Sistemi fotovoltaici

SISTEMA FOTOVOLTAICO

Il sistema fotovoltaico è un insieme di componenti elettrici, elettronici e meccanici che concorrono a captare e trasformare l'energia solare disponibile, rendendola utilizzabile dall'utenza in energia elettrica. L'effetto fotovoltaico Quando un fotone viene assorbito da un materiale, la sua energia viene ceduta a un elettrone del reticolo cristallino. Normalmente questo elettrone è nella banda di valenza ed è strettamente impegnato nei legami covalenti tra atomi adiacenti, e quindi impossibilitato ad allontanarsi. L'energia trasferita ad esso dal fotone lo eccita a passare nella banda di conduzione, dove è libero di muoversi. È necessario che il fotone abbia un'energia maggiore del gap di energia di banda perché possa eccitare un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Il legame covalente di cui prima l'elettrone era una parte ha adesso un elettrone in meno. La presenza dibatterie o altre fonti di energia esterne.fluttuazioni termiche. Quando un flusso luminoso investe invece il reticolo cristallino di un semiconduttore, si verifica la transizione in banda di conduzione di un certo numero di elettroni al quale corrisponde un uguale numero di lacune che passa in banda di valenza. Si rendono pertanto disponibili portatori di carica, che possono essere sfruttati per generare una corrente. Per realizzare ciò è necessario creare un campo elettrico interno alla cella, stabilendo un eccesso di atomi caricati negativamente (anioni) in una parte del semiconduttore ed un eccesso di atomi caricati positivamente (cationi) nell'altro. Questo meccanismo si ottiene mediante drogaggio del semiconduttore che generalmente viene realizzato inserendo atomi del terzo gruppo come ad esempio il boro e del quinto gruppo (fosforo) per ottenere rispettivamente una struttura di tipo p (con un eccesso di lacune) ed una di tipo n (con un eccesso di elettroni). A questo punto, se viene illuminata con fotoni laluce è solitamente realizzata con una griglia di sottili strisce metalliche, chiamate busbar, che permettono di raccogliere la corrente generata dalle celle fotovoltaiche. Queste busbar sono collegate tra loro tramite delle strisce metalliche chiamate fingers, che permettono di ridurre la resistenza elettrica e migliorare l'efficienza del modulo fotovoltaico. Inoltre, sulla faccia esposta vengono applicati dei materiali antiriflesso per aumentare l'assorbimento della luce e migliorare la resa del modulo.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. Caratteristica tensione-corrente nella cella FV Variazione della caratteristica V-I Efficienza delle celle fotovoltaiche L'efficienza di trasformazione dell'energia solare in energia elettrica è data dal rapporto tra la potenza elettrica in uscita (P) e la potenza della radiazione solare incidente. Ovviamente entrambe cambiano in funzione delle condizioni di irraggiamento solare (I). Per avere un riferimento fisso, si usano le condizioni standard di insolazione (1000 W/m2). Si indica con I la densità di irradiazione solare al modulo stesso in condizioni standard (STC). Si può scrivere la relazione: I = STC I è riferita anche ad una data temperatura di funzionamento (T=25°C) e P prende il nome di POTENZA DI PICCO. Infatti, la potenza erogata dalla cella,

A parità di intensità di radiazione, varia al variare della temperatura della cella. Dove C è il coefficiente di temperatura per la potenza e viene comunicato dal costruttore; i suoi valori sono negativi, solitamente compresi tra -0,35 e -0,5%/°C. Quindi, ogni 10 gradi di temperatura in più, la potenza si riduce tra il 3,5 e il 5%.

Tipologie 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)

Campo fotovoltaico: insieme di moduli fotovoltaici opportunamente collegati elettricamente per realizzare le condizioni operative desiderate. Impianto 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 (esempio: in una serie di pannelli la corrente è limitata dal pannello che eroga la corrente più bassa; in un parallelo la tensione è limitata dal pannello che eroga la tensione più bassa) - Scelta della tensione di esercizio - Scelta delle strutture di sostegno - Distanza minima tra le file dei pannelli per non avere ombreggiamento - Connessioni elettriche Un gruppo di pannelli può essere collegato elettricamente: - In serie: se si vuole aumentare il livello di tensione, mantenendo costante la corrente.

corrente• nei rami;

In parallelo: se si vuole aumentare la corrente, tenendo tutti i componenti alla stessa• tensione;

Sistemi autonomi

I sistemi autonomi (stand-alone) vengono normalmente utilizzati per elettrificare le utenze difficilmente collegabili alla rete perché ubicate in aree poco accessibili, e per quelle con bassissimi consumi di energia che non rendono conveniente il costo dell’allacciamento. Tale tipo di sistema è caratterizzato dalla necessità di coprire la totalità della domanda energetica dell’utenza (impianto casalingo).

Gli elementi che costituiscono un sistema fotovoltaico autonomo sono:

• i moduli fotovoltaici;
• il sistema di accumulo (batterie);
• il regolatore di carica;

Essendo la corrente generata dal sistema fotovoltaico una corrente continua, se il carico prevede l’utilizzo di apparecchiature che richiedono corrente alternata, diventa necessario l’inserimento di un convertitore c.c./a.c. (inverter).

Le batterie accumulano l'energia elettrica prodotta dai moduli FV e consentono di differire nel tempo l'erogazione di corrente al carico; in sostanza garantiscono l'erogazione di energia elettrica anche nelle ore di minore illuminazione o di buio.

Il regolatore di carica è l'elemento che regola i passaggi di corrente tra moduli e batterie e tra batterie e carico; la sua funzione principale è quella di proteggere le batterie da fenomeni di carica e scarica profonda.

I sistemi fotovoltaici connessi alla rete possono scambiare energia elettrica con la rete elettrica locale o nazionale. Il principio della connessione alla rete è quello dello scambio in due direzioni di energia elettrica: se la produzione del campo FV eccede per un certo periodo il consumo, l'eccedenza viene inviata alla rete. Nelle ore in cui il generatore non fornisce energia elettrica sufficiente per soddisfare il carico, l'elettricità è

Acquisita dalla rete. Questo meccanismo è reso possibile dalla presenza di due contatori che contabilizzano l'energia scambiata nelle due direzioni. In tali sistemi è necessaria la presenza dell'inverter che converte la corrente elettrica continua generata in alternata.