Antonio Stella Relatore: Paolo Gambino

1. Studio comparativo di tecnologie fotovoltaiche differenti in condizioni realistiche Antonio Stella Relatore: Paolo Gambino

2. INTRODUZIONE • Progetto “MinilabEnergEticaMente” • in collaborazione con • ENFASI s.c.a.r.l • studio delle prestazioni di un impianto fotovoltaicoin • condizioni di lavoro realistiche • confronto tra diverse tecnologie fotovoltaiche. “Minilab Energeticamente” Tetto dell’Istituto di Fisica di Torino.

3. Linee guida e scopi dello studio CONDIZIONI “REALISTICHE” CONDIZIONI STANDARD Posizionamento esterno Laboratorio Irraggiamento naturale Irraggiamento artificiale Valori effettivi Valori nominali Come variano le prestazioni in presenza di ombreggiamenti? Confronto tra tecnologie Come cambia l’efficienza in funzione di un irraggiamento variabile?

4. L’effetto fotovoltaico Materiale semiconduttore (silicio) Interazione di un fotone Elettrone di valenza in banda di conduzione Drogaggi n e p Creazione di un campo elettrico (giunzione n-p) Flusso di elettroni = corrente

5. Tecnologie fotovoltaiche SILICIO CRISTALLINO Monocristallino: unico cristallo cilindrico di silicio purissimo alta efficienza (16-17%), longevità alto costo di produzione, grande spreco di materiale, fragilità. Policristallino: silicio fuso, colato in uno stampo cubico, poi tagliato costi di produzione inferiori, minori sprechi, longevità efficienza inferiore (15%), fragilità. FILM SOTTILE Sottilissimo strato di materiale semiconduttore depositato per vaporizzazione su superficie metallica o plastica Micromorfo: Silicio amorfo + silicio microcristallino. Eff. 12-13% CIS: Giunzione tra CIS drogato-p e ZnOdrogato-n. Eff. 11-12% meno materiale usato, costi di produzione inferiori, flessibilità efficienza minore, vita più breve, maggiori costi di installazione

6. INTRODUZIONE Condizioni di laboratorio STC (Standard TestingConditions) • Irraggiamento 1000 W/mq • T modulo = 25°C • Vento = 0m/s • Spettro solare = AM 1.5

7. INTRODUZIONE Il “Minilab” Silicio CRISTALLINO • 4 moduli (1mono e 3poli) • Pnom = 900 Wp • Sup = 6,5 mq • Eff.nom = 13,6% Film sottile CIS • 5 modulii • Pnom = 375 Wp • Sup = 3,6 mq • Eff.nom = 10,4% • 8 moduli ( 4 e 4 in parallelo) • Pnom = 960 Wp • Sup = 11,44 mq • Eff.nom = 8,4% Film sottile MICROMORFO

8. Studio della risposta dei moduli all’ombreggiamento Obbiettivi • Studiare come variano le prestazioni di un singolo modulo (in termini di Isc e Voc) in funzione di un progressivo ombreggiamento della supeficie del pannello. • In particolare studiare le differenze tra: • ombre verticali (nette e diffuse) • ombre orizzontali (nette e diffuse) Procedura sperimentale • Misurazione di Isc e Voc nelle diverse “configurazioni” di ombreggiamento tramite multimetro digitale. • Normalizzazione dei valori sperimentali ottenuti da ciascun modulo rispetto ai rispettivi valori nominali. • Confronto dei valori normalizzati tra le diverse tecnologie.

9. Studio della risposta dei moduli all’ombreggiamento I moduliCaratteristiche “costruttive” Silicio Cristallino Film sottile CIS Film sottile Micromorfo

10. Studio della risposta dei moduli all’ombreggiamento Risultati sperimentali - ombre verticali • Silicio cristallino: Iscpressochè costante fino a 2/3 della sup. ombreggiata. • Voc cala di circa il 20% con andamento quasi-lineare. • Film sottile CIS: Isc crolla del 50% per una copertura del 25% e si azzera per • una superficie ombrreggiata del 75%. • Voc si mantiene quasi costante fino al 50% di ombra netta. • Film sottile micromorfo: Isc crolla a 0A per ombreggiamento del 30%. • Voc cala linearmente del 15-20% per ombre del 70%.

11. Studio della risposta dei moduli all’ombreggiamento Risultati sperimentali - ombre orizzontali • Silicio cristallino: ombra su 1/3 del modulo causa l’azzeramento della Isc. • La Voc cala circa del 15% per 1/3, e del 25% per 2/3 di • superficie ombreggiata. • Film sottile CIS: Isc cala quasi linearmente con l’ombreggiamento. • Voc si mantiene pressochè costante. • Film sottile micromorfo: Isc diminuisce quasi linearmente con l’ombreggiamento • Vocpressochè costante.

12. Studio della risposta dei moduli all’ombreggiamento Conclusioni • In generale i pannelli risentono delle ombre che “interrompono il circuito” Moduli in silicio cristallino Ombre ORIZZONTALI • Caso estremo: • - ombra netta: 1/3 della supeficie ombreggiata causa l’azzeramento della Isc e un calo del 10-15% della Voc. - ombra diffusa: basta1/3 della superficie ombreggiata per causare un crollo della Isc del 90%! Voc cala del 5% circa. Ombre VERTICALI Moduli a film sottile (in generale) • Caso estremo: • - ombra netta: basta 1/3 - 1/2 della superficie coperta per azzerare la Isc. - ombra diffusa: per quanto riguarda la Isc andamento analogo alle ombre nette ma valori leggermente superiori (del 5% -10%). • In generale il calo prestazionale non è proporzionale • alla superficie ombreggiata!

13. Studio dell’efficienza al variare dell’irraggiamento Obbiettivi Studiare il discostarsi dell’efficienzaeffettiva da quella nominale in condizioni di irraggiamento naturale variabile. Procedura sperimentale • Misurazione dell’irraggiamento e delle Idc e Vdc prodotte da un’intera stringa di moduli. • Calcolo della potenza prodotta dalla stringa e quindi dell’efficienza. • Normalizzazione delle efficienze di ciascuna stringa rispetto al corrispondente valore nominale e conseguente confronto tra tecnologie.

14. Studio dell’efficienza al variare dell’irraggiamento Alto irraggiamento (700-1000W/mq) Cielo terso, giornata ventilata. Ore12.00-14.00, T=26-30°C Cielo terso, giornata ventilata. Ore 13.00-14.00, T=25-30°C • 29 aprile: alte prestazioni, anche sopra i valori nominali (moduli nuovi) • 31 agosto: eff. <20% rispetto alla nominale. Alte temperature dei moduli. • 25 novembre: c-Si e micromorfo stabili su un’eff <20% rispetto alla nominale. CIS migliora le prestazioni rispetto all’estate grazie alle basse temperature. Cielo sereno. Ore 12.30-13.30, T=6-8°C

15. Studio dell’efficienza al variare dell’irraggiamento Medio irraggiamento (400-700W/mq) Velatura chiara uniforme. Ore 9.30-10.30, T=25°C Leggera velatura. Ore11.30-12.00, T=25-28°C • 1 giugno: leggera velatura chiara. Buone prestazioni, i moduli non ne risentono. • 28 giugno: presa dati mattutina, spettro solare spostato su rosso e infrarosso. Grande calo prestazionale per il micromorfo. • 26 novembre: leggera copertura del cielo. Cielo leggermente coperto. Ore12.30-13.30, T=4-7°C

16. Studio dell’efficienza al variare dell’irraggiamento Basso irraggiamento (0-400 W/mq) Cielo leggermente coperto. Ore 17.00-18.00, T=28-30°C Cielo leggermente velato. Ore 18.30-19.00, T=30°C • 25 giugno: presa dati serale, spettro solare spostato verso il rosso. Il micromorfo ne risente molto. • 2 luglio: presa dati serale • 26nov: cielo nuvoloso. In condizioni di basso irraggiamento nella fascia centrale della giornata (spettro solare piccato sul blu), i moduli in c-Si hanno un crollo prestazionale. Cielo nuvoloso. Ore 14.00-15.30, T=4-7°C

17. Studio dell’efficienza al variare dell’irraggiamento Riassunto e conclusioni Prestazioni più stabili nell’arco della giornata. Moduli in silicio cristallino Marcato calo prestazionale con cielo nuvoloso. Più stabili in presenza di cielo coperto (quindi luce diffusa) Moduli a film sottile micromorfo Marcato calo prestazionale mattino e sera, con spettro solare sul rosso. Più stabili in presenza di cielo coperto (quindi luce diffusa) Moduli a film sottile CIS Apprezzabile calo prestazionale con spettro solare spostato sul rosso.

18. Errori, dubbi e spunti per il futuro • “Capitolo ombre” Proseguire nello studio degli effetti delle ombre sul funzionamento di un’intera stringa! (Necessario tenere conto del funzionamento dell’inverter). • “Capitolo irraggiamento” Errore di valutazione iniziale: molte più variabili in gioco di quelle che si pensassero! Analizzare dipendenza da nuvolosità e spettro solare separatamente! • Necessario maggiore background di conoscenze nel campo della fisica della materia e dell’optoelettronica.

19. RINGRAZIAMENTI Grazie a “Frenkie”, Paolino, Giacomo e Donato per il lavoro svolto insieme, per i consigli e per aver condiviso gioie e dolori (ma soprattutto buono e cattivo tempo) sul tetto di Fisica. Al prof Gambino per il “In fondo dagli errori si impara di più” quando nulla sembrava avere un senso. All’Ing. Luca Nespoli per la pazienza, la disponibilità e per i suoi “insegnamenti telefonici”. Al Dott. W. Ferrarese, al Dott. L. Visca e al prof. Balestra per il grande aiuto e per la costante disponibilità. A tutti quanti i compagni. E al “bastone della mia vecchiaia” che (quando non ha bastonato) mi ha sostenuto dall’inizio alla fine di questo lavoro.