Solare fotovoltaico - Fonti rinnovabili
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Solare fotovoltaico Fonti rinnovabili G.V. Fracastoro
Il fotovoltaico
• Generalità e dati statistici di mercato
• Principi fisici
• Tecnologia del fotovoltaico
• Sistemi stand-alone e grid connected
• Criteri e metodi di dimensionamento degli
impianti fotovoltaici grid-connected e
stand-alone.
Fonti rinnovabili G.V. Fracastoro
La potenza cumulata per Regione
(1998-2008)
www.epia.org
Fonti rinnovabili G.V. Fracastoro
La potenza annua installata per
Paese (1998-2008)
Fonti rinnovabili G.V. Fracastoro
La potenza annua installata in
Europa (2006-2012)
Fonti rinnovabili G.V. Fracastoro
La top-10 dell’industria del FV Fonti rinnovabili G.V. Fracastoro
Grande affidabilità • I pannelli fotovoltaici sono venduti con una garanzia dell’80% delle prestazioni iniziali dopo 25 anni. Sono stati sviluppati come tecnologia aerospaziale (alimentazione satelliti) e per applicazioni di sicurezza (segnalazioni luminose), dove l'affidabilità rappresenta una delle priorità. • I test sono condotti esponendo i moduli a cicli termici (da –40 a +80°C), esposizione ad umidità, prove elettriche • risultati di una ricerca evidenziano la rottura di un modulo ogni 4200, su un periodo di un anno*. •*J. Wolghemuth, Long Therm Photovoltaic Reliability, NCPV and Solar Program Review Meeting 2003 Fonti rinnovabili G.V. Fracastoro
Energy pay back time
fotovoltaico: pannelli, BOS, installazione sul tetto, impianto connesso
alla rete da 3 kW
• Moduli in silicio monocristallino* (25 m2)
– 540 (Si prodotto di scarto industria semiconduttori) -
1500/2100 kWh/m2
– Risparmio annuo di elettricità: 100-150 kWh/m2 pari a 300-
450 kWh/m2 di energia primaria. PBT = 1,1 – 7 anni
• Moduli in silicio amorfo (40 m2)
– 200-300 kWh/m2
– Risparmio annuo di elettricità: 70-100 kWh/m2 pari a 200-
300 kWh/m2 di energia primaria PBT = 1-1,5 anni
* K. Kato, A. Murata, K. Sakuta, An evaluation on the life cycle of photovoltaic energy systems
considering production energy of off-grade silicon, Solar Energy Materials and Solar Cells,
1997]
Fonti rinnovabili G.V. Fracastoro
Effetto fotovoltaico • La conversione diretta dell'energia solare in energia elettrica, realizzata con la cella fotovoltaica, utilizza il fenomeno fisico dell'interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nei materiali semiconduttori, denominato effetto fotovoltaico. • Qualunque sia il materiale impiegato, il meccanismo con cui la cella trasforma la luce solare in energia elettrica è essenzialmente lo stesso. • Consideriamo il caso di una cella fotovoltaica di silicio cristallino. Fonti rinnovabili G.V. Fracastoro
Principi fisici
Spettro di un corpo
E λn nero a 5800 K, simile
a quello del Sole Per un semiconduttore in
silicio a 20 °C una energia di
5800K
1.12 eV (equivalente a λ =
1.1 µm) è sufficiente per
liberare un elettrone dalla
sua banda di valenza.
1.0 2.0 λ L’elettrone e la lacuna
Efot generati dall’interazione
possono produrre una
Energia di un fotone
corrente elettrica.
al variare della sua
lunghezza d’onda
λ
Fonti rinnovabili G.V. FracastoroMateriali semiconduttori
Ogni materiale ha una sua
energia minima che
permette di liberare
elettroni dalla banda di
valenza.
Più è bassa, maggiore è la frazione di energia solare utilizzata e maggiore la
corrente. Però, più è alta l’energia e più è alta la tensione di circuito aperto.
Poiché la potenza è il prodotto di corrente per tensione occorre cercare un
compromesso. Vanno bene energie comprese fra 1 eV e 1.8 eV, ma l’optimum
si ha per energie comprese fra 1.4 e 1.5 eV. Il Silicio, come già detto, ha
un’energia minima di 1.1 eV.
Fonti rinnovabili G.V. FracastoroLimiti all’efficienza
E λn Eccesso di
energia
5800K Fotoni con
Energia insufficiente energia
disponibile (< energy gap)
1.0 2.0 λ
I fotoni con energia inferiore a 1.12 eV (λ>1.1 µm) hanno insufficiente
energia e attraversano lo strato senza essere assorbiti. Si perde il 23%
dell’energia solare.
Quelli con λTipi di celle FV Fonti rinnovabili G.V. Fracastoro
Generazioni di celle FV
• Prima Generazione (celle in Si cristallino – 100-150 µm)
– Lalta qualità dei materiali, sistemi a giunzione singola
– Elevato fabbisogno energetico e costi di manodopera tengono elevati i costi di produzione
– Il rendimento delle celle in Si si avvicina ormai al limite teorico del 33%
• µm))
Seconda Generazione (film sottili – 1µ
– Bassi fabbisogni energetici e costi di produzione
– Tecniche di produzione: deposizione di vapore e elettrolaminazione (basse temperature)
– Materiali: tellururo di cadmio (CdTe, 4.7% della quota di mercato), rame-indio-gallio-selenio
(copper indium gallium selenide CIGS, 0.5%), silicio amorfo (5.2%)
– Efficienze in crescita, soprattutto CIGS-CIS, DSC e CdTe (13%)
– I principali produttori si stanno spostando verso le tecnologie di seconda generazione (First
Solar (CdTe), Wurth (CIS), Nanosolar (CIGS))
• Terza Generazione
– Miglioramento delle prestazioni elettriche dei film sottili
– Efficienze dell’ordine del 30-50%
– Materiali e tecniche di produzione a basso costo
– Si riferisce a diverse tecnologie, non ancora sviluppate:
• celle multigiunzione
• Modifica dello spettro solare incidente (concentrazione).
• Uso della generazione di calore in eccesso per aumentare tensione e corrente
Fonti rinnovabili G.V. FracastoroEfficienza e costo delle varie
generazioni di FV
100% 0.2 $/W
0.5 $/W
efficienza
III
ge 1.0 $/W
n
3.5 $/W
I gen
I gen
I
Costo, $/m2 500
Fonti rinnovabili G.V. FracastoroFV a concentrazione:
1500 x
Nominal power 0.55 kW system consisting of 16 lenses
Optics 1500x through a glass Fresnel lens
Cell
Tracking
1 cm 2 cells from Spectrolab
Carousel tracker, large-scale ground-mount and rooftop installations
Sunrgi, Xtreme
Further details The company has been able to achieve effective cooling (Cool Move heat transport
technology) keeping the cell temperature low despite extreme concentration.
Fonti rinnovabili G.V. FracastoroModuli
Commerciali
35%
19%
15%
10.5%
8.5%
Fonti rinnovabili G.V. FracastoroIl processo di fabbricazione degli
impianti FV in poli-Si
Fonti rinnovabili G.V. FracastoroLa cella fotovoltaica: i vari strati Fonti rinnovabili G.V. Fracastoro
Curva I-V caratteristica
Per V = 0 la corrente è
massima (Isc, corrente di
corto circuito), per I = 0 la
tensione è massima (Voc,
tensione di circuito aperto).
La potenza P = V·I ha un
massimo nel punto MPP.
La caratteristica I-V di una cella dipende da irradianza solare (Gsol),
temperatura della giunzione (Tg).
Fonti rinnovabili G.V. FracastoroPrestazioni delle celle PV • Potenza di picco (PSTC), in condizioni standard (T=25 °C, G=1000 W/m 2, AM = 1.5) • Nominal Operating Cell Temperature (NOCT) (T=25 °C, G=800 W/m 2, v = 1 m/s) • Efficienza (η) • Fill factor • Maximum Power Point Tracker (MPPT) Fonti rinnovabili G.V. Fracastoro
Prestazioni tipiche di una cella
• Efficienza
– Si monocristallino ≈ 15-20%,
– Si policristallino ≈14-18%,
– amorfo 5-8%
– CdTe 13%
• NOCT = 42-50 °C
• FF =0.8-0.9
Fonti rinnovabili G.V. FracastoroPrestazioni tipiche di una cella
grandezza valori
2
area 100 cm
corrente generata 2.5-3.5 A
voltaggio 0.45-0.55 V
potenza erogata 1.5 W
Fonti rinnovabili G.V. FracastoroDalla cella al modulo FV • I moduli fotovoltaici sono ottenuti dalla unione di più celle fotovoltaiche • la singola cella ha una tensione piuttosto modesta, circa 0,5 Volt • collegando in serie più celle si ottengono valori di tensione più alti e perciò più utilizzabili Fonti rinnovabili G.V. Fracastoro
Tipi di moduli
Moduli fotovoltaici vecchi
A = 0.5 m
2
30-36 celle
P = 40-60 W
V = 12 V
peso = 7-8 kg
Moduli fotovoltaici nuovi
A = 0.5 - 1.1 m
2
36-64-72 celle
V > 12 V
Fonti rinnovabili G.V. FracastoroImpieghi stand-alone
Carico in CC
Generatore FV Regolatore Batteria
di carica
Inverter Carico in AC
Fonti rinnovabili G.V. FracastoroImpieghi stand-alone
telecomunicazioni
monitoraggio
Fonti rinnovabili G.V. FracastoroImpieghi stand-alone
irrigazione Illuminazione interna
Fonti rinnovabili G.V. FracastoroImpieghi stand-alone
Rifugi di montagna Mobilità: Phylla
Necessità di
batterie
riducono
l’efficienza
Fonti rinnovabili G.V. FracastoroSistemi grid-connected Fonti rinnovabili G.V. Fracastoro
Sistemi grid-connected
Strutture e collegamenti sono
realizzati con materiali e tecnologie
ampiamente diffuse e condivise con
altre applicazioni.
L’inverter è fa parte della grande
famiglia dell’elettronica di potenza,
già largamente impiegata
nell’automazione industriale, nella
trazione ferroviaria, nei gruppi
statici di soccorso (UPS) ed in
molteplici altri settori produttivi.
Fonti rinnovabili G.V. FracastoroPerdite di sistema (BOS)
• effetto temperatura
• inverter
• ombreggiamento
• mismatching (imperfetto accoppiamento fra i moduli, pannelli
con prestazioni differenti, non uniforme orientamento dei
pannelli, ombreggiamenti differenziati, cablaggi errati o non
uniformi)
• riflessione
• resistenza elettrica dei cavi
ηBOS ~ 75-85%
Fonti rinnovabili G.V. FracastoroBuilding Integrated Photovoltaics
(BIPV)
Fonti rinnovabili G.V. FracastoroBIPV Fonti rinnovabili G.V. Fracastoro
BIPV Fonti rinnovabili G.V. Fracastoro
Italia - Il conto energia 2011 Fonti rinnovabili G.V. Fracastoro
Criteri di dimensionamento • Impianti grid-connected: dimensionati in modo da fornire una produzione all’incirca uguale al fabbisogno annuo • Impianti stand-alone: dimensionati per garantire la copertura del fabbisogno nel mese più sfavorito • Sito di riferimento: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ Fonti rinnovabili G.V. Fracastoro
Esempio Grid-connected
• Torino, consumo utenza 3000 kWh/anno
• Moduli FV: inclinazione 25°, orientamento Sud, Si
cristallino, integrato (BIPV)
• Da PVGIS:
– 1540 kWh/m2
– perdite BOS: 22.9 %
– Ore effettive: 1540*(1-0.229) = 1180 kWh/kWp
• 3000/1180=2.5 kWp
• Costo: 2.5*5000=12.500 €
• Incentivi: 0.48 €/kWh, costo evitato: 0.18 €/kWh, ricavo:
0.66 €/kWh
• Ricavo annuo: 0.66*3000=1980 €
• PBT semplice: 12500/1980=6.2 anni
Fonti rinnovabili G.V. FracastoroPuoi anche leggere
