Conversione Fotovoltaica

Elementi di conversione fotovoltaica dell'energia (FV)

Gli impianti fotovoltaici devono per forza avere una connessione con un buon convertitore perché sarà quello che determina il punto di funzionamento dei moduli fotovoltaici, determina l'inseguimento della massima potenza (chopper DC-DC Boost), fa funzionare il campo fotovoltaico alla massima efficienza. Un altro convertitore si occupa di gestire la tensione e la corrente per il carico, che può essere isolato o collegato alla rete elettrica. A questa configurazione si aggiungerà un accumulo di energia che può servire da tampone o per massimizzare le efficienze di produzione e di utilizzo dell'energia, e anche per massimizzare il ritorno economico perché in certe fasce orarie conviene immettere in rete e in altre immagazzinarla.

Le tre parti del corso sono integrate nell’ottica di avere un sistema con la massima flessibilità, dove c’è una fonte di energia (fotovoltaica), un sistema di condizionamento dell’energia generata (chopper), un sistema di accumulo (elettrochimico) e un sistema di accoppiamento con la rete (inverter).

Programma

Modulo 1B

L'energia solare: Il sistema sole-terra. La radiazione solare e l’atmosfera terrestre, fenomeni di riflessione, diffusione, assorbimento. Opacità atmosferica, air mass (AM). Disponibilità delle fonti energetiche di origine solare: irraggiamento solare, energia idrica, energia eolica, biomasse, energia solare fossile.

Tecnologia fotovoltaica: Prime evidenze sperimentali, effetto fotoelettrico, giunzione PN, effetto fotovoltaico. Tecnologie basate sul silicio: monocristallino, policristallino, amorfo (film sottile). Nuovi materiali e celle di terza generazione. Caratteristica I-V delle celle fotovoltaiche.

Conversione fotovoltaica: Cella, modulo, pannello, stringa e campo fotovoltaico. Connessioni serie/parallelo, caratteristica I-V complessiva, problematiche dovute all’irraggiamento e/o alle sovratemperature locali (hot spot). Diodi di bypass e diodi di blocco. Efficienza di conversione, tecniche di inseguimento della massima potenza (MPPT): perturb & observe, conduttanza incrementale, ripple correlation control, tandem. Calcolo della radiazione solare al suolo su una superficie inclinata: radiazione diretta, diffusa e riflessa (albedo).

Struttura di un impianto fotovoltaico: grid-connected, stand-alone. Componenti del sistema di generazione: chopper dc/dc per l’inseguimento MPP, la regolazione della tensione lato inverter e/o l’isolamento galvanico. Inverter di rete monofase e trifase. Strutture con trasformatore in alta frequenza e con trasformatore in bassa frequenza. Possibilità di accoppiamento diretto pannelli-inverter. Inverter multilivello. Possibilità di regolazione della potenza reattiva, compensazione armonica, bilanciamento dei flicker e dei carichi squilibrati. Dispositivi di accumulo e convertitori per la gestione dei relativi flussi energetici. Dimensionamento di massima di un generatore fotovoltaico, criteri di progetto, normativa vigente e regime di incentivazione.

Introduzione alla generazione fotovoltaica

Gli impianti fotovoltaici possono essere collocati a terra, su falde, su dei coperti, su dei lastrici solari e anche in modo bizzarro su altre applicazioni che hanno un senso relativo. Noi come ingegneri dell'energia elettrica ci occuperemo degli impianti di larga potenza, capaci di alimentare almeno un’abitazione (di picco di potenzialità).

Al giorno d’oggi non è più in incentivo, quindi il costo dell’energia prodotta è molto basso, quindi l'impianto fotovoltaico è conveniente soprattutto qualora possiamo utilizzare l'energia prodotta localmente, cioè praticamente invece di comprare l'energia dal distributore ce la produciamo e la usiamo. In questo modo valorizziamo molto di più l'energia prodotta perché quando si vende l'energia al gestore questo paga pochi €/kWh mentre quando la compriamo costa anche il doppio. C’è un differenziale notevole tra il prezzo di acquisto e quello di vendita. Attualmente gli impianti sono dimensionati dal punto di vista dell'utenza (impianto industriale o abitazione). Se vogliamo vendere l’energia al gestore adesso non è un investimento conveniente.

Ognuno dei rettangoli è chiamato “modulo fotovoltaico” che è costituito dal collegamento in serie di tante “celle fotovoltaiche” tipicamente quadrate. Se mettiamo assieme rigidamente complanare, più moduli allora realizziamo un “pannello fotovoltaico”. Alcuni pannelli hanno la capacità di orientarsi grazie a un rotore che permette di inseguire il percorso apparente del sole per massimizzare l’energia prodotta. Tuttavia, non sono molto diffusi perché quello che otteniamo in più è molto meno di quello che ci si aspetta, mentre costa molto il sistema meccanico di inseguimento.

In generale l’impianto fotovoltaico non avendo parti in movimento ha una durata di anni, è un'installazione estremamente longeva confrontate ad altre installazioni elettriche. Il fatto di aggiungere una movimentazione non è coperto dagli svantaggi di questi sistemi.

In generale sono posizionati a terra (pannello detto string) o su falda, leggermente sollevati per evitare che si sporchino quando piove e anche per la manutenzione e il circolamento dell’aria. Le stringhe sono distanziate per non farsi ombra e sono generalmente orientate verso Sud. Ci sono casi in cui non sono orientati verso Sud (es. emisfero australe). Se l’impianto è su falda cercheremo di metterlo su falde con una maggiore esposizione verso Sud e si mantengono i moduli aderenti al piano della falda per evitare che il vento abbia delle azioni di distacco meccaniche.

Un tetto fotovoltaico su falda complanare ha potenze tipiche di un'installazione domestica. Ci possono essere tegole fotovoltaiche, impianti sperimentali a girasole, sistemi di ombreggiamento coperti da moduli fotovoltaici (ottimo modo per non usare spazio a terra).

Poter sfruttare l’energia localmente, a kilometro-zero significa anche non intasare le reti di trasmissione e trasporto dell'energia. Meno trasporto significa anche meno perdite.

Con un modulo fotovoltaico, se avessimo il sole perfettamente perpendicolare potremmo generare in condizioni ottimali mettendo che una macchina rimanga al sole per un pannello posto sulla cappotta può produrre 3% che non arriva al 2% della batteria. Non è una soluzione utile per un’auto elettrica tradizionale. Anche le aree di pochi sono ridicole (es. telefonini), può andar bene per la calcolatrice perché consuma poco. Le valigette che si aprono potrebbero alimentare piccoli dispositivi elettrici, ma servono almeno superfici di frazioni del (es. caricabatterie di un portatile).

L’uso del fotovoltaico nei satelliti artificiali è una cosa seria, ed è stato un primo utilizzo quando il costo era alto e l’efficienza era bassa. Ad oggi la stazione spaziale internazionale è alimentata da pannelli fotovoltaici e ha consumi di qualche kilowatt.

L'energia solare

L’energia solare proviene dal sole, un incredibile reattore nucleare a fusione, a con temperature e pressioni interne incredibili, la materia allo stato di plasma, mentre la parte esterna intorno ai 5500°. All’interno avviene la fusione che vede il combinarsi di atomi di idrogeno che danno origine a un nucleo di elio. È una reazione esotermica e l’energia prodotta da ogni funzione è nell’ordine dei 26,7 MeV, mentre in generale per le reazioni chimiche si fa riferimento agli eV. La reazione che si vorrebbe emulare è quella tra due isotopi dell’idrogeno (deuterio e trizio) perché l’energia per attivare la fusione è minore, valori di pressione e temperature minori.

Ogni secondo il sole irradia nello spazio una potenza di 3,83 × 10²⁶ W (Yotta), con un’oscillazione dell’1% e una ciclicità di 11 anni. Questa potenza considerata ad una distanza che è quella fra la terra e il sole ci consente di ottenere la costante solare che è l'intensità della radiazione solare quando ci poniamo a una distanza pari alla distanza della terra dal sole.

Si prende l'intera potenza prodotta da sole e la si divide per la superficie che ha come raggio la distanza tra la terra e il sole. Supponendo che l’orbita della terra sia circolare. Le fluttuazioni totali risultano del 5% a causa del ciclo solare (11 anni), dell’orbita ellittica e dei fenomeni delle macchie solari che possono provocare fluttuazioni dell’energia.

Il sistema sole-terra: bilanci energetici

La superficie che la terra mostra a questa potenza specifica è l’area del cerchio che ha come raggio quello della terra, quindi la potenza che arriva in ogni istante in corrispondenza della terra è 1,74 × 10¹⁷ W. Questa è la massima intercettata dalla terra fuori dall’atmosfera sempre, perché la terra gira. Doppiamo rapportarla a quella che serve per le attività umane. Dei 174 mila TW una parte viene riflessa dall’atmosfera (albedo, nuvolosità), una parte viene assorbita 51%, 89 mila TW dall’atmosfera, che si divide in una rifrazione e una diffusione, e al suolo ne arriva circa il 21% cioè 89 mila TW.

Disponibilità delle fonti energetiche di origine solare

Il consumo mondiale sta andando verso i 30 TW di potenza, non solo elettrica, ma di tutti i generi. Possono essere confrontati con quelli che arrivano sulla superficie terrestre. Dal sole ne arriva una parte esageratamente più grande dell’energia che serve per l’attività umana. L’energia spesa per produrre energia elettrica è diventata quasi la metà dell’energia spesa in generale per produrre calore, movimento, a livello globale, perché è accumulabile e trasportabile in maniera molto semplice e con efficienze molto alte, più della termica e meccanica.

La potenza media pro capite a livello mondiale è di circa 3 kW, ciascun individuo consuma mediamente comprese di tutte le quote parte, con alcuni paesi che ne consumano molto più di altri. Se ciascuno di noi fosse in grado di produrre qualche kW di potenza elettrica in ogni momento, saremmo in grado di alimentare tutte le forme di energia per il fabbisogno.

Irraggiamento solare

Il fotovoltaico ci manda molta più energia di quello che serve, ma riusciamo ad utilizzarla? L’energia media prodotta viene calcolata con l’energia massima del sole considerata per sole 4 ore al giorno, durante tutto l’anno. Della costante solare fuori dall’atmosfera ne arrivano 1000 W/m² quando il cielo è sereno. Dato il rendimento di conversione di una cella fotovoltaica del 15%, abbiamo solo 150 W/m² e per produrre 3 kWh mi servono circa 20 m² di pannelli. Con un pannello fotovoltaico di 1 kW posso produrre 120-150 W di picco, però solamente per 26 giorni.

Se li voglio per tutta la giornata devo moltiplicare per 3 quindi diventano 450 kWh. Se ognuno di noi avesse questa superficie di pannelli fotovoltaici sarebbe in grado di produrre quei 450 kWh che soddisfano il fabbisogno di energia elettrica e non elettrica. Con un quadrato di 15 m² si soddisfa il fabbisogno energetico pro-capite. Non è qualcosa di impensabile.

Energia idrica

In Europa l’idroelettrico è saturato, rimangono disponibili zone del Centro America, Centrafrica e Indonesia, dove la piovosità durante l’anno è alta.

Energia eolica, biomasse ed energia solare fossile

La distribuzione del vento, creata dall’energia solare che crea differenze di pressione, è data su una scala che funziona sull’acqua (sull’oceano è molto più forte) e una che funziona sulla terra. In mare è difficilmente utilizzabile, mentre sulla terra la distribuzione della ventosità è molto irregolare. Dove c’è molta piovosità c’è poca ventosità.

Fabbisogno energetico

La distribuzione della radiazione solare al suolo è a tratti disuniforme, ma in generale va con la latitudine in modo regolare. E la differenza tra le zone più vicine o più lontane dall’equatore non è così grande. La radiazione solare media al suolo in Sicilia o sud della Spagna può essere 200 W/m², e al centro della Svezia può essere di 100 W/m² che è la metà, ma non è così grande come possono essere le differenze con le risorse idriche o ventose. Quindi l’energia solare ha senso anche nel nord Europa. L’efficienza della conversione fotovoltaica aumenta con l’inverso della temperatura, quindi per temperature fresche aumenta l’efficienza.

La radiazione solare e la conversione fotovoltaica

La radiazione solare e l'atmosfera terrestre

La radiazione solare è una radiazione elettromagnetica, in senso ondulatorio caratterizzata da dei quanti con una certa lunghezza d'onda e una certa frequenza. La lunghezza d'onda della radiazione solare va da 300 nm fino a 2000 nm. Il visibile va da circa 350 nm a 750 nm, tra l’ultravioletto e l’infrarosso. Il visibile è al picco della radiazione elettromagnetica che è intorno ai 500 nm sulla massima sensibilità dell’occhio umano. Quella in giallo è la radiazione solare extratmosferica e assomiglia all’area grigia che rappresenta lo spettro del corpo nero a una temperatura che è equivalente alla temperatura della superficie del sole, circa 5500°K.

Mettendole a confronto le impostiamo per avere la stessa area (costante solare 1370 W/m²) otteniamo la temperatura del sole, quindi le cose tornano. L’area rappresenta dei W/m² perché sull’asse verticale abbiamo W/m² e integrando tutte le densità di tutte le lunghezze d’onda otteniamo la radiazione quindi l’unità di misura sono W/m².

Fenomeni di riflessione, diffusione, assorbimento

Quando la radiazione attraversa la superficie terrestre, a seconda dell’altezza solare, dell'angolo che forma il sole con la perpendicolare abbiamo che la quota parte di atmosfera attraversata dalla radiazione solare può essere più corta (allo zenit) o può essere più lunga. L’atmosfera è un velo di spessore convenzionale di circa 100 km rispetto ai 12.000 km di raggio terrestre. Man mano che si sale di altitudine e l'aria diventa sempre più rarefatta, c'è una densità dell'aria minore, c'è una pressione minore, quindi non c'è un limite esatto dell’atmosfera. I satelliti spaziali orbitano molto al di sopra di questi, mentre gli aerei nettamente al di sotto.

Opacità atmosferica, air mass (AM)

È importante definire l’air mass, che viene spesso citato quando si parla di radiazione solare e di fotovoltaico, il quale è un coefficiente sempre > 1 che rappresenta il rapporto tra la lunghezza del raggio solare che attraversa la sfera e la lunghezza minima che può avere questo raggio solare, quindi lo spessore dell'atmosfera.

Ci dà la misura della massa d'aria che attraversa la radiazione solare, quando attraversa una massa d’aria unitaria, quella relativa allo spessore minimo dell’atmosfera. Se fosse 2 vorrebbe dire che la radiazione solare attraversa un segmento doppio rispetto al minimo. La formula AM = 1/cos θ è verificata considerando la terra piatta fino ad un angolo θ oltre 70° darebbe valore infinito. Inoltre, per considerare la dipendenza dall’altezza rispetto al suolo possiamo introdurre il rapporto della pressione rispetto al livello del mare (hPa), perché questa diminuisce all’aumentare dell’altezza (non è di particolare interesse perché anche a 2000 hPa rispetto ai 100 hPa sono poco sensibili).

Dal confronto si vede che a Berlino l’air mass varia il doppio rispetto al Cairo, che non è poi così una variazione considerevole come intensità della radiazione solare. La radiazione solare extratmosferica, quando arriva sul suolo, mediamente ne arriva il 50%. Per lunghezze d’onda più piccole di quanto interessa la radiazione solare l’opacità dell’atmosfera è del 100%. In corrispondenza della radiazione solare si apre l’opacità atmosferica, diventa permeabile, la fa passare (50%). C’è un andamento altalenante fino a 100%, l’atmosfera torna ad essere impermeabile, opaca alla radiazione, poi torna ad aprirsi per lunghezze d’onda molto più grandi (3 mm - 30 mm). I sistemi di trasmissione radio funzionano bene in quelle frequenze perché l’atmosfera filtra poco.

Se facciamo riferimento ad una giornata con cielo sereno l’intensità della radiazione solare extratmosferica si riduce da 1370 W/m² a 1000 W/m², che costituisce l’irraggiamento solare base, considerando la superficie captante perpendicolare alla radiazione solare.

Spettro solare al suolo

Quando il cielo non è sereno...