IMPIANTI FOTOVOLTAICI Fabrizio Bellina Università di Udine Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Gestionale e Meccanica via delle Scienze 208, 33100 Udine mailto:fabrizio.bellina@uniud.it 1
1 L emissione solare 2
1.1 Il corpo nero Emissione monocromatica del corpo nero (legge del corpo nero): e(λ, T ) = C 1 ( ) Wm 2 µm λ 5 e C 2 λt 1 Posizione del massimo (legge di Wien): λ p T = 2898 µmk Irraggiamento (legge di Stefan-Boltzmann): I(T ) = σt 4 Wm 2 3
1.2 Il sole Fuori atmosfera I 0 = I(0): costante solare 1353 W/m 2. Al suolo: attenuazione dovuta all aria sovrastante (AM=1, AM=1,5... ) Figura 1: Spettro di emissione monocromatica AM=0 e AM=1,5. UV: 200-380 nm, IR: 780-2600 nm. 4
1.2.1 Assorbimento dovuto all aria L aria, il vapore, le polveri e gli altri inquinanti assorbono parte della potenza solare incidente; il coefficiente di assorbimento monocromatico ha dei minimi molto pronunciati in corrispondenza di righe di assorbimento; l assorbimento dipende dalla lunghezza del percorso in atmosfera: AM (ϱ sin ϑ) 2 + 2ϱ + 1 ϱ sin ϑ, dove: ϱ = R terra /Y atm 708 e ϑ: altezza azimutale del sole. I(AM) = 1, 1 I 0 0, 7 (AM 0,678 ) 5
1.3 Insolazione Totale quantità di energia ricevuta al suolo. In Italia (AM=1,5): in un anno: 1100-1850 kwh/m 2 in un giorno: 3-5 kwh/m 2 Figura 2: Insolazione in Italia 6
Tabella 1: Potenza incidente e composizione per varie condizioni meteorologiche. Tempo Irraggiamento (W/m 2 ) Radiazione diffusa % Sereno, cielo blu 600 : 1000 10:20 Fosco, velato 200 : 400 20:80 Molto nuvoloso 50 : 150 80:100 7
2 La cella fotovoltaica 8
2.1 Effetto fotoelettrico Natura corpuscolare della luce: ε = hν = hc/λ; se ε > ε g si riesce a strappare l elettrone dall orbitale elettrone in banda di conduzione + lacuna; la differenza di energia ε ε g viene dissipata come calore; ε > ε g λ < λ max : per Si λ max = 1, 12 µm; la ricombinazione elettroni-lacune genera calore; dove h = 6, 62 10 34 Js: costante di Planck, ε g banda proibita ( 1,1 ev per silicio). L effetto fotoelettrico è sfruttato nelle celle fotovoltaiche e nei fotoresistori. 9
2.2 La giunzione p-n e la cella fotovoltaica Zona p Zona n - - - - - ρ c Zona n + - Ε c I + - V V 0 Zona p + + + + + Figura 3: Giunzione p-n in assenza ed in presenza di radiazione incidente. 10
Per permettere ai fotoni di raggiungere tutto il semiconduttore, lo spessore totale della cella Si deve essere inferiore a 300 µm; lo spessore della parte n non deve superare 0,5 µm; la densità di corrente teorica ottenibile nel Si vale: J = eφ = 432 A/m 2 la potenza elettrica specifica teorica ottenibile nel Si vale: P J ε g 475 W/m 2 dove e = 1, 6 10 19 C è la carica dell elettrone, φ = 2, 7 10 21 m 2 s 1 è il flusso di fotoni aventi ε > ε g = 1, 1 ev I rendimenti reali sono molto inferiori! 11
2.3 Circuito equivalente a(p) R s I + + I f U d I d U - c(n) - Figura 4: Circuito equivalente di una cella fotovoltaica ) ( ) I = I f I d = I f I 0 (e eud/kt 1 = I f I 0 e e(u+rsi)/kt 1 12
2.4 Adattamento del carico Figura 5: Caratteristica statica tipica di un modulo fotovoltaico: in grassetto I(U), in sottile la potenza utile P (U) = UI Per estrarre la massima potenza si deve cercare di lavorare nel punto in cui il prodotto P (U) = U I è massimo; L impianto è dotato del dispositivo MPPT (maximum power point tracker) che agisce sull invertitore CC/CA a valle, in modo da impostare la tensione U ottimale. 13
Il punto di lavoro dipende dall intensità della radiazione viene continuamente cercato; la corrente di cortocircuito e la tensione a vuoto del modulo sono molto vicine ai valori di funzionamento normale: difficoltà a rivelare eventuali guasti di cortocircuito, per disattivare un modulo si deve oscurare completamente la sua superficie captante. 14
2.5 Perdite nelle celle Per sfruttamento non ottimale dello spettro della radiazione incidente; per effetti resistivi nel semiconduttore e nei collegamenti; per riflessione della radiazione (i.r. Si > 35%); per parziale oscuramento della superficie dovuto ai collegamenti; per ricombinazione delle coppie elettroni-lacune; per corrente diretta nel diodo. Rendimento in condizioni standard: η cell = U MMP I MMP G T SC A Cell, dove G T SC =1 kw/m 2 a t=25, AM=1,5 e A Cell è l area nominale della cella. Per celle al silicio η = 12 17%. 15
2.6 Tipi di celle fotovoltaiche al silicio monocristallino: dagli scarti dell elettronica, più costoso, rendimenti più elevati; policristallino: solo per pannelli solari, rendimenti minori; a film sottile di silicio amorfo: economico, flessibile, rendimenti più bassi, minore durata. Figura 6: Celle fotovoltaiche al silicio. Da sinistra: monocristallino, policristallino, amorfo. 16
3 Collegamenti tra le celle le singole celle producono tensioni e correnti troppo basse (0,5 V e 3 A circa) per essere collegate direttamente all impianto o al carico. Il collegamento elettrico in serie fra le celle realizza il modulo fotovoltaico; un insieme di moduli in serie assemblati in una struttura comune costituisce un pannello fotovoltaico; il collegamento in serie di pannelli forma una stringa; il collegamento in parallelo di più stringhe realizza un campo. La stringa è caratterizzata dalla tensione nominale 17
Figura 7: Moduli fotovoltaici in silicio. Da sinistra: monocristallino, policristallino, amorfo. 18
3.1 Protezione statica delle celle Ogni cella non deve avere corrente diretta (ac), altrimenti diventa un carico per l impianto; la corrente inversa non può superare quella generata per effetto fotovoltaico, altrimenti la cella diventa polarizzata inversamente. La protezione delle celle mediante dispositivi statici avviene mediante: diodo di blocco, diodo di libera circolazione. 19
3.1.1 Diodo di blocco D b1 D b2 + Collegato in serie alla stringa; impedisce il passaggio della corrente diretta nel pannello; P 1 P 2 - agisce ad es. quando uno dei pannelli eroga tensione minore; Figura 8: pannelli. Diodi di blocco in serie ai deve avere la minima tensione diretta possibile (diodi Schottky). 20
3.1.2 Diodo di libera circolazione Collegato in parallelo al pannello o al modulo; P 1 P 2 D lc1 D lc2 - + Figura 9: Diodo di libera circolazione in parallelo ai pannelli. consente il passaggio della corrente inversa fuori delle celle; agisce quando il pannello è polarizzato inversamente (ad es. per oscuramento parziale); di norma è ospitato direttamente nel pannello. 21
4 L impianto fotovoltaico Tipi di impianti: Isolati (stand alone); collegati alla rete (grid connected). 22
4.1 Impianti isolati Regolaz. e controllo della carica Carichi CC CC CA Carichi CA Figura 10: Schema unifilare a blocchi di un impianto isolato. Adatto per utenze lontane dalla rete; richiede batteria di accumulatori; utile gruppo elettrogeno di riserva. 23
4.2 Impianti connessi alla rete CC CA Rete Consente scambi di potenza bidirezionali con la rete; Carichi CA non richiede batteria di accumulatori; Figura 11: Schema unifilare a blocchi di un impianto connesso alla rete. protezioni complicate. relativamente 24
5 Convertitori per impianti fotovoltaici Soluzioni: Convertitore centralizzato a valle del campo fotovoltaico: impianto più semplice, protezioni più efficaci, costo inferiore e rendimento del convertitore maggiore; MPPT unica, effetti peggiori in caso di guasto, assenza di modularità. Convertitore di stringa: MPPT dettagliata, effetti minori in caso di guasto, impianto modulare; manutenzione poco agevole (es. sui tetti ecc.). 25
5.1 Convertitori CC/CC + + u 1 u 2 - + + u 1 u 2 - Figura 12: Convertitori CC/CC per impianto fotovoltaico. Sopra: abbassatore di tensione, sotto: innalzatore di tensione. - - Abbassatore (buck converter): u 2 = δu 1, innalzatore (boost converter): u 2 = 1 1 δ U 1, dove δ = T ch T tot ; 0 δ 1. 26
+ - u 1 u 2 - + Invertente (buck-boost converter): Figura 13: Convertitore invertente CC/CC per impianto fotovoltaico. u 2 = δ 1 δ U 1, 27
5.2 Convertitori CC/CA + u 1 - + u 1 + - - u 2 + u 1 - + u - 2 Figura 14: Convertitori CC/CA a mezzo ponte per impianto fotovoltaico. I convertitori lavorano in PWM; il convertitore monofase a mezzo ponte richiede la presa centrale. 28
6 Protezione contro i contatti indiretti In caso di collegamento alla rete: negli impianti fotovoltaici se si vuole mettere a terra il campo fotovoltaico, è necessario l isolamento galvanico mediante trasformatore, se l isolamento galvanico non è presente, il sistema lato CC è di tipo TT o TN, come lato CA (masse a terra in modo indipendente o al conduttore PE). 29
6.1 Isolamento galvanico, campo messo a terra Figura 15: Impianto messo a terra. + - Di solito è collegato nel punto a tensione continua intermedia (centro stringa), possibilità di funzionamento a metà tensione in caso di cortocircuito, le masse sono a terra, ogni contatto a terra è un cortocircuito e la rivelazione dei guasti è difficile, la massima tensione verso terra è metà della tensione del campo. 30
6.2 lsolamento galvanico, campo isolato Può continuare a funzionare in caso di un primo guasto a terra, R a + - collegato a terra con una resistenza elevata R a e dotato di misuratore del livello di isolamento, Figura 16: Impianto isolato da terra (sistema IT). la tensione massima verso terra è la tensione nominale del campo, usualmente adottato in Italia. 31
7 Dispositivi di controllo e protezione di un impianto fotovoltaico 1 Campo fotovoltaico Utenze privilegiate 2 Utenze non privilegiate Rete privata 3 4 5 Rete pubblica Figura 17: Dispositivi di protezione e comando in un impianto fotovoltaico connesso alla rete. 1. Dispositivo del generatore, 2. dispositivo di interfaccia, 3. dispositivo generale, 4. apparecchiature di consegna, 5. dispositivo della rete pubblica. 32
7.1 Dispositivo del generatore È nel punto di collegamento tra generatore fotovoltaico ed il resto della rete, comprende un interruttore automatico e/o fusibile per la protezione di massima corrente in caso di guasto nella rete, se il funzionamento in isola non è previsto, può fare anche da dispositivo di interfaccia. 7.2 Dispositivo di interfaccia È nel punto di collegamento tra la parte di rete che può funzionare in isola ed il resto della rete, separa la rete in isola dal resto in caso di intervento del dispositivo generatore, generale o della rete. 33
7.3 Dispositivo generale È nel punto di collegamento tra la rete del produttore dalla rete pubblica, comprende un interruttore automatico e/o fusibile. 7.4 Apparecchiature di consegna Sono i contatori di energia, eventualmente bidirezionali 34
7.5 Dispositivo della rete pubblica È controllato dal gestore della rete pubblica, comprende un interruttore automatico e/o fusibile. 35
8 Il conto energia 8.1 A chi ed a cosa serve Il Conto Energia è il decreto che stabilisce un incentivo per 20 anni per privati, imprese ed enti pubblici che installano un impianto solare fotovoltaico connesso alla rete elettrica; l incentivo è proporzionale all energia E f prodotta dal generatore fotovoltaico. viene pagato su tutta l energia prodotta dall impianto, non soltanto su quella in eccesso che viene riversata nella rete elettrica, viene pagato mensilmente dal GSE, il Gestore dei Servizi Energetici nazionale, calerà nel tempo, per le nuove installazioni, a causa del diminuire dei costi degli impianti fotovoltaici. 36
Il costo unitario di un utente con tariffa monoraria nel primo trimestre 2013 è di 0,166 euro/kwh. 37
8.2 Bilanci di energia prodotta e consumata utenze elettriche generatore fotovoltaico E f } E u M1 E ur E fr M2 Se c è un saldo (E fr E ur ) positivo l energia prodotta in eccesso dall impianto fotovoltaico può essere venduta: indirettamente: il produttore stipula di una convenzione di ritiro dedicato con il GSE, che si impegna all acquisto ad un prezzo stabilito; direttamente in borsa previa iscrizione al mercato dell energia elettrica (grossi impianti) 38
8.2.1 Scambio sul posto Lo scambio sul posto consente di bilanciare direttamente l energia prodotta e quella assorbita. In tal caso: la potenza elettrica in eccesso (P fr P ur ) ceduta alla rete viene ceduta al GSE ad un prezzo stabilito, la potenza elettrica in difetto (P ur P fr ) assorbita dalla rete viene acquistata dal gestore della rete al prezzo di mercato. Se, su base annua, c è un saldo finanziario positivo per l utilizzatore, il GSE non paga l energia, ma mette a credito la somma per gli anni successivi, se il saldo è negativo l utente lo paga in bolletta. 39
8.3 Costi, manutenzione e logoramento impianto Tabella 2: Ripartizione % dei costi di installazione. Pannelli 50:60 % Convertitori 7:10 % Supporti e collegamenti 18:20 % Progetto e installazione 15:20 % Orientativamente il costo dell impianto va da 5.000 /kwp per gli impianti di piccola taglia a poco meno di 3.000 /kwp per impianti di grosse dimensioni, il costo annuo di manutenzione normalmente è circa l 1 1.5% del costo dell impianto, si considera un 1% annuo di decadimento delle prestazioni dei moduli fotovoltaici. 40
9 Normative tecniche di riferimento Norma CEI 64-8 Impianti elettrici utilizzatori a tensione nominale non superiore a 1000V in c.a. e a 1500V in c.c., Norma CEI 11-20 Impianti di produzione di energia elettrica e gruppi di continuità collegati a reti di I e II categoria, Guida CEI 82-25 Guida alla realizzazione di sistemi di generazione fotovoltaica collegati alle reti elettriche di Media e Bassa Tensione, Guida CEI 0-16 Regola tecnica di riferimento per le connessioni di utenti attivi e passivi alle reti AT e MT delle imprese distributrici di energia elettrica, Prescrizioni Enel DK5940/DK5950 (solo per BT). 41