FONDAMENTI DI SISTEMI FOTOVOLTAICI Sistemi e Impianti Fotovoltaici

1. FONDAMENTI DI SISTEMI FOTOVOLTAICI Sistemi e Impianti Fotovoltaici Le celle e i moduli fotovoltaici Principi chimico-fisici Le tecnologie (Si, GaAs,CdTe, ecc.) I limiti Processi e costi Esempi di applicazioni

2. La potenzialità dell’ energia solare Radiazione solare ≈ 90 000 000 Mtep/a Consumo mondiale ≈ 10 000 Mtep/a 1250 kWh/metro quadro all’anno 1000 kWh/mq al Nord Italia, 1500 al Sud Italia La potenzialità dell’ energia solare è, per ora, 10.000 volte il consumo mondiale di energia Ma non illudiamoci !!!

3. Solare Fotovoltaico

4. Copertura in Silicio amorfo da 100mq Produzione media annuale 15MWh Tetto tradizionale con moduli in Silicio micromorfo (0,38 m2; h =13%)

5. Dettaglio della facciata con moduli semi trasparenti in a-Si:H/a-Si:H/Ge (42 Wp/m2) Facciata Fotovoltaica (6,5 kWp) del Ministero dell’Ambiente della Baviera (1993)

7. Sistemi ad inseguimento solare: ad uno o due assi. Miglioramenti: Con un solo asse E-W inclinato 28% Con due assi 34%

8. Modulo a concentrazione a inseguimento solare Celle multigiunzione al GaAs, Rendimento celle: 40% Superficie 8,4 m2 Rendimento del modulo: 17,9 %Wp/m2Costo previsto= 1,52 [€/Wp]

12. La cella al silicio: modello, principi di funzionamento, prestazioni e rendimento • Le tecnologie • Le celle multigiunzione • Il rendimento delle celle multigiunzione

13. I simboli strutturale elettrico Potenza entrante: energia solare Potenza uscente: energia elettrica Potenza dissipata: energia termica edirradiata La cella monogiunzione: un modello elementare

14. a) b) La caratteristica corrente-tensione (I-V) della cella fotovoltaica a) Rilevazione al variare dell’illuminazione a 25oC; b) Punto di massima potenza PM=IM.VM(MPP: Maximum Power Point)

15. I Isc Im Potenza massima Pm= Im.Vm= FF.Isc.Voc 0 Vm Voc V Caratteristica I-V schematizzata FF: Fattore di riempimento ( Fill Factor )

16. f(E) 0,5 P I N Ev EFp EF EFn Ec E

17. EC EFn EV p EC EFn EV n Semiconduttori drogati e isolati Giunzione np non illuminata Giunzione illuminata ed erogante la corrente I Eg n p eYo Eg EFp EFn Eg n p e(Yo –V) EFn Eg eV I=Io (exp(eV/kT)-1] EFp Eg

18. l Eg=h/l

19. Voc per cella ideale

23. Radiativa Auger Prodotta da difetti (intrinseca) (estrinseca) (estrinseca) I meccanismi di ricombinazione di volume “bulk”

24. Silicio cristallino GaAlAs Cella c-Si con contatti posteriori

25. Telloluro di cadmio CdTe Silicio amorfo CIGS

26. Cella elettrolitica Cella solare “Dye Cell” polimerica Struttura giunzione Livelli “energetici”

27. Tandem Tandem Parallele 2 giunz. 3. giunz. 3 giunz. Cella multigiunzione Tandem a-Si/Ge, mm-Si,… 2Eg1 = Eg Cella multispettrale

29. Esempi: Celle monogiunzione Cella CdTe Eg=1,5 DI=2 da cui P=3 Cella ideale (GaAs) Eg=1 DI = 4 da cui P=4 Cella al Silicio Eg=1,1 DI = 3,2 da cui P=3,5 Celle multigiunzione Cella amorfa tripla giunzione con Egi= 1,8/1,6/1,4 cui corrispondono DIi=1,4/0,5/0,3 Si ha P=SEgi.DIi= 3,74 Cella micromorfa con Egi=1,75/1,1 cui corrispondono DIi=1,5/1,7 Si ha P=SEgi.DIi= 4,49

30. Tipologia Radiazione Concentrata h % Radiazione senza concentrazione h % Eg delle giunzioni Esempi di tecnologie Materiali, h%, Eg delle giunzioni Note 1 giunzione 40,8 31 1,31 c-Si monocrist., 24,7 2 giunzioni 55,7 42,5 1,70/0,97 a-Si:H/mc-Si:H, 14,7 1,75/1,1 3 giunzioni 63,2 48,6 1,95/1,30/0,82 a-Si:H/a-SiGe, 13,5; 1,8/1,6/1,4 4 giunzioni 67,9 52,5 2,14/1,53/1,10/0,72 Non dato Infinite giunzioni 86,8 68,2 Teorico! Assorbitore a corpo nero (Müser) 85 53,6 Convertitore ideale Tc =2544oC Irradiaz. bidirez. Convertitore non reciproco 90 70 Irradiaz. bidirezionale Un solo circolatore Tc = Ta (Landesberg) 93,3 73,7 Assorbimento ed irradiaz. Bidirez corpo nero Tc = Ta Carnot 95 95 Rendimento limite termodinamico

32. Evoluzione delle tecnologie fotovoltaiche h% 1- Silicio cristallino 2- Film sottile 3- Il futuro?! 3 Cu[€/m2)

33. UNISOLAR 3mx0,4m circa 0,5KWp rendimento 7-10%

34. Stato di avanzamento del progetto ARENDI (Gruppo Marcegaglia) • Apr, ‘07 Avvio progettazione esecutiva • Apr. ‘08 consegna primi impianti ed avvio set-up • Ott. ‘08 consegna impianti, Dic. avvio prove produzione • Primo semestre ’09 inizio produzione

35. Contatto opaco Cella multigiunzione Contatto trasparente Substrato acciaio inox Struttura integrata delle celle nel modulo Viste schematiche dall’alto e laterale dell’impianto Unisolar per moduli a-Si in film sottile

36. Schema dell’impianto Oerlikon Solar CS: Stazionamento Cassette EH: Stazione di maneggiamento esterno LL: camere di caricamento e chiusura TC: camera di trasferimento PC: camere di trattamento Processo a lotti Oerlikon Solar Dimensioni moduli: max 1100x1250 mm Capacità produttiva: 20 MW/a

37. Scenari di evoluzione dei costi del kWh per l’ energia fotovoltaica c€/kWh 50 40 30 20 10 0 OC=olio combustibile UD=utenze domestiche PV ammort.+ int. 3 % PV solo ammort. UD + int.3% /anno OC + int.10%/anno OC + int.5%/anno 2000 2007 2010 2020 2030

38. = ~ = ~ PV PV • Produzione fotovoltaica in rete • Rendimento globale 10% • 25 m2 di tetto/1 MWh.anno Utenza Residenz. Utenza Residenz. Rete locale AC Gruppo di continuità Rete pubblica Contatore d’Impianto Generazione distribuita con riserva per black-out

39. educazione ecologia economia etica estetica energia Sviluppo Sostenibile Le 6E dello sviluppo sostenibile