Teoria completa esame Impianti di energia solare e da energia di biomasse

Energie rinnovabili

Energia solare

È noto ma non inutile sottolineare come la caratteristica di rinnovabilità sia dovuta al legame che queste risorse energetiche presentano con il ciclo solare e che, quindi, sia l’irraggiamento solare stesso l’origine della natura delle fonti energetiche rinnovabili:

• Il vento (energia eolica) è causato dal non uniforme riscaldamento delle masse d’aria.
• L’energia idroelettrica (che sfrutta le cadute d’acqua) non esisterebbe senza il ciclo dell’acqua, dall’evaporazione alla pioggia, innescato dal Sole.
• L’energia delle biomasse può essere considerata energia solare immagazzinata chimicamente attraverso la fotosintesi dagli organismi vegetali.

In realtà tutte le forme energetiche presenti sul nostro pianeta (ad eccezione dell’energia nucleare, geotermica e del moto ondoso) derivano dall’azione del ciclo solare.

Energia solare e ciclo del carbonio

Le piante e i vegetali sono dei convertitori energetici molto sofisticati. Attraverso la clorofilla, la radiazione solare incidente attiva un meccanismo di conversione chimica che coinvolge la relazione fra la CO₂ presente nell’aria e l’acqua assorbita dal terreno attraverso le radici, per formare i composti organici che andranno a costituire la struttura della pianta e l’ossigeno liberato nell’aria. Alla fine del loro ciclo di vita, per decomposizione naturale o mediante processi di combustione, i vegetali restituiscono all’ambiente l’energia e le sostanze che hanno immagazzinato (biomasse vegetali).

Principali caratteristiche qualitative delle energie rinnovabili

Pro: Ampia diffusione sul pianeta e non «concentrate» come accade per altre fonti energetiche non rinnovabili (fonti fossili); ridotte emissioni in atmosfera di sostanze inquinanti e/o climalteranti (come ad esempio CO₂) durante il loro utilizzo (considerate per questo, genericamente, «energie pulite»); processo di conversione a favore di usi finali elettrici in sostituzione di usi finali termici.

Contro: Le energie rinnovabili hanno una disponibilità che generalmente non è programmabile; gestione logistica (trasporto e movimentazione) in molti casi difficile e costosa; difficoltà/impossibilità di stoccaggio/accumulo (anche se non per tutte le fonti rinnovabili).

Energie rinnovabili e cambiamenti climatici

Sono chiamati gas serra quei gas presenti nell'atmosfera, che sono trasparenti alla radiazione solare in entrata sulla Terra, ma riescono a trattenere, in maniera consistente, la radiazione infrarossa emessa dalla superficie terrestre, dall'atmosfera e dalle nuvole (N₂O, CFC, CH₄, CO₂).

Accordi di Rio: Il trattato punta alla riduzione delle emissioni dei gas serra, sulla base dell'ipotesi di riscaldamento globale. Il trattato, come stipulato originariamente, non poneva limiti obbligatori per le emissioni di gas serra alle singole nazioni; era quindi, sotto questo profilo, legalmente non vincolante. Esso però includeva la possibilità che le parti firmatarie adottassero, in apposite conferenze atti ulteriori che avrebbero posto i limiti obbligatori di emissioni. Il principale di questi, adottato nel 1997, è il protocollo di Kyoto.

Risoluzioni conseguenti le conferenze delle corti: Europa: La commissione europea ha posto una serie di obiettivi da raggiungere entro il 2030 che riguardano in primo luogo la copertura energetica con fonti rinnovabili e l’efficienza energetica.

• > 32% entro il 2030 con fonti rinnovabili
• > 32,5%

Ad ora, il mix energetico mondiale è così composto:

• Combustibili fossili: 78.4%
• Rinnovabile: 19.3%
• Nucleare: 2.3%

Il sole e l'energia solare

L'energia solare è l'energia associata alla radiazione solare e rappresenta la fonte primaria di energia sulla terra. La potenza disponibile per metro quadro (fuori dall'atmosfera) vale 1372 W/m². La potenza della radiazione solare incidente su una superficie prende il nome di irraggiamento solare e si misura in W/m². Il valore dell'energia ricevuta sulla terra dal sole in un anno è di circa 10.000 volte superiore agli attuali fabbisogni energetici umani. Nell’attraversare l'atmosfera terrestre, la radiazione solare si attenua perché viene in parte riflessa in parte assorbita. La radiazione standard sulla superficie terrestre è indicata con AM1.5G e vale circa 1000 W/m²; questo valore è usato come riferimento standard per la misura di celle fotovoltaiche.

Impianti fotovoltaici: effetto fotoelettrico e cella fotovoltaica

La maggior parte dei metalli e dei semiconduttori hanno una struttura cristallina. In un solido cristallino gli atomi si legano insieme in modo da realizzare un reticolo spaziale a periodicità regolare in tutte le direzioni. Il tipo di legame chimico fra gli atomi dipende dalla struttura elettronica degli atomi del reticolo e determina le proprietà fisiche del materiale. Nel caso dei semiconduttori, il legame chimico è di tipo covalente, che consiste nella condivisione di una coppia di elettroni di valenza fra due atomi, i quali determinano nel loro moto una nuvola di carica distribuita attorno ad entrambi. Nel caso dei metalli gli elettroni sono uniformemente diffusi fra tutti gli atomi del reticolo. In altre parole, nei metalli il reticolo cristallino può essere pensato come formato da ioni positivi immersi in una nube di elettroni mobili diffusa per tutto il reticolo: gli elettroni mobili sono quelli della shell più esterna degli atomi, cioè gli elettroni di valenza, gli altri sono localizzati attorno ai singoli nuclei. La nuvola elettronica diffusa realizza il legame fra gli atomi e determina le proprietà tipiche dello stato metallico, fra cui l'elevata conducibilità elettrica.

Il Silicio (Si, IV gruppo) è un semiconduttore: l'atomo è costituito da una carica centrale netta 4+ inscindibile. Nell’orbita più esterna sono sistemati quattro elettroni di valenza ed essa viene riempita con l'aiuto di altri quattro elettroni che ogni atomo ha in comproprietà con atomi adiacenti. Gli elettroni di valenza nell’atomo isolato possono acquisire solo stati energetici discreti; si individua nei materiali una banda energetica (superiore) di conduzione e una banda energetica (inferiore) di valenza: mentre per i metalli le due bande si sovrappongono, nei materiali semiconduttori sono generalmente separate da una banda di ampiezza E_g detta banda proibita che non contiene livelli energetici permessi per gli elettroni. La conduzione elettrica si ha quando per effetto della temperatura o, ad esempio, applicando un campo elettrico, a causa di tale azione gli elettroni si muovono nella struttura cristallina; affinché gli elettroni possano muoversi è necessario che essi possano passare su un livello energetico più alto. Un semiconduttore è detto prossimo allo zero assoluto quando tutti gli elettroni sono nella banda di valenza e nessun elettrone è nella banda di conduzione, perciò non c'è conduzione ed il comportamento è da isolante puro. Fornendo energia in quantità superiore a E_g un numero sempre maggiore di elettroni acquisterà energia sufficiente per passare dalla banda di valenza a quella di conduzione, ogni volta liberando un livello energetico non occupato nella banda di valenza (lacuna), la quale contribuisce, in maniera differente, alla conduzione. Nella banda di conduzione è ovvio descrivere la corrente come moto di elettroni che si muovono (ad esempio sotto l'azione di un campo elettrico); in banda di valenza risulta più intuitivo invece associarlo al moto delle lacune (stati quantici liberati dagli elettroni saltati nella banda di conduzione) che si comportano come cariche elettriche positive.

Drogaggio di un semiconduttore: giunzione P-N

Le proprietà elettriche dei semiconduttori, ed in particolare del silicio, possono venire modificate mediante introduzione controllata di opportune impurità (drogaggio). Ad esempio, sostituendo nel reticolo cristallino un atomo di silicio con un atomo di fosforo (P, V gruppo, 5 elettroni di valenza) si introduce nell’orbita più esterna un elettrone in più rispetto a quelli necessari per chiudere l'orbita stessa. Questo elettrone risulta debolmente legato e ha bisogno di una minor quantità di energia per saltare in banda di conduzione. Gli atomi del V gruppo vengono detti per il silicio “donatori”. I semiconduttori di questo tipo con conducibilità prevalente dovuta a cariche negative vengono detti semiconduttori di tipo N. Allo stesso modo, è possibile ottenere semiconduttori di tipo P, cioè con conducibilità prevalente dovuta cariche positive, introducendo nel reticolo atomi del terzo gruppo detti “accettori”.

Costruzione e comportamento di una giunzione P-N

Costruzione di una giunzione P-N: Consiste di un materiale semiconduttore drogato di tipo P (scarica maggioritaria positiva, eccesso di lacune) messo in stretto contatto con materiale semiconduttore drogato di tipo N (carica maggioritaria negativa, eccesso di elettroni).

Comportamento a circuito aperto: A causa della diversa concentrazione di carica libera, cariche positive (lacune) fluiscono attraverso la giunzione dalla zona P alla zona N e allo stesso modo elettroni fluiscono dalla zona N alla zona P. Questo flusso di cariche prende il nome di corrente di diffusione. Buona parte delle cariche positive che si sono diffuse attraverso la giunzione della zona P alla zona N, si ricombinano velocemente con gli elettroni presenti nella zona N che qui costituiscono la carica maggioritaria. Parte, però, delle cariche positive rimangono non neutralizzate. Poiché questa ricombinazione accade in prossimità della giunzione, si creerà in questa fascia, cioè ai bordi della giunzione lato N, una regione che si verrà a trovare svuotata di elettroni (“scomparsi” nella neutralizzazione delle cariche positive) e con un eccesso di cariche positive (cariche non neutralizzate). Simmetrica situazione si viene a determinare nella zona P, con eccesso di cariche negative ai bordi della giunzione.

La giunzione appena descritta è utilizzata in elettronica per realizzare il diodo a semiconduttore, applicando un potenziale esterno V tra P ed N, il positivo sul lato P e il negativo sul lato N (polarizzazione diretta). All’equilibrio, cioè quando la corrente di diffusione I_D=0 la giunzione è caratterizzata da un potenziale elettrico crescente da P verso N che si stabilizza fuori da tale regione e che costituisce una barriera che le cariche positive devono vincere per diffondersi nella regione N e gli elettroni per diffondersi nella zona P. In breve, aumenta la corrente di diffusione I_D all'aumentare dell'indebolimento del potenziale elettrico di barriera V da parte del potenziale esterno applicato V. La giunzione si comporta da diodo non permettendo il passaggio di corrente quando il campo elettrico applicato dall’esterno è inferiore al campo elettrico interno alla giunzione. Cambiando verso al campo esterno non si ha passaggio di corrente. Il potenziale elettrico all'interno della giunzione, unitamente alla radiazione luminosa che investe il cristallo, sono alla base della generazione di corrente nella cella fotovoltaica.

Di fatto, quindi, l'effetto della radiazione luminosa è quello di creare uno squilibrio di carica che, se chiuso su un circuito esterno, determina il fluire di una corrente, con gli elettroni che si muovono dalla zona P alla zona N e, simmetricamente, le lacune, generatisi nella zona N, fluiscono verso la P.

Modello fisico-matematico della cella fotovoltaica

Modello reale semplificato: Nel circuito è presente un generatore ideale di corrente costante in parallelo ad un diodo fisico. Sono presenti due non idealità: la corrente incontra una resistenza attraversando i materiali che costituiscono la cella e per uscire verso i morsetti parte della corrente fotogenerata non finisce per percorrere il diodo, ma trova cammini alternativi per richiudersi, specie sul bordo della cella. Per poter essere assorbiti, i fotoni che investono la cella devono possedere un'energia superiore ad un valore minimo pari all’Energy gap del materiale: > → <

Nel caso del silicio sono fotoni utili quelli dello spettro luminoso avente una lunghezza d'onda massima pari a. Infatti al crescere di diminuisce l'energia trasportata. Inoltre, parte dell'energia associata fotoni utili ma con troppa energia viene dissipata in calore. Questi due effetti dissipativi rispetto all'energia associata allo spettro solare determinano il rendimento quantico della cella fotovoltaica che per il silicio è pari a circa il 44%. Fattori che contribuiscono a ridurre il rendimento di conversione al di sotto del valore ideale del 44% sono: la riflessione, la ricombinazione nel percorso dal punto di generazione verso la giunzione, e le resistenze parassite. Considerando il 100% di energia solare incidente su una cella di silicio si ha un intervallo di valori del 13-18% convertibile in energia elettrica utilizzabile.

Potenza erogata e parametri di qualità/prestazione di celle fotovoltaiche

Data la caratteristica di una cella fotovoltaica in una particolare condizione di irraggiamento e temperatura, è possibile costruire la curva della potenza erogata in funzione della tensione d'uscita, moltiplicando ogni valore dell'ascissa (tensione) per il corrispondente valore dell'ordinata (corrente): P=V*I. La cella presenta un punto di massima potenza detto Maximum Power Point. Parametro molto diffuso per valutare la prestazione di una cella è l'efficienza della cella definita come il rapporto tra la potenza massima erogabile dalla cella ed il valore dell’irraggiamento intercettato dalla sua superficie in determinate condizioni ambientali: η = P_max / (E * A) con E pari al prodotto di irraggiamento (1000 W/m²) e area della cella (m²).

La variazione percentuale di potenza dovuta a una temperatura diversa da quella standard vale: ΔP/P = β_t (T - 25) con β_t coefficiente di temperatura per la potenza.

Serie e parallelo di celle fotovoltaiche

Comportamento in serie

Le equazioni caratteristiche della serie possono essere scritte come: V = V₁ + V₂ + ... + V_n, I = I₁ = I₂ = ... = I_n. In sintesi, una serie di celle ha un comportamento simile a quello di una singola cella che abbia una tensione a circuito aperto (per I=0) pari alla somma delle tensioni a circuito aperto delle singole celle e una corrente di corto circuito praticamente coincidente con la corrente di cortocircuito della cella che eroga la corrente più bassa. Pertanto, solo nel caso che le celle siano identiche fra loro una serie di n celle eroga una potenza pari alla somma delle potenze erogate dalle singole celle. In generale, invece, la serie eroga una potenza pari a n volte quella erogata dalla cella di potenza minore. Nel caso in cui alla serie venga richiesta una corrente maggiore della corrente di corto circuito di una cella, la determinata cella intersechi la sua caratteristica nel secondo quadrante funzionerà da carico e non da generatore: in questo caso la tensione di uscita sarà pari alla somma delle tensioni erogate dalle singole celle meno la tensione della cella che funziona da carico.

Effetto dell'oscuramento o della rottura di una cella delle serie

Cella n-esima totalmente oscurata: Tenendo presente l'equazione caratteristica della cella e che l'oscuramento comporta I_L = 0, si vede che non esiste una maglia in cui si possa chiudere un eventuale corrente del carico I_m. Tensione e corrente quindi si annullano e non c'è più potenza generata ai morsetti. Alla cella oscurata si trova quindi applicata una tensione inversa pari alla somma delle tensioni a vuoto delle celle illuminate ma la corrente è nulla: la potenza dell’intero modulo è nulla senza ulteriori effetti collaterali.

Cella n-esima solo parzialmente ombreggiata: In questo caso la sua corrente foto generata sarà diversa da zero (compresa tra zero e il valore delle altre celle pienamente illuminate). Poiché la corrente foto generata rimane costante ma diminuisce la corrente ai morsetti esterni deve aumentare la corrente nel diodo con un conseguente aumento della tensione ai morsetti. In questo caso si ha: V_m = V₁ + V₂ + ... + V_n-1 - V_n dove rappresenta il valore effettivo della tensione ai morsetti per le n-1 celle completamente illuminate; questa tensione sarà leggermente inferiore a quella a circuito aperto ma darà comunque luogo ad una tensione per la cella n-esima negativa e ben diversa da zero, con corrente nel diodo n-esimo nulla (diodo contro polarizzato). Quindi se l’ombreggiamento che caratterizza la cella non è totale, la corrente è diversa da zero e ha il solito verso: questo, combinato con l'inversione del segno della tensione, determina il fatto che il segno della potenza sulla cella si inverte anch'esso, trasformando la cella da generatore a carico. La cella che funziona da carico può assorbire anche una potenza considerevole e il riscaldamento che ha luogo in essa può danneggiarla irreparabilmente. Allo stesso modo, la cella può danneggiarsi se la tensione che si trova applicata raggiunge la tensione di rottura inversa (tensione di breakdown) della cella.