Impianto fotovoltaico “impianto impianto fotovoltaico fotovoltaico” o o “sistema sistema solare fotovoltaico solare fotovoltaico”:: è un è un impianto di produzione di energia elettrica mediante conversione diretta della radiazione solare, tramite l'effetto fotovoltaico. Un impianto fotovoltaico è composto principalmente da un i i insieme di moduli fotovoltaici piani, uno o più gruppi di di d li f t lt i i i i iù i di conversione della corrente continua in corrente alternata e altri componenti elettrici minori; componenti elettrici minori; Possiamo suddividere un impianto fotovoltaico in tre principali componenti. Esatto. Tre principali componenti. •Generatore fotovoltaico •Sistema di Conversione •Linee elettrica e sistemi di protezione Li l tt i i t i di t i
Impianti Fotovoltaici MODULI
STRUTTURE DI SOSTEGNO
INVERTER
Impianti Fotovoltaici Impianti Fotovoltaici Gli impianti fotovoltaici sono generalmente suddivisi in due grandi famiglie: impianti "grid‐connect": sono impianti connessi ad una rete di distribuzione esistente e gestita da terzi; esistente e gestita da terzi; impianti "ad isola" (detti anche "stand‐alone“ ): non sono connessi ad alcuna rete di distribu ione, per cui sfruttano connessi ad alcuna rete di distribuzione, per cui sfruttano direttamente sul posto l'energia elettrica prodotta.
Oggi trasformare la luce solare in energia elettrica O i f l l l i i l i non è solo possibile ma anche molto conveniente.
kW ( kilowatt ), kWh (kilowattora), kWp (kilowatt di picco) Nel sistema di misura internazionale la potenza viene misurata N l it di i i t i l l t i i t in W (watt) e nei suoi multipli kilowatt kW, megavatt MW e così via. A titolo informativo devi sapere che il watt equivale ad 1 via. A titolo informativo devi sapere che il watt equivale ad 1 joule al secondo 1 W = 1 J/s Quello che mi preme sottolineare è che con il watt misuriamo la potenza. Quindi quando parliamo di potenza, riferite al nostro impianto fotovoltaico, faremo riferimento al watt. Differente cosa è l'energia. Nel sistema internazionale l'unità di misura dell'energia è il kWh (kilowattora). Per definizione 1 kilowattora corrisponde alla potenza (kilowattora). Per definizione 1 kilowattora corrisponde alla potenza di 1000 watt esercitata per un'ora. L'energia elettrica viene appunto misurata in kWh e di conseguenza anche i consumi di energia elettrica vengono misurati in kWh.
Per meglio capire la differenza facciamo un esempio. Supponiamo di utilizzare un elettrodomestico molto comune, un Supponiamo di utilizzare un elettrodomestico molto comune un phon. Supponiamo che tale phon abbia una potenza di 800 W . Supponiamo di utilizzare tale phon per 12 minuti. Quanta energia pp p p g avremo consumato? Considerando che 12 minuti corrispondono a 0.2 ore, l'energia d d h d l' consumata sarà pari a 800W x 0,2 h = 160 Wh ovvero 0,16 kWh Riassumendo quindi la potenza viene misurata in kilowatt [kW] Riassumendo quindi la potenza viene misurata in kilowatt [kW] , mentre l'energia viene misurata in kilowattora[kWh].
La potenza di un impianto fotovoltaico viene misurata in Wp watt di picco . Il watt di picco è un particolare tipo di watt, infatti misura si la potenza ma in condizioni prestabilite. l d bl Il watt di picco è la potenza teorica massima producibile dal generatore fotovoltaico Il Wp è la grandezza che caratterizza ogni generatore fotovoltaico. Il Wp è la grandezza che caratterizza ogni modulo e sulla base della normativa IEC 904‐3 (1989), questo valore indica la potenza erogata da un modulo in condizioni p g standard ovvero: irraggiamento di 1000 W/m2 temperatura di cella di 25 °C posizione del sole a 1 5 AM posizione del sole a 1,5 AM
Nelle abitazioni solitamente vengono installati contatori con 3 kW di potenza, cosa significa? Il contatore limita la potenza che noi possiamo utilizzare. Ciò significa che noi potremmo utilizzare nella nostra abitazione g p contemporaneamente elettrodomestici, o qualsiasi altra utenza, con una potenza complessiva pari a 3 kW. Se tenessimo accesi tutti questi elettrodomestici per 1 ora avremmo consumato 3 kW x 1 h = 3 kWh. Ed è proprio tale energia che p p g dobbiamo remunerare al gestore elettrico.
I consumi elettrici corrispondono quindi alla energia p elettrica utilizzata ed in nessun caso alla potenza.
La scelta della potenza dell’impianto fotovoltaico non è La scelta della potenza dell’impianto fotovoltaico non è collegata alla potenza nominale del contatore installato ma esclusivamente al consumo in kWh dell’utente ma esclusivamente al consumo in kWh dell’utente SSupponiamo installare un impianto fotovoltaico da 6 kWp. i i t ll i i t f t lt i d 6 kW Tale impianto produrrà ogni ora, in condizione standard, 6 kWh
L'effetto fotovoltaico consiste nella conversione della radiazione solare in energia elettrica della radiazione solare in energia elettrica. Tale conversione avviene quando un flusso di energia Tale conversione avviene quando un flusso di energia luminosa investe un materiale semiconduttore opportunamente drogato opportunamente drogato. Per drogaggio si intende l’aggiunta al semiconduttore puro di piccole percentuali di atomi non facenti parte del semiconduttore stesso. stesso
Se il materiale semiconduttore, come comunemente accade, è il ili i i il silicio, introducendo atomi di fosforo, si ottiene la formazione d d i di f f i i l f i di silicio di tipo "n“, caratterizzato da una densità di elettroni liberi (cariche negative) più alta di quella presente nel silicio liberi (cariche negative) più alta di quella presente nel silicio normale (intrinseco). La tecnica del drogaggio del silicio con atomi di boro porta, invece, al silicio di tipo "p" in cui le cariche libere in eccesso sulla norma sono di segno positivo. ll di iti
Ponendo a contatto due cristalli di silicio, uno di tipo P ed uno di P d t tt d i t lli di ili i di ti P d di tipo N otteniamo una giunzione P‐N . Nella zona di contatto tra i due tipi di silicio detta "giunzione due tipi di silicio, detta giunzione p p‐n" n , si ha la formazione di un si ha la formazione di un forte campo elettrico.
Ai fini del funzionamento delle celle, i fotoni di cui è composta la luce solare non sono tutti equivalenti: per poter essere assorbiti e partecipare al processo di conversione un fotone deve possedere partecipare al processo di conversione, un fotone deve possedere un’energia superiore a un certo valore minimo Eg (Per il Silicio Eg = 1,1 eV , ), che dipende dal materiale di cui è costituita la cella. In ), p caso contrario, il fotone non riesce ad innescare il processo di conversione.
f ii d di lib I fotoni in grado di liberare cariche nel semiconduttore sono quelli avente lunghezza sono quelli avente lunghezza d’onda inferiore a 1,1μm
CulnSe2 : Diseleniuro di Rame Indio [CIS] Si = Silicio GaAs = Arsenide di Gallio CdTe= Telluro di Cadmio Si( Si(amorph) = Silicio Amorfo h) Sili i A f
Caratteristica Corrente Tensione Caratteristica Corrente‐Tensione La corrente di cortocircuito Isc è un parametro caratteristico della cella PV e aumenta con I'area della giunzione. La tensione a vuoto Uoc dipende essenzialmente dal materiale semiconduttore: per Ie i d I celle al silicio Uoc ll l ili i U ≈ 0,5 V ... 0,6 V 05V 06V II punto di funzionamento della funzionamento della cella chiusa su una resistenza R è rappresentato dall'intersezione d ll della retta V = RI con tt V RI la caratteristica correnle tensione correnle‐tensione della cella
Caratteristica Corrente Tensione Caratteristica Corrente‐Tensione
Dipendenza della caratteristica della cella I‐V in funzione della t temperatura di funzionamento t di f i t
Caratteristica Corrente Tensione Caratteristica Corrente‐Tensione
Dipendenza della caratteristica della cella I‐V in funzione dell’irraggiamento u o e de agg a e to
C ll f t Celle fotovoltaiche in Silicio lt i h i Sili i Le celle in silicio cristallino (mono e policristallino) rappresentano ( p ) pp circa il 90% del mercato fotovoltaico ; il resto e suddiviso tra celle a film sottile e celle di seconda e terza generazione. Una cella di un modulo al silicio monocristallino è costituita da un singolo cristallo di silicio, il che garantisce una massima ll d l l h conducibilità dovuta al perfetto allineamento degli atomi di silicio allo stato puro ed degli atomi di silicio allo stato puro ed è realizzata a partire da un wafer la cui struttura cristallina è omogenea (monocristallo) g Il rendimento dei moduli al silicio monocristallino si aggira attorno al 14% – 16% e le celle fotovoltaiche sono di colore attorno al 14% 16% e le celle fotovoltaiche sono di colore blu scuro a forma ottagonale
C ll f t Celle fotovoltaiche in Silicio lt i h i Sili i Nelle celle al silicio policristallino, il wafer non è strutturalmente omogeneo ma organizzato in grani localmente ma organizzato in grani localmente ordinati; si ottiene riciclando componenti elettronici scartati, ossia il cosiddetto , “scraps di silicio” il quale viene rifuso per ottenere una composizione cristallina compatta. il rendimento di un modulo policristallino si aggira intorno all’ 13% – 15% e le celle sono di colore blu intenso di forma quadrata
C ll f t Celle fotovoltaiche in Silicio lt i h i Sili i IlIl silicio solidifica in forma di lingotto cilindrico di monocristallo ili i lidifi i f di li tt ili d i di i t ll dal diametro 13 – 20 cm con una lunghezza che può raggiungere i 200cm raggiungere i 200cm SSuccessivamente il lingotto viene i il li i tagliato con speciali seghe a filo in fettine dette wafers con spessore con spessore fettine dette wafers di 250 – 350 μm . A causa delle ridotte dimensioni si ha una estrema fragilità.
C ll fil Celle a film sottile ttil Uno strato semiconduttore di pochi micron viene depositato, tramite processi fisici e chimici, su di una superficie di supporto, donde il nome di celie a"film sottile" per distinguerle dalle celte a silicio cristallino che hanno uno spessore di centinaia dalle celte a silicio cristallino che hanno uno spessore di centinaia di micron . Un risparmio di materiale semiconduttore è notevole. II supporto Un risparmio di materiale semiconduttore è notevole. II supporto può essere anche flessibile e questo amplia il campo di applicazione delle celle a film sottile.
C ll fil Celle a film sottile ttil Le celle a film sottile utilizzano semiconduttori particolari, come il CdTe (tellururo di cadmio), il CIS (solfururo di indio e rame), il CIGS (solfururo di rame, indio e gallio) o, più frequentemente, il silicio amorfo. Nelle applicazioni dove e richiesta un'alta efficienza di conversione per 10 spazio limitato si utilizzano celle conversione. per 10 spazio limitato, si utilizzano celle all'arseniuro di gallio (GaAs), Ie quali possono raggiungere una efficienza del 25%. una efficienza del 25%.
Effi i Efficienza delle celle fotovoltaiche d ll ll f t lt i h p Tipo di Cella
Efficienza %
Monocristallino
14 ‐ 16
l ll Policristallino
13 ‐ 15
CdTe (tellururo di cadmio)
10 ‐12
CIS (solfururo di indio e rame)
10 ‐12
CIGS (solfururo di rame, indio e di rame indio e CIGS (solfururo gallio)
10 ‐12 10 12
Silicio amorfo Silicio amorfo
7 7‐9
Arseniuro di gallio (GaAs)
25 %
C ll Collegamento celle : Serie e Parallelo t ll S i P ll l
M d li F t Moduli Fotovoltaici lt i i Una cella fotovoltaica eroga una potenza di qualche watt: Una cella fotovoltaica eroga una potenza di qualche watt: troppo piccola per i comuni impieghi. Piu celle (uguali) vengono quindi collegate elettricamente e assemblate meccanicamente per formare un modulo, il quale costituisce il componente base, commercialmente djsponibile sul mercato, per la realizzazione di impianti s l mercato per la reali a ione di impianti fotovoltaici.
M d li F t Moduli Fotovoltaici lt i i La tensione totale del modulo è data dalla tensione delle celle collegate in serie (blocchi di celle ), la corrente invece è data dalla somma dei blocchi di celle collegati in parallelo.
M d li F t Moduli Fotovoltaici lt i i Le celle che costituiscono un modulo sono incapsulate con un sistema di assemblaggio che: • isola elettricamente Ie isola elettricamente Ie celle verso I celle verso I'esterno; esterno; • protegge Ie celle dagli agenti atmosferici e dalle sollecitazioni meccaniche • resiste ai raggi ultravioletti , alle basse temperature, agli sbalzi di temperatura e all' abrasione; •smaltisce facilmente il calore, per evitare che !'aumento di temperatura riduca a potenza fornita dal modulo
Tali proprietà devono permanere per la vita attesa del modulo (oltre i trenta anni) modulo (oltre i trenta anni)
M d li F t Moduli Fotovoltaici lt i i La sezione di un modulo standard in silicio cristallino è composta da: • una lamina di protezione sui lato superiore esposto alla luce • una lamina di protezione sui lato superiore esposto alla luce, caratterizzata da elevata trasparenza (il materiale pili utilizzato e il vetro temprato); p ); • un materiale di incapsulamento; nei processi che utilizzano la fase di laminazione si impiega spesso il VinilAcetato di Etilene (EVA); • un substrato di supporto posteriore (vetro metallo posteriore (vetro, metallo, plastica); • una cornice metallica (telaio), usualmente in alluminio.
Le prestazioni di moduli diversi possono essere paragonate solo a parità di condizioni ambientali e di irraggiamento solare, da qui la necessità di stabilire a livello internazionale condizioni di prova standard (STC: Standard Test Conditions ) Le norme IEC/EN 60904 hanno assunto le seguenti condizioni di p prova standard: ‐Irraggiamento solare ( sul piano del modulo ) : 1000W/mq ‐ Temperatura delle celle : 25 °C ‐ distribuzione spettrale corrispondente ad AM = 1,5 Per ricavare i dati nominali, in particolare la caratteristica Corrente – Tensione, il modulo viene posto in un simulatore solare, attrezzato con lampade allo xenon.
Nella realtà impiantistica , i moduli funzionano spesso in condizioni ambientali differenti da quelle standard. In particolare la cella si q p trova ad operare a temperature diverse da quelle di 25°C. Si è perciò sentito il bisogno di introdurre la "temperatura della cella in condizioni operative nominali" (NOCT: Nominal ll i di i i i i li" ( i l Operating i Cell Temperature) per calcolare I'influenza della temperatura sulla potenza. potenza Tali condizioni operative nominali sono le seguenti: • irraggiamento solare: 800 W/m2; • temperatura ambientale (dell'aria): 20°C; • velocità dell'aria sui retro l i à d ll' i i del modulo: 1 m/s; • modulo funzionante a vuoto • modulo funzionante a vuoto.
Bassi valori della temperatura NOCT corrispondono ad una buona capacità della cella di smaltire calore verso l’esterno lti l l’ t
La variazione percentuale di potenza ΔP (%) dovuta a una temperatura delle celle diverse da 25 °C vale quindi
dove CT è il coefficiente di temperatura
Etichetta moduli fotovoltaici Etichetta moduli fotovoltaici Ogni modulo deve disporre di una targa leggibile e indelebile O i d l d di di t l ibil i d l bil su cui devono essere riportati i seguenti dati: • nome o simbolo del costruttore; nome o simbolo del costruttore; • tipo o numero di modello; • numero di serie; • polarita dei terminali o dei conduttori; • massima tensione di esercizio per la quale il modulo è d tt ( 1000V) adatto ( 1000V) • classe di impiego del modulo; • simbolo di classe II (per i moduli di classe A) simbolo di classe II (per i moduli di classe A)
Datasheet moduli fotovoltaici moduli fotovoltaici II costruttore del modulo deve inoltre fornire gli ulteriori dati necessari per II costruttore del modulo deve inoltre fornire gli ulteriori dati necessari per l’impiego dei moduli: • tensione a vuoto Uoc; • corrente di cortocircuito Isc; • massima potenza Pmax con indicazione delle tolleranze di produzione • massima potenza Pmax, con indicazione delle tolleranze di produzione • tensione e corrente nel punto di massima potenza (MPP) Umpp e Impp • corrente nominale massima dei dispositivi di protezione contro Ie sovracorrenti abbinabili al modulo (in genere fusibili); • numero massimo raccomandato di moduli collegabili in serie/parallelo • temperatura della cella in condizioni operative nominali (NOCT); temperatura della cella in condizioni operative nominali (NOCT); • massima corrente inversa tollerata; • coefficienti di temperatura per la tensione e la potenza.
S lt Scelta moduli fotovoltaici d li f t lt i i ‐Efficienza del modulo ‐ Coefficiente di Temperatura ‐ Integrazione architettonica ‐ Sito ombreggiato ‐ Altre esigenze
Efficienza del modulo Efficienza del modulo L’efficienza di conversione di un modulo è il rapporto tra ll’energia energia solare raccolta dalla superficie di un modulo e la solare raccolta dalla superficie di un modulo e la potenza di picco prodotta. Tale rapporto viene espresso in p percentuale.
Efficienza del modulo Efficienza del modulo
Supponiamo innanzitutto di essere nelle condizioni standard STS, infatti come abbiamo visto i Watt di picco , fanno riferimento alla potenza prodotta in condizioni standard. Per semplicità supponiamo inoltre che il sole irradi una potenza di 1000 W/m2 e che la superficie del modulo sia di 1 m 1000 W/m e che la superficie del modulo sia di 1 m2. Quindi Quindi se il modulo producesse una potenza di 1000 Wpesso avrebbe ( una efficienza del 100% (ovvero il massimo valore di efficienza possibile) infatti :
Quindi a parità di superficie produce di più un modulo a p più alta efficienza. Conviene quindi acquistare un modulo q q ad alta efficienza quindi? Dipende dalle esigenze. i d d ll i Quello che è sicuro che un modulo a più alta efficienza Quello che è sicuro che un modulo a più alta efficienza non produce più energia di un modulo a bassa efficienza.
Integrazione architettonica Integrazione architettonicaÂ
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Un inverter propriamente detto è un apparato elettronico in grado di convertire una corrente continua in una corrente alternata Tale corrente alternata deve presentare delle l l d d ll caratteristiche di ampiezza e frequenza adatte alla rete elettrica del distributore Perché alla rete elettrica del distributore. Perché, occorre ricordarlo, oltre a poter utilizzare l’energia elettrica prodotta, istantaneamente g p per gli usi e consumi propri, possiamo immettere in rete l’energia superflua, l’energia che in particolari momenti della giornata non h i i l i i d ll i utilizziamo o utilizziamo in parte.