Domande esame Tecnica ed Economia dell Energia risolte - Giuseppe Zollino

G

radianza solare e dallo spettro. I fotoni ad energia più elevata (> nella gamma dell’ultravioletto fino al blu dello

spettro visibile, vengono assorbiti più in prossimità della superficie, mentre quelli a più bassa energia, verso il rosso e

nella gamma dell’infrarosso al più ad una distanza dalla superficie dell’ordine dei 100 μm.

Gli elettroni e le lacune così formatisi diffondono nel cristallo, tendendo ad assumere una distribuzione uniforme; le

coppie elettrone-lacuna hanno vita media dell’ordine del ms: dopo di che si ricombinano neutralizzandosi e cedendo

energia sotto forma di calore, oppure, prima che ciò accada, in parte riescono a raggiungere la giunzione.

Alla giunzione il campo elettrico rovescio separa elettroni e lacune accelerando gli uni verso l’elettrodo negativo (lato n)

e le altre verso quello positivo. Se alla cella è collegato un carico, in esso circolerà una corrente elettrica, per mezzo della

quale elettroni e lacune infine si ricombinano.

Il Si riesce a trattenere solo una parte dello spettro in arrivo dal sole: di solito dal 100% di radiazione solare in arrivo solo

una parte pari al 7-23% viene convertita in elettricità, mentre la restante parte pari al 77-97% viene convertita in calore.

Una cella fotovoltaica è in grado di operare la conversione diretta della radiazione solare in energia elettrica. Le celle

fotovoltaiche oggi prodotte si basano su due tecnologie:

• celle al silicio cristallino (mono- o multi-cristallino)

• celle a film sottile (al silicio amorfo o microcristallino o con semiconduttori policristallini compositi)

I moduli fotovoltaici al silicio cristallino detengono circa l’80% del mercato mondiale, mentre la restante parte riguarda

le celle a film sottile.

Caratteristica elettrica

Per ciò che concerne la sua caratteristica elettrica, una cella fotovoltaica illuminata dall’irradiazione solare può essere

rappresentata da un circuito equivalente costituito da:

- un generatore di corrente;

- con in parallelo un diodo; J

K

- ed una resistenza interna . " "

"

L MM N

attraverso il diodo è trascurabile, pertanto coincide con .

In condizioni di cortocircuito,

O O

1 @

La tensione a vuoto corrisponde alla barriera di potenziale .

= " O = 0), " J = 0.

N MM L P

Partendo dalla situazione di cortocircuito (" ; la corrente attraverso il diodo è trascurabile e

"

L

Aumentando la tensione la situazione permane fino a quando la corrente attraverso il diodo comincia a crescere e, per

= " + " = '! " "

"

N L P P N

, perciò la corrente attraverso il carico non sarà più uguale a ma

la legge di Kirchhoff "

P

diminuirà. Questo processo continuerà fino a quando la corrente attraverso il carico si azzera e ci si trova nella

= 0; O = O

N 1 ).

situazione di circuito aperto (" 2

La caratteristica si riferisce ad una cella al Si cristallino, di superficie pari a 10 cm , alla temperatura di 25°C, con

2

irradianza pari a 1000 W/m e spettro fuori dall’atmosfera.

#

QRS

La potenza massima estraibile, è data dall’area del massimo rettangolo inscrivibile nella caratteristica. Per una

#

QRS

cella al Si cristallino, si ha di solito alla tensione di 0.4-0.5 V.

/(!UU V! W ∙ UX ). # = 127 Z/F

T T = #

QRS QRS

Nel caso considerato risulta ;

Il rendimento della cella è dato da

T = 12.7 %.

pertanto

Un aumento dell’irradianza comoporta:

" #

MM QRS

- netto aumento della e quindi della ;

O

1

- modesto diminuzione della .

Un aumento della temperatura della cella comporta:

"

MM

- modesto aumento della ; O #

1 QRS

- netta riduzione della tensione a vuoto e quindi della .

Rendimento – Perdite di efficienza

Il rendimento reale di una cella è determinato da una prima serie di fattori:

• Schermatura del contatto frontale: compromesso tra “raccolta” di elettroni e schermatura; tipicamente le

perdite dovute al contatto frontale sono dell’ordine del 10%;

• Riflessività della superficie frontale: una parte dell’irradiazione incidente viene riflessa dalla superficie; coating o

rigatura per ridurre la riflessione; perdite associate limitate in questo modo a circa il 3%;

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

elettrica; più alto il gap, più elevate le perdite associate a questo effetto;

• Utilizzazione parziale dell’energia dei fotoni: l’energia in eccesso rispetto al gap viene dissipata in calore; in

questo caso, più alto il gap, minore la dissipazione;

• Combinando questi due effetti: lo sfruttamento ottimale dell’irradiazione solare sulla terra si ha per un gap di

0.9 eV, cui corrisponde l’utilizzazione del 46% della totale irradiazione incidente. Nel caso del Si cristallino, il gap

vale 1.1 eV, cui corrisponde una utilizzazione del 44% della totale irradiazione incidente.

Il rendimento reale di una cella è determinato da una ulteriore serie di fattori:

- Perdite di “raccolta”: il rapporto tra le cariche utili e le cariche generate

costituisce il rendimento di “raccolta”; questo può essere aumentato

riducendo la ricombinazione delle cariche e facilitando il loro

movimento verso la giunzione; nelle celle di migliore qualità le perdite

di “raccolta” sono dell’ordine del 5%.

- Riduzione della tensione a vuoto: rispetto a quella che

>

+ ;

corrisponderebbe al campo rovescio

- Perdite sulla giunzione: trascurabili

- Resistenza in serie: si può ridurre ottimizzando la griglia del contatto

frontale # < " O

QRS MM 1

- Fattore di curva:

Diversi lavori teorici indicano che il limite intrinseco del rendimento di conversione di una cella al Si cristallino sia pari

al 30-32%. In condizioni standard, un modulo al Si cristallino ha rendimento massimo intorno al 20%, mentre in

condizioni “medie” esso è compreso tra l’11 ed il 15%.

L’IEC definisce le condizioni standard per la definizione delle prestazioni di una cella fotovoltaica alle quali corrisponde la

potenza misurata in Watt picco:

- Spettro dell’irradiazione fuori dall’atmosfera;

- Irradianza pari a 1000 W/m2;

- Temperatura della cella pari a 25 °C.

~1 ] = 25 °

2 2

Una cella commerciale al Si cristallino (sup dm ), esposta a irradianza di 1 kW/m e lavorando a , eroga

~3 ~0,6 ~1,4

una corrente A alla tensione di V ed una potenza Wp:

- Nelle applicazioni è necessario un opportuno collegamento in serie/parallelo delle celle;

- Sul mercato, di fatto, sono disponibili moduli fotovoltaici con tensione di lavoro tipicamente di 12 V e potenze

nominali di 50-70 Wp.

Nota

L'energia radiante solare che arriva sulla superficie terrestre e che può essere utilmente “raccolta” e “convertita” da un

apposito dispositivo dipende dall’irraggiamento del luogo. Vengono così definiti:

• energia emessa, trasportata o ricevuta in forma di onde elettromagnetiche [MJ]

Energia radiante:

• rapporto tra l’energia radiante per unità di tempo che incide su una superficie e

Irradianza o irraggiamento: 2 2

]–

l’area della medesima superficie [kW/m assumendo come unità di tempo l’anno, si misura in [kWh/m a] o se riferito

2

al giorno [kWh/m g]

Tipologie di Impianti Fotovoltaici

Stand Alone

Gli impianti Stand Alone, o comunemente chiamati “ad isola” rappresentano l’unica scelta installativa qualora l’utenza

sia sprovvista di allaccio alla rete elettrica. L’energia prodotta dal campo fotovoltaico va a servire le utenze attive e

l’energia restante viene immagazzinata in batterie di accumulo fino a completa carica; l’eventuale energia residua viene

persa e dissipata in calore. Le batterie andranno poi a servire le utenze di notte e nei momenti di fermo impianto fino a

scaricamento.

Grid connected

Gli impianti Grid connected sono impianti fotovoltaici connessi e interfacciati alla rete elettrica nazionale. L’energia

prodotta dal campo fotovoltaico va a servire le utenze richieste, determinando un mancato prelievo dalla rete elettrica

e un conseguente risparmio in bolletta. L’energia in surplus viene conteggiata e viene riversata sulla rete.

Ex-conto energia

Nel caso dell’autoconsumo istantaneo, l’energia entra direttamente nell’utenza domestica collegata. Nel caso in cui non

c’è richiesta diretta di energia da parte dell’utente, l’energia prodotta entra nel secondo contatore, il contatore bi-

direzionale, per essere immessa in rete.

Altre tipologie

Progetto di massima di un impianto fotovoltaico

I dati di progetto necessari sono:

• località;

• consumo annuo di energia elettrica (kWh): famiglia media in

Italia 3000÷4000 kWh/a;

• orientamento ed inclinazione della superficie captante.

Esistono tabelle unificate che forniscono l’irraggiamento solare medio

mensile ed annuale su una superficie orizzontale, per tutte le provincie italiane. Se la superficie di captazione non è

orizzontale, l’irraggiamento va moltiplicato per un coefficiente correttivo che tiene conto di inclinazione ed

orientamento della superficie.

Il rendimento complessivo si calcola di solito moltiplicando tra loro:

• il rendimento nominale dei moduli (dal 12 al 15% per le celle di silicio monocristallino e policristallino e dal 4 al

7% per le celle di silicio amorfo) fornito dal costruttore per le condizioni operative standard;

• il rendimento di conversione, ovvero il rapporto tra l’energia elettrica in AC fornita alle utenze (o alla rete) nelle

condizioni reali e l’energia elettrica in DC ai morsetti dei moduli fotovoltaici in condizioni nominali. Dipende

soprattutto dalla temperatura di lavoro dei moduli, ma anche da perdite nell’inverter, perdite per imperfetto

accoppiamento dei moduli, perdite dovute alla resistenza elettrica nei cavi, ecc. Va dal 75 all’85%.

Spesso non è conveniente dimensionare gli impianti solari fotovoltaici per coprire l’intero carico. Si introduce quindi un

ulteriore parametro: la percentuale di integrazione che si intende raggiungere con l’impianto solare, un valore che in

genere varia tra 60-90%. 2

. Si dovrà quindi

La superficie unitaria commerciale dei moduli fotovoltaici è generalmente compresa tra 0,5 e 1,5 m

arrotondare la superficie ad un multiplo della superficie unitaria.

Per un impianto di piccola taglia (pochi kWp) si può fare oggi (maggio 2013) riferimento ad un costo di massima

dell’