Impianti da energia solare e di energia da biomasse

Parte impianti fotovoltaici

Componenti della radiazione solare

Quali sono le componenti della radiazione solare incidente sull'atmosfera? Le componenti della radiazione solare sono: diretta, diffusa, assorbita, riflessa.

Definizioni importanti

Cosa è l'irraggiamento solare? L'irraggiamento solare è la potenza della radiazione solare incidente su una determinata superficie. Si misura in W/m².

Cosa è la radiazione solare? Per radiazione solare si intende la quantità di energia che incide su una certa area in un arco di tempo. [kWh/m²].

Radiazione standard e angoli solari

A quanto ammonta la radiazione standard sulla superficie terrestre? La radiazione standard sulla superficie terrestre in termini di potenza è di circa 1000W/m².

Cosa è l'angolo di tilt del sole? L'angolo di tilt del sole è l'angolo d'inclinazione di raggi solari sull'orizzontale.

Cosa è l'angolo di azimut? L'angolo di azimut è l'angolo tra la direzione dei raggi solari proiettati sul piano orizzontale e la direzione sud.

Movimento degli elettroni e drogaggio

Quando gli elettroni vengono messi in movimento? Gli elettroni vengono messi in movimento quando viene fornita una certa quantità di energia tale da farli passare dallo strato di valenza allo strato di conduzione. Questa energia può essere quella associata a un potenziale esterno, oppure associata ai fotoni che compongono la radiazione solare.

Cosa è il drogaggio di un semiconduttore? Drogare un semiconduttore significa sostituire degli atomi che costituiscono il reticolo cristallino del semiconduttore (per esempio silicio) con delle impurità (per esempio atomi di boro e fosforo).

Tipi di semiconduttori

Con il drogaggio che semiconduttori si possono ottenere? Con il drogaggio si possono ottenere semiconduttori di tipo N e P.

Cosa sono i semiconduttori di tipo N? I semiconduttori di tipo N sono costituiti da un reticolo cristallino di atomi di silicio, con l'aggiunta di impurità a base di atomi di fosforo; il fosforo presenta 5 elettroni nello strato di valenza e quindi c'è un eccesso di carica negativa, quindi il semiconduttore N. Il fosforo viene detto donatore di elettroni.

Cosa sono i semiconduttori P? I semiconduttori di tipo P sono costituiti da un reticolo cristallino di atomi di silicio, con l'aggiunta di impurità a base di boro; il boro presenta 3 elettroni nello strato di valenza esterno, quindi complessivamente si ha carenza di cariche negative, quindi eccesso di cariche positive. Il boro viene detto accettore di elettroni.

Corrente di diffusione e giunzione P-N

Cosa è la corrente di diffusione? La corrente di diffusione è il moto delle cariche da una zona verso un’altra indotto da una differente concentrazione di cariche tra le due zone.

Cosa è una giunzione P-N? Una giunzione P-N viene costruita drogando un semiconduttore in una zona con atomi accettori e in una zona con atomi donatori, quindi nella prima si avrà un eccesso di cariche negative e nella seconda un eccesso di cariche positive.

Comportamento della giunzione P-N

Cosa avviene nella giunzione P-N in condizioni di circuito aperto? Nella giunzione P-N, in condizioni di circuito aperto, si ha una corrente di diffusione, con la quale le lacune si muovono dalla zona a polarità positiva verso quella a polarità negativa e gli elettroni si muovono dalla zona a polarità negativa a quella a polarità positiva. Con questa ricombinazione vi sarà una zona svuotata di elettroni e una zona svuotata di cariche positive, si crea così una barriera che le cariche devono vincere per muoversi e si crea così un potenziale.

Energia dei fotoni e corrente fotogenerata

Come si calcola l'energia associata ai fotoni? L'energia associata ai fotoni si calcola dal rapporto tra la costante di Planck e la lunghezza d'onda della radiazione solare.

Da cosa dipende la corrente fotogenerata? La corrente fotogenerata in un impianto fotovoltaico dipende dalla potenza della radiazione solare, dall'angolo d'incidenza, dalla temperatura, dal tipo di semiconduttore.

Materiali per pannelli fotovoltaici

Con che materiali vengono realizzati i pannelli fotovoltaici? I pannelli fotovoltaici vengono realizzati in silicio monocristallino, silicio policristallino, silicio amorfo. Al silicio vengono aggiunte delle impurità a base di fosforo (donatore) e boro (accettore).

Generazione di corrente elettrica

Come viene generata corrente elettrica all'interno di un pannello fotovoltaico? Se il fotone possiede una quantità di energia sufficiente, pari al salto di banda, l'elettrone passa dallo strato di valenza a quello di conduzione, generando una coppia elettrone-lacuna; il movimento degli elettroni, grazie all'aggiunta di un circuito esterno, genera corrente elettrica.

Rappresentazione della radiazione solare

Come può essere rappresentata la radiazione solare? La radiazione solare può essere rappresentata come un insieme di particelle corpuscolari dette fotoni oppure tramite onde elettromagnetiche con una determinata lunghezza d'onda.

Giunzione P-N e diffusione

Cosa serve la giunzione P-N? Drogando un semiconduttore con atomi donatori e atomi accettori si viene a creare una zona a polarità positiva e una a polarità negativa; per effetto della diffusione le lacune si muovono verso le zone a polarità negativa N e gli elettroni verso la zona a polarità positiva P. Il confine tra le due zone, dove si ammassano le cariche, è la giunzione P-N; quando gli elettroni acquistano energia dai fotoni si crea un campo elettrico e quindi una differenza di potenziale tra le due zone, quindi in presenza di un circuito esterno si genera un flusso di elettroni e quindi di corrente.

Cosa è la diffusione? La diffusione è un fenomeno per il quale una sostanza tende a spostarsi da una zona a maggiore concentrazione ad una zona a minore concentrazione.

Schematizzazione della giunzione P-N

Come viene schematizzata la giunzione P-N dal punto di vista elettrico? La giunzione P-N dal punto di vista elettrico viene schematizzata come un diodo, ovvero un dispositivo che permette alla corrente di muoversi in un verso ma non nell'altro.

Energia per il salto di banda

Quanta energia serve all'elettrone per compiere il salto di banda? All'elettrone per compiere il salto di banda servono 1.12eV; se il fotone ne possiede meno il salto non avviene e questa verrà convertita totalmente in calore; se ne possiede almeno 1.12eV ne vengono usati 1.12 per compiere il salto di banda e il rimanente viene convertito in calore.

Radiazione e cella fotovoltaica

Tutta la radiazione giunge alla cella? Non tutta la radiazione giunge alla cella in quanto questa viene in parte riflessa, in parte assorbita, in parte trasmessa. Al massimo il 48% giunge effettivamente alla cella; questa quantità viene misurata dall'efficienza spettrale.

Tutta la radiazione è in grado di far compiere il salto di banda agli elettroni? Solo il 44% della radiazione è in grado di far compiere il salto di banda agli elettroni.

Efficienza dei pannelli fotovoltaici

Perché l'efficienza effettiva dei pannelli è minore di quella teorica misurata in laboratorio? L'efficienza effettiva è minore di quella misurata a causa delle perdite nei materiali semiconduttori, delle riflessioni, degli ombreggiamenti e dello sporcamento, del surriscaldamento.

Complessivamente quanta della potenza associata alla radiazione solare è effettivamente convertibile in potenza elettrica? Complessivamente circa il 13-18% è effettivamente convertibile in energia elettrica.

Potenza massima e efficienza teorica

Cosa è la potenza massima per un impianto fotovoltaico? La potenza massima per un impianto fotovoltaico è la potenza generata in corrispondenza del punto di massima potenza.

Efficienza teorica della cella? L'efficienza della cella è data dal rapporto tra Pmax e il prodotto tra l'irraggiamento e l'area d'incidenza.

Fill factor e circuito equivalente

Fill factor cosa è? Il fill factor è il rapporto tra corrente*tensione, nel punto di massimo, e corrente*tensione (Isc*Voc) se per assurdo avessi una curva caratteristica rettangolare.

Come è composto il circuito equivalente di una cella fotovoltaica? Il circuito equivalente di una cella fotovoltaica è composto da un generatore di corrente in parallelo a un diodo (che rappresenta la giunzione P-N), in parallelo a un ramo che rappresenta i fenomeni di dispersione, in serie con una resistenza che rappresenta le perdite nei conduttori.

Ruolo dell'inverter

Quale è il compito di un inverter nella regolazione del fotovoltaico? L'inverter ha il compito di far funzionare la cella nel punto di massima potenza.

Tensione e corrente della cella

Cosa si intende per tensione della cella? La tensione della cella è la differenza di potenziale ai capi della cella.

La corrente fotogenerata da cosa dipende? La corrente fotogenerata dipende dalla radiazione incidente, dall'inclinazione del pannello, dal materiale, dalla temperatura, dall'efficienza di cella.

Utility e orientamento dei moduli

Cosa sono le utility? Le utility sono utenze che richiedono una potenza superiore ai 10MW, potenza paragonabile a quella prodotta da piccole centrali.

Quali sono gli angoli di interesse per l'orientamento di un modulo fotovoltaico? Gli angoli di interesse per l'orientamento di un pannello fotovoltaico sono:

• A, ovvero l'angolo di inclinazione del sole sull'orizzontale;
• B, angolo di tilt, ovvero l'angolo di inclinazione del pannello rispetto all'orizzontale;
• G, angolo di azimuth, ovvero l'orientazione rispetto al sud.

Albedo e ombreggiamento

Cosa è l'albedo? L'albedo è la radiazione solare riflessa dal terreno.

Come si valuta se vi è ombreggiamento tra una fila di pannelli e la successiva? Per valutare se c'è ombreggiamento tra una fila di pannelli e la successiva bisogna considerare le condizioni di inclinazione del sole al solstizio d'inverno, ovvero quando il sole è più basso sull'orizzonte.

Costi di sistema e finanziari

Cosa è il balance of system? Il balance of system sono tutte quelle componenti dell'impianto che non sono moduli o inverter; per esempio cavi, trasformatori ecc.

Cosa è il CAPEX? Il CAPEX è il capital expenditure, ovvero il costo per realizzare l'impianto.

Cosa è l'OPEX? L'OPEX è l'operating expenditure, ovvero i costi operativi dell'impianto.

Cosa è il VAN? Il VAN è il valore attuale netto, ovvero il riportare ad oggi delle entrate future tenendo conto del costo del denaro dovuto agli interessi, dove FC sono i flussi di cassa. Occhio che al denominatore ci sarebbe 1+ il tasso di investimento.

Indicatori finanziari

Cosa è l'IRR? IRR significa internal rate of return, è il tasso di ritorno interno.

Cosa è il TIR? Il TIR è il tasso interno di rendimento; è il valore che rende nullo il VAN.

Cosa è il tempo di recupero TR? Il TR è il tempo di recupero, ovvero il tempo necessario a rendere nullo il VAN.

Cosa è il LCOE? Il LCOE, o levelized cost of energy, è il costo dell'energia in €/kWh, dato dal rapporto tra i costi sostenuti durante la vita dell'impianto e l'energia prodotta.

Generazione distribuita e superficie necessaria

Cosa significa generazione distribuita? Generazione distribuita significa produrre energia dove viene consumata.

Che superficie di pannelli serve, circa, per fare un kWp? 2. Per avere una produzione di 1kWp servono circa 10-12m².

Economia di scala

Come l'economia di scala influisce sui costi di generazione dell'energia? I costi del generatore crescono meno che linearmente all'aumentare della taglia. Questo è il significato dell'economia di scala.

Serie e parallelo di celle

Se le celle sono in serie, come si calcolano corrente e tensione? Se le celle sono in serie, la corrente che attraversa ogni cella è la stessa, mentre la tensione complessiva è la somma di tutte le tensioni delle celle.

Cosa succede se in una serie di celle una viene totalmente oscurata? Se in una serie di celle una viene oscurata, la corrente e la tensione erogate dall'intera serie saranno nulle. Quindi non viene più generata potenza ai morsetti.

Cosa succede se in una serie di celle una viene parzialmente oscurata? Se in una serie di celle una cella viene parzialmente ombreggiata, questa non funzionerà da generatore ma da carico e assorbirà potenza che genererà dei surriscaldamenti detti hot spot che possono portare a un pesante danneggiamento della cella.

Se una cella è in cortocircuito, la corrente della serie come diventa? Se una cella è in cortocircuito, la corrente complessiva erogata dalla serie cala leggermente.

Cosa si fa per limitare gli effetti negativi del malfunzionamento di una cella? Per limitare gli effetti negativi sulla serie di una cella, si introducono dei diodi di bypass (2-4 diodi per modulo).

Celle in parallelo

Se le celle sono in parallelo, come si calcolano la corrente e la tensione erogate dal parallelo? Se le celle sono in parallelo, la tensione è la stessa per ogni cella e la corrente erogata dal parallelo è la somma delle correnti che attraversano le singole celle per quel dato valore di tensione.

Cosa avviene in condizioni di ombreggiamento di una cella in un parallelo? Se una cella in un parallelo è ombreggiata, questa non erogherà corrente, quindi la corrente complessiva erogata dal parallelo sarà di poco inferiore alle condizioni di piena illuminazione.

Cosa avviene in condizioni di cortocircuito di una cella in un parallelo? Se in un parallelo avviene un cortocircuito in una cella, allora complessivamente non verranno erogate corrente, tensione e potenza dal parallelo.

Composizione di una cella fotovoltaica

Come è composta una cella fotovoltaica? Una cella fotovoltaica è composta da un semiconduttore drogato P, un semiconduttore drogato N, dalla giunzione P-N, da dei contatti superiori e inferiori in leghe di alluminio e argento, da una superficie antiriflesso.

Metodologie per la realizzazione di celle fotovoltaiche

Che tipi di metodologie esistono per realizzare delle celle fotovoltaiche? Le celle fotovoltaiche possono essere realizzate in silicio monocristallino, silicio policristallino, in film sottile, in multigiunzione, in perovskite.

Tipi di celle fotovoltaiche

Qual è la differenza tra celle in silicio monocristallino e celle in silicio policristallino? Il silicio monocristallino è costituito da un reticolo ordinato ed omogeneo di atomi di silicio; il silicio policristallino è costituito da cristalli di silicio non allineati e quindi complessivamente la struttura non è omogenea.

Cosa si intende per celle in film sottile? Le celle in film sottile sono delle celle fotovoltaiche realizzate con uno strato molto sottile di silicio amorfo (dell'ordine di pochi micrometri). Permettono di risparmiare molto materiale e di limitare la resistenza interna del materiale. Si impiega circa l'1% del materiale impiegato per il silicio cristallino. In alternativa al silicio amorfo possono essere utilizzati materiali a base di rame, cadmio, indio, selenio.

Cosa si intende per celle multigiunzioni? Ogni materiale ha il comportamento ideale ad una certa lunghezza d'onda. Le celle multigiunzione sono composte da strati realizzati in materiali differenti al fine di avere un comportamento ottimale a differenti lunghezze d'onda. Sono celle ad elevate efficienze e costi elevati.

Perché la perovskite può avere diffusione in ambito fotovoltaico? La perovskite può avere diffusione in ambito fotovoltaico perché presenta comportamenti ottimi a differenti lunghezze d'onda, quindi buone efficienze. È facilmente reperibile e poco costosa. La perovskite è CaTiO₃.

Costituzione del modulo fotovoltaico

Come è costituito il modulo fotovoltaico? Il modulo fotovoltaico è costituito dall'insieme delle celle fotovoltaiche e un involucro che ha il compito di isolare elettricamente e termicamente le celle dall'esterno, proteggerle dalle sollecitazioni meccaniche, dare consistenza meccanica. Lo strato superiore deve essere trasparente alla radiazione solare.

Perché esistono i pannelli bifacciali? I pannelli fotovoltaici bifacciali esistono per catturare la radiazione riflessa e diffusa grazie alla superficie captante posta sul retro del pannello. Ci sono degli aumenti fino al 30% della potenza prodotta all'aumentare delle componenti riflessa e diffusa della radiazione solare.

Funzione dell'inverter

Cosa è l'inverter? L'inverter è un dispositivo elettronico che permette di convertire tensione e corrente continua in alternata, controllando la forma d'onda, ottenendo le caratteristiche di frequenza e tensione richieste per l'alimentazione di utenze o per l'immissione in rete.