“CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE FOTOVOLTAICO” · Nord 1.000 – 1.200 kWh/kWp Centro 1.100...

Bergamo, anno accademico 2013/2014

“CORSO SULLA TECNOLOGIA DEL SOLARE

FOTOVOLTAICO”

ing. Adriano Carrara

Dottore di ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Università degli Studi di Bergamo

LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICALA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA

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FOTOVOLTAICO”

La fonte di energia: il soleLa fonte di energia: il sole

2ing. Adriano Carrara



FOTOVOLTAICO”

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PotenzaPotenza cheche raggiungeraggiunge lala superficiesuperficie terrestreterrestre:: 11..000000

W/mW/m22 (valori(valori medi)medi)..

PotenzaPotenza emessaemessa daldal solesole::

175175..000000..000000..000000..000000..000000 WW ((175175

miliardimiliardi didi megawatt)megawatt)..

PotenzaPotenza cheche raggiungeraggiunge l’atmosferal’atmosfera

terrestreterrestre:: 11..350350 W/mW/m22..

La fonte di energia: il soleLa fonte di energia: il sole




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IrraggiamentoIrraggiamento

IRRAGGIAMENTO IRRAGGIAMENTO GLOBALE MEDIO GLOBALE MEDIO ANNUO AL m^2 ANNUO AL m^2 ––ANGOLO ANGOLO DIDIINCLINAZIONE INCLINAZIONE OTTIMALEOTTIMALE




FOTOVOLTAICO”

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DataData l’estensionel’estensione nordnord--sudsud dell’Italia,dell’Italia, lala variazionevariazione didi

insolazioneinsolazione annuaannua tratra unauna localitàlocalità deldel settentrionesettentrione

rispettorispetto adad unauna deldel mezzogiornomezzogiorno puòpuò superaresuperare ilil 4040%%..

kWh / kWh / kWpkWp

Producibilità

Nord 1.000 – 1.200 kWh/kWp

Centro 1.100 – 1.300 kWh/kWp

Sud 1.300 – 1.500 kWh/kWp




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ProducibilitàProducibilità annuaannua didi unun

impiantoimpianto fotovoltaicofotovoltaico dada

11 kWpkWp concon angoloangolo didi

inclinazioneinclinazione deidei modulimoduli

ottimaleottimale

kWh / kWh / kWpkWp




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Layout impianto Layout impianto fotovoltaicofotovoltaico




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L’IMPIANTO FOTOVOLTAICO L’IMPIANTO FOTOVOLTAICO

E’ COMPOSTO DA:E’ COMPOSTO DA:

L’impianto fotovoltaicoL’impianto fotovoltaico

••CELLE;CELLE;

••PANNELLI (insieme di più celle);PANNELLI (insieme di più celle);

••STRINGHE (insieme di più pannelli STRINGHE (insieme di più pannelli

in serie);in serie);

••CAMPO (più stringhe in parallelo);CAMPO (più stringhe in parallelo);

••INVERTER (converte l’INVERTER (converte l’eneene. elettrica da cc ad . elettrica da cc ad caca););

••TRASFORMATORE (innalza la tensione da TRASFORMATORE (innalza la tensione da btbt a MT).a MT).




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Come funziona il fotovoltaico?Come funziona il fotovoltaico?

QuandoQuando unun raggioraggio luminosoluminoso colpiscecolpisce ilil sottilesottile stratostrato didi

alcunialcuni materialimateriali dettidetti ““semiconduttorisemiconduttori”,”,

elettronielettroni degli atomi che degli atomi che

costituiscono il materiale.costituiscono il materiale.

ilil piùpiù conosciutoconosciuto deideiqualiquali èè ilil siliciosilicio,, ii fotonifotoni(le(le particelleparticelle didi energiaenergiacheche compongonocompongono ililraggio)raggio) trasferisconotrasferisconolala loroloro energiaenergia agliagli




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Drogaggio:

--boro,boro, terzoterzo gruppogruppo –– 33

elettronielettroni didi valenzavalenza;;

-- fosforo,fosforo, quintoquinto gruppogruppo –– 55

elettronielettroni didi valenzavalenza..

--MaterialeMateriale:: siliciosilicio ((44 elettronielettroni didi valenza)valenza)..





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MettendoMettendo aa contattocontatto ii

duedue materialimateriali cosìcosì

ottenuti,ottenuti, sisi vieneviene aa

verificareverificare unun flussoflusso didi

diffusionediffusione didi elettronielettroni

dalladalla zonazona nn allaalla zonazona

pp ee didi lacunelacune inin

direzionedirezione oppostaopposta

ZONA P ZONA N

REGIONE DI SVUOTAMENTO

E0





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QuandoQuando lala giunzionegiunzione pp--nn èè investitainvestita dalladalla parteparte deldel siliciosilicio

tipotipo nn dada unun flussoflusso luminosoluminoso questoquesto cedecede energiaenergia agliagli

atomiatomi didi SilicioSilicio portandoportando alcunialcuni elettronielettroni dalladalla bandabanda didi

valenzavalenza aa quellaquella didi conduzioniconduzioni





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L’energia trasportata dal flusso L’energia trasportata dal flusso luminoso è pari a:luminoso è pari a:

Efficienza di conversioneEfficienza di conversione

DoveDove vv èè lala frequenzafrequenza cheche èè ililreciprocoreciproco delladella lunghezzalunghezzad’ondad’onda

E = E = h*h*vv

vv = 1/= 1/λλ

NelNel casocaso deldel SilicioSilicio l’energial’energia necessarianecessaria aa liberareliberare unauna coppiacoppiaelettroneelettrone // lacunalacuna èè paripari all’energiaall’energia associataassociata adad unun flussoflussoluminosoluminoso aventeavente unauna lunghezzalunghezza d’ondad’onda alal massimamassima paripari aa

λλmaxmax = 1,15 mm= 1,15 mming. Adriano Carrara



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λλ > λλmax => max => no liberazione coppia elettrone lacunano liberazione coppia elettrone lacuna

λλ < λλmax => max => si liberazione coppia elettrone lacuna si liberazione coppia elettrone lacuna ma ene. in eccesso => scalda il materialema ene. in eccesso => scalda il materiale

SOLO IL 44% DELLA RADIAZIONE LUMINOSA CONCORRE A SOLO IL 44% DELLA RADIAZIONE LUMINOSA CONCORRE A LIBERARE ELETTRONI LIBERARE ELETTRONI DIDI CONDUZIONECONDUZIONE

RENDIMENTO MAX IDEALE MODULO FOTOVOLTAICO 44%RENDIMENTO MAX IDEALE MODULO FOTOVOLTAICO 44%




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monocristallinimonocristallini;;

-- policristallinipolicristallini;;

-- amorfiamorfi..

I pannelli fotovoltaiciI pannelli fotovoltaici

Si monocrstallino Si policrstallino Si amorfo

η cella 14% – 20% 12% - 15% 5% – 10%

Vantaggi Rendimento elevato

e stabile.

Tecnologia

affidabile.

Minor costo.

Tecnologia affidabile.

Minori costi.

Buon rendimento in presenza di basso

irraggiamento e alte temperature.

Possibilità d’impiego su supporti flessibili.

Svantaggi Elevato costo. Minor rendimento. Elevata necessità di spazi a causa del basso

rendimento.




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POTENZAPOTENZA EE PRESTAZIONIPRESTAZIONI DIDI UNUN MODULOMODULO

FOTOVOLTAICOFOTOVOLTAICOLa scheda tecnica di un pannello fotovoltaicocontiene varie informazioni. Le più importantisono:

- potenza

- dimensioni

- tipo di cella (mono o policristallino, amorfo, film sottile)





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CALCOLOCALCOLO DELDEL RENDIMENTORENDIMENTO DIDI UNUN MODULOMODULO FOTOVOLTAICOFOTOVOLTAICO

SeSe sisi dividedivide ilil risultatorisultato ottenutoottenuto concon unun valorevalore d’irraggiamentod’irraggiamento didiriferimento,riferimento, qualequale adad 10001000 W/mW/m22 sisi ottieneottiene lala percentualepercentuale didiconversioneconversione delladella potenzapotenza solaresolare inin potenzapotenza elettrica,elettrica, cioècioè ununrendimentorendimento..

2289,134

)992,0644,1(

220

sup m

W

m

W

erficie

potenza=

×==η

2

2

134,89

0,1349 13,49%

1000

W

mW

m

η = = =





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LeLe prestazioniprestazioni deldel pannellopannello sonosonotestatetestate inin laboratoriolaboratorio concon::-- irraggiamentoirraggiamento didi 10001000 W/m^W/m^22;;-- irraggiamentoirraggiamento perpendicolareperpendicolare alalmodulomodulo;;-- temperaturatemperatura didi 2525°°CC..

NelNel mondomondo realereale l’irraggiamentol’irraggiamento nellenelle varievarie oreore deldel giornogiorno puòpuò essereesseremaggioremaggiore oo inferioreinferiore aiai 10001000 W/m^W/m^22.. LaLa temperaturatemperatura puòpuò essereessere maggioremaggioreoo minoreminore didi 2525°°CC..




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L’irraggiamento che investe la celle si divide in:

-diretto;

-diffuso;

-albedo (emissioni elettromagnetiche dei corpi

circostanti).

Tecnologie di moduli diversi hanno prestazioni

differenti in funzione della componente diffusa





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Le stringheLe stringhe

OgniOgni pannellopannello fotovoltaicofotovoltaico èè costituitocostituito dada unun certocerto numeronumero didi

celle,celle, solitamentesolitamente 3636 oo 7272,, ogniogni cellacella haha aiai suoisuoi capicapi unauna

tensionetensione dell’ordinedell’ordine deidei 00,,55 –– 00,,66 VV..

UnUn modulomodulo presentapresenta quindiquindi unauna tensionetensione haihai suoisuoi capicapi dell’ordine,dell’ordine,tipicamente,tipicamente, didi 3535 VV ee unauna correntecorrente massimamassima didi qualchequalche amperamper(es(es.:.: 55 A)A)..

Si collegano più pannelli tra loro in serie Si collegano più pannelli tra loro in serie

i

n

i

stringa VvoltV ∑=

Σ=1

][

i

n

i

stringa VvoltV ∑=

Σ=1

][




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IVWPel *][ =

AdAd esempioesempio sisi considerinoconsiderino 1010 pannellipannelli collegaticollegati inin serieserie aventiaventi unaunapotenzapotenza nominalenominale didi 200200 WW l’uno,l’uno, collegandolicollegandoli inin serieserie sisi ottieneottieneunauna potenzapotenza aiai capicapi delladella stringastringa didi 22..000000 WW.

Le stringheLe stringhe




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I quadri di campoI quadri di campo

AlAl finefine didi ottenereottenere unauna potenzapotenza ancoraancora maggioremaggiore lala stringhestringhe sonosonocollegatecollegate tratra loroloro inin paralleloparallelo tramitetramite deidei quadriquadri didi campocampo..

PonendoPonendo nn stringhestringhe inin paralleloparallelo sisi ottieneottiene unaunapotenzapotenza paripari allaalla sommasomma delledelle potenzepotenze delledellesingolesingole stringhestringhe..

i

n

i

PWP ∑=

Σ=1

][

A B

I1

I2

I3

1 2 3 1 2 3 1 2 3[ ] ( )AB tot AB AB AB AB

PW V I V I I I V I V I V I P P P= × = × + + = × + × + × = + +

Collegando in parallelo 10 stringhe da 2.000 Collegando in parallelo 10 stringhe da 2.000 W l’una, quello che si ottiene è un sistema W l’una, quello che si ottiene è un sistema avente una potenza di 20 kW avente una potenza di 20 kW




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EsercizioEsercizio -- supponiamosupponiamo cheche unun impiantoimpianto fotovoltaicofotovoltaico siasia compostocompostodada::

-- tretre stringhestringhe inin paralleloparallelo;;

A B

I1

I2

I3

Calcolare la potenza di picco di ogni stringa e quella dell’impianto.Calcolare la potenza di picco di ogni stringa e quella dell’impianto.

-- 2020 pannellipannelli perper stringastringa;;

--potenzapotenza didi piccopicco didi ogniogni pannellopannello 180180 WW..

I quadri di campoI quadri di campo




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Gli inverterGli inverterII pannellipannelli fotovoltaicifotovoltaici generanogenerano correntecorrente continuacontinua.. LaLa maggiormaggior parteparte delledelleapparecchiatureapparecchiature elettromeccanicheelettromeccaniche funzionafunziona concon correntecorrente alternata,alternata, cosìcosì comecomelala reterete didi distribuzionedistribuzione inin mediamedia ee altaalta tensionetensione èè inin alternataalternata..

L’inverterL’inverter èè unun dispositivodispositivo lala cuicui funzionefunzione èè convertireconvertire lala correntecorrente dada continuacontinua adadalternataalternata.

Due macrotipologie di inverter:Due macrotipologie di inverter:

- da esterno (proteggere da sole e calore);da esterno (proteggere da sole e calore); --da interni (per potenze elevate)da interni (per potenze elevate)

Es.: da 2-3 kW Es.: da 200 kW




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DispositivoDispositivo didi inseguimentoinseguimentodeldel puntopunto didi massimamassima potenzapotenza(MPPT(MPPT-- MaximumMaximum PowerPower PointPointTrackerTracker))..

Gli inverterGli inverter




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Il trasformatoreIl trasformatore

CompitoCompito deldel trasformatoretrasformatore èè innalzareinnalzare lala tensionetensione daldal valorevalore didiuscitauscita daglidagli inverterinverter alal valorevalore didi reterete..

NegliNegli impiantiimpianti gridgrid--connectedconnected l’energial’energia elettricaelettrica èè generatagenerata conconvalorivalori didi tensionetensione nell’ordinenell’ordine deidei 300300 –– 400400 VV..

ReteRete elettricaelettrica didi MTMT:: 1515..000000 VV

DueDue opzioniopzioni

-- trasformatoritrasformatori 300300 –– 380380 VV ++ trasformatoretrasformatore 380380 // 1515..000000 VV

-- trasformatoretrasformatore specialespeciale 300300 // 1515..000000 VV




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CompitoCompito deldel trasformatoretrasformatore èè innalzareinnalzarelala tensionetensione daldal valorevalore didi uscitauscita daglidagliinverterinverter alal valorevalore didi reterete..

L’allacciamentoL’allacciamento allaalla reterete puòpuòessereessere inin btbt oo MTMT::

-- PP << 100100 kW,kW, allacciamentoallacciamento inin btbt

-- P>P> 100100 kW,kW, allacciamentoallacciamento inin MTMT

Trasformatore da 400 \ 15.000 V

Il trasformatoreIl trasformatore




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Il punto di consegnaIl punto di consegna

IlIl puntopunto didi consegnaconsegna èè fisicamentefisicamente unauna salasala all’internoall’interno delladella qualequalesisi trovatrova lala quadristicaquadristica elettricaelettrica dovedove arrivanoarrivano ii cavicavi elettricielettrici checheportanoportano l’energial’energia elettricaelettrica prodottaprodotta dall’impiantodall’impianto fotovoltaicofotovoltaico eeripartonoripartono ii cavicavi elettricielettrici delladella reterete pubblicapubblica..




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Le perdite del sistemaLe perdite del sistema

DueDue tipologietipologie didi perditeperdite::

-- distribuitedistribuite (cavi(cavi inin cc,cc, caca ee MT)MT);;

-- concentrateconcentrate (inverter(inverter ee trasformatori)trasformatori)

-- didi temperaturatemperatura (minori(minori performanceperformance modulimoduli eeinverter)inverter)




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L’allacciamento alla rete di distribuzioneL’allacciamento alla rete di distribuzione

LeLe normenorme CEICEI 1111--2020 ee lala variantevariante VV11 prescrivonoprescrivono alcunialcuni dispositividispositivi didi protezioneprotezionecheche devonodevono intervenireintervenire nelnel casocaso didi guastoguasto oo malmal funzionamentofunzionamento delladella reterete dididistribuzionedistribuzione allaalla qualequale l’impiantol’impianto fotovoltaicofotovoltaico èè collegatocollegato..TaliTali dispositividispositivi sonosono::

Potenza impianto Allacciamento BT Allacciamento MT

< 100 kW X

> 100 kW e < 6.000 kW X

-- ilil dispositivodispositivo generalegenerale;;

-- ilil dispositivodispositivo d’interfacciad’interfaccia ((11 perper inverterinverter finofino aa 33 inverter)inverter);;

-- ilil dispositivodispositivo didi generatoregeneratore;;




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ENERGIA ELETTRICA ALL’UTENZA

ENERGIA ELETTRICA ALLA RETE PUBBLICA

QUADRO ELETTRICO

CONTATORE DI PRODUZIONE

INVERTER

MODULI FOTOVOLTAICI

CONTATORI DI SCAMBIO



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