Il fotovoltaico Piercarlo Romagnoni Università IUAV di Venezia Dorsoduro 2206 - 30123 Venezia
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Il fotovoltaico
Piercarlo Romagnoni
Università IUAV di Venezia
Dorsoduro 2206 – 30123 Venezia
La cella solare
è un dispositivo elettronico
capace di convertire
direttamente ……… sfruttando le proprietà di
la luce solare in elettricità conduzione
sotto illuminazione
di alcuni materiali
semiconduttori
Cella solare commerciale
realizzata con tecnologia serigrafica
su substrato di silicio multicristallo
Il funzionamento La cella MATERIALE ISOLANTE Gli elettroni di valenza non si possono allontanare dall’atomo in quanto sono bloccati dalla banda di valenza (banda = stato energetico) MATERIALE CONDUTTORE Gli elettroni di valenza sono liberi di muoversi e il loro movimento, provocato da un campo elettrico, origina la corrente elettrica. La banda di valenza e la banda di conduzione sono sovrapposte.
MATERIALE SEMICONDUTTORE Gli elettroni di valenza non si possono muovere come negli isolanti, ma la differenza energetica esistente fra banda di valenza e di conduzione è piccola, pertanto gli elettroni possono passare con facilità nella banda di conduzione se ricevono energia dall’esterno. Tale energia può essere fornita dalla luce (effetto fotoelettrico). Grazie all’effetto fotoelettrico un semiconduttore diventa conduttore, ma non generatore elettrico!
COME OTTENERE UN GENERATORE ELETTRICO L’atomo di silicio ha 4 elettroni di valenza. L’atomo di fosforo ha 5 elettroni di valenza. Inserendo atomi di fosforo fra quelli di silicio si crea una struttura avente un elettrone disponibile per la conduzione. Nel silicio si crea quindi un eccesso di cariche negative (elettroni) e si dice che esso è drogato negativamente (N). L’atomo di boro ha 3 elettroni di valenza. Inserendo atomi di boro fra quelli del silicio si crea una struttura con zone in cui manca un elettrone (lacune), ossia zone con mancanza di carica negativa. Tutto avviene come se fosse presente una carica positiva. Si dice che il conduttore è drogato positivamente (P).
Giunzione P –N La lacuna può essere colmata da un elettrone che si sposta da un atomo vicino formando a sua volta una lacuna. Lo spostamento di elettroni in un verso corrisponde allo spostamento di lacune nel verso opposto. Mettendo a contatto la zona drogata positivamente con quella drogata negativamente si ottiene la cosiddetta giunzione P-N.
GIUNZIONE P-N La regione N ha un eccesso di elettroni. La regione P ha un eccesso di lacune. Nella giunzione P-N gli elettroni si diffondono naturalmente dalla regione ad alta densità (N) a quella a bassa densità (P), creando un accumulo di carica negativa nella regione P. Analogamente avviene per le lacune, con formazione di accumulo di lacune (cariche positive) nella regione N. In sostanza, a ridosso della zona di giunzione si stabilisce un campo elettrico Ei interno alla giunzione, il quale, una volta raggiunta la situazione di equilibrio, si oppone alla ulteriore naturale diffusione di cariche.
Colleghiamo una pila alla giunzione attraverso due terminali esterni. Si considerino i due casi illustrati nella figura seguente. Nel caso di sinistra, in cui il polo positivo della pila è collegato alla zona-p mentre quello negativo è collegato alla zona-n, la pila riuscirà a "manifestare" il suo effetto: il polo positivo può spingere le cariche positive (lacune) e quello negativo può spingere gli elettroni. La giunzione p-n può essere percorsa allora da una corrente (dovuta sia alle lacune che agli elettroni). Viceversa, quando il polo positivo è collegato alla zona-n e quello negativo alla zona-p, non può scorrere corrente poiché la pila non trova le "giuste" cariche da spingere. Nel primo caso si parla di polarizzazione diretta della giunzione p-n mentre nel secondo caso di polarizzazione inversa.
Quindi, applicando dall’esterno una tensione ΔV, la giunzione permette il passaggio della corrente in un solo senso, funzionando come un diodo. Nel caso dell’effetto fotovoltaico, la luce fornisce agli elettroni l’energia sufficiente (tramite i fotoni) per passare dalla banda di valenza a quella di conduzione. L’elettrone, passando nella banda di conduzione, determina una lacuna. Le cariche elettriche sono messe in moto dalla differenza di potenziale presente nella giunzione P-N.
quindi…
Struttura di una cella solare -1
Una cella solare si può schematizzare come:
•un diodo a giunzione
nel substrato di silicio drogato di tipo p (base)
vengono diffuse impurezze di fosforo per creare uno
strato di tipo n (emitter)
e quindi realizzare la giunzione pn
emitter (n)
base (p)
Tramite la giunzione p-n i portatori di carica fotogenerati
si separano e possono raggiungere i contatti metalliciStruttura di una cella solare -2
... •con contatti metallici sul fronte e sul retro
Contatto di tipo n
generalmente realizzato
con argento
Contatto di tipo p
generalmente realizzato
con alluminio
Tramite i contatti metallici i portatori di carica possono
fluire dal diodo verso ...
un circuito esternoStruttura di una cella solare -3
•collegato ad un circuito esterno
Il collegamento del
dispositivo ad un circuito
esterno consente una
circolazione di corrente I I
e la generazione di una
tensione V ai capi del
carico V
+
una potenza elettrica P P = VILa radiazione luminosa è assorbita nelle regioni del semiconduttore adiacenti alla giunzione P-N ed origina le coppie di portatori elettroni lacune. La regione di tipo n, che è sulla parte della cella esposta alla radiazione, è a contatto con una pellicola trasparente di ossido conduttore o da una griglia metallica specificamente progettata per oscurare solo una frazione modesta della superficie. Lo strato conduttore o la griglia metallica costituiscono l’elettrodo positivo.
30
Laboratorio
25
Produzione
Solar cells
20
Eff [%]
15
10
5
0
1920 1940 1960 1980 2000 2020
Anno
Celle solari commerciali sono diodi metallizzati per mezzo di screen
printing con griglie in argento e alluminio
L’efficienza è pari a (1)
12.5% su mc-Si con TiO2
13-15% su mc-Si con al nitride 14 – 15% su mono
Dimensioni tipiche sono 100 cm2, 150 cm2, 225 cm2
Il processo consente lo stampaggio di un film antiriflesso in SiN.
Il diodo è realizzato per diffusione del fosforo in una fornace con rulli
ceramici.
(1) Efficienza valutata con condizioni radianti standard di 1000 W/m2Da un punto di vista elettrico, al variare della temperatura della giunzione, per un diodo, si può valutare la corrente prodotta I in funzione della tensione V. Per il Si, la dipendenza dalla temperatura crea uno shift della curva di circa 2 mV/°C
Per una cella fotovoltaica, si può definire la CURVA CARATTERISTICA CORRENTE-TENSIONE Voc = tensione a vuoto (≈ 0,5 – 0,6V) Isc = corrente di corto circuito ( 30 -35 mA/cm2 )
PUNTO DI FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA CHIUSA SU UNA RESISTENZA R: È l’intersezione della curva caratteristica corrente-tensione con la retta V=RI. Se il punto di funzionamento corrisponde a Imax e Vmax (punto C), tale condizione è quella per la quale il generatore eroga la massima potenza. Infatti la potenza P=VI corrisponde all’area del diagramma
La potenza nominale del dispositivo Pn , misurata in watt di picco (Wp), non è altro che il valore di PM misurato nelle condizioni di riferimento. Per una comune cella al silicio, il punto di massima potenza in condizioni standard di riferimento corrisponde ad una differenza di potenziale di circa 0,5 V. Anche il rapporto tra PM e Isc ∙ Voc , detto fill-factor (FF) o fattore di riempimento della cella, è un ulteriore termine di giudizio sul rendimento della cella. Questo mette in relazione la massima potenza effettivamente estraibile con la potenza massima ideale. Per le usuali celle al silicio cristallino il fill-factor in condizioni standard di riferimento si aggira attorno a 0,75÷0,80.
Si definisce rendimento di conversione il rapporto tra la
massima potenza elettrica generata dalla cella e quella della
radiazione solare incidente sulla cella stessa:
η = VM IM / Pi
A seconda del tipo di applicazione varia lo spettro della
radiazione solare che effettivamente incide sulla cella e,
conseguentemente, varia il valore del rendimento.Il modulo fotovoltaico
Un modulo FV consiste di un insieme di celle solari
elettricamente connesse e confezionate in un’unica unità
Tipicamente le celle vengono connesse in serie
per aumentare la tensione d’uscita del modulo.
Generalmente un modulo è costituito
da 36 celle per assicurare una tensione
maggiore di 12 volts
Le celle interconnesse vengono incapsulate
(EVA+Tedlar+vetro) , laminate
ed infine viene montata la corniceIl sistema fotovoltaico
Un sistema fotovoltaico è costituito da un insieme di moduli
connessi in serie ed in parallelo a seconda dell’utilizzo
Nella connessione in serie :
•la tensione è la somma delle tensioni dei singoli moduli
•la corrente è pari alla corrente di ogni singolo modulo
Nella connessione in parallelo :
•la tensione è pari alla tensione di ogni singolo modulo
•la corrente è pari alla somma delle correnti dei singoli moduliApplicazioni dei sistemi FV
Stand-alone
Sistemi isolati
perché alimentano direttamente un carico elettrico
e la parte eccedente
viene accumulata in apposite batterie
Grid-connected
Sistemi connessi ad una rete di distribuzione
perché l’energia viene convertita in corrente alternata
per il carico utente e/o immessa nella rete
con la quale lavora in regime di interscambioMateriali di base
Silicio cristallino in fette
monocristallino
-ogni lingotto è un unico cristallo ( alta qualità elettronica)
- i lingotti cilindrici vengono squadrati e tagliati in fette
-Tecnologia sofisticata derivata da industria elettronica
multicristallino
- i lingotti sono a base quadrata
- tecnologia semplice sviluppata per il fotovoltaico
- lingotti costituiti da più cristalli a struttura colonnare lungo l’asse di crescitaMonocristallino
Multicristallino
Amorfo
Silicio
multicristallino
Squadratura
Cristallizzazione
Taglio
Lingotto blocchetti
Materiali di base fette
Riciclo interno1a Celle solari:
Processo serigrafico
(es. Eurosolare)
•Ombreggiatura > 10 %
•Produttività > 1000 celle/h
•Costo trasformazione ca 1 $
• Notevole esperienza acquisita
• Efficienza limitata a 15 % (CZ)1a Celle solari:
Processo a contatti sepolti
(es. BP Solar,
linea pilota UNSW
linea pilota Eurosolare)
•Ombreggiatura 1$
•Esperienza industriale limitata
•Efficienza elevata fino a 17 % (CZ)1a
shadowingFenomeni che limitano l’efficienza
delle celle solari attuali ( 1a 2a )
1 La radiazione di energia elevata viene in parte persa sotto forma di calore
2 Non idealità del diodo
3 Non idealità dei contatti metallici
3 Materiali non puri o con difetti della struttura cristallina
Superando tali limiti 3a
si potrebbe raggiungere
il limite teorico
di efficienza
86,8 %Limiti all’efficienza
Limite termodinamico Carnot
(95%)
- energia persa (93%)
- entropia (86,8%)Generazione I, II e III :
Efficienza in funzione delle proiezioni dei costi per una tecnologia PV di
prima, seconda e terza generazione3a Celle multibanda
86,8% Limite teorico per infinite bandeLa resa energetica in funzione
dello spazio tra le celle
120
La resa energetica (W p/mq)
100
80
60
40
20
0
50 75 94
Il rapporto sup.attiva/sup.tot. di un moduloDifferenti possibilità di
realizzare i moduli
FRONTE RETRO CARATTERISTICHE NOTE
Trasparenza Peso
Vetro Vetro Ottima (92%) Pesante
Vetro Tedlar trasparente Buona (85%) Leggero
Vetro Policarbonato Buona (80%) Leggero Testing
trasparente
Tedlar trasparente Policarbonato non Buona Molto leggero Flessibile
(policarbonato trasparente
trasp)
Policarbonato Policarbonato Buona Molto leggero Flessibile
trasparente trasparentefronte VETRO
EVA
CELLE PV
EVA
retro
TEDLAR
Il modulo
vetro/tedlarIl modulo “double glass”
Il modulo vetro/tedlar trasparente
Moduli flessibili tedlar/policarbonato non trasparente
Modulo colorato
“double glass” con
celle colorate sul
fronte e sul retro
La colorazione del fronte è in
funzione del trattamento
antiriflesso con
SINIl retro delle celle colorato con
vernici metallicheL'EFFICIENZA DELLE CELLE PV IN
FUNZIONE DEL COLORE
Efficienza delle celle ( %) 14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
senza marrone blu violetto rosso
riflesso
Colore delle celle in funzione del trattamento antiriflessoL’impatto del ciclo di vita del PV è stato studiato e definito Energy requirements of production stages in the manufacturing of PV panels as percentages of the Gross Energy Requirement (GER) of 1494 MJ/panel (415 kWh/ panel) (ref. ~ 0.65 m2 surface)
Silicio amorfo Il silicio amorfo (a-Si) è un materiale a film sottile disordinato, a differenza del silicio cristallino con la sua struttura reticolare uniforme o del silicio policristallino con grani di struttura cristallina. Nel silicio amorfo rimangono alcuni atomi nella struttura, priva di ordine a lungo raggio, restano non legati; in compenso può essere prodotto più a buon mercato. La mancanza di ordine a lungo raggio ha un grave impatto sulle proprietà del materiale: è necessaria la passivazione dei legami pendenti per utilizzare il materiale come cella solare. La passivazione incorpora idrogeno atomico con silicio amorfo ad un livello del 5-10%, saturando i legami pendenti, migliorando così la qualità del materiale. Tuttavia, la proprietà del materiale sono significativamente diverse da quelle del silicio cristallino. Ad esempio, il divario di banda aumenta da 1,1 eV per il silicio cristallino a 1,7 eV per il silicio amorfo e il coefficiente di assorbimento di a-Si è molto superiore a quella del silicio cristallino.
La cellula standard in silicio amorfo è costituita da più strati di a-Si. Ogni strato è idrogenato. L'a-Si: H è inserita tra un conduttore trasparente (ossido di stagno) e la metallizzazione posteriore (Al o Al / ZnO o ZnO); tutti gli strati sono depositati su un substrato di vetro o altro. Questi strati determinano anche la tensione del dispositivo. Lo strato intrinseco, o drogato, è lo strato attivo del dispositivo, in cui la maggior parte della cella solare origina corrente. La polarità della tensione è positiva all’ossido di stagno, e negativa sul alluminio. L'a-Si: H potrebbe essere costituita da uno o più e strati p, I ed n creando una singolo, coppia o tripla giunzione.
Vancouver (Canada): applicazione di SI amorfo
Celle a film sottile
Cadmio Tellurio (CdTe)
materiale policristallino (band gap 1,5 eV)
efficienza conversione 9 – 11%
Rame, Indio, Gallio, Selenio (CIGS)
materiale policristallino (band gap 1,3 eV)
efficienza conversione 10 – 14% (max
19,5%)
spessore substrato attivo 1 – 2 mmDATI NOMINALI E SCELTA DEL MODULO I dati nominali caratterizzano le prestazioni del modulo fotovoltaico. Le prestazioni sono paragonabili solo a parità di condizioni ambientali e irraggiamento solare, pertanto le condizioni di prova dei moduli al fine della determinazione delle prestazioni devono essere standardizzate. • CONDIZIONI UTILIZZATE IN LABORATORIO: STS (STANDARD TEST CONDITIONS) IRRAGGIAMENTO SOLARE: 1000W/m2 . TEMPERATURA: 25 °C La caratteristica corrente-tensione della cella fotovoltaica varia al variare delle condizioni ambientali, pertanto sono introdotte delle condizioni operative per calcolare l’influenza della temperatura sulla potenza prodotta dalla cella: NOCT (NOMINAL OPERATING CELL TEMPERATURE) IRRAGGIAMENTO SOLARE: 800 W/m2 . TEMPERATURA AMBIENTE: 25 °C . VELOCITA’ DEL VENTO: 1 m/s . MODULO FUNZIONANTE A VUOTO.
Il costruttore indica la temperatura NOCT ( TNOCT ). TNOCT è
variabile fra 40 e 50 °C .
Bassi valori di TNOCT indicano una buona capacità di smaltire
il calore verso l’esterno.
Per irraggiamenti diversi dal valore NOCT (800 W/m2) la
temperatura viene corretta con l’espressione:
G
Tcell = Tamb + (NOCT − 20)
800
G = irraggiamento sul piano dei moduli
Per t ≠ 25 °C: ΔPm % = CT (Tcell – 25)
CT = coefficiente tabellato
ΔPm %= Variazione percentuale di potenza
I moduli di silicio hanno una riduzione di efficienza dopo 6-12
mesi.La potenza nominale dichiarata dal costruttore si riferisce alla potenza stabilizzata (cioè già decurtata delle perdite dopo 6- 12 mesi), ma occorre tener conto della maggiore potenza per l’accoppiamento con l’inverter (il modulo fotovoltaico produce una corrente continua, la quale viene trasformata dall’inverter in c. alternata; l’inverter deve essere accoppiato alle celle sulla base di parametri elettrici, tra i quali la potenza prodotta). Inoltre occorre considerare la tensione prodotta e la relativa classe di isolamento in relazione alla protezione dai possibili contatti indiretti: classe di impiego A per V>120V cc (moduli considerati CLASSE II), classe di impiego C per V≤120V cc (moduli considerati SELV). I moduli in classe di impiego B sono considerati senza protezione contro i contatti diretti.
• NOME COSTRUTTORE • MODELLO • N° SERIE • POLARITA’ DEI TERMINALI O DEI CONDUTTORI • MAX TENSIONE DI ESERCIZIO PER CUI IL MODULO E’ ADATTO • CLASSE DI IMPIEGO DEL MODULO • SIMBOLO DI CLASSE II (PER MODULI A) ALTRI DATI FORNITI • UOC TENSIONE A VUOTO • ISC CORRENTE DI CORTO CIRCUITO • POTENZA MASSIMA ± TOLLERANZA PERCENTUALE EFFICIENZA DI CONVERSIONE (η) È il parametro più noto ma è meno importante di quanto sembra! Infatti un modulo avente efficienza inferiore può produrre la stessa potenza di un modulo avente efficienza superiore se la propria superficie è maggiore. Moduli ad alta efficienza sono utili dove c’è meno spazio.
• TOLLERANZA SU POTENZA NOMINALE È in genere sottovalutato, ma invece è importante! Esempio: Se i moduli considerati avessero potenza nominale P con tolleranza pari a ±10%, l’impianto potrebbe fornire una potenza pari a 0,9 P. Pertanto potrebbe essere più interessante valutare un lotto con tolleranza ±5%, anche se più costoso. • TEMPERATURA NOCT e COEFFICIENTE DI TEMPERATURA CT Indicano come aumentano le perdite in funzione della temperatura. Un modulo è tanto più pregiato quanto minori sono TNOCT e CT . Tanto più la temperatura ambiente è elevata, tanto maggiore è il vantaggio conseguibile con moduli a bassa TNOCT e CT . I moduli in film sottile sono meno sensibili alla temperatura, quindi sono più adatti dove essa aumenta per mancanza di ventilazione, ad es. negli interventi integrati architettonicamente.
• CERTIFICAZIONI E GARANZIE CONTRATTUALI I moduli certificati e garantiti hanno maggior probabilità di durare e produrre energia per tutta la vita utile dell’impianto. Per ottenere una tariffa incentivante i moduli devono essere certificati da un organismo di prova, indipendentemente dal costruttore, che ne attesti la conformità in base alle norme di prodotto. La garanzia dovrebbe riguardare il mantenimento delle condizioni iniziali! Ad es.: 90% della potenza nominale fino a 12 anni e 80% fino a 25 anni.
PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA Un generatore elettrico produce una quantità di energia pari al prodotto della propria potenza per il tempo di funzionamento. E=Pt [kWh] P=L/t [kW] L=E=Pt [kWh] Le ore di funzionamento annue sono pertanto un parametro importante per la produzione di energia elettrica in un impianto tradizionale e sono pari al n° di ore annuo (8760) decurtate delle ore fuori servizio per manutenzione o inconvenienti tecnici. Le ore di fermo di una centrale elettrica sono parte nota del totale, quindi la potenza nominale è un parametro significativo dell’energia prodotta. In un impianto PV la P nominale non è significativa in quanto varia in funzione della località e dell’istante considerato (giorno, ora e condizioni meteorologiche). L’energia solare non è sempre disponibile e varia da un giorno all’altro.
ENERGIA PRODUCIBILE DA UN IMPIANTO PV IN UN DETERMINATO LUOGO Occorre stimare le ore “equivalenti a piena potenza”, le quali sono ore fittizie in quanto si riferiscono al funzionamento a potenza nominale. Ad esempio un impianto avente P=5kW che produce 5000 kWh ha 1000 ore equivalenti a piena potenza. La convenienza di un impianto PV aumenta quindi col n° di ore equivalenti a piena potenza, pertanto prima della realizzazione dell’impianto stesso occorre valutare le risorse solari del luogo. L’energia prodotta da un impianto PV dipende da: - RADIAZIONE SOLARE DISPONIBILE, - ORIENTAMENTO E INCLINAZIONE DEI MODULI, - RENDIMENTO DELL’IMPIANTO.
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