Appunti per il Progetto Sunrise Eth0 Effetto Fotovoltaico L'effetto fotovoltaico si realizza quando un elettrone presente nella banda di valenza (la banda energeticamente più alta;valenza si riferisce agli elettroni di valenza, ovvero gli elettroni più esterni dell atomo) di un materiale passa alla banda di conduzione a causa dell'assorbimento di un fotone sufficientemente energetico incidente sul materiale. Quando una radiazione elettromagnetica (nel caso fotovoltaico la luce del sole) investe un materiale può, in certe condizioni, cedere energia agli elettroni più esterni degli atomi del materiale e, se questa è sufficiente, l'elettrone risulta libero di allontanarsi dall'atomo di origine.il posto lasciato libero dall elettrone allontanato si chiama lacuna. L'energia minima necessaria all'elettrone per allontanarsi dall'atomo (passare quindi dalla banda di valenza che corrisponde allo stato legato più esterno alla banda di conduzione ove non è più legato) deve essere superiore alla banda proibita del materiale. La banda proibita di un isolante o di un semiconduttore è l'intervallo di energia interdetto agli elettroni. Come si può dedurre dall immagine solo i semiconduttori possiedono il Bandgap adeguato al nostro scopo, in quanto per i metalli è troppo piccolo, mentre negli isolanti è troppo grande.quindi il fotone che incide sulla cella fotovoltaica è in grado di cedere energia agli elettroni di valenza, questa energia è tale da portare l elettrone oltre i valori proibiti (BandGap), e portarlo nella banda di conduzione. Quando un flusso luminoso investe invece il reticolo cristallino di un semiconduttore, si verifica la transizione in banda di conduzione di un certo numero di elettroni al quale corrisponde un egual numero di lacune che passa in banda di valenza. Si rendono pertanto disponibili portatori di carica, che possono essere sfruttati per generare una corrente. Per creare una corrente è necessario creare all interno della cella un campo elettrico interno. Per fare ciò necessitiamo di creare una zona formata da atomi negativi (anioni)e una parte con atomi positivi detti (cationi).questo si ottiene attraverso il drogaggio del silicio, ovvero aggiungendo atomi del terzo gruppo per fomare la componente positiva e atomi del quinto gruppo per formare la parte negativa. Quindi atteniamo due parti. 1) Parte drogata con elementi del 5 gruppo con eccesso di elettroni. Considerando che è il silicio ad essere drogato,quindi i 5 elettroni del drogante si combinano con i 4 del silicio e rimane 1 elettrone debolmente legato.questa prende il nome di giunzione di tipo n, ovvero con eccesso di elettroni, realizzata con atomi di fosforo. 2) Parte drogata con elementi del 3 gruppo. In questo caso, avendo il terzo gruppo solo 3 elettroni di valenza mentre il silicio 4 si forma una lacuna.questa prende il nome di giunzione p.
Mettendo i due strati a contatto, si forma la seguente situazione. Quando il fotone incide sulla cella, si creano coppie di elettroni lacune e uno spostamento di portatori di carica. Collegando le due parti si ottiene corrente continua. Energia dal sole. Con l effetto fotovoltaico illustrato a grandi linee sopra, ne deduciamo che attaverso questa tecnica possiamo convertire una parte dell energia solare direttamente in corrente elettrica. All inteno del sole a causa delle reazioni di fusione nucleare, si liberano immense quantità di energia.una parte di questa energia attraversa i 150M di chilometri di spazio e giunge sulla terra.l energia del sole viene ripartita in queste percentuali: 25% -> Riflessa dall atmosfera. 25% -> Assorbita dall atmosfera 18% -> Diffusa nell atmosfera. 5% -> Riflessa dal terreno. 27% -> Assorbita dalla superficie terrestre. La parte che arriva al suolo ha un intensità pari a 1kW/m^2.
L energia utilizzabile. La quantità di energia che un apparato fotovoltaico può convertire dipende direttamente dall irragiamento del luogo. L irraggiamento è la quantità di energia incidente su una unità di superficie in un intervallo di tempo,ad esempio un giorno. Viene espresso in kwh/m^2/giorno. L istanza della radiazione solare incidente sull unità di superficie viene dette radianza espressa in kw/m^2. L irraggimento in funzione del luogo, del meteo ecc. Carratteristiche degli impianti I componenti base di un impianto fotovoltaico sono il generatore, sistema di controllo, eventuale accumulatore. L unità fondamentale del generatore fotovoltaico è la cella,dove avviene l effetto fotovoltaico.essa è formata da un semiconduttore delle spessore di 0,3 mm. Ha forma sferica o quadra e di norma occupa una superficie di 100-225 cm^2. La cella nelle condizioni di 1kW/m^2 alla temperaura di 25 C fornisce una I = 3 A e ddp = 0,5V e potenza di (3 A * 0,5 V) = 1,5W. Un insieme di celle forma un modulo di norma di 36 celle su file di 4 collegate in serie. Più moduli collegati in serie formano un pannello. Più pannelli collegati costituiscono una stringa. Per controllare la potenza e altri parametri si utilizza un inverter che è in grado di mutare la corrente continua dei pannelli in alternata, e quindi utilizzabile dagli elettrodomestici di casa. La corrente può venire accumulata in batterie o no. Esistono due tipi di impianti. Isolati (stand-alone) ovvero non connessi alla rete elettrica ma indipendenti. In rete (grid-connected) connessi alla rete. Tipologie di celle al silicio I moduli in silicio mono o policristallini rappresentano la maggior parte del mercato. Entrambe queste tecnologie sono 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, in modo da formare opportune serie e paralleli elettrici. Sopra una superficie posteriore di supporto, in genere realizzata in un materiale isolante con scarsa dilatazione termica, come il vetro temperato o un polimero come il tedlar, vengono appoggiati un sottile strato di acetato di vinile (spesso indicato con la sigla EVA), la matrice di moduli preconnessi mediante i già citati ribbon, un secondo strato di acetato e un materiale trasparente che funge da protezione meccanica anteriore per le celle fotovoltaiche, in genere vetro temperato. Dopo il procedimento di pressofusione, che trasforma l'eva in mero collante inerte, le terminazioni elettriche dei ribbon vengono chiuse in una morsettiera stagna generalmente fissata alla superficie di sostegno posteriore, e il "sandwich" ottenuto viene fissato ad una cornice in alluminio, che sarà utile al fissaggio del pannello alle strutture di sostegno atte a sostenerlo e orientarlo opportunamente verso il sole. Le prestazioni dei moduli fotovoltaici sono suscettibili di variazioni anche sostanziose in base: al rendimento dei materiali; alla tolleranza di fabbricazione percentuale rispetto ai valori di targa; all'irraggiamento a cui le sue celle sono esposte; all'angolazione con cui questa giunge rispetto alla sua superficie; alla temperatura di esercizio dei materiali, che tendono ad "affaticarsi" in ambienti caldi; alla composizione dello spettro di luce.
Per motivi costruttivi, il rendimento dei moduli fotovoltaici è in genere inferiore o uguale al rendimento della loro peggior cella. Con rendimento si intende la percentuale di energia captata e trasformata rispetto a quella totale giunta sulla superficie del modulo, e può essere considerato un indice di correlazione tra watt erogati e superficie occupata, ferme restando tutte le altre condizioni. La tolleranza di fabbricazione è un dato percentuale (generalmente variabile dal ±3% al ±10%) che ogni produttore dichiara in relazione ai propri standard qualitativi di produzione. Tanto minore è la tolleranza dichiarata, tanto più stabili e predicibili saranno le prestazioni elettriche del modulo, a pari condizioni di utilizzo. Nella maggior parte dei casi, i produttori realizzano più versioni dello stesso modulo, distinte in base alla potenza nominale, pur realizzandoli con le medesime celle, che vengono preventivamente raggruppate in famiglie prestazionalmente simili. L'obiettivo dell'operazione è gestire in modo più accorto possibile le celle elettricamente peggiori, che potrebbero inficiare le prestazioni dell'intero modulo. In quest'ottica quindi, tanto più numerose sono le famiglie di celle uniformi, tanto minore potrebbe essere la tolleranza di fabbricazione garantita. Nella realtà di mercato, tuttavia, data la curva di Gauss che descrive la distribuzione statistica della qualità di tutte le celle fotovoltaiche di una data partita produttiva, le linee di separazione tra gruppi di moduli simili si ampliano a volte fino a costituire fasce piuttosto ampie. Il produttore può così gestire la parte di produzione all'interno di queste fasce: 1. declassando il prodotto in questione, per considerarlo entro la tolleranza positiva del modulo inferiore, con il risultato di perdere profitto; 2. innalzando il prodotto, per considerarlo entro la tolleranza negativa del modulo superiore, con il risultato di marginalizzare di più a discapito della qualità effettiva del prodotto. Dal punto di vista commerciale, il produttore si garantisce la liceità dell'operazione dichiarando una tolleranza di fabbricazione più ampia del necessario rispetto alle potenze nominali dei vari moduli realizzati. L'immediato effetto che questa pratica comporta è la ricaduta di cospicue quantità di moduli all'interno delle citate fasce a cavallo di due o più tolleranze di fabbricazione. Alla luce di ciò, i moduli fotovoltaici qualitativamente migliori sono da ricercarsi tra quelli che combinano: una tolleranza negativa stretta (quella positiva può considerarsi trascurabile); una nulla o limitata area di sovrapposizione tra le fasce di tolleranza delle varie potenze dello stesso modulo. L'artifizio della tolleranza più ampia del necessario è una tecnica impiegata solo da produttori minori, a causa della sua facile individuazione (basta una brochure con la lista dei prodotti trattati e una calcolatrice) e del sospetto che inevitabilmente farebbe sorgere nei confronti del produttore. Tensione I moduli fotovoltaici sono accomunati dal comportamento elettrico simile a quello di un generatore di corrente quasi puro, ovvero erogano energia con differenza di potenziale quasi costante anche al variare delle condizioni atmosferiche o del grado di incidenza dei raggi solari. La pratica comune di classificare i prodotti in commercio in 12, 18 o 24 V non deriva dalla tensione al suo punto di massima efficienza, ma dalla possibilità di collegarvi una batteria ricaricabile con analogo voltaggio nominale.
Il circuito equivalente di una cella fotovoltaica Certificazioni I moduli fotovoltaici, se impiegati in un impianto fotovoltaico connesso alla rete all'interno dell'unione Europea, devono obbligatoriamente essere certificati in base alla normativa IEC 61215, che ne determina le caratteristiche sia elettriche che meccaniche. Tra i test più importanti si cita quello per determinarne la potenza in condizioni di insolazione standard, espressa in watt picco (Wp). Dimensionamento impianto Stand-Alone Come obiettivo del progetto Sunrise il nostro generatore GF (generatore fotovoltaico), deve essere in grado di soddisfare un fabbisogno energetico E di un pc portatile durante le uscite pubbliche del gruppo. La prima fase consiste nel quantificare il fabbisogno energetico. Utilizzatori Pnom(W) N Pnom Tot(W) Durata (h) Energia (Wh) Pc portatile 100 1 100*1 4 100*1*4 400 Per sapere di quanta energia necessitiamo è necessario sapere la potenza nominale dell apparecchio, nel nostro caso 100W, successivamente moltiplicarlo per il numero di apparecchi (nel nostro caso 1), e otteniamo la potenza nominale totale.poi dobbiamo decidere per quante ore tenerlo acceso,nel nostro caso 4. L energia totale che ci serve è data dal prodotto tra Pnom * N * Durata. Ora dobbiamo definire l irraggiamento in base alla posizione geografica. Torino,uso estivo,25-30 C,Irraggiamento = 5,5 kwh/m^2. Tralasciando le perdite, la potenza che il l impianto può erogare è data dal rapporto tra l energia giornaliera richiesta e le ore di sole equivalenti. P = 400/5,5 = 72,27 W Le perdite di sistema sono invece valutabili in: x1 = perdita per variazione di temperatura = 8%; x2 = perdite per riflessione 3%; x3 = differenti potenziali su moduli diversi 5%;(trascurabile nel nostro caso) x4 = perdite CC = 1%; x5 = perdite dovute al ciclo carica-scarica dell accumulo = 11%; x6 = perdite inverter 12%; (non presente nel nostro caso) Le perdite sono quindi: xtot = x1 + x2 +.. x6 = 23%
Quindi la potenza effettiva sarà: P = 72,27 / [(100-23)/100] = 93,86 W La tensione di sistema, salvo il caso di pannello autoprodotto, assume gli standard di 12V,24V,48V;Per potenze tra i 200 300 W o inferiori è preferibile il 12V, viceversa, potenze maggiori voltaggi maggiori. Presumiamo ora di utilizzare un ipotetico pannello da 100W con le seguenti caratteristiche. Potenza di picco = 100W; Tensione alla massima potenza MPP Vmp = 20V; Corrente alla massima potenza MPP Imp = 5A Corrente di corto circuito Icc = 5,6 Tensione circuito aperto Voc = 23,1 V La corrente massima sarà data da Mpp = 5 ; Non resta che dimensionera l accumulo, che nel nostro caso funge anche da stabilizzatore di carica per Autoregolazione. Per capire come i due fattori, modulo e batteria si autoregolano, è necessario osservare il grafico I-V delle celle fotovoltaiche. Durante la carica dell accumulo (batteria), il punto di lavoro del binomio pannellobatteria,si sposta verso destra del grafico, in pratica la tensione differenza di potenziale aumenta, fino a raggiungere la tensione a vuoto, la quale concerne una corrente minimia. Questo tipo di regolazione può andare bene nel nostro caso, perché essendoci un carico costante (il pc), fa in modo che l accumulo non resti, nel caso di tensione a vuoto, per troppo tempo sotto carica. Il circuito assume i seguenti connotati:
Calcoliamo dunque l accumulo necessario. C = 400W/20V = 20Ah è necessaria una batteria da 20Ah. Teniamo presente però che una batteria se scaricata completamente si deteriora, quindi bisogna modificare i calcoli tenendo conto di questo fattore di massima profondità di scarica.(dod Depth of Disharge) Di norma il tale valore è apri a 0.7. C = (400W/20V)/0.7 = 28,6 basterà quindi una batteria da 35 Ah in quanto è sempre bene sovradimensionare l accumulo.