1726_misure e Prove Per Pannelli Fotovoltaici (Menr)

7/24/2019 1726_misure e Prove Per Pannelli Fotovoltaici (Menr)

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Misure e prove suipannelli fotovoltaici

Corso di Misure Termomeccaniche per MENR

SAPIENZA Università di Roma

A.A. 2012-13



Schema impianto



Richiami di teoria del fotodiodo

In uno strato sottilissimo adiacente alla giunzione (strato

di svuotamento) la distribuzione dei portatori di carica

(elettroni e lacune) cambia rispetto alla situazioneesistente nel volume del semiconduttore P o N: in esso sicrea un campo elettrico (sostenuto da un doppio stratocarico e fisso nel reticolo).Nello strato di svuotamento, non ci sono cariche libere equando esso è colpito dalla luce (fotoni), alcuni elettroni,

normalmente legati ad un atomo del reticolo cristallino equindi non disponibili per il trasporto di carica, vengonoliberati dal legame e possono muoversi liberamente nelcristallo, lasciando carico positivamente l’atomo cui eranolegati. Questa carica positiva viene detta “lacuna”. Anchele lacune possono “muoversi” nel cristallo: infatti se unodegli elettroni legati agli atomi adiacenti si sposta nel sitolasciato libero, la lacuna si sposta in direzione opposta. Idue tipi di portatori di carica (elettroni e lacune) possonoricombinarsi durante la migrazione nel volume delsemiconduttore, e cessare così di contribuire alla foto-corrente.



La foto-corrente può essere prodotta solo da un flusso di fotoni (con energia superioreall’energia di soglia : hn > Eg) che possa raggiungere lo strato di svuotamento.L’energia di soglia è quella corrispondente alla “banda di energia proibita” (Energy Gap) tipica

del semiconduttore di cui è fatta la giunzione PN.Si capisce quindi come si possa ottenere un sensore di luce da un fotodiodo: è sufficiente che lagiunzione PN, chiusa su un carico esterno, sia esposta alla luce (ad esempio rendendo moltosottile lo strato drogato N, come in figura) perché attraverso di essa si stabilisca una correnteelettrica proporzionale al flusso luminoso, che circola da P a N sul carico esterno e da N a Pall’interno del fotodiodo (corrente inversa).

Viceversa, se una giunzione PN è attraversata da corrente elettrica nel verso della polarizzazionepositiva (corrente diretta) , è possibile osservare una emissione di luce (LED).

Richiami di teoria del fotodiodo



Curve caratteristiche del fotodiodo

Curva 1 = buio

Curva 2 = luce

B : fotodiodo in produzione fotovoltaica (polarizzato direttamente macome se Rinterna < 0 … collegando un carico esterno, su di esso si osserva

il passaggio della corrente inversa Im )A : fotodiodo polarizzato inversamente (P < 0 e N > 0) … da evitare ! C : fotodiodo polarizzato direttamente (P > 0 e N < 0) … normale diodo.



Procedura di Collaudo

Un impianto fotovoltaico FV deve essere sottoposto a un collaudo

iniziale ( prima della messa in servizio) e a verifiche periodiche (ad

esempio annualmente) da programmare con la manutenzione

Le verifiche iniziali e periodiche comportano l’esecuzione di: • Esami e controlli a vista sui : moduli

cavi quadri scatole di derivazione inverter

• Prove e misure strumentali : misura della corrente e della tensione di stringa misura dell’isolamento verifica dei collegamenti equipotenziali verifica del rendimento dell’impianto FV con misure di WCC e

WCA su ogni inverter




La misura della tensione di stringa Vocs deveessere effettuata a vuoto per ogni stringa e,in condizioni di irraggiamento costante, nondevono risultare differenze superiori al 5%tra le stringhe (mismatch tollerato)




Per confrontare il valore di tensione a vuoto misurato sulla stringa (VOCS)

con il valore alle condizioni STC (1000 W/m2; 25 °C; AM 1,5) indicato dalcostruttore sui moduli (VOC-STC) si può applicare la relazione:

VOCS = [VOC-STC - β (25 - Tcell)] n

VOC-STC = tensione nominale a vuoto di un modulo (V)β = coefficiente di variazione della tensione con la temperatura (V/°C)Tcell = temperatura misurata sul retro dei moduli (°C)n = numero di moduli della stringa

La temperatura Tcell può essere misurata con un sensore RTD (peresempio una sonda Pt100) oppure con una termocoppia posizionatasul retro di uno dei moduli. L’accuratezza della misura richiesta è ± 1°C




Il valore della temperatura Tcell può essere anche ricavato misurando latemperatura d’ambiente (Tamb) e l’irraggiamento solare (Gp) con larelazione approssimata:

Tcell = Tamb + Gp (NOCT - 20) / 800

NOCT = temperatura del modulo nelle condizioni operative nominali(G = 800 W/m2; Tamb = 20 °C; velocità dell’aria 1 m/s)

In questo modo è possibile misurare la temperatura Tamb in prossimitàdella faccia posteriore dei moduli, senza contatto diretto.Evitare sempre l’irraggiamento diretto del sensore di temperatura.



Per ragioni di sicurezza le misure della corrente di cortocircuito (Isc)si effettuano mettendo in cortocircuito sottocampi fotovoltaici fino acorrenti Isc non superiori a 120 ÷150 A.Per effettuare tale verifica si utilizzano apposite “cassette” dotate di

adeguati interruttori di manovra.





Nella misura della corrente di cortocircuito ISC-camp c’è da portare inconto una riduzione del 5% per mismatch :

ISC-camp = 0,95 ∙ n ∙ ISC-mod

n = numero di stringhe in parallelo

ISC-mod = corrente nominale di un modulo

Si possono confrotare i valori di corrente misurati (ISC-M) con quelli dellecondizioni STC mediante la relazione:

ISC-M = ISC-STC + n α (Tcell - 25)

α = coefficiente di variazione della corrente con la temperatura (A/°C)Tcell = temperatura misurata a contatto sul retro dei moduli (°C)



Oltre agli esami a vista e alle verifiche comuni a tutti gli impiantielettrici (isolamento, continuità elettrica dei conduttori,funzionamento degli interruttori differenziali, ecc.) è opportunomisurare le potenze (Wcc) e (Wca) per accertare il rendimentodell’impianto.


Questa esigenza è contenuta anche nel

“Certificato di collaudo” (DM 19/2/07)che occorre redigere e presentare alGSE per accedere agli incentivi …



Certificato di Collaudo

Verifiche punto 5 del “Certificato di collaudo”

(efficienza del generatore PV)

Verifica della condizione W cc > 0,85 · W nom · G p /GSTC




• La misura dell’irraggiamento Gp deve essere effettuata con un

piranometro o solarimetro con precisione migliore del ± 3%.

• La misura della potenza (Wcc) all’uscita del generatore FV deveessere effettuata con precisione migliore del ± 2%.

• La prova deve essere effettuata con irraggiamento > 600 W/m2

• La misura deve essere effettuata su insiemi di stringhe o sottocampicon moduli aventi lo stesso orientamento e la stessa inclinazione.

• È importante che le misure di Gp e Wcc siano effettuatesimultaneamente.




Verifica della condizione W ca > 0,9 W cc

• La misura della potenza in c.c. (Wcc) all’uscita del generatore FV deve essereeffettuata con precisione migliore del ± 2%

• La misura della potenza (Wca) all’uscita dell’inverter deve essere effettuata conprecisione migliore del ± 2%

• La prova deve essere effettuata con irraggiamento > 600 W/m2• È importante che le misure di Wcc e Wca siano effettuate simultaneamente



Se durante la misura delle potenze Wca e Wcc, la temperatura deimoduli (Tcell) è superiore a 40 °C si può correggere la potenza Wcc

misurata. La condizione da verificare diventa:Wcc > (1 - Ptpv - 0,08) Wnom × Gp/GSTC

Ptpv rappresenta le perdite termiche dovute alla maggioretemperatura dei moduli e si calcola con la relazione:

Ptpv = γ (Tcell - 25) / 100Tcell = temperatura misurata (con sonde Pt100) sul retro dei moduli(°C)γ = coefficiente di variazione della potenza con la temperatura

(W%/°C)Se non è possibile misurare Tcell si può egualmente calcolare Ptpv

misurando la temperatura dell’ambiente (dell’aria) in prossimità dei

moduli (Tamb), con la relazione:

Ptpv

= [Tamb

– 25 + (NOCT - 20) Gp

/ 800] CT / 100


l ?



Cosa vogliamo misurare ?

CURVA CARATTERISTICA CORRENTE-TENSIONE (es. dati ATERSA A-240P) :Voc = tensione a vuoto (≈ 37,15V)Isc = corrente di corto circuito (≈ 8.7 A)

PUNTO DI FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA CHIUSA SU UN CARICO 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 P), talecondizione è quella per la quale il generatore eroga la massima potenza.

Infatti la massima potenza erogata dalla cella Wmax = Vmax·Imax è indicatadall’area evidenziata:

U=RI

P

S h di b



Schema test di base

Luce

Carico variabile

Solarimetro

PFV

Pt100

Sono dati:• 1 pannello fotovoltaico industriale• un carico a resistenza variabile 0,1 Ω – 0,1 kΩ • un termometro elettrico RTD Pt100 o termocoppia K• Un solarimetro per la misura dell’irradiamento solare

C li i ?




A partire dalle coppie di valori «V» ed «I» misurate per ogni condizionedi carico «R», è anche possibile costruire i diagrammi della potenzaW=V·I in funzione della tensione V o della corrente I di esercizio:

Da questi diagrammi è possibile ricavare i valori di Vmax e Imax incorrispondenza dei punti dove la potenza è massima !

Vmax Imax

C li i ?




La resistenza del carico variabile (se si considera trascurabile laresistenza interna dell’amperometro) può essere estrapolata a partire

dalle misure della tensione V e della corrente I, per ogni punto di lavorosi ottiene: R = V/I . E’ possibile quindi costruire anche il diagramma dellapotenza W in funzione del carico R, da cui si ricava il valore del caricoottimale Ropt per il quale si ha il massimo trasferimento di potenza

Wmax

Carico OTTIMALE Ropt

C li i ?




INFLUENZA DI IRRAGGIAMENTO SOLARE E TEMPERATURA :Purtroppo la caratteristica I-U della cella varia in funzione dell’irraggiamento solare e

della temperatura.All’aumentare dell’irraggiamento aumenta la corrente di corto circuito Isc.All’aumentare dell’irraggiamento diminuisce la resistenza di carico ottimale Ropt.All’aumentare della temperatura diminuisce la tensione a vuoto Voc.

Ropt

Di queste circostanze occorre tenere conto durante le prove e le misure sul campo !

C li i ?




1. Si colleghi il modulo FV al reostato (carico variabile) e si inseriscanocorrettamente nel circuito gli strumenti per la misura di V e I.

2. Si colleghino opportunamente il termometro Pt100 e il solarimetroLP RAD 03 BL ai rispettivi multimetri digitali

3. Variando lentamente il carico al reostato si registrinosimultaneamente i valori misurati per almeno 10 punti di lavoro

4. Si costruiscano i diagrammi VI e WR dei due moduli. Si individui laresistenza di carico ottimale per le condizioni di irraggiamentoincontrate.

5. Si effettui la verifica dei rendimenti η dei due moduli FV, tenendo

conto anche delle eventuali correzioni in temperatura e si valuti seil modulo ha «superato il collaudo» per accedere agli incentivi delGSE.

6. Si eseguano delle misure di rendimento a seguito di un«ombreggiamento» parziale della superfice attiva del pannello FV

Ri hi i t i i



Richiami teorici

RENDIMENTO DI MODULO η

Il rendimento di un pannello è la quantità di energia solareche un pannello riesce a convertire in energia elettrica perunità di superficie, ed è sempre dichiarato il massimorendimento alle condizioni STC.

per calcolare Smod si utilizzano le dimensioni del pannello compresele cornici, ovvero l’ingombro massimo del modulo.

η =

∙ 100

Ri hi i t i i



RENDIMENTO GLOBALE DI IMPIANTO η

Le specifiche emesse da ENEA per i sistemi connessi a rete

fissavano un valore minimo diη pari al 75%.

In realtà, η è una variabile di sistema che dipende

da vari parametri η = ηPV * ηJ * ηINV * ηTR

Richiami teorici

Ri hi i t i i



RENDIMENTO DI MODULO ηPV

ηPV = ηK * [ 1 – β ( T c – T k ) + γ log10 G ]

ηK = rendimento del modulo a STC T

c = Temperatura ° K del modulo

T k = Temperatura di riferimento di 298 ° K

β = coeff. sperimentale pari a 0,0045° C

-1

γ = coeff. sperimentale pari a 1,3

G = irraggiamento espresso in kW/m2

Richiami teorici

Ri hi i t i i



RENDIMENTO DI MODULO ηPV

In prima approssimazione

ηPV

=

ηK

* [ 1 – β ( T c

– T k

)]

con T c calcolata

T c = ( G / 800 ) * (NOCT-20° C) + T a

con T a = temperatura ambiente

e G = irraggiamento sul piano dei moduli

Richiami teorici

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