PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
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000 prime pagine.fm Page 1 Tuesday, March 11, 2008 1:18 PM QUADERNI PER LA PROGETTAZIONE PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA Norme, tecniche ed esempi applicativi. Aggiornato alla circolare dell’Agenzia delle Entrate 22 febbraio 2008, n. 61/E e alla Delibera 280/07 in vigore dal 1° gennaio 2008 Contiene il software Preventer-FV Lite che consente la preventivazione rapida degli impianti fotovoltaici e la stampa della relazione tecnica II edizione di MAURO MORONI GABRIELE NITRATI
000 prime pagine.fm Page 3 Tuesday, March 11, 2008 1:18 PM per la progettazione QUADERNI RINGRAZIAMENTI Questo libro nasce dall’esigenza di creare uno strumento che in letteratura ancora non è pre- sente, che sia di supporto alla progettazione e che sia chiaro nei contenuti, utile per il pro- gettista, per l’installatore e per lo studente alle prime armi nel mondo dell’energia. Per fare questo gli autori si sono avvalsi della collaborazione di diversi soggetti, presi dal mondo della tecnica, dello studio e della grafica, al fine di ottenere un prodotto di qualità, fruibile da tutti, con contenuti chiari ed esaustivi. Per questo ci sentiamo di ringraziare: - I nostri genitori, per averci permesso di scrivere questo volume - Aristide Puliti, per il supporto che ci ha sempre dato - Fabiano Di Odoardo per aver curato la parte grafica Ringraziamo altresì Massimiliano Fusella, Davide Micheli, Lucio Monterubbiano, Cesare Mancini Romano, Fabrizio Onofri, Matteo Piccinini, Massimo Cesaroni, Samuele Bianchetti, Leonardo “Damergy” Bonfitto e Costanzo Di Perna per il contributo indispensabile alla ste- sura del volume. A tutti un grazie di cuore. 3
UntitledBook1TOC.fm Page 5 Tuesday, March 11, 2008 1:19 PM INDICE GENERALE per la progettazione QUADERNI Introduzione ......................................................................... 11 CAPITOLO 1 LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA ............................................... 15 1.1 La radiazione solare .............................................................. 15 1.1.1 Componenti della radiazione solare al suolo .................... 19 1.2 L’effetto fotovoltaico ............................................................... 23 1.2.1 Semiconduttori intrinseci ................................................. 23 1.2.2 Semiconduttori estrinseci................................................. 26 1.2.3 Giunzioni a semiconduttore ............................................ 27 1.2.4 Assorbimento della radiazione luminosa........................... 29 1.3 Le celle fotovoltaiche .............................................................. 31 1.3.1 Meccanismi di perdita di rendimento ............................... 35 1.3.2 Fattori di inefficienza delle celle solari.............................. 36 1.3.3 Celle fotovoltaiche in silicio cristallino .............................. 40 1.3.4 Celle fotovoltaiche in film sottile....................................... 43 1.3.5 Confronto tra tecnologie a film sottile ............................... 47 1.4 Moduli fotovoltaici ................................................................. 48 1.4.1 Moduli in silicio cristallino............................................... 48 5
UntitledBook1TOC.fm Page 6 Tuesday, March 11, 2008 1:19 PM 1.4.2 Moduli a film sottile ........................................................ 50 1.4.3 Scatola di giunzione....................................................... 51 1.4.4 Parametri caratteristici dei moduli fotovoltaici .................... 54 1.4.5 Collegamento elettrico tra moduli..................................... 56 1.4.6 Prove sui moduli............................................................. 57 1.5 Il campo fotovoltaico ..............................................................59 1.5.1 Disposizione dei pannelli ................................................ 60 1.5.2 Ombreggiamento reciproco tra schiere............................. 61 1.5.3 Orientamento ed inclinazione dei pannelli ........................ 62 1.5.4 Strutture di sostegno ....................................................... 62 CAPITOLO 2 PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI ...................67 2.1 Classificazione ......................................................................67 2.2 Impianti fotovoltaici grid-connected ..........................................69 2.3 Configurazione elettrica del generatore ....................................70 2.4 Gruppi di conversione (o inverter) ............................................72 2.5 Configurazione del sistema di conversione ...............................75 2.6 Installazione del convertitore ...................................................77 2.7 Classificazione dei sistemi elettrici ...........................................79 2.8 Interfaccia con la rete elettrica .................................................81 2.8.1 Criteri di allacciamento alla rete BT.................................. 85 2.8.2 Criteri di allacciamento alla rete MT................................. 87 2.9 Criteri di protezione nella sezione in alternata ..........................89 2.10 Criteri di protezione nella sezione in continua ...........................90 2.11 Criteri di sicurezza elettrica ....................................................92 2.12 Protezione dai contatti indiretti negli impianti FV .......................94 6 PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
UntitledBook1TOC.fm Page 7 Tuesday, March 11, 2008 1:19 PM 2.13 Protezioni contro i fulmini ..................................................... 103 2.14 Protezioni da sovratensione .................................................. 105 2.15 Impianto di terra e masse metalliche ...................................... 108 per la progettazione QUADERNI 2.16 Criteri di dimensionamento ................................................... 110 2.17 Verifica tecnico funzionale ................................................... 125 2.18 Gestione e manutenzione ..................................................... 129 CAPITOLO 3 MECCANISMO DI FINANZIAMENTO IN CONTO ENERGIA .................................................................. 133 3.1 Il mercato del fotovoltaico .................................................... 133 3.2 Il programma 10.000 tetti fotovoltaici .................................... 137 3.3 Il primo conto energia .......................................................... 141 3.4 Il nuovo conto energia ......................................................... 148 3.5 Fotovoltaico per nuovi edifici: 200W per ogni unità abitativa ............................................. 161 3.6 Iter per la richiesta di connessione alla rete ............................ 161 3.7 Tassazione ........................................................................ 175 CAPITOLO 4 ESEMPI DI PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA ........................ 181 4.1 Tetto fotovoltaico 3,6kWp in conto energia ............................ 181 4.2 Copertura fotovoltaica 25,2kWp in conto energia .................. 198 7
UntitledBook1TOC.fm Page 8 Tuesday, March 11, 2008 1:19 PM APPENDICE A METODO DI VALUTAZIONE RAPIDA DI MODULI FOTOVOLTAICI .......................................................217 APPENDICE B Il FOTOVOLTAICO NELLE APPLICAZIONI SPAZIALI ..................219 B.1 Sintesi ................................................................................219 B.2 Trasporto spaziale e costi .....................................................220 B.2.1 Efficienza e riduzione di costi delle celle fotovoltaiche al silicio.................................... 221 B.3 Applicazioni delle celle solari nello spazio .............................222 B.3.1 Specifiche tecniche dei pannelli solari della Stazione Spaziale Internazionale (ISS).................... 224 B.3.2 Conseguenze delle Radiazioni solari sui pannelli fotovoltaici ................................................. 225 B.3.3 Conseguenze dell’ossigeno atomico sui polimeri utilizzati nei pannelli fotovoltaici dei satelliti su orbita bassa (Low Earth Orbit) ................... 225 B.4 Pannelli fotovoltaici gonfiabili ................................................226 B.4.1 Esempio applicativo sul satellite ST4 .............................. 226 B.5 Applicazione dei pannelli fotovoltaici nella implementazione di una futura base lunare .....................227 B.5.1 Potenza elettrica media generate su ogni LEMB dai pannelli solari fotovoltaici.................... 229 B.5.2 Assemblaggio finale della base lunare .......................... 231 B.6 Bibliografia .........................................................................231 8 PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
UntitledBook1TOC.fm Page 9 Tuesday, March 11, 2008 1:19 PM APPENDICE C GUIDA ALLA RICHIESTA DEGLI INCENTIVI E ALL’UTILIZZO per la progettazione QUADERNI DEL PORTALE WEB (REV. 2.0 del 23/1/08) .............................. 233 Incentivazione degli impianti fotovoltaici con il nuovo conto energia (D.M. 19.02.2007, Delibera AEEG n. 90/07) ................................ 233 C.1 Generalità .......................................................................... 233 C.1.1 Requisiti minimi per l’utilizzo dell’applicazione Web ....... 233 C.1.2 Finalità ....................................................................... 233 C.1.3 Campo di applicazione................................................ 234 C.1.4 Documenti di riferimento............................................... 234 C.1.5 Norme generali per le comunicazioni al GSE.................. 234 C.2 Quadro sintetico delle comunicazioni fra Soggetto Responsabile dell’impianto e GSE ....................... 235 C.3 Come richiedere gli incentivi ................................................ 235 C.3.1 Utilizzo del portale Web .............................................. 236 C.3.1.1 La fase di registrazione ..............................................236 C.3.1.2 L’accesso al portale come utente registrato ...................237 C.3.1.3 Inserimento della richiesta per un nuovo impianto .........238 C.3.1.4 Modifica dati anagrafici ............................................242 C.3.1.5 Segnalazione Guasti- Furti .........................................242 C.3.2 Invio della documentazione per la richiesta degli incentivi........................................ 245 C.3.3 La Documentazione da allegare .................................... 245 C.3.4 Richiesta del premio per impianti fotovoltaici abbinati ad un uso efficiente dell’energia.................................... 249 C.3.5 La Documentazione da allegare per la richiesta del premio ............................................ 254 C.4 Convenzione per il riconoscimento delle tariffe incentivanti ...... 255 C.4.1 Cambio Titolarità......................................................... 257 9
UntitledBook1TOC.fm Page 10 Tuesday, March 11, 2008 1:19 PM C.5 Documentazione da conservare a cura del Soggetto Responsabile dell’impianto .................................258 APPENDICE D PREVENTERFV LITE 1.0 - MANUALE D'USO ............................263 D.1 Guida all’installazione .........................................................263 D.2 Guida alla compilazione ......................................................268 Glossario Tecnico ................................................................279 Bibliografia .........................................................................285 10 PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
001 PREFAZIONE.fm Page 11 Tuesday, March 11, 2008 1:19 PM INTRODUZIONE per la progettazione QUADERNI Gli ultimi anni sono stati caratterizzati da un considerevole aumento dell’attenzione mondiale sul riscaldamento globale, sempre più concordemen- te attribuito all’influenza dell’uomo nell’alterazione del clima. Anche l’ultimo G8, svoltosi in Germania sulle coste del Mar Baltico, ha dato leggeri segni di interesse, rimandando però la soluzione ai cambiamenti climatici ai nostri pro- nipoti, nel 2050. L’Unione Europea, dal canto suo, vede l’anno 2020 come quello nel quale il 20% di tutta l’energia in Europa sarà prodotta da fonte rin- novabile. Questo forte segnale della politica comunitaria ha posto l’attenzione sul modo attuale e futuro di convertire l’energia, ed ha posto serie basi per la riconversione energetica del sistema energetico europeo. Per quel che concerne l’Italia, il 2007 è stato caratterizzato dall’introduzio- ne di diversi strumenti legislativi ed economico-finanziari, atti ad iniziare il cammino verso gli obiettivi previsti dal protocollo di Kyoto. Molta attenzione è stata posta al miglioramento dell’efficienza energetica in ambito civile, con l’uscita del Decreto Legislativo 29/12/06, n. 311, in vigore dal 2/2/07, che contiene le disposizioni correttive ed integrative al decreto legislativo del 19 agosto 2005, n. 192, recante l’attuazione della direttiva 2002/91/CE, relati- va al rendimento energetico nell’edilizia. In aggiunta a questo, nello stesso periodo sono anche state emanate le modalità per l’ottenimento delle detrazioni fiscali del 55% relative agli inter- venti di ristrutturazione energetica di edifici ed impianti, nonché l’introduzione del meccanismo dello scambio sul posto anche per la cogenerazione (fino a 200kWe), l’incentivazione al solare termodinamico, ed infine il nuovo Conto Energia, per l’incentivazione del fotovoltaico. L’ENEA, nel suo Rapporto “Energia e Ambiente 2006”, affronta il proble- ma del cambiamento climatico individuando la strategia per garantire la sicu- rezza energetica del Paese e la sua competitività economica nell’ottica della salvaguardia dell’ambiente, dando una rilevante importanza al miglioramento tecnologico del sistema energetico. Nella fattispecie, l’ENEA individua tre strategie: 1) un massiccio ricorso all’efficienza energetica negli usi finali, con un diffuso impiego di tecnologie a basso consumo nel civile, nell’industria e nei tra- sporti; 11
001 PREFAZIONE.fm Page 12 Tuesday, March 11, 2008 1:19 PM 2) un’incisiva promozione delle fonti rinnovabili per la produzione di energia elettrica e per gli usi termici nel settore civile e per il ricorso a biocarburanti nel settore dei trasporti; 3) nel lungo periodo (dopo il 2020) la diversificazione del mix di combustibili per la generazione termoelettrica, anche mediante un maggiore ricorso al carbone, reso ambientalmente sostenibile con l’impiego delle tecnologie per il sequestro e il confinamento del CO2. In particolare, in merito al punto 1, il riscaldamento domestico costituisce quasi l’70% dei consumi finali. In questo settore le tecnologie efficienti per l’edi- ficio e l’impianto (isolamenti termici, ventilazione meccanica controllata con recupero di calore, doppi e tripli vetri con gas inerti, caldaie a condensazione, pompe di calore geotermiche…), possono produrre effetti significativi già nel breve-medio periodo, consentendo una riduzione della domanda nel lungo periodo compresa tra il 16 e il 23%. Per quanto concerne l’utilizzo di fonti rinnovabili, dopo una prima fase di forte impulso alla diffusione delle tecnologie già oggi disponibili sul mercato (eolico, biomassa, solare termodinamico, solare termico e fotovoltaico), si pre- vede l’utilizzo generalizzato ed economico di una seconda generazione delle rinnovabili, frutto della ricerca e dello sviluppo tecnologico. Gli investimenti nella ricerca energetica dovranno essere sempre più consi- stenti, e saranno concentrati soprattutto in quelle tecnologie che a parità di pre- stazioni energetiche ed ambientali, meglio si integreranno nel territorio e nell’architettura. La rincorsa alla diminuzione di CO2 può essere, per l’Italia e in particolare per l’industria italiana, un ottimo trampolino di lancio per lo svi- luppo di tecnologie a basso impatto ambientale, per il miglioramento dell’effi- cienza energetica in tutto il bacino del Mediterraneo, per aumentare la sicurezza di approvvigionamento ed l’indipendenza dalle fonti convenzionali. Questo libro nasce con l’intenzione di fornire a progettisti, operatori del set- tore e studenti, gli strumenti operativi per progettare ed eseguire impianti foto- voltaici a regola d’arte. Attraverso un’analisi preliminare della tecnica fotovoltaica, il testo si sviluppa nella spiegazione delle varie problematiche relative agli impianti, tenendo in considerazione la normativa tecnica di riferi- mento, la gestione delle pratiche per l’accesso alle tariffe incentivanti e la manutenzione degli impianti. Molto importante è la presenza di esempi, che illustrano tramite calcoli ed illustrazioni, la scelta di tutti i componenti dell’impianto e la metodologia per eseguire una corretta analisi costi-benefici in conto energia. Allegato al volume è il software Preventer-FV Lite, di ESFERA 12 PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
001 PREFAZIONE.fm Page 13 Tuesday, March 11, 2008 1:19 PM Energia, che consente la preventivazione rapida di impianti fotovoltaici che desiderano accedere al nuovo “Conto Energia”. Dopo un dimensionamento della taglia dell’impianto, il software calcola la produzione energetica annua attesa (secondo UNI 10349), e guida l’operatore alla compilazione dello stu- per la progettazione QUADERNI dio di fattibilità, eliminando tutte le scelte non conformi alla normativa. La ver- s i o n e P R O d e l p r o g r a m m a P r e v e n t e r - F V, i n v e n d i t a s u l s i t o www.esferaenergia.it, contiene invece numerosi plus, che seguono il progetti- sta nel dimensionamento totale dell’impianto e nella compilazione della modu- listica necessaria per l’accesso alle tariffe incentivanti. Ing. Mauro Moroni Ing. Gabriele Nitrati 13
002 cap.1.fm Page 15 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM CAPITOLO 1 per la progettazione QUADERNI LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA 1.1 La radiazione solare Grazie alle reazioni nucleari che avvengono all’interno del suo nucleo, il Sole rappresenta una fonte energetica vitale per il nostro pianeta. L’immensa quan- tità di energia irradiata sotto forma di onde elettromagnetiche, rende chiaro come questa stella possa essere considerata con buona approssimazione un corpo nero (radiatore integrale) alla temperatura superficiale media di circa 5780 K. All’interno del Sole, mediante le reazioni di fusione termonucleare, ogni secondo 600 milioni di tonnellate di idrogeno si trasformano in 595,5 milioni di tonnellate di elio e la restante parte di 4,5 milioni di tonnellate di idrogeno (pari allo 0,75%), si trasforma direttamente in energia secondo l’equazione di Einstein E=mc². L’energia così generata è pari a circa 405.000 miliardi di TJ, una quantità di energia impensabile a livello terrestre. Tutta la straordinaria potenza della nostra stella è dovuta alla conversione in energia di questa infinitesima, per il Sole, quantità di materia, paragonabile approssimativamente alla massa di un piccolo gruppo di montagne sulla terra. Il flusso di energia radiante che incide in un’area unitaria perpendicolare ai raggi all’esterno dell’atmosfera terrestre è definito costante solare, e risulta pari a 1367 W/m2. Il valore di questa costante può essere calcolato a partire dalla potenza irradiata dal sole (L): 33 ⎡10 J ⎤ −7 ⎡ erg ⎤ L = 4π Rs2σ Ts4 ≅ 3,9 ⋅1033 ⎢ ≅ ⋅ ⎥ = 3,9 ⋅10 [W ] 26 ⎥ 3,9 10 ⎢ ⎣ s ⎦ ⎣ s ⎦ Considerando la distanza D=1AU tra Terra e Sole (dove 1 Astronomic Unit cor- risponde a circa 150.000.000 Km), abbiamo che il flusso di energia traspor- 15
002 cap.1.fm Page 16 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM tato Φ, comunemente denominato costante solare, risulta pari a: L ⎛ Rs ⎞ 2 ⎧⎪ 2 6 ⎛ AU ⎞ ⎪ ⎫ ⎡ erg ⎤ Φ Sun = = ⎜ ⎟ σ T 4 ≅ ⎨ 1.366 ⋅ 10 ⎜ ⎟ ⎬ ⎢ 2 ⎥ ≅ 1371 ± 5 [W/m 2 ] 4πD ⎝ D ⎠ ⋅ s ⎪⎩ ⎪ 2 ⎝ D ⎠ ⎭ ⎣ s cm ⎦ dove: σ = 5,67x10-8 W/(m2 K4) (costante Stefan-Boltzmann); D = 1 AU distanza media Terra-Sole ≅1,496x1011[m]; L = luminosità solare 3,9x1026 [W]; Rs = raggi solari = 6,958x108 [m]; T = temperatura corpo nero [5780K]. Variando la distanza Figura 1.1 tra Sole e Terra nel Alterazione corso dell’anno dell’irradiazione solare in funzione (±3%) in virtù di un delle macchie orbita ellittica, ed solari essendo noto come l’attività periodica delle macchie solari produca alterazioni del valore dell’ener- gia emessa dal sole (vedi figura 1.1), è chiaro come tale parametro rappresenti in realtà un valore medio di potenza specifica. Se consideriamo che annualmente circa 1,51·10 17 kWh raggiungono la superficie terrestre e che il fabbisogno energetico primario mondiale annuo nel 2006 è stato stimato in 5,39·1013 kWh di petrolio, 2,7·1013 kWh di gas, 3,1·1013 kWh di carbone, 8,47·1012 kWh di energia nucleare e 1,65·1013 per valorizzazione rifiuti e rinnovabili, otteniamo che il sole potrebbe dare circa 1100 volte l’energia di cui necessitiamo. Considerando invece il consumo elettrico italiano del 2006 pari a 337 TWh e la superficie dell’Italia, pari a 301.338 km², abbiamo che potenzialmente l’energia ricevibile e trasformabile da impianti fotovoltaici in Italia (con le attuali tecnologie), ammonterebbe a 31.650 TWh, pari a circa 94 volte il fab- bisogno energetico elettrico della nostra nazione. Ovviamente non tutto il “Bel Paese” potrebbe e dovrebbe essere ricoperto di moduli ma, in considerazione dell’aumento dell’efficienza di questi, degli enormi risparmi energetici che si potrebbero avere con un uso razionale ed intelligente dell’energia, nonché con 16 PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
002 cap.1.fm Page 17 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM il miglioramento delle tecnologie per lo sfruttamento di altre risorse rinnovabili (eolico, biomasse e biogas, solare termodinamico e geotermico), si potrebbero avere risultati insperati anche con una ricopertura di un solo cinquecentesimo del territorio. L’enorme quantità di energia solare che arriva sul suolo terrestre per la progettazione QUADERNI ha però lo svantaggio di essere poco concentrata e di subire alterazioni durante il suo percorso verso la Terra. Tornando a parlare di flusso di energia radiante, un para- metro che tende ad inglobare tutti gli effetti che l’atmosfera esercita sulla radiazione solare è quello della massa d’aria relativa (air mass, AM) che corrisponde alla lun- ghezza relativa del percorso della radiazione diretta attra- Figura 1.2 verso l’atmosfera. Definizione A livello internazionale, per distinguere le condizioni in cui può operare un di massa d’aria relativa convertitore solare, si sono definite con AM0 (air mass 0) la curva corrispon- dente alla radiazione solare misurata al di fuori dell’atmosfera terrestre e con AM1 (massa d’aria unitaria) la composizione spettrale che si riscontra a livello del mare quando lo spessore di atmosfera standard è attraversato dai raggi solari in direzione perpendicolare alla superficie terrestre. Al livello del mare la massa d’aria relativa può essere calcolata con la formula approssimata: 1 AM = senα Figura 1.3 Spettro della radiazione solare AM0 e AM1 17
002 cap.1.fm Page 18 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM L’effetto dell’atmosfera, espresso in massa d’aria, sullo spettro solare è mostrato in figura 1.3. Durante il percorso verso la superficie terrestre, non tutta l’energia solare pre- sente all’esterno dell’atmosfera riesce a raggiungere la Terra. Ciò è dovuto ad una molteplicità di fenomeni fisici che si originano nei diversi strati dell’atmosfera stessa, quali riflessione diffusa, rifrazione e assorbimento, i quali causano la presenza di vere e proprie buche a determinati intervalli di lunghezza d’onda nei diagrammi di densità spettrale. La diffusione (scattering), uno dei fenomeni più rilevanti, è il risultato degli urti tra fotoni e molecole d’acqua, aria e pulviscolo atmosferico, mentre l’assorbimento è dovuto principalmente all’ozono, al vapore d’acqua e all’anidride carbonica. Nella pratica impiantistica di progettazione di sistemi fotovoltaici, il valore di massima radiazione al suolo viene assunto pari a 1000 W/m2, mentre si con- sidera come radiazione solare di riferimento per le prove in laboratorio dei componenti fotovoltaici quella relativa alla curva AM1,5 così come prescritto dalla norma CEI EN 60904-3. La misura della radiazione solare su un piano inclinato, si effettua con diversi tipi di strumenti di seguito indicati. Piranometro Strumento basato su un sensore a termopila, normalmente utilizzato per misu- rare l’irraggiamento solare su un piano di captazione nei sistemi di monitorag- gio e nelle prove di laboratorio (CEI EN 60904-3). Piranometro con banda ombreggiante Piranometro per la misura dell’irradiazione diffusa; è fornito di un dispositivo supplementare che fa da schermo all’irradiazione diretta. Pireliometro Piranometro che misura l’irradiazione diretta; esso presenta una apertura ridotta e riceve i raggi del sole mediante un tubo allungato. Solarimetro Strumento utilizzato per la misura dell’irraggiamento sul piano di captazione, basato su sensori al silicio. E’ usualmente utilizzato nel monitoraggio si sistemi fotovoltaici. E’ spesso preferito al Piranometro perché rispetto a questo ha un costo più contenuto e il vantaggio di non richiedere frequenti calibrazioni. La misura si effettua normalmente in W/m2 e tipicamente i valori massimi di potenza specifica riscontrati durante una bella giornata estiva, in Italia, variano dai 900 a 1100 W/m2. 18 PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
002 cap.1.fm Page 19 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM 1.1.1 Componenti della radiazione solare al suolo Prima di addentrarci in una descrizione del calcolo delle componenti della radiazione solare, vale la pena definire alcune grandezze fondamentali per la per la progettazione QUADERNI progettazione di sistemi solari. Definiamo: Altezza (o altitudine) solare (γs) Angolo tra la direzione dei raggi solari ed il piano orizzontale. Angolo di incidenza (θ) Angolo tra la normale (retta perpendicolare) alla superficie e la direzione dei raggi solari. Angolo di azimuth solare (αs) Angolo tra la direzione Sud e la proiezione della direzione del Sole sul piano orizzontale. Angolo di azimuth di una superficie (α) Angolo tra la direzione Sud e la proiezione della normale alla superficie con- siderata sul piano orizzontale. Angolo di inclinazione o di tilt (β) Angolo di inclinazione rispetto all’orizzontale della superficie considerata. Declinazione solare (δ) Angolo che la direzione dei raggi solari forma a mezzogiorno, sul meridiano considerato, col piano equatoriale. Latitudine (Φ) Fissato un punto sulla Terra, angolo che la normale (perpendicolare) alla superficie passante per il punto forma con il piano equatoriale; la latitudine si dice Nord se il punto considerato è sull’emisfero settentrionale, Sud se è sull’emisfero meridionale. I principali angoli prima definiti sono rappresentati in figura 1.4. 19
002 cap.1.fm Page 20 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM Figura 1.4 Grandezze angolari di interesse La radiazione solare globale al suolo intercettata da una superficie inclinata di un angolo β rispetto all’orizzonte, comunemente denominato angolo di tilt, e la cui normale è orientata di un angolo θ rispetto alla direzione dei raggi sola- ri, detto angolo di incidenza, viene distinta in diverse componenti. La principale, in termini di importanza, è sicuramente la radiazione diretta, costituita dai raggi che non subiscono assorbimenti e riflessioni ma che rag- giungono direttamente la superficie inclinata. La relazione matematica che for- nisce il valore di tale componente è la seguente: B = GB −ORTO × cos θ dove GB-ORTO è la radiazione sul piano ortogonale alla direzione dei raggi. Tale para- metro può essere valutato in maniera empirica tramite modelli di calcolo mate- matici (es: modello di Hottel) o tramite misure sperimentali eseguibili con l’ausilio di un solarimetro. Il valore analitico del cosθ, dipende invece da diversi parametri, come decli- nazione (δ), angolo orario (ω), latitudine del sito (Φ), inclinazione e orienta- mento dei moduli, in virtù del fatto che la posizione del sole è diversa in ciascun momento dell’anno ed è funzione della posizione del punto di osservazione sulla terra. L’espressione generale di cosθ è la seguente: cosθ = senδ (senΦ cosβ - cosΦ senβ cosα) + + cosδ cosω (cosΦ cosβ+ senΦ senβ cosα) + + (cosδ senβ senα senω) dove la declinazione δ nel giorno n dell’anno e l’angolo orario ω, sono dati dalle se- guenti relazioni: 20 PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
002 cap.1.fm Page 21 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM δ = 23,5 sen [360(284+n)/365] ω = 15 (ts-12) dove per la progettazione QUADERNI ts è l’ora solare compresa tra 0 e 24. La seconda componente è la radiazione diffusa, dovuta a fenomeni di scatte- ring che variano al variare dell’angolo di incidenza della radiazione sulla superficie terrestre. Per questa componente la relazione matematica è la seguente: D = GD −ORIZZ × (1 + cos β ) / 2 dove GD-ORIZZ è la radiazione diffusa sul piano orizzontale. Facendo riferimento alla progettazione fotovoltaica, tali componenti potrebbe- ro però risultare insufficienti. Esiste infatti una terza componente da prendere in considerazione, che tiene conto delle riflessioni al suolo della radiazione luminosa. Questa componente, comunemente denominata di albedo, è in grado di contribuire in modo effi- cace alla conversione fotovoltaica e può essere calcolata nel modo seguente: R = (GB −ORIZZ + GD −ORIZZ ) × ρ × (1 − cos β ) / 2 dove GB-ORIZZ è la radiazione diretta sul piano orizzontale e ρ è la riflettanza del suolo, compresa tra 0 e 1. Il valore di riflettanza dipende ovviamente dal tipo di suolo a cui si fa riferi- mento e la tabella seguente fornisce dei dati di albedo indicativi per alcune tipologie di superfici. Tab. 1.1 - Valori di albedo per varie superfici SUPERFICIE ALBEDO SUPERFICIE ALBEDO Neve 0,75 Cemento 0,22 Specchio d’acqua 0,07 Fogliemorte 0,3 Terreni di varia natura, argilla 0,14 Erba secca 0,3 Strade in terre scure 0,04 Erba secca 0,26 21
002 cap.1.fm Page 22 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM Tab. 1.1 (segue) - Valori di albedo per varie superfici SUPERFICIE ALBEDO SUPERFICIE ALBEDO Boschi di conifere in inverno 0,07 Tetti con bitume e pietrisco 0,13 Boschi in autunno 0,26 Superfici in pietra 0,2 Campi con messi, piante 0,26 Mattoni, intonaci scuri 0,27 Asfalto consumato 0,1 Mattoni chiari, intonaci chiari 0,6 In definitiva, la radiazione complessiva sulla superficie sarà data dalla somma delle tre componenti: G = B+D+R Per una trattazione specifi- Figura 1.5 ca e dettagliata sull’argo- Componenti mento si rimanda tuttavia della radiazione a testi specifici in materia solare [3]. Per quanto riguarda la radiazione diretta e dif- fusa, ai fini della progetta- zione fotovoltaica è prassi comune utilizzare valori di radiazione solare giorna- lieri o medie mensile sul piano orizzontale espressi in kWh/m2 giorno, tabulati per diverse località e resi disponibili dalla norma UNI 10349 (Dati climatici) e UNI 8477 (Valuta- zione dell’energia raggiante ricevuta). Altre pubblicazioni, come “l’Atlante Europeo della Radiazione Solare” e “La radiazione solare globale al suolo in Italia” edito dall’ENEA, forniscono mappe isoradiative e valori di radiazione solare sia per superfici orizzontali, sia per superfici disposte con vari angoli di inclinazione ed orientazione. Siti internet specifici, come il sito del centro di ricerche di Ispra http://re.jrc.ec.europa.eu/solarec/index.htm o il sito dell’ENEA http://erg7118.casaccia.enea.it, offrono valori di radiazione solare sul piano orizzontale tramite pubblicazioni gratuite. A partire dai valori di radiazione solare sul piano orizzontale, sulla base di metodi di calcolo matematici, sono stati sviluppati diversi software che consen- tono una rapida determinazione dell’irraggiamento solare incidente su una superficie variamente inclinata ed orientata. 22 PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
002 cap.1.fm Page 23 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM 1.2 L’effetto fotovoltaico Parlare di tecnologia fotovoltaica senza toccare la fisica dei semiconduttori risulta alquanto arduo e limitativo. In questo paragrafo verrà illustrato il com- per la progettazione QUADERNI portamento elettrico di questi materiali, definendone le caratteristiche, le tipo- logie e le applicazioni tipiche. 1.2.1 Semiconduttori intrinseci Il punto di partenza nella descrizione fisica di un solido cristallino, è quello di definire i livelli energetici che possono assumere gli elettroni al suo interno. Infatti anche se lontano dal nostro modo di percepire le cose, la natura si mani- festa ai nostri occhi in maniera discontinua per il fatto che gli elettroni presenti all’interno di una struttura cristallina sono raggruppati in bande di energia. Le uniche zone dove è possibile trovare elettroni sono: O la “banda di valenza”, caratterizzata da livelli energetici che gli elettroni assumono nell’orbita più esterna degli atomi che formano il solido (banda energetica Ev); in questo caso tali elettroni sono denominati elettroni di valenza; O la “banda di conduzione”, che raggruppa i livelli energetici della cosiddetta nube elettronica responsabile del fenomeno della conduzione (banda ener- getica Ec); in questo caso tali elettroni sono denominati elettroni di condu- zione. Tra queste due bande vi è poi una regione proibita in cui non vi sono livelli energetici permessi agli elettroni. La larghezza della banda proibita, detta energy gap, è una caratteristica molto importante del semiconduttore e si denota di solito con Eg.1 Il suo valore energetico è pari alla differenza tra l’energia della banda di conduzione e l’energia della banda di valenza: Eg = Ec – Ev La distribuzione degli elettroni e il loro modo di interagire fra le varie bande di energia consentite, determina le caratteristiche elettriche del materiale. Gli elettroni di valenza sono legati ai singoli atomi del reticolo, vibrano nelle posizioni di equilibrio, ma non possono contribuire alla conduzione. Gli elet- troni che occupano i livelli energetici della banda di conduzione, essendo 1. Il valore di Eg per i materiali semiconduttori è dell’ordine di 1÷1,5eV. 23
002 cap.1.fm Page 24 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM invece liberi di muoversi in presenza di un campo elettrico possono contribuire alla generazione di un flusso di cariche elettriche. A seconda del valore dell’energy gap, distinguiamo: O materiali isolanti; O materiali semiconduttori; O materiali conduttori; O materiali superconduttori. Il valore di Eg varia in base alla temperatura del materiale e di conseguenza in funzione della temperatura dell’ambiente di operatività. Come è possibile osservare dalla figura 1.6, gli elementi conduttori hanno la caratteristica di avere una banda proibita molto limitata e, in certi casi, le bande energeticamente possibili si sovrappongono. Già a temperatura ambiente, numerosi elettroni occupano la banda di conduzione. Gli elementi isolanti al contrario, hanno una banda proibita molto larga (4÷5 eV, fino anche a 10 eV) che, a temperatura ambiente, non permette l’esistenza di elettroni in banda di conduzione. Figura 1.6 Struttura a bande dei materiali I materiali semiconduttori invece rappresentano una via intermedia, dato che la distanza tra le due bande è maggiore rispetto al caso dei conduttori, ma minore rispetto agli isolanti. Questa vicinanza tra le bande rende dunque possibile che un elettrone, con un’opportuna quantità di energia, salti con una certa facilità al livello energe- tico superiore, dove è poi libero di muoversi sotto l’azione di un eventuale campo elettrico applicato. La lacuna, cioè il posto vuoto lasciato nella banda di valenza dall’elettrone passato alla banda di conduzione, può essere consi- derata a tutti gli effetti una carica positiva, partecipando in modo rilevante al meccanismo di creazione della corrente elettrica. 24 PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
002 cap.1.fm Page 25 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM Quando è presente una lacuna è probabile che un elettrone di valenza di un atomo contiguo, lasci il suo legame covalente 2 e vada a riempirla. Così facendo darà luogo ad un’altra lacuna spostata di un passo atomico rispetto a quella iniziale e così via. per la progettazione QUADERNI Risulta chiaro dunque, come le cariche che partecipano al fenomeno della con- duzione elettrica siano gli elettroni nella banda di conduzione e le lacune nella banda di valenza. In questo caso la concentrazione delle cariche negative è pari alla concentrazione delle cariche positive ed è detta concentrazione di portatori intrinseci ni. Nei semiconduttori intrinseci, cioè assolutamente puri, le coppie elet- trone-lacuna si formano solo fornendo l’energia necessaria a rompere i legami; in termini di teoria delle bande, l’energia richiesta corrisponde al salto energetico Eg. Secondo questo modello, a basse temperature gli elettroni di valenza rimangono aggrappati agli atomi di appartenenza e il semiconduttore si comporta essenzialmente come un isolante, dal momento che anche in pre- senza di un campo elettrico esterno, che vincola gli elettroni nel loro movi- mento, non ci sono portatori di carica in banda di conduzione. All’aumentare della temperatura, l’energia termica produce le rotture del legame covalente consentendo ad un numero equivalente di elettroni di agi- tarsi nella struttura cristallina. Questi elettroni “energizzati”, avendo acquisito un’energia superiore ad Eg passano dalla banda di valenza alla banda di con- duzione. Questo processo si intensifica man mano che si va ad incrementare la temperatura. Sperimentalmente si osserva che la concentrazione di portatori intrinseci ni aumenta molto rapidamente con l’aumentare della temperatura e che per una data temperatura, ni diminuisce molto rapidamente al crescere della banda proibita. La dipendenza della concentrazione di portatori intrinseci dalla Eg e dalla tem- peratura è espressa dalla seguente relazione: ni ∝ exp (–Eg/2kT) dove: k = 1,38 10-23 J/K è la costante di Boltzmann; T è la temperatura assoluta. 2. Un legame covalente si instaura quando una o più coppie di elettroni vengono messe in comune fra due atomi. Ciò avviene per una ragione ben precisa: gli atomi tendono al minor dispendio energetico possibile ottenibile con la stabilità della loro configurazione elettronica. L’assenza di un elettrone in un legame covalente si dice lacuna. 25
002 cap.1.fm Page 26 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM 1.2.2 Semiconduttori estrinseci Le proprietà elettroniche dei semiconduttori sono notevolmente modificate quando, nella struttura cristallina, vengono introdotte delle impurità o droganti mediante tecniche di diffusione termica e impiantazione ionica. Nell’industria elettronica e conseguentemente in quella fotovoltaica, l’introduzione di queste piccole quantità consente di modificare le proprietà elettriche del semicondut- tore, rendendole idonee al tipo di applicazione richiesta. Aggiungendo al semiconduttore delle impurità ad hoc, si può aumentare il numero degli elettroni in banda di conduzione o di lacune in banda di valenza. Un semiconduttore con questo tipo di impurità in posizione reticolare e cioè tale da sostituire un atomo nella struttura cristallina del semiconduttore puro, si dice drogato od estrinseco. Ciò vuol dire che, ad esempio, al posto di un certo numero di atomi tetravalenti di silicio (Si) o germanio (Ge), vengono inseriti altrettanti atomi pentavalenti (come fosforo o arsenico) o trivalenti (come boro o alluminio). Prendendo in considerazione il materiale semiconduttore più utilizzato nella tecnologia fotovoltaico, il silicio, abbiamo che i suoi cristalli sono abitualmente drogati con materiali quali fosforo e boro. In figura 1.7 si può notare come il fosforo inserito nel reticolo cristallino, apporti un elettrone in più mentre il boro un elettrone in meno. Figura 1.7 Effetto delle impurità introdotte nel cristallo (Fonte: EERE) Sulla base del numero di elettroni di valenza degli atomi introdotti, il drogag- gio può essere di tipo “n” o di tipo “p”. Il drogaggio con il boro consente di ottenere una struttura di tipo “p”, con eccesso di lacune; il drogaggio con il fosforo consente di ottenere una struttura di tipo “n”, con eccesso di elettroni. Gli atomi di fosforo, appartenenti al quinto gruppo del sistema periodico degli elementi, sono detti donatori, mentre gli atomi di boro, appartenenti invece al terzo gruppo sono detti accettori. 26 PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
002 cap.1.fm Page 27 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM Tab. 1.2 – Confronto tra silicio di tipo p e silicio di tipo n TIPO P (POSITIVO) TIPO n (NEGATIVO) Droganti Gruppo III Gruppo V per la progettazione QUADERNI (Boro) (Fosforo) Legami Eccesso di lacune Eccesso di elettroni Portatori maggiori Lacune Elettroni Portatori minoritari Elettroni Lacune 1.2.3 Giunzioni a semiconduttore La conversione della radiazione solare in energia elettrica, avviene attraverso l’effetto indotto da un flusso luminoso incidente su una regione di carica spa- ziale, in cui la presenza di un campo elettrico consente di separare le cariche prodotte. Tale regione può instaurarsi nelle seguenti strutture: - omogiunzioni o giunzioni p-n; - strutture metallo-semiconduttore; - strutture metallo-isolante-semiconduttore (MIS); - eterogiunzioni ottenute accoppiando due semiconduttori dissimili. Le giunzioni p-n sono comunemente usate come diodi: interruttori elettronici che permettono un flusso di corrente in una direzione ma non in quella oppo- sta. Questo risultato può essere ottenuto incrementando o riducendo l’estensio- ne dello strato non conduttivo (la zona svuotata) grazie agli effetti della polarizzazione inversa e della polarizzazione diretta, dove il termine polariz- zazione indica l’applicazione di una tensione elettrica alla giunzione p-n. La tensione esterna influenza la dimensione del diodo, richiamando un maggiore o minore numero di portatori; a seconda della densità di portatori disponibili, e quindi del tipo di semiconduttore scelto e del tipo di drogaggio con il quale è stato prodotto, sarà possibile variare con un ulteriore grado di libertà l’esten- sione della regione di svuotamento. Per giunzione p-n si intende un dispositivo in cui si realizza, tra un semiconduttore drogato di tipo “p” ed uno drogato di tipo “n”, un contatto che garantisce la continuità cristallina. Una volta realizzato il contatto, per effetto dell’agitazione termica, gli elettroni maggioritari della zona “n” tendono a diffondere nella zona “p”, e in modo analogo le lacune nella zona “p” tendono a diffondere verso la zona “n”, 27
002 cap.1.fm Page 28 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM lasciando dietro di loro ioni negativi negli atomi accettori e ioni positivi negli atomi donatori. Sono queste cariche fisse che fanno assumere alle due parti costituenti la giunzione un potenziale diverso con la conseguente nascita di un campo elettrico E. L’equilibrio si rag- giunge nel momento Figura 1.8 Giunzione PN in cui il campo elet- trico generato è in grado di opporsi al moto di diffusione delle cariche, dando origine ad un bilan- cio sui due movi- menti di carica contrapposti dovuti ai portatori maggioritari (elettroni nella zona “n” e lacune nella zona “p”) e minoritari (elettroni nella zona “p” e lacune nella zona “n”), come indicato in figura 1.8. La regione di carica spaziale rappresenta dunque l’ostacolo fisico che le cari- che elettriche devono superare per dar origine al fenomeno della conduzione. Applicando un opportuna tensione esterna alla giunzione è possibile far in modo che tale regione aumenti o diminuisca. In definitiva, si possono individuare 3 diverse situazioni in funzione della ten- sione applicata ai capi della giunzione: O Equilibrio (V=0); non viene riscontrato passaggio di corrente in virtù di una condizione di equilibrio. O Polarizzazione diretta (V>0); la barriera di potenziale si riduce e il diodo passa in conduzione. O Polarizzazione inversa (V
002 cap.1.fm Page 29 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM In termini matematici la caratteristica I-V di un diodo è data dalla seguente equazione: I = I0 [exp(qV/ kT)-1] per la progettazione QUADERNI dove: I è l’intensità di corrente; V è la tensione; k = 1,38 10-23 J/K è la costante di Boltzmann; q = -1,6 × 10-19 è la carica di un elettrone; T è la temperatura assoluta. A questo punto occorrerebbe chiedersi il perché, una cella fotovoltaica, essen- do un diodo esposto alla luce solare a circuito aperto (V=0), sia invece in gra- do di generare corrente elettrica. Nei prossimi paragrafi cercheremo di spiegarlo. 1.2.4 Assorbimento della radiazione luminosa In una giornata con cielo limpido, ogni centimetro quadrato della superficie terrestre è colpito ogni secondo da 4.4x1017 fotoni. Solo alcuni di questi fotoni, quelli con energia superiore all’energy gap del semiconduttore, possono generare una coppia elettrone-lacuna ed essere “convertiti” in energia elettrica dalla cella solare. Figura 1.10 Assorbimento tipico di alcuni semiconduttori 29
002 cap.1.fm Page 30 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM Il valore di energia di un fotone, cioè del pacchetto elementare di energia lumi- nosa, è definito dall’espressione: E=h×ν dove: h è la costante di Planck (h=6,626·10-34 J s); ν è la frequenza Poiché la frequenza è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda λ, si ha che il valore energetico del fotone diminuisce al crescere di λ, con la con- seguenza che ogni semiconduttore può convertire solo una parte dello spettro solare. Vale la pena sottolineare che una parte dell’energia del fotone viene persa nel processo di assorbimento: tutte le coppie elettrone-lacuna che vengono gene- rate, hanno in pratica energia superiore all’energy gap e tale eccesso energe- tico conduce inevitabilmente ad una dissipazione di calore con conseguente riscaldamento del materiale. Questo rappresenta uno dei meccanismi di per- dita fondamentali in una cella solare. Trascurando le perdite, si può fare una stima approssimativa dell’entità di cor- rente elettrica che può essere prodotta: IL = q N A dove: N è il numero di fotoni avente energia superiore all’energy gap; A è l’area superficiale del semiconduttore esposto alla luce; q = -1,6 × 10-19 è la carica dell’elettrone. Per quanto riguarda la tensione che può generare una cella solare, si può dare un valore limite superiore pari a: V = Eg / q Sebbene la tensione effettivamente raggiunta nella pratica sia considerevol- mente più bassa di questo limite teorico, l’espressione di cui sopra mostra chia- ramente che semiconduttori con banda proibita più ampia producono in genere una tensione più elevata. 30 PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
002 cap.1.fm Page 31 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM 1.3 Le celle fotovoltaiche L’elemento cardine dei dispositivi che convertono la radiazione luminosa in elettricità è la cella fotovoltaica. per la progettazione QUADERNI Nel paragrafo precedente si è cercato di chiarire il processo fisico che porta alla generazione di corrente elettrica attraverso una giunzione p-n “al buio”. Che cosa succede però se la giunzione viene investita dalla radiazione solare? In condizioni di irraggiamento il comportamento della cella cambia. Quando la cella viene illuminata, la radiazione luminosa libera in tutto il cri- stallo delle coppie di portatori (elettrone-lacuna) che, sospinte dal campo elet- trico creato dalla giunzione, danno luogo ad un flusso di cariche. Gli elettroni generati nella zona P raggiungono la zona N (carica positivamente) mentre le lacune generate nella zona N migrano verso la regione P (carica negativa- mente). In pratica ci si riconduce al caso di una giunzione p-n dove, pur non appli- cando nessuna tensione (V=0), l’effetto dei fotoni è quello di ridurre la barriera di potenziale, in maniera del tutto analoga al caso in cui venisse applicato un generatore che polarizzi direttamente la giunzione stessa. Da un punto di vista circuitale, l’effetto fotovoltaico può essere schematizzato da un generatore di corrente IL in parallelo ad una giunzione p-n (diodo), dove la corrente risultante è fornita dalla relazione: I = I L − I D = I L − I 0 (exp(qV / KT ) − 1) Considerando poi i contributi parassiti introdotti dalle connessioni elettriche (sche- matizzati della resistenza Rs) e dai fenomeni ohmici causati dalla non idealità del diodo (rappresentati dalla resistenza Rsh), il circuito equivalente risultante può essere schematizzato nel modo seguente: Figura 1.11 Rappresentazione circuitale di una cella FV La curva caratteristica I-V della cella assume quindi un andamento traslato rispetto alla curva del diodo di una quantità pari a IL, come rappresentato nella figura seguente. 31
002 cap.1.fm Page 32 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM Figura 1.12 Curva I-V della cella fotovoltaica Il ribaltamento della curva I/V è frutto della diversa conversione di segno tra i dispositivi utilizzatori (diodi) e i dispositivi generatori (celle FV). Attraverso un circuito di test, costituito da una lampada ad alogenuri metallici in grado di simulare l’intero spettro solare, è possibile ricavare la curva carat- teristica della cella fotovoltaica collegando ai suoi morsetti un resistore di resi- stenza variabile da zero (corto circuito) fino a infinito (circuito aperto). In questo modo sarà possibile misurare per ogni condizione di resistenza un valore di Figura 1.13 Circuito test tensione e di corrente, che riportati in un piano cartesiano I-V, consentiranno di trac- ciare sperimentalmente la caratteristica I-V del generatore fotovoltaico. Tale caratteristica può essere suddivisa in tre tratti principali: O Tratto AB: dove la cella si comporta in maniera simile ad un generatore ide- ale di corrente. O Tratto CD: dove la cella si comporta in maniera simile ad un generatore ide- ale di tensione. O Tratto BC: è il cosiddetto “ginocchio della curva” ed è la tipica zona di fun- zionamento del generatore fotovoltaico. Figura 1.14 Tratti caratteristici della curva I-V 32 PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
002 cap.1.fm Page 33 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM La corrente IL è la stessa corrente che circolerebbe qualora la cella fotovoltaica fosse chiusa su di un corto circuito e pertanto viene anche denominata corrente di corto circuito ISC (short circuit). La tensione che invece si manifesta ai morsetti della cella in assenza di carico per la progettazione QUADERNI (o con carico di elevata impedenza), è indicata con VOC ed è detta tensione a circuito aperto (open circuit). Scegliendo un carico opportuno è quindi possibile far operare la cella nelle condizioni di massimo trasferimento di potenza (PMAX) e cioè in un punto del ginocchio della curva che massimizza il prodotto tra la tensione (VM) e la cor- rente in uscita (IM). A livello internazionale, per garantire delle condizioni di prova normalizzate per tutti i moduli fotovoltaici sono state definite dalla norma IEC EN 60904-3 le cosiddette Standard Test Condiction (STC): O Radiazione solare: 1000 W/m2 O Temperatura cella: 25 °C O Spettro: AM1,5 O Vento: 0 m/s Altro parametro molto importante è la Nominal Operative Cell Temperature (NOCT), che fornisce la temperatura nominale di lavoro di una cella inserita all’interno di un modulo posto nelle seguenti condizioni ambientali: O Radiazione solare: 800 W/m2 O Temperatura ambiente: 20 °C O Velocità dell’aria sul vetro del modulo: 1 m/s O Modulo funzionante a vuoto Tale valore oscilla normalmente tra i 40 e i 50°C, ma può risultare anche più elevato. Noto il significato di condizione standard è ora possibile definire alcuni para- metri caratteristici della cella che, come vedremo, potranno successivamente essere estesi ai moduli fotovoltaici. Potenza di Picco (PP) E’ la massima potenza (PM) generata in condizioni STC dalla cella e viene indi- cata con l’unità di misura “Wp” (Watt di picco). 33
002 cap.1.fm Page 34 Tuesday, March 11, 2008 1:49 PM Rendimento (η) E’ determinato dal rapporto tra la potenza di picco erogabile dalla cella e quella della radiazione solare incidente3: PP η= I STC ⋅ A Fill Factor (FF) Il fattore di riempimento rappresenta il rapporto tra la potenza massima estrai- bile dalla cella PM = VM⋅IM e il prodotto tra i valori massimi di corrente (ISC) e di tensione (VOC) in condizioni STC. PM FF = I SC ⋅ VOC Da un punto di vista geometrico, facendo riferimento alla caratteristica I-V, il FF rappresenta il grado di inscrizione del rettangolo con lati VM e IM, all’interno del rettangolo con lati ISC e VOC. Nelle celle classiche in silicio cristallino, il FF assume un range di valori com- presi tra 0,7 – 0,8. Nelle celle in silicio amorfo invece, un curva caratteristica più schiacciata vin- cola il FF ad assumere valori più bassi (tipicamente 0,4-0,5). Figura 1.15 Confronto tra curve caratteristiche di un modulo in silicio cristallino e un modulo in silicio amorfo Tale parametro fornisce in oltre una indicazione sull’efficienza della cella: più è elevato, maggiore è l’efficienza della cella (modulo) e minore sarà la super- ficie necessaria per l’installazione di una determinata potenza. 3. L’area della cella in m2 è indicato con la lettera A. 34 PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
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