sono forti potenzialità di sviluppo. Il principio di funzionamento è di per sé abbastanza semplice e nasce dalle problematiche connesse al costo del silicio, componente base di un impianto fotovoltaico di tipo tradizionale. In un impianto a concentrazione i raggi solari vengono concentrati mediante specchi o lenti su celle fotovoltaiche di grande efficienza, in maniera tale da ridurre la quantità delle stesse, in misura proporzionale al fattore di concentrazione, e sostituirlo con materiale meno costoso (come ad esempio il vetro utilizzato per costruire le lenti). L utilizzo della concentrazione solare si è dimostrato particolarmente interessante in zone a elevata radiazione solare, quali ad esempio le zone meridionali di Spagna e Italia, che presentano una alta produzione, grazie ai sistemi di inseguimento, durante tutto l arco della giornata. Questi impianti hanno efficienze del 30-35% contro i 15-18% del fotovoltaico tradizionale e il costo del chilowattora da fotovoltaico a concentrazione si prevede calerà dagli attuali 0,26 $/kwh attuali fino a 0,08 nel 2015. Questa Guida si pone come obiettivo di essere una semplice introduzione a tali sistemi, senza alcuna pretesa di esaustività. 1
2 Il rapporto di concentrazione e le caratteristiche della radiazione solare Il principio di concentrazione nei pannelli solari consente di produrre la stessa quantità di energia utilizzando una superficie inferiore di celle fotovoltaiche. In pratica una superficie (chiamiamola per comodità A) colpita dalla radiazione solare può convogliare le radiazioni verso una superficie più piccola (denominata a) tramite un dispositivo (L) costituito solitamente da una lente o da uno specchio. L'energia elettrica ricavabile dalla cella fotovoltaica (a) è equivalente a quella della superficie più grande (A) perché le radiazioni vi giungono concentrate. Il rapporto di concentrazione A/a viene indicato in numero di 'soli' (indicati con X). Generalmente, quando il rapporto di concentrazione supera i 300X si parla di alta concentrazione. Questo principio permette di ridurre la quantità delle celle solari e pertanto il costo del pannello solare. Per comprendere il motivo per cui si stanno studiando con particolare attenzione i sistemi a concentrazione dobbiamo partire dal concetto di radiazione solare. I sistemi fotovoltaici, in generale, consentono la trasformazione diretta della luce solare in energia elettrica senza necessità di meccanismi in movimento sfruttando il cosiddetto effetto fotovoltaico, basato sulle proprietà di alcuni materiali semiconduttori, quali il silicio, che sono in grado di generare elettricità quando sono colpiti da radiazione solare, che può essere diretta, diffusa o riflessa. Inoltre assume molta importanza l angolo di inclinazione della radiazione stessa rispetto alla superficie terrestre, poiché all aumentare dell inclinazione della superficie di captazione diminuisce la componente diffusa e aumenta quella riflessa. Oltre alle caratteristiche della radiazione solare il rendimento delle celle fotovoltaiche è fortemente influenzato dall estensione dello spettro solare. Infatti l effetto fotovoltaico si realizza quando un elettrone presente nella banda di valenza di un materiale (generalmente semiconduttore, quale il silicio) passa alla banda di conduzione a causa dell assorbimento di un fotone sufficientemente energetico incidente sul materiale. 2
Fig. 1: Spettro solare (Fonte: www.acquagarden.it) Il silicio è sensibile al colore blu, al verde e al giallo e poco al rosso, mentre è completamente insensibile all infrarosso, il che significa che circa la metà dell energia associata allo spettro di radiazione solare non viene convertita in energia elettrica. Proprio per questo motivo la ricerca nel settore fotovoltaico si sta spingendo verso soluzioni atte a massimizzare la raccolta della radiazione solare incidente, sviluppando celle fotovoltaiche sensibili alla componente diffusa e alle diverse componenti dello spettro solare, studiando sistemi di concentrazione (che permettono soprattutto di sfruttare la componente riflessa) e ottimizzando i sistemi a inseguimento solare, in grado di orientare i pannelli in maniera da massimizzare la superficie di captazione della radiazione solare. 3
3 Classificazione e principali tecnologie Un sistema fotovoltaico a concentrazione è composto fondamentalmente di tre parti: 1) il ricevitore; 2) l ottica di focalizzazione; 3) l inseguitore solare. Esaminiamoli singolarmente. Il ricevitore consente di catturare la radiazione solare per trasformarla in energia elettrica, e comprende sia la cella fotovoltaica sia il sistema di dissipazione del calore. L ottica di focalizzazione permette di concentrare la luce solare sul ricevitore e può essere costituita da lenti o specchi. Infine l inseguitore solare (a singolo o doppio asse) consente un miglior puntamento del sole in ogni istante. Esistono svariate tipologie di sistemi a concentrazione, in funzione della diversa tecnica di focalizzazione della luce solare e del tipo di ricevitore che si utilizza. La classificazione quindi viene fatta in base a diversi parametri: livello di concentrazione (basso,medio, alto) ottica (rifrattiva, riflessiva) sistema (point-focus, line focus, dense array, ecc.) tipo di cella fotovoltaica (in silicio cristallino o a multigiunzione) raffreddamento (attivo o passivo) inseguimento (a singolo o a doppio asse). E chiaro, quindi, che i sistemi fotovoltaici a concentrazione presenti sul mercato o in fase di sviluppo possano essere molto differenti tra loro, sia dal punto di vista costruttivo che da quello delle prestazioni energetiche. Per quanto concerne l ottica assume particolare importanza il fatto che il sistema ottico abbinato a un sistema fotovoltaico a concentrazione garantisca soprattutto un ottimo puntamento della radiazione solare sulla cella fotovoltaica, che di solito ha dimensioni molto ridotte. 4
A tale riguardo i sistemi ottici utilizzati per concentrare la radiazione solare possono essere suddivisi in due gruppi: ottiche di tipo rifrattivo (lenti prismatiche, lenti di Fresnel, filtri dicroici, ecc.), in cui la luce solare viene deviata e indirizzata sul ricevitore attraversando un mezzo diverso dall aria (vetro, materiale plastico, ecc.) e può essere scomposta anche nelle sue componenti spettrali ottiche di tipo riflessivo (specchi), in cui la luce solare viene deviata dalla sua direzione di incidenza e riflessa verso il sistema ricevitore senza essere scomposta nelle diverse componenti spettrali. Partendo da queste distinzioni del sistema ottico, in base alla tipologia del sistema, abbiamo sei tipologie di sistemi: Point-Focus Line-Focus Dense Arrays Micro Reflective Dishes Specchi parabolici con filtri dicroici V-trough Concentrators. Esaminiamoli di seguito singolarmente. Fig. 2: Sistema CPV Point Focus (Fonte: http://blog.crit-research.it) Nei sistemi CPV point-focus l ottica di focalizzazione è costituita da lenti di Fresnel, generalmente realizzate in materiale acrilico, con coefficiente di trasmissione tra l 80% e il 95% in ampio intervallo spettrale (400-1100 nm), in cui la radiazione solare viene concentrata in celle ben separate una dall altra con dimensione molto ridotta (area di qualche mm 2 ). In questo tipo di sistemi spesso si usa inserire sotto la lente principale un sistema ottico secondario per ridurre la precisione di puntamento, che consiste in genere in piccoli coni la cui superficie interna è riflettente. 5
I sistemi CPV line-focus utilizzano anch essi lenti di Fresnel, ma di forma curva, che concentrano la radiazione solare su una linea e non su un singolo punto. Essi possono fare uso di lenti senza immagine (che cioè non riproducono l immagine della sorgente in un unico punto focale), con maggiori angoli di accettazione rispetto ai sistemi point-focus, il che consente di utilizzare anche inseguitori solari a singolo asse. Fig. 3: Sistema CPV Line (Fonte: http://blog.crit-research.it) Nei sistemi CPV dense-array, la luce viene concentrata tramite specchi parabolici e a differenza dei sistemi illustrati in precedenza, le celle solari presentano una superficie abbastanza estesa (dell ordine di qualche cm 2 ) e sono disposte una vicina all altra. Questi sistemi consentono di raggiungere concentrazioni molto elevate, ma per il loro corretto funzionamento è necessaria un elevata precisione nella lavorazione degli specchi e la predisposizione di un sistema di raffreddamento di tipo attivo, il che rende più complesso il sistema. Fig. 4: Sistema CPV Dense Array (Fonte: http://solarsystems.com.au) Per diminuire i problemi termici che caratterizzano i dense arrays sono stati sviluppati i sistemi a micro dish (micro specchi) che permettono fattori di concentrazione minori dei primi, ma non richiedono sistemi di raffreddamento di tipo attivo. 6
Essendo gli specchi di piccola dimensione, è anche minore il rischio di determinare errori di forma ed è più facile anche il puntamento del sole. Ovviamente, tali sistemi presentano una maggiore complessità di realizzazione. Fig. 5: Sistema CPV Micro Disch (Fonte: http://blog.crit-research.it) Per cercare di ottimizzare la raccolta della luce solare e diminuire i problemi legati alla dissipazione del calore, sono stati progettati sistemi a concentrazione che utilizzano i filtri dicroici. Tali filtri permettono, ad esempio, di suddividere la luce solare in due principali regioni spettrali (una nell infrarosso e una nella regione che va dal visibile all ultravioletto). Quando questi filtri vengono abbinati a degli specchi parabolici, è possibile inviare le diverse regioni spettrali su gruppi di dispositivi diversi, ognuno capace di raccogliere in modo ottimale lo spettro incidente. Questi sistemi sono stati sviluppati di recente e sono ancora tra una fase di studio e ottimizzazione. A conclusione di questa sintetica e certamente non esaustiva descrizione delle tipologie dei sistemi a concentrazione esistenti, si considerano i sistemi v-trough, che utilizzano dei semplici specchi ai bordi di pannelli di tipo standard. Il nome deriva dalla configurazione geometrica degli specchi, il cui prolungamento forma, il profilo appunto di una v. In questo caso la realizzazione del sistema a concentrazione è molto semplificata, ma la concentrazione è bassa. 7
Non è possibile stabilire, in base alle informazioni attuali, quale sia il sistema a concentrazione migliore, perché mancano ancora delle sperimentazioni di lunga durata sulle quali basarsi per esprimere un giudizio ponderato. Nella tabella seguente sono elencate le principali caratteristiche riguardanti ottica, ricevimento, raffreddamento e inseguimento per ciascun tipo di sistema. TAB. 1 Classificazione Sistemi CPV (Fonte: http://blog.crit-research.it) Nel futuro potrà essere vincente il sistema a concentrazione che permetterà di essere realizzato con metodologie industriali a basso costo, quindi, mediante una tecnologia facilmente riproducibile e che si dimostrerà affidabile quanto i sistemi fotovoltaici piani oggi disponibili sul mercato. 8
4 Le celle solari utilizzate in un sistema fotovoltaico a concentrazione In un impianto a concentrazione si utilizzano celle fotovoltaiche con diversi spettri di assorbimento per aumentare la concentrazione solare. Tali celle possono essere disposte in parallelo (sistemi a concentrazione dicroici), oppure in serie (sistemi che utilizzano celle a multigiunzione). Molto interessante appare l utilizzo delle celle a multi giunzione; queste sono basate sui composti del terzo e del quinto gruppo della tavola periodica, e si ottengono depositando in sequenza strati di semiconduttori di diversa composizione e spessore, con una tecnica denominata MOCVD (Metalorganic Chemical Vapour Deposition). Le tre giunzioni, che convertono rispettivamente le diverse parti dello spettro solare, sono: giunzione superiore in InGaP, che assorbe e converte la radiazione blu giunzione intermedia in InGaAs, che converte in particolare la parte visibile la terza giunzione inferiore in Ge, che converte la radiazione infrarossa. Fig. 6: Struttura di una cella solare a multi giunzione (Fonte: http://blog.critresearch.it) Le celle dicroiche, invece, utilizzano dispositivi al GaSb o al Silicio per raccogliere la componente infrarossa dello spettro solare, e celle all InGaP o a multi giunzione InGaP/GaAs per raccogliere la componente visibile ed ultravioletta. 9
I sistemi a concentrazione che utilizzano queste celle devono necessariamente disporre di un sistema ottico dotato di filtri dicroici, i quali permettono di suddividere la luce solare nelle principali regioni spettrali e poi di indirizzarla sulle celle attraverso opportuni specchi parabolici. L impiego di una cella solare a multigiunzione o di un complesso sistema dicroico in un sistema fotovoltaico, è abbastanza oneroso, anche perché richiede una certa complessità a livello costruttivo (in particolare per quanto riguarda ottica e movimentazione), ma permette di raggiungere valori di efficienza vicini al 40% (con le celle a multigiunzione). Utilizzare questi dispositivi diventa conveniente nel caso in cui vi sia una sufficiente concentrazione solare, perché si può dimostrare che l efficienza η delle celle solari aumenta al crescere del fattore di concentrazione. In un sistema a concentrazione tecnologicamente avanzato, tuttavia, la riduzione dell area richiesta per il ricevitore rende vantaggioso anche dal punto di vista economico l utilizzo di queste celle particolarmente efficienti, i cui costi sarebbero proibitivi nel caso di sistemi fotovoltaici tradizionali. 10
5 Fotovoltaico a concentrazione e Conto Energia Il Titolo IV del DM 05/05/2011 (Quarto Conto Energia) descrive le modalità di incentivazione degli impianti fotovoltaici a concentrazione. Possono beneficiare delle tariffe incentivanti previste dal suddetto Decreto gli impianti fotovoltaici a concentrazione i cui soggetti responsabili siano le persone giuridiche e i soggetti pubblici (sono, quindi, esplicitamente escluse le persone fisiche e i condomini). Possono, inoltre, beneficiare degli incentivi previsti dal Decreto solo gli impianti fotovoltaici a concentrazione entrati in esercizio a partire dal 1 giugno 2011 che hanno una potenza non inferiore a 1 kw e non superiore a 5 MW. L energia elettrica prodotta dagli impianti che entrano in esercizio entro il 31/12/2011 ha diritto alla tariffa incentivante indicata nella Tab. 2, mentre la Tab. 3 mostra le tariffe del 2012: Intervallo di potenza Tariffa corrispondente [ kw] [ /kw] Primo Semestre 2012 Secondo Semestre 2012 1 P 200 0,359 200 < P 1000 0,310 P > 1000 0,272 Intervallo di potenza Tariffa corrispondente Tariffa corrispondente [kw] [ /kwh] [ /kwh] 1 P 200 200 < P 1000 P > 1000 0,352 0,34 0,304 0,29 0,266,261 Tab. 2: Tariffe per gli impianti fotovoltaici a concentrazione che entrano in esercizio dal 1 Giugno 2011 al 31 Dicembre 2011 (Fonte : GSE) Tab. 3: Tariffe per gli impianti fotovoltaici a concentrazione per il primo ed il secondo semestre 2012 (Fonte: GSE) A decorrere dal primo semestre 2013 le tariffe assumono valore onnicomprensivo sull energia immessa nel sistema elettrico, mentre sulla quota di energia auto consumata è attribuita una tariffa specifica. Per richiedere le tariffe incentivanti, il Soggetto Responsabile deve presentare domanda tramite il portale www.gse.it. 11