Appunti Tecnica ed economia dell'energia

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questo punto la corrente circolante nel diodo IJ diventa diversa da zero. −

Ricaviamo ora la corrente del carico IL = IG Ij .

Fino a che IL = 0 il che vuol dire che tutta la corrente circola nel diodo. La

caratteristica così ottenuta è quella di un nuovo bipolo con corrente I

costante fino a V = 0,4V, per poi decrescere a zero. Le condizioni standard a

cui è fatta funzionare la cella sono quelle di un irraggiamento pari a

1000W/m2 e t = 25°C, spettro fuori dall’atmosfera (AM0). Un impianto si

misura con la potenza di picco.

La potenza massima estraibile dalla cella è pari all’aerea del rettangolo

massimo inscritto nella caratteristica. Per una cella a Si cristallino l’estremo

÷

di Pmax si ottiene con V = 0, 4 0, 5 V e I =260 A/mm2 Pmax risulta 130 W/m2.

Il rendimento della cella è pari a η = Pmax / Irraggiamento = 13%. Lavoro con la max potenza erogabile.

Se varia l’irraggiamento (es. cielo si annuvola, sole tramonta) varia proporzionalmente la corrente generata, mentre la tensione

a vuoto varia di poco. Se lasciassi il valore di resistenza del carico invariato, l’intercetta con l’origine intersecherebbe la nuova

caratteristica in un valore di tensione non ottimale. Si adotta così un inverter che permette di adattare il valore dell’impedenza

del carico in modo che segua la massima potenza estraibile. Tale strumento di controllo viene chiamato Maximum Power Point

Tracking (MPPT). Può, inoltre, variare la temperatura t, riducendo la tensione a vuoto e perciò la Pmax con un modesto aumento

di Icc.

Rendimento di una cella fotovoltaica

Il rendimento di una cella fotovoltaica dipende da una serie di fattori:

• Schermatura del contatto frontale: caratteristica costruttiva tra la capacità di raccogliere elettroni e schermare, perdite

circa del 10%.

• Riflessività: tutta la luce solare può essere riflessa, da evitare opacizzando o rigando la superficie, perdite associate

circa del 3%.

• Assorbimento incompleto dell’irradiazione solare: i fotoni con energia inferiore al gap non producono corrente elettrica

. Più alto è il gap maggiori sono le perdite associate a tale effetto.

• Utilizzazione parziale dell’energia dei fotoni: l’energia in eccesso rispetto al gap viene dissipata in calore, più alto è il gap

minore è la dissipazione. Considerando questi due ultimi fattori nel caso del Si con gap 1.1 eV si riesce ad utilizzare il

44% dell’irradiazione solare totale incidente.

• Perdite di raccolta: non tutte le cariche generate diventano elettroni utili che circolano e creano corrente, perdite del

5%.

• Riduzione della tensione a vuoto V0: rispetto a quella che corrisponderebbe al campo rovescio Ep

• Perdite su una giunzione e sui contatti: rappresentate dalla R in serie al circuito.

• Fattore di curva: Pmax < V0 * Icc.

• Invecchiamento delle celle

Il massimo rendimento teorico per una cella fotovoltaica a Si cristallino (singola giunzione) è pari al 30% - 32%.

In condizioni standard (AM0, irradianza pari a 1000 W/m^2, temperatura di 25°C) i rendimenti massimi misurati si aggirano

attorno a questi valori:

- Si monocristallino η ≈ 20%.

- Si policristallino η ≈ 15%.

Cella fotovoltaica a giunzione multipla

I fotoni più energetici vengono assorbiti nello strato più

superficiale (GaInP). I fotoni meno energetici vengono

assorbiti negli strati più inferiori (Ge). Il rendimento di

queste celle arriva al 40 %, tuttavia i costi estremamente

elevati di questa tecnologia lo rendono poco competitivo

e utilizzato solo in ambiti di ricerca o spaziali.

Sviluppo tecnologia fotovoltaica (dare una letta)

Dal 2017 la produzione dei pannelli fotovoltaici si è

concentrata in paesi come China e Taiwan che ne

costruiscono il 70%. Il 15% è costruito dal Sud-Est Asiatico

e dall’India. Per l’Europa rimane un 3,1% e per Usa e Canada i 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.

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

principalmente usati in satelliti che permettono di raggiungere rendimenti del 40%, ma l’estrema precisione richiesta per queste

applicazioni le rende troppo costose per applicazioni diffuse. La quantità di materiale usato per costruire una cella si è ridotto 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 ripagarsi, 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

η

2015 da un pannello a giunzione quadrupla = 46%. I costi elevati ne hanno impedito lo sviluppo ulteriore.

Impianto fotovoltaico domestico

Per un impianto domestico vengono impiegati più pannelli in serie o in parallelo a

seconda delle potenze richieste. Nell’impianto è presente un inverter che trasforma

la corrente continua in alternata con MPPT integrato, considerando l’utenza con

carico variabile. La generazione fotovoltaica dipende dall’irraggiamento solare,

variabile ogni ora, però si può prevedere la produzione sulla base di un database.

Nel caso di impianti STAND ALONE, detti “AD ISOLA” scollegati dalla rete si

prevedono un insieme di sistemi di accumulo che intervengono in qualsiasi meteo e

stagione. L’eventuale energia prodotta e non usata, quando le batterie sono

cariche, viene persa e dissipata. Le batterie andranno a servire le utenze di notte o

in caso di generazione inferiore alla domanda. Si può essere un mix di tecnologie

rinnovabili integrati con generatori Diesel, per compensare le lacune energetiche

lasciate dall’impianto fotovoltaico.

Costo di impianto e costo di generazione dell’energia elettrica

La curva di apprendimento mostra che negli ultimi 30 anni il prezzo dei moduli si sia ridotto del 24% ad ogni raddoppio della

produzione cumulata. Il costo di impianto (chiavi in mano) è dell’ordine di circa 600€/kWp. Il costo di un impianto è la somma

di: costo dei moduli, costi BOS (cioè di tutti gli altri elementi e componenti che costituiscono l’impianto).Il costo di produzione

dell’energia elettrica varia in funzione del luogo e del costo dell’impianto, esso segue il PUN prezzo unico nazionale indicato

nella borsa elettrica nazionale.

Progetto di massima di un impianto fotovoltaico

I dati necessari per il dimensionamento di un impianto sono:

• Località;

• Consumo annuo di energia elettrica (kWh), famiglia media in Italia 3000/4000 kWh/a;

• Orientamento ed inclinazione della superficie captante;

Esistono tabelle e database appositi per tale scopo, fornisco l’irraggiamento solare medio mensile ed annuale su una superficie

orizzontale, in tutti i comuni italiani. Considerando un impianto a Padova, l’irraggiamento medio annuale su una sup. orizzontale

è di 1400kWh. Se la superficie di captazione non è orizzontale, l’irraggiamento va moltiplicato per un coefficiente correttivo che

tiene conto dell’inclinazione. Si sa che l’inclinazione ottimale è di 40° verso Sud e bisogna tenere conto anche dell’orientamento

della superficie.

Ci sono due rendimenti da considerare:

• Rendimento nominale dei moduli: fornito dal costruttore per le condizioni operative standard ( dal 13% al 15% per le

celle di silicio monocristallino)

• Rendimento di conversione: rapporto tra l’energia elettrica in AC fornita all’utente realmente ed energia elettrica

fornita in DC ai morsetti dei moduli fotovoltaici in condizioni nominali. Si può assumere η= 85-90%

Un altro fattore 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 ovvero la quantità di energia elettrica che si intende

generare con l’impianto PV rispetto ai consumi annui, indicativamente è compresa tra il 60% e 80%. Si valuta poi la superficie

necessaria e perciò il numero di pannelli necessari. Infine si calcola il costo finale dell’impianto completo che si aggira attorno a

1200-1500 euro al kW di picco.

A sinistra: produzione e utilizzo dell’energia prodotta da impianto PV a Padova nel 2015. A destra, potenza generata e

→

assorbita, l’energia non è distribuita in maniera uniforme sistema di accumulo.

Tipologie di integrazione architettonica- classificazione

• Impianto fotovoltaico con integrazione architettonica: L’impianto i cui moduli sono integrati in elementi di arredo

urbano, superfici esterne di edifici ecc…

• Impianto PV parzialmente integrato: moduli sono posizionati su elementi di arredo urbano, superfici esterne ecc…

• Impianto PV non integrato: moduli ubicati al suolo, ovvero con moduli collocati sugli elementi di arredo urbano ecc…

Solare termodinamico CSP

Def: Un impianto solare termodinamico a concentrazione sfrutta solo la componente diretta normale (DNI) della radiazione

solare, tramite un sistema di specchi essa viene concentrata verso un ricevitore. In esso scorre un fluido termovettore che

assorbe l’energia della radiazione solare e impiegandola sotto forma di calore per generare energia elettrica tramite un ciclo

termodinamico. Pel calcolare la DNI devo avere un piano che ruoti in entrambi gli assi per seguire lo spostamento del solo:

tracking.

Mentre gli impianti fotovoltaici sfruttano sia la radiazione diretta che quella diffusa ( radiazione globale), gli impianti CPS usano

solo la radiazione diretta, poiché è la sola componente che gli specchi riescono a concentrare nel punto focale, risulta perciò

adatto a zone limitate con scarsa nuvolosità. Si nota che la radiazione globale ha come massimo valore

circa 2500 (valore medio) mentre per il DNI si arriva anche

fino a 2800. In Italia, la DNI è massima al sud minore al nord.

Tale tecnologia è influenzata dal clima, l’ottimale sarebbe

avere un clima torrido e SECCO ( assenza di umidità).

Inoltre, mentre con i PV se T aumenta il rendimento cala, col

CSP aumenta la quantità di calore trasferito e aumenta

l’efficienza.

Si può ben notare che c’è la possibilità di sfruttare questa

tecnologia tramite geometrie differenti quali: collettore

lineare, collettore parabolico, torre con ricevitore centrale,

collettore parabolico a disco.

Nella tabella sotto riport