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1LA 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 - PowerPoint PPT Presentation
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pag. 1
1 LA RADIAZIONE SOLARELa 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
pag. 2
1 LA RADIAZIONE SOLAREL’intensità della radiazione solare incidente su una superficie
al suolo è influenzata dall’angolo di inclinazione della radiazione stessa: più piccolo è l’angolo che i raggi del sole formano con una superficie orizzontale maggiore è lo spessore di atmosfera che essi devono attraversare
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1 LA RADIAZIONE SOLARE
Dicembre
Giugno
Settembre / Marzo
Greenwich
Equatore
Latitudine
Longitudine
Declinazione
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La Conversione FotovoltaicaLa 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
Caratteristiche elettriche di un semiconduttore
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La Conversione Fotovoltaica
Silicio
Silicio
Il passaggio dalla banda di valenza a quella di conduzione avviene trasmettendo all’elettrone una opportuna quantità di energia. In tale passaggio l’elettrone si lascia dietro una buca detta ‘lacuna’ che può venire occupata da un altro elettrone. Il movimento degli elettroni comporta così anche quello delle lacune.
L’atomo di silicio possiede 14 elettroni di cui 4 di valenza; in un cristallo di silicio puro ciascun atomo è legato in modo covalente con altri quattro atomi: ogni elettrone di valenza si lega con un elettrone di valenza di un altro atomo.
pag. 7
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La Conversione Fotovoltaica
Fosforo
Silicio
Elettrone debolmente legato
Donatore
pag. 9
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Mat
eria
le P
Mat
eria
le N
Boro
Fosforo
Fosforo Fosforo
Silicio
Silicio
Silicio
Silicio
SilicioSilicio
Boro Boro
Giunzione
Regione disvuotamento
Boro
FosforoSilicio Silicio
SilicioSilicio
+
-Densitàdi carica
Dist
anza
pag. 10
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTOLa 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, è 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 1.15m.
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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)
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
IL
ID IC
RC
RS
Circuito equivalente di una cella fotovoltaicaIl rendimento delle celle fotovoltaiche in silicio, anche nelle prove di laboratorio è molto distante dal 44%, in quanto intervengono ulteriori
inefficienze:
1. Non tutti i fotoni incidenti sulla cella fotovoltaica penetrano all’interno, alcuni sono riflessi ed altri intercettati dall’elettrodo frontale (resistenza Rs)
2. Alcune coppie elett.–lacuna si ricombinano prima che queste possano essere separate dal campo elettrico interno alla giunzione (grado di purezza del Si)
3. Parte dell’energia potenziale ceduta alla cella, risulta insufficiente per liberare la coppia elettrone–lacuna (diodo)
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Caratteristica Tensione – Corrente di una Cella Solare
Punto di Massima Potenza
I
VVm
Im
Caratteristica al buioCaratteristica alla luce
Quadrante dove la cella si comporta da semplice diodo in conduzione diretta
Quadrante dove la cella passa in conduzione inversa
Quadrante dove lacella si comporta da generatore di energia elettrica
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
0.60 V [V]
0.75
0.50
0.25
1.00
Punto di massima potenza Pm= Vm Im
0.200.00
0.00
Caratteristica I-V di una Cella Solare ed andamento della Potenza
0.40 Vm
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
P [W]
Im
I [A]
Andamento della potenza P= V I
Caratteristica I-V
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTOTipologie di celle fotovoltaiche
La maggior parte delle celle fotovoltaiche attualmente in commercio è costituita da semiconduttori in silicio per i seguenti motivi:
• Disponibilità pressoché illimitata (risorse del pianeta)• • Largo utilizzo nell’industria elettronica (processi
tecnologici di raffinazione, lavorazione e drogaggio ben affinati)
• • • Possibilità di riciclare gli scarti dell’industria elettronica in quanto l’industria fotovoltaica tollera concentrazioni di impurità tipicamente di 10-5÷10-6 (contro i valori di 10-8 ÷ 10-9 relativi all’industria elettronica)
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTOTipologie di celle fotovoltaiche
Celle al silicio monocristallino• Gemmazione e crescita cristallina - Il silicio a cristallo
singolo è 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 ÷350m (spinto sfruttamento del lingotto contro un’estrema fragilità dei wafers)
.
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Tipologie di celle fotovoltaicheCelle al silicio policristallino• Forma - Il silicio policristallino è caratterizzato dalla presenza di più 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, è depositato in strati
dell’ordine di 10m su qualsiasi superficie (tecnica dei film sottili);• • Instabilità delle prestazioni elettriche – ?• • • Tecnica della giunzione multipla – Con il drogaggio differente di vari strati di
silicio collegati in serie si ottengono celle con diverse sensibilità allo spettro solare. Il risultato si traduce in un maggior rendimento e resa energetica;
• • • • Costi contenuti – (rispetto al silicio policristallino)
9.0
6.0
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTOTipologie di celle fotovoltaiche
La connessione elettrica tra le celle fotovoltaiche è 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
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I Sistemi FotovoltaiciIl sistema fotovoltaico è 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 può essere molto varia; nella sua forma più generale può essere schematizzato col seguente schema a blocchi:
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTOCAMPO FOTOVOLTAICO
(MODULI)
CONVOGLIAMENTO IN SERIE E PARALLELO TRA
LE CONNESSIONI DEI MODULI
CONVERSIONE C.C./C.A.
QUADRO ELETTRICO DI DISTRIBUZIONE
CARICO (RETE - UTENTI)
SISTEMA DI ORIENTAMENTO
REGOLAZIONE DI CARICA / SCARICA
BATTERIA
BATTERIA
SERVIZI AUSILIARI INTERNI
GENERATORE DI SOCCORSO
QUADRO ELETT. C.C.
CARICO IN C.C.
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I Sistemi FotovoltaiciDal 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”
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
CAMPO FOTOVOLTAICO INVERTER POMPA
CAMPO FOTOVOLTAICO
REGOLATORE DI CARICA
BATTERIA CARICO IN C.C.
INVERTER CARICO IN C.A.
Azionamento a frequenza variabile
• Sistema di Pompaggio
I Sistemi Fotovoltaici – Schemi a blocchi
• • Utenza Isolata
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
DIESEL REGOLATORE DI CARICA
BATTERIA CARICO IN C.C.
INVERTER CARICO IN C.A.
• • • Sistema Ibrido Isolato (fotovoltaico – eolico – diesel)
I Sistemi Fotovoltaici – Schemi a blocchi
GENERATORE EOLICO
CAMPO FOTOVOLTAICO
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
CAMPO FOTOVOLTAICO INVERTER
UTENZA
I Sistemi Fotovoltaici – Schemi a blocchi
• • • • Impianto Collegato alla Rete
QUADRO ELETTRICO DI INTERFACCIA
RETE
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Il Campo Fotovoltaico
CELLA
MODULO
Il campo fotovoltaico è un insieme di moduli fotovoltaici opportunamente collegati in serie e in parallelo in per realizzare le condizioni operative desiderate
PANNELLO
MODULO
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTOIl 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 disomogeneità delle loro caratteristiche elettriche es.: in una serie di moduli la corrente è limitata dal modulo che eroga la corrente più bassa; in un parallelo la tensione è limitata dal modulo che eroga la tensione più bassa)
• • Scelta della tensione di esercizio• • • Scelta della strutture di sostegno• • • • Distanza minima tra le file dei pannelli per non avere
ombreggiamento