Il Fotovoltaico in agricoltura - Dott. Andrea Colantoni
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Il Fotovoltaico in agricoltura
Dott. Andrea Colantoni
Un pò di storia
“L'effetto fotovoltaico” è noto fin dal 1839, e trova il suo
fondamento nella esperienza del fisico francese Edmond
Becquerel (1820-1891) che presentò alla Accademia delle
Scienze di Parigi la sua "Memoria sugli effetti elettrici
prodotti sotto l'influenza dei raggi solari".
Edmond Becquerel
Nel 1870 l'effetto fotovoltaico fu
studiato in solido sul selenio, da
Heinrich Hertz, e nel 1876, da William
Adam e Richard Day, i quali
conclusero che tali celle erano in grado
di convertire la luce in elettricità con
una efficienza compresa fra 1% e il
2%.
Heinrich Hertz
2
Un pò di storia
Il principio fu meglio compreso nel 1905 da
Einstein - che nel 1921 per questa scoperta fu
premiato con il Premio Nobel per la fisica - e nel
1930 da Walter Schottky. I due scienziati
posero le basi scientifiche per la realizzazione
della prima cella solare.
Albert Einstein
Nel 1954 Chapin, Pearson e Fuller,
nei laboratori della Bell Telephone,
svilupparono la prima cella basata
su semiconduttori al silicio in grado
di convertire il 6% dell'energia
solare in energia elettrica.
Gerald Pearson, Daryl Chapin,
e Calvin Fuller
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La Conversione Fotovoltaica
L’atomo di silicio possiede 14
elettroni di cui 4 di valenza; in un
Silicio
cristallo di silicio puro ciascun atomo
è legato in modo covalente con altri
quattro atomi: ogni elettrone di
valenza si lega con un elettrone di
Silicio
valenza di un altro atomo.
Il passaggio dalla banda di valenza a quella di conduzione
avviene trasmettendo all’elettrone una opportuna quantità di
energia. In tale passaggio l’elettrone si lascia dietro una
buca detta ‘lacuna’ che può venire occupata da un altro
elettrone. Il movimento degli elettroni comporta così anche
quello delle lacune.
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La Conversione Fotovoltaica
Donatore
Silicio
Fosforo
Elettrone
debolmente legato
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La Conversione Fotovoltaica
Accettore
Silicio
Boro
Lacuna
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Boro Silicio Boro
Materiale P
Distanza
Silicio Boro Silicio
Boro Silicio Silicio
Densità -
di carica
Giunzione
Silicio Fosforo Silicio
+
Materiale N
Fosforo Silicio Fosforo
Regione di
svuotamento
Silicio Fosforo Silicio
La cella e costituita da una sottile fetta di materiale semiconduttore, generalmente silicio opportunamente trattato, dello spessore di circa 0.3 mm e con una superficie compresa tra i 100 e i 225 cm2. Monocristallino omogeneo a cristallo singolo, sono prodotti da cristallo di silicio di elevata purezza. Il lingotto di silicio monocristallino e di forma cilindrica del diametro di 13-20 cm e 200 cm di lunghezza, ottenuto per accrescimento di un cristallo filiforme in lenta rotazione. Successivamente, tale cilindro viene opportunamente suddiviso in wafer dello spessore di 200-250 µm e la superficie superiore viene trattata producendo dei microsolchi aventi lo scopo di minimizzare la perdite per riflessione. Il vantaggio principale di queste celle e il rendimento (14-17%), cui si associa una durata elevata ed il mantenimento delle caratteristiche nel tempo. Il prezzo di tali moduli e intorno a 3.2-3.5 €/W ed i pannelli realizzati con tale tecnologia sono caratterizzati usualmente da un’omogenea colorazione blu scuro.
Le iridescenze tipiche delle celle in silicio policristallino sono infatti dovute al diverso orientamento dei cristalli ed il conseguente
diverso comportamento nei confronti della luce.Il lingotto di silicio policristallino e ottenuto mediante un processo di fusione e
colato in un contenitore a forma di parallelepipedo. I wafers che si ottengono presentano forma squadrata e caratteristiche
striature con spessore di 180-300 µm. Il rendimento e inferiore al monocristallino (12-14%), ma anche il prezzo 2.8-3.3 €/W. La
durata e comunque elevata (paragonabile al monocristallino) ed anche il mantenimento della prestazioni nel tempo (85% del
rendimento iniziale dopo 20 anni). Le celle con tale tecnologia sono riconoscibili dall’aspetto superficiale in cui si intravedono i
grani cristallini
Una cella fotovoltaica può essere considerata come un generatore di corrente e può
essere rappresentata dal circuito equivalente della figura sottostante.
La corrente ai terminali d’uscita I e pari alla corrente generata per effetto fotovoltaico Ig
dal generatore ideale di corrente, diminuita della corrente di diodo Id e della corrente di
dispersione Il. La resistenza serie Rs rappresenta la resistenza interna al flusso di
corrente generata e dipende dallo spessore della giunzione P-N, dalle impurità presenti
e dalle resistenze di contatto.
Structural importance and Mechanism
of Natural molecules
The key to obtain such rapid electron transfer is to endow the dye with a suitable
anchoring group, such as a carboxylate or phosphonate substituent or a catechol
moiety, through which the sensitizer is firmly grafted onto the surface of the Titania.
Proton coupled electron transfer Mechanism in Chemical Dye (DSSCs)
The surface dipole is generated by proton transfer from the carboxylate
groups of the sensitizer to the oxide charging the solid positively and leaving
an excess negative charge on the dye.GLI ALTRI COMPONENTI
Struttura
Cavi
Inverter fotovoltaico 15CELLE FOTOVOLTAICHE
Quattro generazioni
Prima generazione
- Basate su silicio cristallino
(efficienze medie 20%)
Seconda generazione
- Silicio e altri semiconduttori a film
sottile
Terza generazione
- Celle organiche e polimeriche
- Celle basate su giunzioni multiple
di film policristallini
Quarta generazione
- Basate su processi innovativi
(fotobiologici?)Nei moduli, le celle fotovoltaiche non sono tutte identiche a causa delle inevitabili difformità di fabbricazione, pertanto due blocchi di celle collegate tra loro in parallelo possono non avere la stessa tensione. Si viene a creare conseguentemente una corrente di circolazione dal blocco di celle a tensione maggiore verso quello a tensione minore. Quindi una parte della potenza prodotta dal modulo viene persa all’interno del modulo stesso (perdite di mismatch). La disuguaglianza tra le celle può essere determinata anche da un diverso irraggiamento solare, ad esempio una parte di celle sono ombreggiate, oppure dal loro deterioramento. Tali celle si comportano come un diodo che blocca la corrente prodotta dalle altre celle. Il diodo e sottoposto alla tensione delle altre celle, la quale può provocare la perforazione della giunzione con surriscaldamento locale e danni al modulo.
* Riferito alle condizioni standard:
1.000 w/m2 + T° cella 25°C + vento 0 m/s
• Dati:
• 8 m2 di pannello fotovoltaico/kW di picco (Kwp)*
• 3kWp - 3.600 kWh/anno per 1.200 kWh/ore anno (al nord)
• 1kW - 1.200 Kwh/anno
energia _ prodotta
• Rendimento =
energia _ ricevuta
• Rendimenti del 10-15%Soluzioni impiantistiche Dipendono dal luogo e dalle necessità del committente, nonché dalla bravura del progettista!
Art. 12 comma 2
- Tariffa riconosciuta per un periodo di 20 anni a decorrere dalla data di entrata in esercizio
dell’impianto ed è costante in moneta corrente per tutto il periodo dell’incentivazione.A decorrere dal primo semestre 2013 le tariffe assumono valore onnicomprensivo sull’energia immessa
nel sistema elettrico. Sulla quota di energia autoconsumata è attribuita una tariffa specificaContesto Ubicazione Comune di Viterbo (VT)
Territoriale Coordinate Latitudine 42°25'38.75"N
Geografiche Longitudine 11°57'59.72"E
Quota 179 m s.l.m.
Condizione delle tettoie Smaltire amianto e ricostruzione n. 2 tettorie con
impianto fotovoltaico integrato.
Viabilità Sito raggiungibile mediante strada idonea al
trasporto dei materiali. Non occorrono interventi
sulla viabilità esistente. All’impianto si accede
tramite viabilità comunale.
Superfici Superficie tettoia 1 = 595 mq
Occupate Superficie tettoia 2 = 183 mq
dall’impianto Superficie occupata dall’impianto fotovoltaico su tettoia 1 = 60 m2
Superficie occupata dall’impianto fotovoltaico su tettoia 2 = 91 m2
Dati rilievo Ombreggiamenti Assente
cliviometrici Condizioni Ambientali Nessuna•Tettoia n. 1. Superficie soggetta a bonifica dell’ amianto - 595 m2 •Tettoia n. 2: Superficie soggetta a bonifica dell’ amianto - 183 m2
N. 44 moduli fotovoltaici da 230
Wp per un totale di 10, 12 kWp
installatiN. 40 moduli fotovoltaici da 230 Wp per un totale di 9, 20 kWp installati
Questi grafici e la tabella mostrano l'energia elettrica (stimata) che si può aspettare ogni mese dal sistema fotovoltaico; mostra anche la stima della media giornaliera e la produzione totale annuale.
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