Riassunto esame Fisica tecnica, prof Aste, libro consigliato Il fotovoltaico in architettura, Aste

SC

tensione a circuito aperto (V ). La curva caratteristica di una cella dipende dall'intensità

OC

della radiazione incidente, dalla temperatura di giunzione e dall'area della cella stessa.

L'intensità, misurata in ampere, dipende in maniera direttamente proporzionale dalla

radiazione solare, mentre la tensione, misurata in volt, dipende dal materiale ed in maniera

inversamente proporzionale dalla temperatura. La potenza erogata dalla cella, misurata in

watt, è data dunque dalla differenza di potenziale moltiplicata per l'intensità di corrente.

P = V I (in condizioni di circuito aperto o cortocircuito P=0)

•

Generalmente, si fa riferimento ad una particolare condizione detta STC (standard test

conditions) per paragonare tra loro le prestazioni di diverse celle; le condizioni sono:

- temperatura di giunzione: 25°C

- irradianza (I ) : 1.000 W/m 2

STC

- massa d'aria (AM): 1,5 h

L'efficienza nominale della cella in STC si calcola: = P /(I A )

•

cella STC STC cella

Questo valore varia tra il 5 ed il 20%, ciò significa che una cella di 1 m può generare una

2

potenza massima variabile da 5 a 250 W.

Un altro valore importante per individuare il livello prestazionale di una cella è il punto di

potenza massima (MPP) che indica il punto di esercizio sulla curva caratteristica in cui viene

generata la massima potenza.

Il modulo fotovoltaico:

 Il modulo fotovoltaico è l'unità funzionale dell'impianto fotovoltaico e si realizza tramite

resistente, con caratteristiche elettriche adeguate ad un impiego di media e larga scala.

I moduli più diffusi contengono 36, 64 o 72 celle ed hanno dimensioni variabili tra 0,5 e 1,1

m , ma sono stati messi a punto una gamma di prodotti diversificati per soddisfare ogni

2

tipo di esigenza. Ad alte temperature, però, vi è una riduzione della capacità di conversione

della radiazione solare di circa lo -0,4%/°C per ogni grado che superi i 25°C; si deve dunque

calcolare il valore di efficienza nelle reali condizioni di impiego:

h h h

= [100 - 0,4 (tc - 25)] dove: = P /(I A ) e tc = ta + (NOCT - 20) I

• • • •

eff Mod Mod mod stc mod

100 0,8

I moduli in silicio cristallino sono realizzati disponendo le celle su file parallele collegate tra

loro in serie e collocate all'interno di un involucro detto sandwich composto da:

- copertura esterna: formata da una lastra di vetro, di spessore variabile tra i 2 ed i 5 mm,

dotata di un'elevata trasmittanza;

- sigillante: tramite un foglio adesivo trasparente in EVA si fissano le celle al vetro di

copertura;

- celle e contatti;

- sigillante;

- chiusura posteriore: una lastra di chiusura con buone caratteristiche di tenuta.

Questo sandwich viene trattato in forni speciali che sigillano i componenti eliminando l'aria

interna e poi racchiuso all'interno di una cornice metallica.

Per quanto riguarda i moduli in silicio amorfo, invece, si stanno mettendo a punto metodi

innovativi come la realizzazione di fogli fotovoltaici flessibili.

 Capitolo 2: Gli impianti fotovoltaici:

Il sistema fotovoltaico:

 Il sistema fotovoltaico è un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che

concorrono a captare e trasformare l'energia solare disponibile, rendendola utilizzabile

dall'utenza sotto forma di energia elettrica. Oltre ai pannelli fotovoltaici, dunque, fanno

parte del sistema fotovoltaico anche le apparecchiature di regolazione, controllo e

stoccaggio dell'energia prodotta, i terminali, i cablaggi e le strutture di sostegno. Il

parametro di qualificazione di un impianto fotovoltaico è la potenza nominale (Pn) che è

data dalla somma delle potenze dei moduli che lo compongono. Il rendimento complessivo

dell'impianto è però inferiore a quello del generatore, a causa delle perdite che si

verificano nei vari componenti.

Principali tipologie impiantistiche:

 la configurazione di un sistema fotovoltaico varia a seconda delle differenti condizioni di

applicazione e di utilizzo. Il carico può essere rappresentato da un'utenza in corrente

continua o alternata, da una batteria o dalla rete pubblica. Le principali tipologie

impiantistiche sono:

- i sistemi isolati: consistono nell'alimentazione di utenze isolate, non servite dalla rete

elettrica, si tratta di insediamenti medio-piccoli collocati in luoghi

difficilmente accessibili. In questi casi è necessario assicurare la continuità

dell'alimentazione, anche nei momenti in cui l'insolazione risulta

insufficiente. L'impianto viene integrato con un sistema di stoccaggio

dell'energia elettrica, costituito generalmente da un banco di batterie

ricaricabili.

- i sistemi connessi alla rete: dove la rete è presente, si preferisce usare la rete stessa come

elemento tampone, in grado sia di fornire l'energia elettrica

necessaria nei periodi di scarsa disponibilità di irraggiamento

solare, che di raccogliere quella in eccesso nei periodi di

sovrapproduzione. L'energia prodotta dai pannelli fotovoltaici,

dopo essere stata convertita da continua in alternata, viene

consumata dall'utenza collegata oppure viene immessa nella

rete. In Italia l'utente paga unicamente la differenza tra

energia convenzionale consumata ed energia fotovoltaica

inviata alla rete.

- i sistemi a utilizzo diretto: in alcuni casi il carico elettrico dipende totalmente dalla

produzione di energia fotovoltaica; questo avviene, ad esempio,

in elettropompe per l'irrigazione o in apparecchi ventilatori che

realizzano la convezione forzata in collettori solari termici.

Componentistica degli impianti:

 Gli elementi che costituiscono un impianto fotovoltaico possono essere suddivisi in due

categorie principali: i moduli fotovoltaici e tutta la componentistica non fotovoltaica.

Quest'ultima è definita BOS (balance of system) ed è composto da cavi e quadri elettrici,

inverter, batterie di accumulo e regolatori di carica, ma anche dalle strutture di sostegno e

di ancoraggio. Gli impianti fotovoltaici sono composti da:

• Il generatore: è costituito dall'insieme dei moduli fotovoltaici, questi vengono collegati

elettricamente in serie realizzando la stringa che, a sua volta, viene collegata

in parallelo con altre stringhe componendo così il generatore fotovoltaico;

oltre ai moduli, il generatore è formato da:

- i cablaggi e le connessioni elettriche: connettono tra loro le varie parti

dell'impianto;

- i diodi: una cella se smette di lavorare nelle normali condizioni operative,

ad esempio perché è ombreggiata, può surriscaldarsi condizionando il

funzionamento dell'intero modulo ed aumentando la temperatura. I diodi di

blocco servono per impedire che, in caso di malfunzionamento, una stringa

venga seriamente danneggiata disconnettendola dalle altre;

- i dispositivi di sicurezza: servono per proteggere i moduli e le

apparecchiature elettroniche qualora si verifichino sovracorrenti o fughe di

corrente;

- il sezionatore di circuito: è un dispositivo che consente di disconnettere il

generatore dal carico in caso di condizioni atmosferiche avverse.

• Gli accumulatori: sono sempre presenti nei sistemi isolati, ma sono assenti in quelli

connessi alla rete poiché il loro impiego influisce significativamente sui costi

complessivi. Gli accumulatori sono costituiti da speciali batterie la cui

funzione principale è quella di garantire la corrente elettrica nel caso di

limitata disponibilità di radiazione solare. Gli accumulatori devono avere:

- un alto valore di carica-scarica per contenere gli sprechi di energia;

- una buona durata;

- un'ottima resistenza agli sbalzi di temperatura;

- dimensioni ridotte;

- una scarsa necessità di manutenzione.

 Il controllo di potenza: per il corretto funzionamento di un impianto è necessaria

un'apparecchiatura capace di stabilizzarne ed ottimizzarne le prestazioni. A

questo scopo si utilizza un sistema di controllo della potenza composto da:

- regolatore di carica: è in grado di interrompere il flusso di corrente quando

la tensione ha raggiunto un valore massimo.

- dispositivo di inseguimento del punto di massima potenza: il punto di

massima potenza continua a variare nel tempo a seconda dell'irraggiamento

e della temperatura dei moduli; questo dispositivo consente di massimizzare

il rendimento dell'impianto rimanendo sempre nel punto di massima

potenza.

- inverter: il campo fotovoltaico produce corrente continua, ma l'utenza

collegata richiede corrente alternata; perciò è necessario convertirla tramite

l'inverter.

Sistemi ibridi fotovoltaico-termici:

 Le ricerche negli ultimi anni hanno portato all'elaborazione di sistemi ibridi fotovoltaico-

termici (PV/Th) che generano sia elettricità che calore. Solo una parte della radiazione

incidente viene infatti convertita in elettricità, mentre la restante viene trasformata in

calore disperso nell'ambiente. Questo, oltre ad essere uno spreco di energia,influisce

negativamente sulla produttività delle celle fotovoltaiche. Si trasferisce dunque l'energia

termica assorbita dalle celle fotovoltaiche ad un fluido; questo può avvenire o tramite:

- i sistemi ibridi ad aria: è la realizzazione di maggior successo poiché è semplice ed

economica e consiste nell'integrazione di una camera d'aria nel

sandwich fotovoltaico, l'aria rinfresca le celle e rende disponibile il

calore sottratto per la climatizzazione. L'efficienza complessiva può

h

essere calcolata = P + P

PV/Th el th

I A

• coll

- i sistemi ibridi a liquido: si basano su collettori in cui il liquido scorre in canalizzazioni

poste a contatto con l'assorbitore, asportando il calore per

convezione. L'acqua calda può essere utilizzata per uso sanitario

durante tutto l'anno, ma non raggiunge temperature più alte di

40°C.

 Capitolo 3: Influenza degli agenti esterni sugli impianti fotovoltaici:

Il rapporto con il contesto:

 Un impianto fotovoltaico è destinato a subire gli effetti di agenti di varia natura che ne

compromettono le prestazioni e possono arrivare a danneggiarlo. Questi agenti dipendono

dal contesto e sono: la radiazione solare, l'ombreggiamento, la temperatura e

l'imbrattamento.

La radiazione solare:

 Le prestazioni di un sistema fotovoltaico dipendono dalla radiazione luminosa che lo

investe, ma i moduli fotovoltaici lavorano anche in contesti nuvolosi o poco soleggiati;

infatti Germania, Svizzera e Olanda sono i Paesi in cui il fotovoltaico è più diffuso. La

quantità di radiazione solare dipende dal sito, dal clima e dalla dispo