Effetti degli omreggimenti sui moduli fotovoltici Federico Brtelli, Alerto Dolr, Soni Lev, Gimpolo Mnzolini, Emnuele Ogliri, Aldo Simeone Politecnico di Milno Presso il Solr Tech L del Diprtimento di Energi del Politecnico di Milno, sono stti condotti degli esperimenti su singoli moduli fotovoltici simulndo, nelle condizioni reli di instllzione, le più comuni situzioni di omreggimento L produciilità dell energi elettric e l efficienz degli impinti fotovoltici rischino di essere sovrstimti se si trscurno prticolri fttori, quli gli omreggimenti che insistono sui moduli. Anche se può essere reltivmente semplice quntificre gli omreggimenti dei corpi di cui si conoscono i prmetri geometrici, quli l distnz, l form e le dimensioni, non è sempre possiile vlutre priori l imptto degli omreggimenti sulle prestzioni dell impinto fotovoltico, in qunto dipende nche dll posizione reltiv tr gli omreggimenti e i moduli [1-2]. Questo spetto divent prticolrmente rilevnte per sistemi fotovoltici di dimensioni medio-grndi e con significtive porzioni di cmpo fotovoltico interesste d questo fenomeno. A tl scopo è stto vvito uno studio ccurto degli effetti dell omreggitur sul modulo per quntificre con precisione l perdit effettiv dell produzione dell impinto fotovoltico stesso in funzione dell porzione di moduli omreggit, nonché per lo sviluppo di modelli per l previsione delle prestzioni si del modulo, si di un schier di essi [3-4]. Al Solr Tech L presso il Diprtimento di Energi del Politecnico di Milno sono stte effettute diverse prove in condizioni di omreggimento, così d individure le crtteristiche corrente-tensione e potenz-tensione in funzione dell tipologi di omreggimento che insiste sui moduli. Descrizione del lyout dei moduli presenti l Solr Tech L Le schiere di moduli fotovoltici che sono instllte presso il Solr Tech L hnno l disposizione riportt in figur 1. In totle sono presenti 21 moduli fotovoltici di potenz nominle pri 245 Wp, tutti dotti di tre diodi di ypss. Ciscun diodo di ypss individu un sottosezione del modulo, dispost geometricmente per l lunghezz del modulo, costituit d due file d 10 celle ciscun. 19 moduli sono stti posizionti sulle strutture di supporto con un inclinzione pri 30. I 2 moduli restnti sono stti posizionti in orizzontle (disposizione gevolt dll presenz di lcune strutture con inclinzione regolile). Per tutti le coordinte geogrfiche sono quelle del Cmpus Bovis Politecnico di Milno (ltitudine 45.502941 N, longitudine 9.156577 E) e l orientmento è verso sud. Tli moduli, di produttori diversi, sono connessi ll rete di distriuzione elettric medinte micro-inverter collegti suito vlle del modulo: ogni modulo è collegto l proprio micro-inverter che ne ottimizz le prestzioni in funzione delle condizioni di funzionmento [5]. Tutti i micro-inverter impiegti in quest prov sono relizzti dllo stesso costruttore, così d consentire un confronto omogeneo sulle prestzioni dei moduli fotovoltici. L sperimentzione effettut I rilievi delle crtteristiche elettriche corrente-tensione e potenz-tensione dei diversi moduli nelle AEIT numero 9 22
Fotovoltico diverse condizioni di omreggimento sono stti effettuti grzie dell strumentzione relizzt ppositmente per il Solr Tech L. In prticolre, i rilievi sono stti eseguiti si medinte uno strumento relizzto internmente l Politecnico di Milno, si con strumentzione fornit d un costruttore esterno (Figur 2). I test effettuti hnno rigurdto in prim istnz l cquisizione e l verific comprtiv delle crtteristiche voltmperometriche dei diversi moduli in ssenz di omreggimento, l fine di verificre l eventule presenz di nomlie e l produciilità dei moduli. In secondo luogo, si è effettut un cmpgn di cquisizione dti in diverse condizioni di omreggimento. Verific di eventuli nomlie dei moduli Utilizzndo in momenti distinti i due strumenti elencti nel prgrfo precedente, sono stte misurte le crtteristiche I-V e P-V dei moduli in condizioni mientli simili tr di loro. In prticolre, sono stte rilevte, più volte sullo stesso modulo, le curve crtteristiche corrente-tensione π Figur 1 Moduli instllti presso il Solr Tech L del Politecnico di Milno π Figur 2 Strumentzione per il rilievo delle curve crtteristiche dei moduli presenti nel Solr Tech L π Figur 3 Curve crtteristiche dei moduli policristllini riferiti 1.000 W/m 2 ; crtteristic I-V e crtteristic P-V. In rosso, l crtteristic medi 23 settemre 2012
Tell 1 - Vlori corrispondenti i punti significtivi delle crtteristiche individute precedentemente Modulo Policristllino I sc [A] V oc [V] I mpp [A] V mpp [V] 1 7,97 33,40 7,24 23,73 2 6,94 32,73 6,28 24,16 3 8,51 32,66 7,67 22,93 4 7,58 32,38 6,94 22,93 5 8,05 33,05 7,20 23,71 6 7,63 32,37 7,00 22,76 7 7,09 31,97 6,48 22,73 8 8,10 32,88 7,23 23,89 Crtteristic Medi 7,73 32,52 7,03 23,32 π Figur 4 Curve crtteristiche dei moduli monocristllini riferiti 1.000 W/m 2 ; crtteristic I-V e crtteristic P-V. In rosso, l crtteristic medi in condizione di irrggimento sul pino dei moduli medio/lto (superiore 850 W/m 2 ). Le prove effettute hnno rigurdto si i moduli in silicio policristllino, si quelli in silicio monocristllino. I dti così ottenuti sono stti elorti per ottenere l curv crtteristic medi di ciscun modulo. Le crtteristiche dei singoli moduli dell stess tipologi sono stte confrontte tr loro, riferendole llo stesso irrggimento di 1.000 W/m 2. In figur 3 sono riportte le crtteristiche I-V e P-V ottenute per i moduli l silicio monocristllino. In rosso, è evidenzit l crtteristic medi ottenut. In figur 4 sono riportte le curve ricvte con l stess procedur per i moduli in silicio monocristllino: L Tell 1 mostr sinteticmente i punti principli delle crtteristiche precedenti: I sc : corrente di corto-circuito; V oc : tensione circuito-perto; I mpp : corrente nel punto di mssim potenz; V mpp : tensione nel punto di mssim potenz. Modulo Monocristllino I sc [A] V oc [V] I mpp [A] V mpp [V] 9 8,10 33,22 7,19 24,12 10 8,29 32,62 7,42 23,24 11 8,44 32,48 7,60 22,71 12 8,35 32,44 7,51 23,08 13 8,36 32,15 7,47 22,61 14 8,21 32,48 7,16 23,57 15 8,61 32,31 7,63 22,81 16 8,64 32,70 7,65 23,46 17 7,57 32,28 6,78 23,07 18 7,90 32,56 7,04 23,55 Crtteristic Medi 8,25 32,37 7,37 23,09 Dlle crtteristiche rilevte si osserv come le crtteristiche corrente-tensione e potenztensione dei diversi moduli presenti nel lortorio ino, gli irrggimenti e temperture rilevte, lo stesso comportmento e sino crtterizzti d vlori molto simili tr loro. L omogeneità delle prestzioni è ncor più evidente per i moduli in silicio monocristllino rispetto quelli in policristllino. Verific delle crtteristiche I-V e P-V dei moduli con diverse configurzioni di omreggimento di un cell Questo gruppo di prove h rigurdto il rilievo delle crtteristiche corrente-tensione e tensione-potenz in diverse condizioni di omreggimento di un singol cell del modulo. L omreggimento przile dell cell è stto relizzto ppoggindo, conttto con l superficie ttiv del modulo, un sgom di crtone in modo d zzerre si l rdizione dirett si quell diffus incidente sull porzione di cell omreggit. Le prove sono stte effettute umentndo l porzione oscurt di un singol cell fino coprire l totlità dell superficie. Tli prove sono stt svolte per ogni modulo fotovoltico. Le configurzioni di omreggimento przile dell singol cell considerte sono descritte grficmente in figur 5. Anche in questo cso, le prove AEIT numero 9 24
Fotovoltico Figur 5 Modlità di omreggimento dell singol cell π Figur 6 Curve crtteristiche dei moduli policristllini riferiti 1.000 W/m 2 ; I-V e P-V con omreggimento przile dell cell d destr verso sinistr sono stte condotte con un irrggimento solre sul pino dei moduli superiore 850 W/m 2. L procedur seguit per il rilievo delle crtteristiche è l stess descritt nel punto precedente. Pertnto, dopo numerosi rilievi sui singoli moduli effettuti prità di irrggimento e configurzione d omreggimento, è stt clcolt l curv crtteristic medi sul pino I-V e sul pino P-V. Dlle prove effettute in corrispondenz degli omreggimenti imposti sono stte rilevte le crtteristiche riportte in figur 6 e 7 per i moduli in silicio policristllino, e nelle figure 8 e 9 per i moduli in silicio monocristllino. Dll nlisi delle crtteristiche ottenute si osserv come l corrente genert dll sottosezione del modulo interessto d omreggimento diminuisc in modo sostnzilmente proporzionle ll superficie omreggit. L mssim potenz erogile diminuisce notevolmente non ppen l omreggimento rggiunge il 50% dell cell e, oltre quest sogli, l potenz erogile dl modulo si riduce quell genert dlle due sezioni non omreggite. π Figur 7 Curve crtteristiche dei moduli policristllini riferiti 1000 W/m 2 ; I-V e P-V con omreggimento przile dell cell dl sso verso l lto 25 settemre 2012
π Figur 10 Modlità di omreggimento lungo tutt l lunghezz dei moduli π Figur 8 Curve crtteristiche dei moduli monocristllini riferiti 1.000 W/m 2 ; I-V e P-V con omreggimento przile dell cell d destr verso sinistr π Figur 11 Modlità di omreggimento orizzontle dei moduli π Figur 9 Curve crtteristiche dei moduli monocristllini riferiti 1.000 W/m 2 ; I-V e P-V con omreggimento przile dell cell dl sso verso l lto AEIT numero 9 26
Fotovoltico Inoltre, il comportmento è invrinte rispetto ll omreggimento di tipo verticle e orizzontle, nonché rispetto ll tipologi di cell fotovoltic. Le misure hnno dimostrto che questi risultti si ripetono identicmente qundo sono omreggite le celle delle ltre due sottosezioni del modulo. Verific delle crtteristiche I-V e P-V dei moduli con diverse configurzioni di omreggimento insistenti su tutto il modulo Un ulteriore gruppo di prove h rigurdto il rilievo delle crtteristiche corrente-tensione e potenz-tensione con omreggimento przile di celle multiple del modulo. L omreggimento przile del modulo, relizzto ppoggindo conttto con l superficie ttiv π Figur 12 Modlità di omreggimento oliquo dei moduli del modulo un sgom di crtone, h rigurdto:. omreggimento verticle lungo tutt l lunghezz del modulo, crescente dl 25% l 100% dell lrghezz di un cell e successivmente due file di celle, secondo qunto indicto in figur 10;. omreggimento orizzontle lungo tutt l lrghezz del modulo crescente dl sso verso l lto dell prim cell, secondo le modlità indicte in figur 11; c. omreggimento oliquo con ngolo di 46 crescente dllo spigolo in sso destr verso in lto sinistr del modulo, secondo qunto indicto in figur 12. Anche in questi csi le prove sono stte condotte con un irrggimento solre sul pino dei moduli superiore 850 W/m 2. Le figure 13, 14 e 15 mostrno le crtteristiche I-V e P-V rilevte per i moduli in silicio policristllino nelle tre diverse condizioni di omreggimento sopr elencte. Anlogmente, le figure 16, 17 e 18 mostrno le crtteristiche I-V e P-V rilevte per i moduli in silicio monocristllino nelle tre diverse condizioni di omreggimento sopr elencte. Per qunto rigurd l omreggimento verticle (cso A), si ritrovno gli stessi risultti già visti reltivmente ll omreggimento dell singol cell. Essendo inftti le celle in serie, null cmi se l omreggimento interess un cell o l inter fil d dieci celle in serie. Anlogmente non vi è differenz tr l omreggimento totle di un fil di celle o le due file che compongono un sottosezione del modulo. π Figur 13 Curve crtteristiche dei moduli policristllini I-V e P-V con omreggimento verticle d destr verso sinistr 27 settemre 2012
Figur 14 Curve crtteristiche dei moduli policristllini; I-V e P-V con omreggimento orizzontle dl sso verso l lto π Figur 15 Curve crtteristiche dei moduli policristllini; I-V e P-V con omreggimento oliquo π Figur 16 Curve crtteristiche dei moduli monocristllini; I-V e P-V con omreggimento verticle d destr verso sinistr Figur 17 Curve crtteristiche dei moduli monocristllini; I-V e P-V con omreggimento orizzontle dl sso verso l lto AEIT numero 9 28
Fotovoltico Nel cso di omreggimento orizzontle del modulo (cso B), quindi qundo tutte e tre le sottosezioni del modulo sono interesste d omreggimento, l corrente prodott dl modulo diminuisce drsticmente fino d zzerrsi qundo l omreggimento rigurd un inter fil orizzontle di celle. Per qunto rigurd invece il cso di omreggimento oliquo (cso C) crescente, nche in questo cso si osserv un diminuzione dell corrente proporzionle ll umento dell prte di cell/e omreggit/e. In prticolre, qundo solo un cell è interesst d omreggimento oliquo per il suo 50% (step 1), il modulo si comport sostnzilmente come nel cso di cell copert per il 50% in orizzontle o verticle. Nel cso invece dello step 2, in cui un cell è copert completmente e due per il loro 50%, l corrente genert dll sottosezione del modulo interessto d omreggimento si nnull. Questo ndmento si ritrov con riferimento ll second e terz sottosezione del modulo nei csi di omreggimento di cui gli step 3, 4 e 5. Anche in questo cso, non vi è differenz tr il comportmento di moduli mono o policristllini. Conclusioni Le diverse prove effettute hnno consentito di verificre il comportmento in termini di crtteristiche corrente-tensione e potenz-tensione dei moduli fotovoltici mono e policristllini in presenz di omreggimento przile di differenti tipologie. In prticolre, non si è registrt un differenz di comportmento tr le due tipologie di moduli. Prticolrmente importnte e invece il ruolo dei diodi di ypss presenti nei moduli, che consente di sezionre in più prti il modulo stesso e contenere l effetto dell riduzione di produciilità in presenz di omreggimento przile. L nlisi espost è preliminre ll mess punto di modelli che consentno di vlutre le perdite di produzione legte ll omreggimento in impinti fotovoltici. B I B L I O G R A F I A [1] Build it solr, Some More PV Shding Tests, (Riportto: 12 Aprile 2011): www.uilditsolr.com/experimentl/pvshding/pvshding.htm [2] F. Degli Uerti, R. Frnd, S. Lev, E. Ogliri: Performnce rtio di un impinto fotovoltico, AEIT, n.1-2, gennio/ferio 2011, pp. 6-13. [3] A. Yzdni, A. R. Di Fzio, H. Ghoddmi, M. Russo, M. Kzerni, J. Jtskevich, K. Strunz, S. Lev, nd A. Mrtinez: Modeling Guidelines nd Benchmrk for Power System Simultion Studies of Three-Phse Single-Stge Photovoltic Systems, IEEE Trnsctions on Power Delivery, vol. 26, n. 2, 2011, pp. 1247-1264. [4] E. Kplni: Design nd performnce considertions in stnd-lone PV powered Telecommuniction Systems, IEEE Ltin Americ Trnsctions, vol. 10, n. 3, prile 2012, pp. 1723-1729. [5] H. Zheng, S. Li, J. Prono: PV Energy Extrction Chrcteristic Study under Shding Conditions for Different Converter Configurtions, Proc. IEEE PES Generl Meeting, Sn Diego, CA, USA, 2012. π Figur 18 Curve crtteristiche dei moduli monocristllini I-V e P-V con omreggimento oliquo 29 settemre 2012