I SISTEMI FOTOVOLTAICI

1. pag. 1 I SISTEMI FOTOVOLTAICI LA RADIAZIONE SOLARE � Strumenti per la progettazione PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO � L�effetto fotovoltaico � Celle e moduli � Il generatore fotovoltaico � Il BOS APPLICAZIONI � Sistemi isolati � Sistemi connessi in rete

2. pag. 2 1 LA RADIAZIONE SOLARE Radiazione Solare ? l�energia elettromagnetica emessa dai processi di fusione dell�idrogeno contenuto nel sole. Densit� di Potenza ? radiazione solare per unit� di tempo e di superficie. � Fuori l�atmosfera terrestre la potenza incidente su di una superficie unitaria, perpendicolare ai raggi solari, assume un valore di circa 1360W/m� (variabilit� del �3% dovuta all�ellitticit� dell�orbita terrestre), questo valore prende il nome di Costante Solare � Sulla superficie terrestre, a livello del mare, in condizioni meteorologiche ottimali e sole a mezzogiorno, la densit� di potenza � di circa 1000W/m�

3. pag. 3 1 LA RADIAZIONE SOLARE Per quantificare la diversa entit� della radiazione, in funzione della posizione del sole, si fa spesso riferimento al concetto di: Air Mass �AM� ? Rapporto tra la lunghezza del percorso effettivo dei raggi solari e la lunghezza del loro percorso pi� breve ? AM = 1 / sin(h) dove h � l�angolo di zenit; Air Mass One �AM1� ? condizione di AM in condizioni di atmosfera standard, valutato sulla superficie terrestre e misurato al livello del mare; Air Mass Zero �AM0� ? condizione di AM fuori l�atmosfera.

4. pag. 4 1. LA RADIAZIONE SOLARE Costante solare ? 1360 W/m2

5. pag. 5 1. LA RADIAZIONE SOLARE Air Mass ? AM = 1/sin(h)

6. pag. 6 1. LA RADIAZIONE SOLARE Spettro della radiazione solare

7. pag. 7 1 LA RADIAZIONE SOLARE La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre si distingue in: (1) diretta (2) diffusa (3) riflessa Le proporzioni di radiazione (1), (2) e (3) ricevuta da una superficie dipendono da: (a) condizioni meteorologiche (b) inclinazione della superficie (c) presenza di superfici riflettenti

8. pag. 8 1 LA RADIAZIONE SOLARE L�intensit� della radiazione solare incidente su una superficie al suolo � influenzata dall�angolo di inclinazione della radiazione stessa: ? pi� piccolo � l�angolo che i raggi del sole formano con una superficie orizzontale ? maggiore � lo spessore di atmosfera che essi devono attraversare

9. pag. 9 1 LA RADIAZIONE SOLARE

10. pag. 10 1. LA RADIAZIONE SOLARE Confronto fra la radiazione solare giornaliera media incidente su superfici con differenti angoli di inclinazione ? ed orientate a Sud (azimut ???). Localit� con latitudine ????? Nord e cielo sereno

11. pag. 11 1. LA RADIAZIONE SOLARE Andamento della radiazione solare giornaliera media annua al variare dell�inclinazione della superficie captante, orientata a Sud. Localit� con latitudine ??43,68� Nord

12. pag. 12 1. LA RADIAZIONE SOLARE Profilo dei percorsi solari e della linea d�orizzonte

13. pag. 13 1. LA RADIAZIONE SOLARE Dati della Radiazione Solare La radiazione solare su una superficie inclinata pu� essere determinata mediante: � Mappe isoradiative (generalmente non permettono di distinguere le componenti della radiazione diretta e diffusa) pubblicate da vari organismi � Valori tabellati per ciascuna localit� (Servizio Meteorologico Nazionale) � Metodi di calcolo sperimentali (Norme UNI 10349 � UNI 8477, metodo di Liu e Jordan, ecc.)

14. pag. 14 1. LA RADIAZIONE SOLARE Angoli di inclinaz. ? e di orientaz. ? di una superficie

15. pag. 15 1. LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dell�irraggiamento su una superficie orizzontale (Norma UNI 10349) Noti, per le principali citt�, i valori della irradiazione giornaliera media mensile [MJ/m�], sul piano orizzontale, nelle componenti diretta e diffusa ? si risale al valore dell�irradiazione per un generico sito: � Si identificano due localit� di riferimento � Si calcola il valore dell�irradiazione come media ponderale dei valori delle due localit� di riferimento pesate rispetto alla latitudine, secondo la relazione:

16. pag. 16 1. LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dell�irraggiamento su una superficie comunque inclinata ed orientata (UNI 8477) (2) Definita una superficie con una sua inclinazione ? ed orientazione ?, l�irraggiamento giornaliero medio H, su base mensile, viene espresso in rapporto R al valore corrispondente medio Hh sul piano orizzontale:

17. pag. 17 1. LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dell�irraggiamento su una superficie comunque inclinata ed orientata (UNI 8477)

18. pag. 18 1. LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dell�irraggiamento su una superficie comunque inclinata ed orientata (UNI 8477) - Calcolo di Rb



21. pag. 21 1. LA RADIAZIONE SOLARE ESEMPIO 1 Calcolo dell�energia solare annua, su base media mensile, captata da una superficie s=10m2 caratterizzata da: Inclinazione ?=50� Azimut ?=10� Assenza di fenomeni di ombreggiamento (?�=-?s e ?��=?s) Riflettanza ?=0,20 Posta in una localit� priva di ombreggiamenti di Cassino (lat. ?=41�38�)

22. pag. 22 1. LA RADIAZIONE SOLARE ESEMPIO 1

23. pag. 23 1. LA RADIAZIONE SOLARE ESEMPIO 1 Calcolo dell�irraggiamento globale orizzontale giornaliero medio mensile [kWh/(m2� giorno)]: Dall�appendice B della UNI 8477 si evincono i valori di Hh relativi a diverse localit� italiane. E� possibile valutare l�irraggiamento giornaliero medio mensile per la latitudine in esame (Cassino 41�38�) interpolando i valori di due stazioni meteorologiche prossime alla lat. 41�38�

24. pag. 24 1. LA RADIAZIONE SOLARE ESEMPIO 1 Calcolo dell�indice di soleggiamento reale KT: Calcolati, per ciascun mese, i valori dell�irraggiamento Hh giornaliero medio mensile e noti dal Prospetto I i valori medi mensili dell�irraggiamento solare orizzontale extr'atmosferico Hh0 per le latitudini 41� e 42�, si ottengono per interpolazione i valori di Hh0 [kWh/(m2� giorno)] per la latitudine 41�38�

25. pag. 25 1. LA RADIAZIONE SOLARE ESEMPIO 1

26. pag. 26 2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica La conversione diretta dell�energia solare in energia elettrica, utilizza il fenomeno fisico dell�interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nei materiali semiconduttori, denominato Effetto Fotovoltaico

27. pag. 27 2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica



30. pag. 30 2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO

31. pag. 31 2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La conversione dell�energia solare in energia elettrica avviene sfruttando l�effetto indotto da un flusso luminoso che incide su un materiale semiconduttore �drogato� Ogni fotone dotato di energia sufficiente, sulla base della relazione E = h? ?, con h costante di Plank ed ? lunghezza d�onda della radiazione, � in grado di liberare all�interno della giunzione P-N una coppia elettrone � lacuna. Utilizzando come semiconduttore il silicio, l�energia minima necessaria a liberare una coppia elettrone � lacuna corrisponde ad una lunghezza d�onda massima della radiazione luminosa di 1.15?m.


33. pag. 33 2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica I principali semiconduttori utilizzati sono: � Silicio (Si) � Germanio (Ge) � Arseniuro di Gallio (GaAs) � Solfuro di Cadmio (CdS) � Solfuro di Rame (Cu2S) � Celle a giunzione multipla (Tandem)

34. pag. 34 2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Circuito equivalente di una cella fotovoltaica Il rendimento delle celle fotovoltaiche in silicio, anche nelle prove di laboratorio � molto distante dal 44%, in quanto intervengono ulteriori inefficienze:


36. pag. 36 2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Caratteristica Elettrica (I-V) in funzione della Temperatura

37. pag. 37 2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Caratteristica Elettrica (I-V) in funzione della Radiazione Solare


39. pag. 39 2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Tipologie di celle fotovoltaiche La maggior parte delle celle fotovoltaiche attualmente in commercio � costituita da semiconduttori in silicio per i seguenti motivi: � Disponibilit� pressoch� illimitata (risorse del pianeta) � � Largo utilizzo nell�industria elettronica (processi tecnologici di raffinazione, lavorazione e drogaggio ben affinati) � � � Possibilit� di riciclare gli scarti dell�industria elettronica in quanto l�industria fotovoltaica tollera concentrazioni di impurit� tipicamente di 10-5�10-6 (contro i valori di 10-8 � 10-9 relativi all�industria elettronica)

40. pag. 40 2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Tipologie di celle fotovoltaiche Celle al silicio monocristallino � Gemmazione e crescita cristallina - Il silicio a cristallo singolo � ottenuto da un processo detto melting a partire da cristalli di silicio di elevata purezza che, una volta fusi, vengono fatti solidificare a contatto con un seme di cristallo. Il silicio solidifica nella forma di un lingotto cilindrico costituito da un unico cristallo del diametro di 13 �20cm e lunghezza di circa 200cm; � � Taglio � Il lingotto viene �affettato� con particolari seghe in wafers con spessore di 250 �350?m (spinto sfruttamento del lingotto contro un�estrema fragilit� dei wafers)

41. pag. 41 2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Tipologie di celle fotovoltaiche Celle al silicio policristallino � Forma - Il silicio policristallino � caratterizzato dalla presenza di pi� cristalli aggregati fra di loro con forme, dimensioni ed orientamenti differenti; � � Costi contenuti � (rispetto al silicio monocristallino) Celle al silicio amorfo � Forma � Il semiconduttore, sotto forma di gas, � depositato in strati dell�ordine di 10?m su qualsiasi superficie (tecnica dei film sottili); � � Instabilit� delle prestazioni elettriche � ? � � � Tecnica della giunzione multipla � Con il drogaggio differente di vari strati di silicio collegati in serie si ottengono celle con diverse sensibilit� allo spettro solare. Il risultato si traduce in un maggior rendimento e resa energetica; � � � � Costi contenuti � (rispetto al silicio policristallino)

42. pag. 42 2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Tipologie di celle fotovoltaiche La connessione elettrica tra le celle fotovoltaiche � ottenuta per mezzo di due contatti metallici, uno sulla faccia esposta e l�altro su quella opposta, normalmente ottenuti per evaporazione sotto vuoto di metalli a bassissima resistenza elettrica ed effettuando successivi trattamenti termici al fine di assicurarne la necessaria aderenza alla superficie della cella. Mentre la metallizzazione posteriore copre tutta la faccia, quella frontale esposta alla luce deve avere una configurazione geometrica tale da consentire un buon compromesso tra trasparenza alla radiazione incidente e massima raccolta degli elettroni liberi nel processo di conversione

43. pag. 43 2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO I Sistemi Fotovoltaici Il sistema fotovoltaico � un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che concorrono a captare e trasformare l�energia solare disponibile, rendendola utilizzabile dall�utenza in energia elettrica. La struttura di un sistema fotovoltaico pu� essere molto varia; nella sua forma pi� generale pu� essere schematizzato col seguente schema a blocchi:


45. pag. 45 2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO I Sistemi Fotovoltaici Dal punto di vista delle strutture di sostegno dei moduli, si parla di: � Sistemi ad inclinazione fissa - (struttura portante fissa) � � Sistemi ad inseguimento attivi - single/double axis tracking systems (caratterizzati da motori passo e elettronica di controllo) � � � 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) Dal punto di vista elettrico si dividono in: � Sistemi isolati o �stand alone� � � Sistemi connessi in rete �grid connected�

46. pag. 46 2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO I Sistemi Fotovoltaici � Schemi a blocchi



49. pag. 49 2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Il Campo Fotovoltaico



52. pag. 52 2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Il Campo Fotovoltaico Nella fase di progettazione di un campo fotovoltaico devono essere effettuate alcune scelte che ne condizionano il funzionamento: � Configurazione serie-parallelo dei moduli del campo (effetto di mismatch dovuto alla disomogeneit� delle loro caratteristiche elettriche es.: ? in una serie di moduli la corrente � limitata dal modulo che eroga la corrente pi� bassa; ? in un parallelo la tensione � limitata dal modulo che eroga la tensione pi� bassa) � � Scelta della tensione di esercizio � � � Scelta della strutture di sostegno � � � � Distanza minima tra le file dei pannelli per non avere ombreggiamento



55. pag. 55 2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO (Minima distanza tra le file w) / (Lunghezza dei pannelli L)

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