Sistemi fotovoltaici – Appunti completi

Sistemi Fotovoltaici

Appunti Universitari

L.G.S.

Indice

1 Problema Energetico 1

1.1 Conservazione dell’energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Consumo d’energia umano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Tre sfide del problema energetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.4 Conversione energetica e vettori rinnovabili . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.5 Il ruolo dell’elettricità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Stato e prospettive della tecnologia fotovoltaica 5

2.1 Breve storia delle celle solari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2 Potenza fotovoltaica installata a livello globale e in Italia . . . . . . . . . . 6

2.3 Produzione e quote di mercato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.4 Curva di apprendimento FV e costi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.5 Generazione elettrica Non-Fossile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3 Principio di funzionamento delle celle solari 11

3.1 Effetto fotoelettrico e fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.2 Il processo fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.3 Meccanismi di Perdita e Generazione FV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.4 Materiali per il fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4 Radiazione Solare e Radiometria 15

4.1 Il Sole e le proprietà radiometriche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.2 Modello del Corpo Nero e Spettri Solari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.3 Effetti di attenuazione atmosferica e Air Mass . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.4 Standard Test Conditions (STC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

5 Generazione e Ricombinazione delle coppie elettrone-lacuna 21

5.1 Generazione Vs. Ricombinazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

5.2 Bandgap diretto e indiretto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

5.3 Interazione Luce - Semiconduttore e Assorbimento . . . . . . . . . . . . . . 23

5.4 Tasso di Generazione Ottica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.5 Meccanismi di Ricombinazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.6 Vita Media e Lunghezza di Diffusione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

6 Parametri e circuito equivalente di una cella solare 29

6.1 Struttura della cella solare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.2 Caratteristica J-V al buio e illuminata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

6.3 Convenzione sui segni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

6.4 Parametri fondamentali della cella solare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6.5 Circuito equivalente (Modello a 1 diodo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6.6 Effetti delle resistenze parassite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6.7 Modello a 2 diodi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

6.8 Punto di lavoro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

7 Limiti di efficienza e perdite nelle celle solari 39

7.1 Spectral Mismatch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

7.2 Il limite reale: Shockley-Queisser (SQ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

7.3 Perdite ottiche reali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

7.4 Perdite di collezione (Elettriche) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

7.5 Efficienza quantica interna totale e relazione con l’efficienza quantica esterna 45

7.6 Altre Perdite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

7.7 Regole di progettazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

7.8 Struttura della cella e passivazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

8 Moduli Fotovoltaici 53

8.1 Definizione e gerarchie dei sistemi fotovoltaici . . . . . . . . . . . . . . . . 53

8.2 Connessioni serie e parallelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

8.3 Parametri del modulo fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

8.4 Effetti di mismatch (disadattamento) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

8.5 Diodi di Bypass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

8.6 Fabbricazione dei moduli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

8.7 Test di vita e affidabilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

9 Sistemi fotovoltaici 61

9.1 Tipi di sistemi fotovoltaici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

9.2 Componenti dei sistemi fotovoltaici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

9.3 Maximum Power Point Tracking (MPPT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

9.4 Inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

9.5 Domanda di carico e batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

9.6 Design di un sistema fotovoltaico stand-alone . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

9.7 Applicazioni fotovoltaiche innovative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Capitolo 1

Problema Energetico

1.1 Conservazione dell’energia

Tutti i fenomeni naturali noti sono governati dalla legge di conservazione dell’energia.

Questo principio ritenuto esatto senza eccezioni conosciute, stabilisce che esiste una

quantità numerica che non cambia ( si conserva sempre) in tutte le trasformazioni che la

natura subisce.

L’energia è, per sua natura, un’idea estremamente astratta e un principio matematico.

Sebbene i fisici non abbiano una conoscenza definitiva di cosa sia esattamente l’energia

o un "immagine" concreta del suo meccanismo, esistono formule precise che, sommate,

danno sempre lo stesso numero.

L’energia si manifesta in una vasta gamma di forme, tra cui l’energia gravitazionale,

cinetica, termica (calore), elettrica, chimica o nucleare.

Nel linguaggio comune si parla di perdite energetiche, ma in realtà, sono trasformazioni

d’energia, la quale si converte in forme che non sono utili allo scopo desiderato (spesso

calore disperso).

Definizioni e unità

La comprensione del problema energetico richiede la padronanza delle definizioni fisiche di

base: Forza (F):

• Qualsiasi influenza che altera il moto di un oggetto, definita dalla seconda

legge di Newton come il prodotto della massa per l’accelerazione:

2

∗

= [N ] 1 = 1kg

F ma N ewton m/s

Energia (E):

• Il prodotto della forza per la distanza, che rappresenta la capacità di

compiere lavoro: Z ∗

= (s) [J] 1 = 1N

E F ds Joule m

1

Potenza (P):

• La quantità d’energia consumata o trasferita per unità di tempo:

dE [W ] 1 = 1J/s

= W att

P dt

Le grandi quantità d’energia scambiate nel mercato energetico sono tipicamente espresse

6

∗ ∗ ∗

in kiloWattora [kW dove 1 corrisponde a 1kW 3600s = 1 3.6 10 Al

h], kW h J.

contrario, nella fisica dello stato solido e a livello microscopico, per le piccole quantità si

∗,

usa l’elettronvolt dove 1 corrisponde a 1V per la carica elementare

eV eV q

−19

→ ∗ ∗

1eV = 1V = 1.6 10

q J.

1.2 Consumo d’energia umano

Il corpo umano stesso richiede energia per il suo funzionamento; In media, un individuo

necessita di circa 10M di energia al giorno (equivalenti a circa 2.4kcal), che corrisponde

J

a una potenza media di circa 115.7W .

Tuttavia, il problema energetico su scala mondiale è amplificato da una profonda disugua-

glianza (GLOBAL INEQUITY!) nel consumo pro-capite.

Il consumo totale d’energia primaria e la potenza media utilizzata variano drasticamente a

seconda della posizione geografica.

Ad esempio, nel 2011 gli USA consumavano in media 81.642kW (9.319W/capita),

h/capita

mentre paesi come l’India si fermavano a 6.987kW (797W/capita). Questa marca-

h/capita

ta disparità, unita a una domanda superiore all’offerta è la causa principale del problema

energetico e comporta alti costi economici.

1.3 Tre sfide del problema energetico

Il problema energetico è una delle sfide più grandi del secolo ed è strettamente

XXI

correlato a tre questioni interconnesse:

Il problema domanda-offerta:

1. La domanda di energia è in costante aumento a causa di 2 principali fattori;

• La crescita della popolazione, si prevede che questa aumenti da 7 miliardi nel

2014 a 9 miliardi attesi nel 2040.

• Incremento degli standard di vita, in particolare in paesi molto popolati come

la Cina e l’India (che contano circa 2.5 miliardi di persone), c’è un continuo

miglioramento degli standard di vita, che si traduce in un maggiore utilizzo di

dispositivi, e quindi, in una maggiore richiesta di energia.

Ogni sbilanciamento tra domanda e offerta ha un immediato e significativo impatto

economico, come dimostrato dalle storiche fluttuazioni del prezzo del petrolio (si

pensi alla crisi petrolifera degli anni ’70 o alla crisi economica del 2008).

2

L’insostenibilità dei combustibili fossili:

2. I combustibili fossili (carbone, petrolio e gas naturale) costituiscono ancora oggi

la principale fonte d’energia, superando l’80% del consumo energetico primario

mondiale:

• Composizione energetica (2020): Le fonti fossili dominano il consumo energetico

primario con il petrolio al 31.2%, il carbone al 27.2% e il gas naturale al 24.7%.

Le fonti rinnovabili rappresentano solo il 5.7%.

Natura non rinnovabile: I combustibili fossili sono essenzialmente milioni di anni

• di energia solare immagazzinata come energia chimica. Sono considerati non

rinnovabili perché vengono esauriti molto più velocemente dagli esseri umani di

quanto si generino.

L’effetto serra e il riscaldamento globale:

3. La combustione di queste risorse rilascia i cosiddetti gas serra, in particolare l’anidride

carbonica (CO ), la cui quantità aggiuntiva prodotta dalle attività umane viene

2

assorbita (immagazzinata) negli oceani e nell’atmosfera.

I dati storici mostrano un drastico aumento della concentrazione atmosferica di CO

2

(espressa in a partire dall’inizio della rivoluzione industriale (1750). A maggio

ppmv)

2015, la concentrazione misurata aveva raggiunto 400.36ppm .

CO

2

L’effetto serra è un fenomeno naturale necessario per mantenere la temperatura della

terra.

• Naturale: La radiazione solare entra, parte del calore viene re-irradiato e la

maggior parte (More Heat) sfugge nello spazio;

• Potenziato dall’uomo: L’aumento dei gas serra (CO intrappola più

CH N O)

2 4 2

energia termica. Risulta che meno calore sfugge nello spazio, e una maggiore

quantità di calore viene rimessa e re-irradiata sulla terra, causando un aumento

della temperatura del pianeta.

L’aumento della è la causa del riscaldamento globale e dei conseguenti cambia-

CO

2

menti climatici. Le connessioni climatiche sono un sistema complesso di feedback

che porta a fenomeni come scioglimento di neve e ghiaccio, tempeste più forti, siccità

e cambiamenti nei pattern stagionali. La soluzione principale a questa problematica

è limitare la nell’atmosfera.

CO

2

1.4 Conversione energetica e vettori rinnovabili

∗

L’efficienza di un processo di conversione è definita come = (P ) 100 [%]. Poiché

η /P

out in

ogni processo comporta perdite intrinseche, l’efficienza non è mai al 100%, perciò un

enorme vantaggio è rappresentato dalle fonti che consentono una conversione diretta e

senza processi intermedi.

L’energia solare, ad esempio, è una fonte primaria (contrapposta a fonti secondarie come

l’elettricità) e può essere convertita direttamente.

3

Esempio del fossile:

• Lungo tutti i passaggi necessari per produrre l’elettricità dai combustibili fossili

(energia chimica) almeno il 50% dell’energia chimica iniziale disponibile viene persa

nelle fasi di conversione.

Figura 1.1: Conversione energetica

I vettori di energia rinnovabile sono definiti come quelle fonti che vengono ripristinate

attraverso processi naturali a un tasso comparabile o superiore al tasso di consumo umano.

• Le fonti di energia rinnovabile includono l’idroelettrico, l’eolico, le biomasse e l’energia

solare.

1.5 Il ruolo dell’elettricità

L’elettricità è una forma di energia secondaria, generata dalla conversione di fonti primarie

(fossili, nucleare e rinnovabili). E’ una forma energetica molto conveniente e controllabile,

che può messere trasportata in modo efficiente ed economico tramite una rete elettrica

con perdite relativamente piccole.

L’elettricità rappresenta circa il 17% di tutta l’energia secondaria consumata a livello

• mondiale.

• Nonostante la sua comodità, circa il 65% dell’elettricità mondiale è ancora generata

utilizzando combustibili fossili.

L’utilizzo della fonte primaria per generare l’elettricità, in percentuali, cambia da paese a

paese a seconda della disponibilità.

In Italia l’elettricità prodotta non è sufficiente al fabbisogno, dunque la maggior parte

viene importata, rendendoci dipendenti da altri paesi. Dunque l’energia rinnovabile, ci

consentirebbe di diventare maggiormente indipendenti.

4

Capitolo 2

Stato e prospettive della tecnologia

fotovoltaica

2.1 Breve storia delle celle solari

La tecnologia fotovoltaica, sebbene abbia raggiunto una maturità di mercato solo in

tempi recenti, affonda le sue radici in scoperte scientifiche risalenti a oltre due secoli fa,

dimostrando una lunga evoluzione concettuale e tecnologica.

1767: Il fisico svizzero non lavorò direttamente sull’elettricità, ma si

Horace Saussure

occupò di termica solare. Costruì delle "trappole di calore solare", costituite da cinque

scatole concentriche di vetro. Esposta alla radiazione solare, la scatola più interna raggiunse

◦

una temperatura massima di 108 dimostrando l’enorme potenziale termico dell’energia

C,

solare, tanto che "frutti. . . esposti a questo calore sono stati cucinati e sono diventati

succosi";

1839: Il vero punto di svolta concettuale fù raggiunto dal fisico francese Edmond Becquerel,

che all’età di 19 anni scoprì l’effetto fotovoltaico. L’esperimento fù condotto con una cella

elettronica, composta da due elettrodi di Platino, immersi in una soluzione conduttrice.

osservò che l’elettricità aumentava quando la cella era esposta al sole;

Becquerel

1876: Il professore del Kings collage in Inghilterra, insieme al

William Grylls Adams

suo studente dimostrò l’effetto fotovoltaico in una giunzione solida.

Richard Evan Day,

Utilizzarono una giunzione basata sul Platino e sul semiconduttore Selenio. Tuttavia, la

prestazione di conversione era ancora estremamente scarsa;

1883: L’inventore americano costruì la prima cella solare, la quale era

Charles Fritts

realizzata rivestendo il Selenio con un sottile strato di Oro, formando una giunzione.

L’efficienza di conversione raggiunse solo l’1%;

1887: Mentre indagava sulle onde elettromagnetiche il fisico tedesco scoprì

Heinrich Hertz

l’effetto fotoelettrico. Questo effetto comporta l’emissione di elettroni da una metallo

che ha assorbito luce con una frequenza superiore a una soglia specifica, dipendente dal

materiale; 5

1905: pubblicò il suo celebre articolo sull’effetto fotoelettrico. Per spie-

Albert Einstein

gare questo fenomeno egli postulò che l’energia luminosa fosse trasportata in "pacchetti

quantizzati di energia", che oggi chiamiamo fotoni. Per questo lavoro, ricevette il

Einstein

premio Noble nel 1921;

1918: Il chimico polacco sviluppò un metodo per far crescere materiali

Jan Czochralski

cristallini di alta qualità. Questa tecnica è oggi importante per la crescita del Silicio

monocristallino utilizzato nelle celle solari in ad alta efficienza;

c-Si

1954: La svolta cruciale per la moderna tecnologia fotovoltaica avvenne negli USA. Gli

scienziati presso i Bell Labs, svilupparono

Daryl Chapin, Calvin Fullere e Gerard Pearson,

la prima cella solare a giunzione in Silicio. Questa cella raggiunse un’efficienza di

pn

conversione di circa il 6%, un valore molto promettente per l’epoca;

Sviluppo post-silicio:

Dopo l’introduzione del Silicio come semiconduttore alla fine degli anni ’50 , molte aziende

iniziarono a produrre celle solari basate su questo elemento. Le prime applicazioni furono

per le apparecchiature di telecomunicazioni in remoto e soprattutto per i satelliti.

La crisi petrolifera degli anni ’70, indotta dall’embargo OPEC, stimolò gli investimenti

per lo sviluppo della tecnologia fotovoltaica e le sue applicazioni terrestri.

Dalla fine degli anni ’70 e per tutti gli anni ’80, molte aziende iniziarono a sviluppare

moduli e sistemi FV per applicazioni terrestri.

Dagli anni ’90 le considerazioni ecologiche ed economiche sono diventate la forza trainante

principale nella promozione dell’energia solare FV.

2.2 Potenza fotovoltaica installata a livello globale e

in Italia

La potenza FV installata a livello mondiale ha registrato una crescita esponenziale con

un tasso di crescita annuo del 40% circa. Entro la fine del 2007, la capacità cumulativa

installata a livello globale aveva superato i 9200 (rispetto ai 1200 della fine del

M W M W

2000), una crescita accelerata anche grazie a politiche tariffarie favorevoli.

La quota maggiore è stata raggiunta dalla Cina, seguita dall’Europa e dall’Asia-Pacifica

(principalmente