Appunti per il Progetto Sunrise

Appunti per il Progetto Sunrise

                                          Eth0

Effetto Fotovoltaico

L'effetto fotovoltaico si realizza quando un elettrone presente nella banda di valenza
(la banda energeticamente più alta;valenza si riferisce agli elettroni di valenza, ovvero
gli elettroni più esterni dell’atomo) di un materiale passa alla banda di conduzione a
causa dell'assorbimento di un fotone sufficientemente energetico incidente sul materiale.
Quando una radiazione elettromagnetica (nel caso fotovoltaico la luce del sole) investe
un materiale può, in certe condizioni, cedere energia agli elettroni più esterni degli
atomi del materiale e, se questa è sufficiente, l'elettrone risulta libero di
allontanarsi dall'atomo di origine.Il posto lasciato libero dall’elettrone allontanato si
chiama lacuna. L'energia minima necessaria all'elettrone per allontanarsi dall'atomo
(passare quindi dalla banda di valenza che corrisponde allo stato legato più esterno alla
banda di conduzione ove non è più legato) deve essere superiore alla banda proibita del
materiale.
La banda proibita di un isolante o di un semiconduttore è l'intervallo di energia
interdetto agli elettroni.

Come si può dedurre dall’immagine solo i semiconduttori possiedono il Bandgap adeguato al
nostro scopo, in quanto per i metalli è troppo piccolo, mentre negli isolanti è troppo
grande.Quindi il fotone che incide sulla cella fotovoltaica è in grado di cedere energia
agli elettroni di valenza , questa energia è tale da portare l’elettrone oltre i valori
proibiti (BandGap), e portarlo nella banda di conduzione.
Quando un flusso luminoso investe invece il reticolo cristallino di un semiconduttore, si
verifica la transizione in banda di conduzione di un certo numero di elettroni al quale
corrisponde un egual numero di lacune che passa in banda di valenza. Si rendono pertanto
disponibili portatori di carica, che possono essere sfruttati per generare una corrente.
Per creare una corrente è necessario creare all’interno della cella un campo elettrico
interno. Per fare ciò necessitiamo di creare una zona formata da atomi negativi (anioni)e
una parte con atomi positivi detti (cationi).Questo si ottiene attraverso il drogaggio
del silicio, ovvero aggiungendo atomi del terzo gruppo per fomare la componente positiva
e atomi del quinto gruppo per formare la parte negativa.
Quindi atteniamo due parti.

   1) Parte drogata con elementi del 5° gruppo con eccesso di elettroni. Considerando che
      è il silicio ad essere drogato,quindi i 5 elettroni del drogante si combinano con i
      4 del silicio e rimane 1 elettrone debolmente legato.Questa prende il nome di
      giunzione di tipo n, ovvero con eccesso di elettroni, realizzata con atomi di
      fosforo.
   2) Parte drogata con elementi del 3° gruppo. In questo caso, avendo il terzo gruppo
      solo 3 elettroni di valenza mentre il silicio 4 si forma una lacuna.Questa prende
      il nome di giunzione p.

Mettendo i due “strati” a contatto , si forma la seguente situazione.

Quando il fotone incide sulla cella , si creano coppie di elettroni lacune e uno
spostamento di portatori di carica. Collegando le due parti si ottiene corrente continua.

Energia dal sole.

Con l’effetto fotovoltaico illustrato a grandi linee sopra , ne deduciamo che attaverso
questa tecnica possiamo convertire una parte dell’energia solare direttamente in corrente
elettrica.
All’inteno del sole a causa delle reazioni di fusione nucleare, si liberano immense
quantità di energia.Una parte di questa energia attraversa i 150M di chilometri di spazio
e giunge sulla terra.L’energia del sole viene ripartita in queste percentuali:

25% -> Riflessa dall’atmosfera.
25% -> Assorbita dall’atmosfera
18% -> Diffusa nell’atmosfera.
5% -> Riflessa dal terreno.
27% -> Assorbita dalla superficie terrestre.

La parte che arriva al suolo ha un intensità pari a 1kW/m^2.

L’energia utilizzabile.

La quantità di energia che un apparato fotovoltaico può convertire dipende direttamente
dall’irragiamento del luogo.
L’irraggiamento è la quantità di energia incidente su una unità di superficie in un
intervallo di tempo ,ad esempio un giorno .
Viene espresso in kWh/m^2/giorno.
L’istanza della radiazione solare incidente sull’unità di superficie viene dette radianza
espressa in kW/m^2.
L’irraggimento in funzione del luogo, del meteo ecc.

Carratteristiche degli impianti

I componenti base di un impianto fotovoltaico sono il generatore, sistema di controllo ,
eventuale accumulatore.
L’unità fondamentale del generatore fotovoltaico è la cella,dove avviene l’effetto
fotovoltaico.Essa è formata da un semiconduttore delle spessore di 0,3 mm. Ha forma
sferica o quadra e di norma occupa una superficie di 100-225 cm^2.
La cella nelle condizioni di 1kW/m^2 alla temperaura di 25°C fornisce una I = 3 A e ddp =
0,5V e potenza di (3 A * 0,5 V) = 1,5W.
Un insieme di celle forma un modulo di norma di 36 celle su file di 4 collegate in serie.
Più moduli collegati in serie formano un pannello.
Più pannelli collegati costituiscono una stringa.
Per controllare la potenza e altri parametri si utilizza un inverter che è in grado di
mutare la corrente continua dei pannelli in alternata, e quindi utilizzabile dagli
elettrodomestici di casa. La corrente può venire accumulata in batterie o no.
Esistono due tipi di impianti.
Isolati (stand-alone) ovvero non connessi alla rete elettrica ma indipendenti.
In rete (grid-connected) connessi alla rete.

Tipologie di celle al silicio

I moduli in silicio mono o policristallini rappresentano la maggior parte del mercato.
Entrambe queste tecnologie sono costruttivamente simili, e prevedono che ogni cella
fotovoltaica sia cablata in superficie con una griglia di materiale conduttore che ne
canalizzi gli elettroni. Ogni singola cella viene connessa alle altre mediante ribbon
metallici, in modo da formare opportune serie e paralleli elettrici.

Sopra una superficie posteriore di supporto, in genere realizzata in un materiale
isolante con scarsa dilatazione termica, come il vetro temperato o un polimero come il
tedlar, vengono appoggiati un sottile strato di acetato di vinile (spesso indicato con la
sigla EVA), la matrice di moduli preconnessi mediante i già citati ribbon, un secondo
strato di acetato e un materiale trasparente che funge da protezione meccanica anteriore
per le celle fotovoltaiche, in genere vetro temperato. Dopo il procedimento di
pressofusione, che trasforma l'EVA in mero collante inerte, le terminazioni elettriche
dei ribbon vengono chiuse in una morsettiera stagna generalmente fissata alla superficie
di sostegno posteriore, e il "sandwich" ottenuto viene fissato ad una cornice in
alluminio, che sarà utile al fissaggio del pannello alle strutture di sostegno atte a
sostenerlo e orientarlo opportunamente verso il sole.

Le prestazioni dei moduli fotovoltaici sono suscettibili di variazioni anche sostanziose
in base:

   •   al rendimento dei materiali;
   •   alla tolleranza di fabbricazione percentuale rispetto ai valori di targa;
   •   all'irraggiamento a cui le sue celle sono esposte;
   •   all'angolazione con cui questa giunge rispetto alla sua superficie;
   •   alla temperatura di esercizio dei materiali, che tendono ad "affaticarsi"       in
       ambienti caldi;
   •   alla composizione dello spettro di luce.

Per motivi costruttivi, il rendimento dei moduli fotovoltaici è in genere inferiore o
uguale al rendimento della loro peggior cella.

Con rendimento si intende la percentuale di energia captata e trasformata rispetto a
quella totale giunta sulla superficie del modulo, e può essere considerato un indice di
correlazione tra watt erogati e superficie occupata, ferme restando tutte le altre
condizioni.

La tolleranza di fabbricazione è un dato percentuale (generalmente variabile dal ±3% al
±10%) che ogni produttore dichiara in relazione ai propri standard qualitativi di
produzione. Tanto minore è la tolleranza dichiarata, tanto più stabili e predicibili
saranno le prestazioni elettriche del modulo, a pari condizioni di utilizzo.

Nella maggior parte dei casi, i produttori realizzano più versioni dello stesso modulo,
distinte in base alla potenza nominale, pur realizzandoli con le medesime celle, che
vengono preventivamente raggruppate in famiglie prestazionalmente simili. L'obiettivo
dell'operazione è gestire in modo più accorto possibile le celle elettricamente peggiori,
che potrebbero inficiare le prestazioni dell'intero modulo.

In quest'ottica quindi, tanto più numerose sono le famiglie di celle uniformi, tanto
minore potrebbe essere la tolleranza di fabbricazione garantita. Nella realtà di mercato,
tuttavia, data la curva di Gauss che descrive la distribuzione statistica della qualità
di tutte le celle fotovoltaiche di una data partita produttiva, le linee di separazione
tra gruppi di moduli simili si ampliano a volte fino a costituire fasce piuttosto ampie.

Il produttore può così gestire la parte di produzione all'interno di queste fasce:

   1. declassando il prodotto in questione, per considerarlo entro la tolleranza positiva
      del modulo inferiore, con il risultato di perdere profitto;
   2. innalzando il prodotto, per considerarlo entro la tolleranza negativa del modulo
      superiore, con il risultato di marginalizzare di più a discapito della qualità
      effettiva del prodotto.

Dal punto di vista commerciale, il produttore si garantisce la liceità dell'operazione
dichiarando una tolleranza di fabbricazione più ampia del necessario rispetto alle
potenze nominali dei vari moduli realizzati. L'immediato effetto che questa pratica
comporta è la ricaduta di cospicue quantità di moduli all'interno delle citate fasce a
cavallo di due o più tolleranze di fabbricazione.

Alla luce di ciò, i moduli fotovoltaici qualitativamente migliori sono da ricercarsi tra
quelli che combinano:

   •   una tolleranza negativa stretta (quella positiva può considerarsi trascurabile);
   •   una nulla o limitata area di sovrapposizione tra le fasce di tolleranza delle varie
       potenze dello stesso modulo.

L'artifizio della tolleranza più ampia del necessario è una tecnica impiegata solo da
produttori minori, a causa della sua facile individuazione (basta una brochure con la
lista dei prodotti trattati e una calcolatrice) e del sospetto che inevitabilmente
farebbe sorgere nei confronti del produttore.

Tensione

I moduli fotovoltaici sono accomunati dal comportamento elettrico simile a quello di un
generatore di corrente quasi puro, ovvero erogano energia con differenza di potenziale
quasi costante anche al variare delle condizioni atmosferiche o del grado di incidenza
dei raggi solari. La pratica comune di classificare i prodotti in commercio in 12, 18 o
24 V non deriva dalla tensione al suo punto di massima efficienza, ma dalla possibilità
di collegarvi una batteria ricaricabile con analogo voltaggio nominale.

Il circuito equivalente di una cella fotovoltaica

Certificazioni

I moduli fotovoltaici, se impiegati in un impianto fotovoltaico connesso alla rete
all'interno dell'Unione Europea, devono obbligatoriamente essere certificati in base alla
normativa IEC 61215, che ne determina le caratteristiche sia elettriche che meccaniche.
Tra i test più importanti si cita quello per determinarne la potenza in condizioni di
insolazione standard, espressa in watt picco (Wp).

Dimensionamento impianto Stand-Alone

Come obiettivo del progetto Sunrise il nostro generatore GF (generatore fotovoltaico),
deve essere in grado di soddisfare un fabbisogno energetico E di un pc portatile durante
le uscite pubbliche del gruppo.

La prima fase consiste nel quantificare il fabbisogno energetico.

Utilizzatori          Pnom(W)           N°           Pnom Tot(W)   Durata (h)   Energia (Wh)
Pc portatile            100              1              100*1           4          100*1*4
                                                                                     400

Per sapere di quanta energia necessitiamo è necessario sapere la potenza nominale
dell’apparecchio , nel nostro caso 100W, successivamente moltiplicarlo per il numero di
apparecchi (nel nostro caso 1), e otteniamo la potenza nominale totale.Poi dobbiamo
decidere per quante ore tenerlo acceso,nel nostro caso 4. L’energia totale che ci serve è
data dal prodotto tra Pnom * N° * Durata.

Ora dobbiamo definire l’irraggiamento in base alla posizione geografica.

Torino,uso estivo,25-30°C,Irraggiamento = 5,5 kWh/m^2.

Tralasciando le perdite, la potenza che il l’impianto può erogare è data dal rapporto tra
l’energia giornaliera richiesta e le ore di sole equivalenti.

                                     P =     400/5,5 = 72,27 W

Le perdite di sistema sono invece valutabili in:

x1   =   perdita per variazione di temperatura = 8%;
x2   =   perdite per riflessione 3%;
x3   =   differenti potenziali su moduli diversi 5%;(trascurabile nel nostro caso)
x4   =   perdite CC = 1%;
x5   =   perdite dovute al ciclo carica-scarica dell’accumulo = 11%;
x6   =   perdite inverter 12%; (non presente nel nostro caso)

Le perdite sono quindi:

                             xtot = x1 + x2 + ….. x6 = 23%

Quindi la potenza effettiva sarà:

                         P = 72,27 / [(100-23)/100] = 93,86 W

La tensione di sistema , salvo il caso di pannello autoprodotto, assume gli standard di
12V,24V,48V;Per potenze tra i 200 – 300 W o inferiori è preferibile il 12V , viceversa,
potenze maggiori voltaggi maggiori.

Presumiamo ora di utilizzare un ipotetico pannello da 100W con le seguenti
caratteristiche.

Potenza di picco = 100W;
Tensione alla massima potenza MPP Vmp = 20V;
Corrente alla massima potenza MPP Imp = 5A
Corrente di corto circuito Icc = 5,6°
Tensione circuito aperto Voc = 23,1 V

La corrente massima sarà data da Mpp = 5°;

Non resta che dimensionera l’accumulo , che nel nostro caso funge anche da
stabilizzatore di carica per Autoregolazione.
Per capire come i due fattori, modulo e batteria si autoregolano, è necessario osservare
il grafico I-V delle celle fotovoltaiche.

Durante la carica dell’accumulo (batteria), il punto di lavoro del binomio pannello-
batteria ,si sposta verso destra del grafico , in pratica la tensione differenza di
potenziale aumenta , fino a raggiungere la tensione a vuoto , la quale concerne una
corrente minimia.
Questo tipo di regolazione può andare bene nel nostro caso, perché essendoci un carico
costante (il pc), fa in modo che l’accumulo non resti, nel caso di tensione a vuoto, per
troppo tempo sotto carica.
Il circuito assume i seguenti connotati:

Calcoliamo dunque l’accumulo necessario.

                           C = 400W/20V = 20Ah        è necessaria una batteria da 20Ah.

Teniamo presente però che una batteria se scaricata completamente si deteriora, quindi
bisogna modificare i calcoli tenendo conto di questo fattore di massima profondità di
scarica.(DOD Depth of Disharge)
Di norma il tale valore è apri a 0.7.

                         C =   (400W/20V)/0.7 = 28,6

basterà quindi   una   batteria   da   35   Ah   in   quanto   è   sempre   bene   sovradimensionare
l’accumulo.