Appunti Tecnica ed economia dell'energia

Risultano così celle a doppia o tripla giunzione che possono raggiungere rendimenti di conversione

elettrica del 40 %, ma nonostante questo, i costi risultano l’aspetto più proibitivo.

Sovrapposizione tra la risposta spettrale della cella e lo spettro

della radiazione solare: si nota che solo una piccola porzione è

sfruttata

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Il rendimento di una cella fotovoltaica dipende quindi dalla sua risposta spettrale!

Esempi di materiali fotovoltaici commerciali:

●​ Silicio cristallino

●​ Seleniuro di rame, indio e gallio

●​ Tellururo di cadmio

●​ Silicio amorfo

Caratteristica Elettrica di una Cella Fotovoltaica

La cella può essere rappresentata con un circuito equivalente composto da:

●​ Generatore di corrente

●​ Diodo in parallelo al generatore

●​ Resistenza interna Rs

La radiazione solare entra in n, gli e- escono da n e rientrano in p

In condizioni di cortocircuito, la corrente Ij attraverso il diodo è trascurabile, quindi IG coincide con la

corrente di cortocircuito Icc. La tensione a vuoto Vo equivale al campo elettrico inverso alla giunzione.

Condizioni standard per la definizione delle prestazioni di una cella (secondo IEC):

●​ Irraggiamento/irradianza: 1000 W/m²

●​ Spettro fuori dall’atmosfera (AM-0)

●​ Temperatura della cella: 25°C

Potenza massima estraibile (Pmax) ottenibile alla tensione di

0.4-0.5 V per celle in Si cristallino: equivale all’area del rettangolo

massimo inscritto ←

L’irraggiamento è pari a 260 in questo caso (0.4 V),

2

quindi Pmax = 130 2

Il rendimento è dato da = 13%

Variazioni dell’irraggiamento (es. cielo annuvolato, sole che

tramonta) producono istantaneamente variazioni della Icc, ma

hanno scarsa influenza sulla tensione a vuoto Vo

Variazioni della temperatura (es. incremento) provocano un aumento della Icc, ma anche una

riduzione marcata della Vo e quindi della Pmax

Coefficienti tipici di temperatura:

−2 ° −1

-​ / = 0. 1 −1

-​ / = − 2. 2 ° −1

-​ / = − 0. 5%°

A causa di queste variazioni, varia la resistenza di carico per la quale la cella eroga la massima

potenza alle condizioni date: per massimizzare la potenza estratta è necessario un inverter detto

Maximum Power Point Tracking (MPPT).

es. Pannelli Fotovoltaici Commerciali: Moduli Sharp (Si policristallino)

●​ 60 celle

●​ Potenza di picco: 230 Wp, 220 Wp, 210 Wp

●​ Efficienza: 14.3% – 15.7%

Condizioni operative tipiche: moduli con potenze tra 150 e 250 Wp

●​ Tensione operativa: qualche decina di volt

●​ Corrente operativa: qualche ampere

Fattori che Influenzano il Rendimento Reale di una cella

●​ Schermatura del contatto frontale: caratteristica costruttiva tra la capacità di raccogliere e- e

schermare (perdite ~10%)

●​ Riflessività della superficie frontale: una parte della radiazione incidente viene riflessa dalla

superficie (perdite ~3%, ridotte con coating).

●​ Assorbimento incompleto della radiazione: fotoni con energia inferiore al gap non generano

corrente, quindi più alto è il gap, maggiori sono le perdite

●​ Dissipazione dell’energia in eccesso al gap energetico in calore: minore è il gap, minori sono

le perdite → considerando questo punto e quello prima, per una cella al Si cristallino con gap

1.1 eV, si riesce ad usare il 44% dell’irradiazione solare totale incidente!

●​ Perdite di raccolta: non tutti le cariche generate diventano e- utili che generano corrente (~5%

di perdite per celle di alta qualità)

●​ Perdite sulla giunzione e sui contatti (resistenza in serie).

●​ Riduzione della tensione a vuoto Vo e della corrente di corto circuito Icc

●​ Fattore di curva (Pmax < Vo · Icc)

●​ Invecchiamento delle celle

Il massimo rendimento teorico per una cella a Si cristallino è pari a 30-32%.

Se esposta alle condizioni standard (vedi sopra), eroga una corrente di circa 3 A alla tensione di

0.5-0.6 V con una potenza di 1.4 Wp (nelle applicazioni è necessario un collegamento in

serie/parallelo delle celle; sul mercato sono disponibili moduli fotovoltaici con potenze maggiori).

Il rendimento “ideale” in queste condizioni è intorno al 20%, ma in condizioni medie (non standard; es.

spettro della radiazione a terra, T più alte di 25°C) il rendimento è compreso tra 11 e 15%:

Celle a giunzione multipla (es. GaInP,

InGaAs, Ge): il loro rendimento arriva fino

a 40% in laboratorio (usate in ambito di

ricerca o spaziale) → i fotoni a + alta

energia vengono assorbiti nello strato più

superficiale (GaInP), quelli a + bassa

energia negli strati inferiori (Ge)

Evoluzione della Tecnologia Fotovoltaica

Dal 2017 la produzione dei pannelli si è concentrata in paesi come Cina e Taiwan che ne costruiscono

il 70%. Il 15% è costituito da Sud-Est asiatico e India. Per l’Europa 3,1%, per Usa e Canada 3,7%.

Il 95% dei pannelli prodotti è pannelli Wafer al Si rigidi. Di questa percentuale il 62% è policristallino

(meno costoso ma con rendimenti peggiori). Il 5% rimanente sono pannelli a film sottili.

Record di laboratorio registrano rendimenti: • Si,mono = 26,7% • Si,poli = 22,3% • film sottili = 8%

Negli ultimi dieci anni l’efficienza dei pannelli Wafer Si commerciali è aumentata dal 12 al 17%.

La quantità di Si usato per costruire una cella si è ridotta da 16 g/Wp a 4 g/Wp.

Anche l’Energy Payback time (tempo di produzione di energia per recuperare la quota persa) si è

ridotto notevolmente. In Nord Europa servono 2,5 anni di produzione fotovoltaica per recuperare,

mentre nel Sud Europa 1,5 anni o meno. La vita media di un pannello è di circa 10-15 anni.

Il record assoluto di rendimento di conversione è stato raggiunto nel 2015 da un pannello a giunzione

quadrupla ϱ = 46%: i costi elevati ne hanno impedito lo sviluppo ulteriore

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Impianto fotovoltaico domestico: elementi di base

- pannelli fotovoltaici (moduli)

- protezioni

- inverter (trasforma la corrente da continua ad alternata con MPPT

integrato = maximum power point tracking → l'impianto produce + o -

potenza di quella richiesta, collegandolo alla rete questo può prelevare o

erogare potenza alla rete)

- contatore bidirezionale

- cablaggio

Impianto fotovoltaico stand alone (ad isola)

Modalità di installazione quando l’utenza è sprovvista di allaccio alla

rete elettrica: l’energia prodotta dai fotovoltaici va a servire le utenze

attive e l’energia in eccesso rispetto alla domanda viene

immagazzinata in batterie di accumulo fino a completa carica.

Quando le batterie sono completamente cariche, l’eventuale energia

prodotta in eccesso viene persa e dissipata in calore.

→ le batterie vanno a servire le utenze di notte quando la generazione

fotovoltaica è inferiore!

Spesso quando l’utenza non è collegata alla rete, l’energia elettrica è

generata da un mix di tecnologie rinnovabili, integrata da generatori

diesel per compensare le lacune

Impianto fotovoltaico connesso alla rete nazionale

L’energia generata dai fotovoltaici va direttamente all’utenza domestica collegata.

Se non c’è richiesta in quel momento, l’energia prodotta attraversa il contatore bidirezionale E1 e

viene immessa in rete nazionale. Il contatore, essendo a 2 direzioni, misura il flusso di energia

immessa in rete (Eimm) e quello prelevato dalla rete (Epre).

Il secondo contatore E2, contatore di produzione, misura tutta l’energia prodotta dall’impianto

fotovoltaico (Egen)

Costi di impianto

Dal 1990 al 2018 i prezzi per l’installazione completa di fotovoltaici sono diminuiti da 14000 €/kWp a

1000 €/kWp. Negli ultimi 30 anni il prezzo dei moduli si è ridotto del 24% ad ogni raddoppio della

produzione cumulata, per effetto di economia di scala e miglioramenti tecnologici.

Il costo di impianto completo è più alto per impianti di piccola taglia che di grande taglia, sommando:

-​ costo dei moduli

-​ costo di tutti gli altri elementi (progettazione, installazione, inverter, cavi e quadri)

→ il prezzo che si paga dipende più dalle condizioni di contorno che dal costo dei moduli stessi!

Il costo di produzione di energia elettrica varia in funzione del luogo e del costo dell’impianto: la

riduzione del prezzo è stata consistente negli ultimi anni (oggi il costo attualizzato del fotovoltaico in

Italia è 0.08 €/kWh per impianti di grande taglia e 0.17 €/kWh per impianti di piccola taglia).

PVGIS = photovoltaic geographical information system = data base informatico che fornisce per

esempio l’irraggiamento solare medio su una superficie (es. a Padova l'irraggiamento medio annuale

su una superficie orizzontale è di 1400 kWh)

↓

Progetto di massima di un impianto fotovoltaico

I dati necessari per il dimensionamento di un impianto fotovoltaico sono:

-​ località

-​ consumo annuo di energia elettrica (kWh)

-​ orientamento ed inclinazione della superficie captante

Se la superficie di captazione non è orizzontale, l’irraggiamento medio va moltiplicato per un

coefficiente correttivo che tiene conto dell’inclinazione: bisogna scegliere la condizione ottimale che

permette di massimizzare tutto l’anno il rendimento del pannello → a Padova questa condizione è

rivolgere il pannello verso Sud con inclinazione di 40°C!

Ci sono poi due rendimenti da considerare per calcolare il rendimento complessivo:

-​ rendimento nominale dei moduli fornito dal costruttore in condizioni standard (per moduli in

silicio mono e poli = 13-15%, in Silicio amorfo = 5-7%)

-​ rendimento di conversione: rapporto tra energia elettrica in AC fornita all’utente realmente ed

energia elettrica fornita in DC (corrente continua) ai morsetti dei moduli fotovoltaici in

condizioni nominali (si può assumere valga 85 ÷ 90%)

Un altro fattore fondamentale da conoscere è l’energia elettrica da produrre, spesso non è

conveniente produrre l’intero consumo energetico con l'impianto fotovoltaico, si valuta una

percentuale di integrazione (quota energetica fotovoltaica che si intende generare rispetto ai consumi

annuali, di solito tra 60 e 80%). Si valuta poi la superficie necessaria (1.4-1.6 m^2) e quindi il numero

di pannelli necessari. Infine si calcola il costo finale dell’impianto completo che si aggira intorno a

1200-1500 €/kWp.

ESEMPIO (ipotesi)

-​ località