Fotovoltaico - seconda parte

OC

passa corrente si riduce a 0.5V) occorrevano 18V per fornire la sovratensione

necessaria a caricare le batterie. Questa convenzione è rimasta.

Le prime celle fotovoltaiche venivano realizzate a partire dall’industria dei chip

e per evitare tensioni residue i blocchi di silicio si facevano cilindrici (sezione

circolare) con 10cm di diametro. La forma rettangolare o quadrata permette

invece di fare celle più grandi (seppur più complesso per tensioni residue)

Per evitare di avere dispersioni sovradimensiono l’impianto. Se voglio 380V lo

faccio da 800v (oltre non si va mai per problemi di scarica elettrica a terra)

Il comportamento elettrico di una cella può essere rappresentato con un

circuito elettrico equivalente: Quindi una parte degli

elettroni si ricombina all’interno del silicio dando luogo alla corrente di diodo

Id (non riesce ad uscire dalla cella quindi è una perdita). Un’altra parte degli

elettroni si scarica a terra dando luogo alla corrente di dispersione Ii (altra

perdita). La diffusione di elettroni verso massa dipende da Gi (conduttanza di

dispersione). Bisogna poi considerare i cavi che danno una resistenza Rs (tra

0.05 e 0.1Ω) per cui la V di uscita è minore della V prodotta dalla giunzione

(=0.7V). Rs dipende dallo spessore della giunzione P-N, dalle impurità presenti

nel materiale. La corrente che può essere erogata al carico è I = Ig – Id – Ii.

Idealmente si vorrebbe avere I quindi R minima e R max (chiamata

max s i

resistenza di shunt) così da evitare dispersioni a terra. Col passare degli anni

G aumenta per il deterioramento dei materiali e le prestazioni del pannello

i

peggiorano. Per questo ogni 10 anni i pannelli vengono cambiati.

V è la tensione a vuoto, quando la cella non è collegata al carico ed è il

OC

massimo V che si può ottenere (per il silicio 0.7V).

Le celle fotovoltaiche sono caratterizzate dalla seguente curva caratteristica:

dove I la corrente di

SC

corto circuito e V la tensione a circuito aperto. P punto in cui è massimo il

OC M

prodotto VI (fornito dal costruttore). La forma della curva è legata alla tipologia

di cella. La cella migliore è quella che riesce ad erogare una I costante al

variare di V. Ciò non è possibile e l’allontanamento dalla situazione ideale è

quantificato dal Fill Factor bisogna avere FF > 0.75 almeno.

Per valutare le prestazioni di una cella o di un pannello bisogna fare le prove

con una distribuzione spettrale che sia di riferimento per tutti. A tal proposito la

norma CEI 82-3 definisce un valore di distribuzione spettrale pari ad AM = 1.5;

Irraggiamento solare = 1000 W/m ed una temperatura della cella di

2

25 gradi. Queste 3 condizioni rientrano nelle STC (Standard Test Conditions). Il

rendimento energetico nominale della cella, efficienza nominale:

al posto della P posso mettere I e V (tengo conto

STC M M

delle perdite, il denominatore non tiene conto delle perdite della cella). Per

una cella il rendimento è 0.24 circa, che scende per celle in serie (il pannello)

a 0.15.

ATTENZIONE: FF e η NON sono uguali! Il primo ci dà indicazione di quanto la

cella

cella abbia comportamento ideale (curva I-V), il secondo quanta potenza estrae

rispetto al caso ideale.

La potenza radiante fa scendere moltissimo la corrente di corto circuito, mentre

il voltaggio a vuoto diminuisce ma più lentamente

La temperatura modifica in maniera riduttiva la potenza massima

La temperatura di lavoro della cella gioca un ruolo fondamentale; il costruttore

fornisce un valore nominale (Nominal Operating Cell Temperature (NOCT)

tabulato), in genere compreso fra 41 e 50 [°C], che rappresenta la temperatura

raggiunta dalla cella quando sottoposta ad un irraggiamento di 800 [W/m2 ],

con una temperatura dell’aria di 20 [°C], una velocità del vento di 1 [m/s] ed

uno spettro di radiazione AM1.5 . Tanto più piccolo è il NOCT tanto migliore è la

qualità della cella, poiché indica una buona capacità di conversione energetica

ed un buon smaltimento del calore. dove Ta è la

temperatura dell’aria intorno alla cella e Gp radiazione solare incidente sulla

cella in quel momento. Oppure la formula di variazione di V al variare della

OC

Tcella con N numero di celle del pannello e β coefficiente termico (intorno a

0.15)

Variazione percentuale di potenza nominale associata ad una temperatura della

cella diversa da 25 [°C]:

C = carico termico, fornita dal costruttore.

T

La potenza di targa quindi è:

dove “0.08” viene inserito per tenere conto delle perdite eventuali di

collegamento e di lavoro del pannello.

CELLA FOTOVOLTAICA

Il Diossido di Silicio è il costituente principale delle Celle in Silicio Cristallino, la

sabbia viene fusa insieme a Polverino di Carbone e si ottiene un Silicio al 98%

di purezza. Possiamo avere celle formate da:

Silicio monocristallino vuol dire che tutti gli atomi dell’unico grano

 

sono orientati nella stessa direzione. Creo i wafer e li drogo con boro e

fosforo; a questo punto aggiungo i contatti elettrici e metto uno strato di

materiale antiriflesso (la cella diventa di colore blu scuro o nero,

altrimenti rimane grigia) Efficienza 15-18%

Silicio policristallino i grani del reticolo cristallino sono orientati in

 

direzioni differenti che creano discontinuità al passaggio degli elettroni. Il

raffreddamento è più rapido e costo più basso ma meno efficienza della

cella (13-15%).

Silicio amorfo struttura ancora più disordinata. costo molto basso ma

 

bassa efficienza (5-8%), usata in dispositivi come calcolatrici e orologi.

Celle CDTE (Tellururo di Cadmio) dato che il rendimento massimo col

 

silicio non può essere superiore mai al 26% (per caratteristiche

intrinseche del materiale), si è provati a usare celle di materiale

differente. Il bandgap è di 1.45 eV (riesco a prendere più frequenze di

radiazione quindi sfrutto di più la radiazione solare), ma sono poco

diffuse quindi processi costosi.

Celle ibride: nate per superare il limite di efficienza del 26%. Le celle

 ibride si basano sull’accoppiamento della giunzione P-N in silicio con

l’accoppiamento di un'altra giunzione di materiale differente

(eterogiunzione). Sfrutto quindi le sensibilità di materiali differenti a

lunghezza d’onda differenti (es: silicio + perovskite). I rendimenti sono

alti anche del 30%

Organic Cell per un impatto ambientale minore.

 

Per arrivare al 26% devo lavorare sulla purezza del silicio, sul rapporto

superficie esposta e superficie contatti

MODULO FOTOVOLTAICO

La sola cella fotovoltaica non presenta tensioni e correnti idonee ad essere

utilizzata per fini energetici (0.5-0.7 V e circa 1-5 A), è così indispensabile unire

elettricamente più celle per dare luogo ad un MODULO (un pannello classico),

all’interno del quale le celle sono combinate in SERIE, in PARALLELO o in

SERIE/PARALLELO. Il collegamento di serie consente di incrementare il voltaggio

complessivo del modulo, senza incrementarne la corrente diversamente, il

collegamento in parallelo incrementa la corrente di uscita senza modificare il

voltaggio complessivo.

Quindi la tensione di uscita di un MODULO è generata dalla messa in serie di un

numero elevato di CELLE, pertanto, qualora una delle celle del modulo venisse

ombreggiata erogherebbe una minore quantità di corrente. Dato che le celle

sono in serie la corrente che circola è uguale per tutte le celle. La cella

ombreggiata fa abbassare la corrente che circola in tutte le altre celle in serie e

non solo: le celle soleggiate creano energia elettrica, che viene assorbite dalla

cella ombreggiata, che è diventata un vero e proprio CARICO; tutto ciò porta un

graduale aumento della temperatura di quest’ultima (HOT-SPOT) con

conseguente riduzione anche del voltaggio di uscita ma, soprattutto, con la

possibilità che la cella si rompa per soprariscaldamento. Per contenere tale

problema è pratica consolidata quella di porre in parallelo ad un certo numero

di celle dei DIODI di BYPASS così che la zona ombreggiata venga by-passata e,

seppur minore, venga garantita una potenza di uscita accettabile.

Ovviamente il diodo va dimensionato in base alla corrente circolante

nell’impianto. Inoltre, non posso metterne quanti ne voglio a causa degli

ingombri e del V che un diodo prende 0.5V essendo esso stesso una giunzione

P-N. I diodi sono posizionati all’interno della SCATOLA DI GIUNZIONE, posta sul

retro del modulo che contiene da 2 a 6 diodi di by-pass.

GENERATORE FOTOVOLTAICO

Per innalzare il voltaggio di uscita dell’impianto vengono collegati più moduli in

serie creando così una stringa di moduli. Il voltaggio di stringa è la somma

dei voltaggi dei moduli, mentre la corrente di stringa coincide con quella del

singolo modulo. Tuttavia, non posso superare gli 1000V altrimenti diventa

pericoloso per la scarica a terra. Dunque, potrei pensare di mettere i moduli in

parallelo così il voltaggio sarebbe lo stesso per tutti i moduli ma così facendo le

perdite di rete associate al trasporto diventano enormi. Il giusto compromesso

quindi è dato dalle disposizioni di più stringe poste in parallelo creando un

CAMPO fotovoltaico.

L’insieme di tutti i campi è chiamato generatore fotovoltaico. Qualora una

stringa andasse in OMBRA ci sarebbe una riduzione marcata della corrente da

essa erogata, in tal caso la stessa diventerebbe un CARICO ed assorbirebbe

parte della corrente erogata dalle altre stringhe connesse allo stesso campo.

Per evitare ciò è opportuno che ogni stringa sia dotata di un DIODO DI BLOCCO

che impedisca alla corrente di circolare in verso opposto che sia

opportunamente dimensionato (2V della stringa e 1.25I ). La presenza del

OC SC

diodo comporta una perdita di 0.5V e 0.3% di corrente persa. A proteggere il

sistema da correnti elevate sui cavi di stringa ci sono dei fusibili di stringa. Sia i

DIODI di STRINGA che i FUSIBILI di STRINGA sono contenuti all’interno del

QUADRO DI CAMPO (o scatola di campo), insieme agli interruttori di manovra

ed agli Scaricatori di Tensione (SPD), quest’ultimi necessari in caso di

sovratensione dovuta a fulminazione. I cavi elettrici devono resistere a climi

ostili (T fino a 100gradi, neve pioggia ecc.…). Prendono il nome di cavi solari

identificati con la sigla FG21M21. Utilizzati per il collegamento in serie dei

pannelli terminano nelle scatole di campo (quadro elettrico) (funzionano con T

tra -40 e 90), mentre la T massima raggiunta dal cavo è di 70 gradi.

esterna