Dispensa Fotovoltaico

Energetica, prof. Vanoli - Dispense sulFotovoltaico - A.A. 2009-2010

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A.A. 2009/2010 1

SOLARE FOTOVOLTAICO

Prof. Raffaele VANOLIDETEC Universit degli studi di Napoli Federico II

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o L'effetto fotovoltaico, la formazione di un differenza di potenzialeelettrico ai capi di una giunzione tra due sottili lastre di materiale semi-conduttore (opportunamente trattate) esposta a radiazione luminosa.

o Il materiale pi utilizzato attualmente il silicio (Si): un fotone,interagendo con la struttura cristallina del semiconduttore, pu eccitareun elettrone della banda di valenza del cristallo, portandolo in una bandadi conduzione.

o In particolare se l'energia associata al fotone maggiore dell'ampiezzadella banda, il fotone cede tale energia al cristallo generando una coppiaelettrone-lacuna, che contribuisce alla conduzione elettrica delsemiconduttore.

o In presenza di un campo elettrico che separa le cariche della coppiastessa, esse vengono raccolte mediante due elettrodi


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o Ogni elemento chimico caratterizzato da una determinata configurazioneelettronica, ovvero dal numero di elettroni presenti e dal modo in cui gli stessi sidispongono sugli orbitali (o livelli energetici) intorno al nucleo.

o Nel reticolo cristallino di un solido, i livelli energetici costituiscono delle bandediscrete, tra cui normalmente esiste un gap, ovvero un intervallo di valori dienergia non permessa. In funzione del tipo di materiale e delle relative condizionifisiche (in particolare, della distanza internucleare), alcune bande possono perparzialmente sovrapporsi.

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o Procedendo nel verso delle energie crescenti:

o la prima banda di energia mediamente non occupata detta di conduzione;

o lultima banda di energia mediamente occupata detta di valenza.

o Gli elettroni di valenza sono quelli in grado di interagire con altri atomi,determinando il comportamento chimico-fisico del materiale.

o La presenza di una banda di energia non permessa tra quella di valenza e quelladi conduzione (energia di gap) e la sua entit sono alla base della distinzionetra:

o conduttori: energia di gap = 0;

o semi-conduttori: energia di gap ? 1 eV;

o isolanti: energia di gap ? 10 eV.

o Nei conduttori, la semplice energia cinetica dei moti di agitazione termica (a T >0 K) sufficiente a far passare degli elettroni nella banda di conduzione, neisemiconduttori questo fenomeno molto pi raro, negli isolanti pressochimpossibile.


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o Un buon materiale per la conversione fotovoltaica deve avere unenergia di gaptra 1 ed 1,8 eV: valori inferiori, per alcuni versi vantaggiosi (maggiore efficienzadi utilizzo dellenergia solare e maggiore intensit di corrente prodotta),comporterebbero valori di tensione troppo bassi.

o Il silicio attualmente l elemento pi utilizzato nella conversione fotovoltaica: sitratta di un semi-conduttore tetra-valente, ovvero con quattro elettroni di valenza.

o Se drogato con impurit tri-valenti (ad esempio, inserendo un atomo di boro), siottiene un materiale caratterizzato dalla disponibilit ad accettare alcunielettroni di valenza, ovvero con delle lacune o accettori: silicio di tipo P.

o Se drogato con impurit penta-valenti (ad esempio, inserendo un atomo difosforo o arsenico), si ottiene un materiale caratterizzato dalla disponibilit acedere alcuni elettroni di valenza, debolmente legati: silicio di tipo N.

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? Mettendo in contatto due lastre di semiconduttore drogato, rispettivamente ditipo P ed N, tra i due strati si attiva un flusso elettronico dalla zona N alla zona Pche, raggiunto il punto di equilibrio elettrostatico, determina un eccesso di caricapositiva nella zona N, dovuto agli atomi di fosforo con un elettrone in meno, e uneccesso di carica negativa nella zona P, dovuto agli elettroni migrati dalla zonaN.

? Gli elettroni presenti nel silicio tipo N diffondono infatti per un breve tratto nelsilicio tipo P: il silicio tipo N si carica positivamente, quello di tipo P si caricanegativamente. Si crea inoltre una regione intermedia detta zona di svuotamentoo di carica spaziale. Il risultato un campo elettrico interno al dispositivo, perunampiezza di pochi micrometri.

+

-

Densit di cariche


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? Illuminando la giunzione P-N dalla parte del silicio tipo N, si generano dellecoppie elettrone-lacuna in entrambe le zone. Il campo elettrico separa glielettroni in eccesso generati dallassorbimento della luce dalle rispettive lacune,spingendoli in direzioni opposte (gli elettroni verso la zona N e le lacune verso lazona P). Una volta attraversato il campo, gli elettroni liberi non tornano piindietro, perch il campo, agendo come un diodo, impedisce loro di invertire lamarcia.

? Se si connette la giunzione P-N con un conduttore esterno, nel circuito esternosi otterr un flusso di elettroni. Fino a quando la cella rimane esposta alla luce,l'elettricit fluisce con regolarit sotto forma di corrente continua.

+

-

Densit di cariche

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? Lo spessore dello strato N deveessere minimo, per garantire ilmassimo assorbimento di fotoniincidenti in vicinanza della giunzione.

? Anche lo spessore totale della celladeve essere limitato, per ridurre leresistenze ohmiche.

? Per il Silicio, normalmente lospessore della cella di 0,250,35mm.

? = potenza elettrica netta / potenza incidente

? max teorico ? 33%, valore netto effettivo ? 1015%


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o Il silicio utilizzato pu essere: monocristallino (atomi orientati nello stesso verso e legati fra loro nello

stesso modo): il pi costoso ed efficiente; policristallino (atomi legati in piccoli grani monocristallini orientati

casualmente): meno costoso, ma anche meno efficiente; amorfo (atomi orientati in modo casuale, come in un liquido): il pi

economico, ma anche quello meno efficiente ed affidabile.o Si distinguono inoltre tre gradi di purezza:

grado elettronico: impurezza = 1/100.000.000 grado solare: impurezza = 1/10.000 metallurgico: impurezza = 1/100

o Per la produzione di celle fotovoltaiche, si usa tipicamente il silicio di gradosolare, che si pu ottenere anche come scarto del silicio elettronico: ha unapurezza adeguata ed un costo decisamente inferiore a quello del silicioelettronico "puro (10 $/kg contro 100 $/kg).

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Estrazione della silice eraffinazione

Trasformazione in siliciomono/policristallino

Formazione di n-film

Applicazione di contatti elettrici

Applicazione di film antiriflesso

Divisione del lingotto in wafer

Trattamento chimico

Trasformazione del silicio metallurgico insilicio per applicazioni fotovoltaiche

Trasformazione della silice insilicio

Assemblaggio pannelli

Vetro

Sabbia

Energiaelettrica

MODULI FOTOVOLTAICI

Rame

Alluminio


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o Valori tipici di efficienza della cella:

o La densit di potenza molto bassa: per un rendimento nettocomplessivo del 12%, occorrono circa 8 m2 di superficie captante (fino a16 m2, per i grandi campi fotovoltaici) per 1 kW di potenza di picco.

o Lefficienza netta dellintero sistema fotovoltaico ancora inferiore(10%12%), a causa delle ulteriori perdite esterne.

o Sono allo studio nuovi materiali, diversi dal Si: ad ex., larseniuro di gallio(GaAs), molto efficiente (25% ca., con pi del 40% come limite teorico) macostosissimo, e materiali polimierici (ancora in fase di ricerca)

Materiale Max. rendim.in lab. Max rendimentoin campo

Si monocristallino ? 24 14 17

Si policristallino ? 18 13 15

Si amorfo ? 13 \ 5 7

A.A. 2008/2009 12

BOS Impianto Fotovoltaicoo Inverter: trasforma la corrente continua prodotta dai moduli in corrente

alternatao Trasformatoreo Sistema di rifasamento: garantisce la qualit della potenza in uscita


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o Laumento della T tende a ridurre la tensione della cella, ed anche la sua efficienza

o Valori troppo bassi o troppo alti di Eg riducono lefficienza:o V cresce con Ego I diminuisce con Eg, cos come la frazione di fotoni con livelli di energia sufficiente allaformazione della coppia elettrone-lacuna

Effic

ienz

a de

lla c

ella

(%) 15

10

5

Temperatura della cella (C)

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

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o riflessione: non tutti i fotoni che incidono sulla cella penetrano al suo interno,dato che in parte vengono riflessi dalla superficie della cella e in parte incidonosulla griglia metallica dei contatti. Perdite pari circa al 30%;

o fotoni con troppa o poca energia: per rompere il legame tra elettrone e nucleo necessaria una certa energia, e non tutti i fotoni incidenti possiedono energiasufficiente; d'altra parte, i fotoni con troppa energia contribuiscono a generarecoppie elettrone-lacuna, ma dissipano in calore l'energia eccedente. Perditepari circa al 50%; ;

o ricombinazione: non tutte le coppie elettrone-lacuna generate vengono raccoltedal campo elettrico di giunzione e inviate al carico esterno, dato che nelpercorso dal punto di generazione verso la giunzione possono incontrarecariche di segno opposto e quindi ricombinarsi Perdite pari circa al 5%; .

Principali perdite di conversione nella cella:


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Ulteriori perdite esterne alla cella:

- perdita nel gruppo di conversione statica (4% - 10%):

Dovuto agli inverter e ai trasformatori

- perdita per ombreggiamento (7%)

- perdita per mismatching (3%):

cio per imperfetto accoppiamento tra i moduli

- perdita lungo le tratte DC (1%):

dovuta alla resistenza offerta dai cavi elettrici, alle perdite per cadute di

tensione sui diodi di blocco ed alle resistenze di contatto sugli interruttori

- perdita per sporcizia, detriti e polveri (1%):

- perdita di efficienza annuale (1% - 2%)

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Normalmente lefficienza del BOS di un sistema fotovoltaico raggiunge valoricompresi tra il 75% e l85%.


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In base allimpiego

o Sistemi isolati (standalone): vengono accoppiati con un accumulatore e,spesso, con un sistema di integrazione convenzionale (motore diesel,):

case isolate, illuminazione e segnaletica, ricarica batterie auto elettriche,alimentazione stazioni per telecomunicazioni

o Sistemi collegati in parallelo alla rete elettrica (grid-connected): sistemi distribuiti: coperture, terrazzi, rivestimenti, integrazione nelle

facciate degli edifici, campi fotovoltaici

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? I/Pe = Investimento iniziale ? 6.0007.000 /kWp (+2030% per accumuli,nel caso di sistemi stand-alone)

? M/Pe = oneri annui di manutenzione ? 12% dellinvestimento iniziale I

e eue

e e

I/P M/PI MCosto di produzione cFA E E FA fH fH

? ? ? ? ?? ?

In assenza di agevolazioni , il costo dellenergia elettrica prodotta va da unminimo di 0,25 /kWh (grandi impianti grid-connected) ad oltre 0,50/kWh (piccoli impianti stand-alone)

Necessit di supporti finanziari in conto capitale o energia!

35re tee e

I ISP B ann iR isp cu E

? ? ??


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Pannelli in silicio policristallino (vita utile 25-30 anni)

Area Pannelli: 100 m2

Radiazione Solare: 1.000 W / m2

100 *1.000 = 100.000 W = 100 kW

Rendimento Pannello: 13 % (perdita di rendimento annuo 1%)

Potenza Impianto Pe: 13 kW

Densit di potenza: 7,7 m2 / kW

Ore annue di funzionamento: 1.460 h/anno

Energia Producibile: 18.980 kWh (al primo anno)

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COSTIFissi:investimento iniziale

costo per unit di potenza: c.u. p = 7.000 / kWcosto totale: c.u. p x Pe = 91.000

manutenzione straordinariasostituzione inverter (8-10 anni): 10% investimento iniziale (9.100 )

Annui:manutenzione ordinaria 1% investimento iniziale (910 / anno)

RICAVIConto Energia

Tariffa: 0,41 / kWh 3 kW < Pe < 20 kWparzialmente integrato

Scambio sul PostoCosto energia elettrica: 0,175 / kWh


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COSTIinvestimento iniziale: 91.000 sostituzione inverter : 9.100 manutenzione ordinaria: 910 TOTALE: 101010 RICAVIConto Energia: 0,41*18980=7781 /annoScambio sul posto: 0,175*1898=33211 /annoTotale: 11102 RISULTATISPB=101010/11102=9,1 anniVAN=11102*12,5-101010=37765 IP=37765/101010=0,374cue=(101010/12,5)/18980=0,426 /kWhUtile/EE=(11102-101010/12,5)/18980=0,159/kWh

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AnnoCosti Fissi

()Costi

Annui ()Prod.Annua

(kWh)Conto

Energia ()Scambio sul

posto ()Cash Flow CE+SP () Cash Flow CE-SP () Cash Flow -CE+SP () Cash Flow CE+SP+20% ()

Semplice Attualizzato Semplice Attualizzato Semplice Attualizzato Semplice Attualizzato

1 - 91 000 - 910 18980 7 781.80 3 321.50 - 80 806.70 - 80 806.70- 84 128.20 - 84 128.20 - 88 588.50 - 88 588.50

- 62 606.70- 62 606.70

2 - 910 18790 7 703.98 3 288.29 - 70 724.43 - 71 384.02 - 77 334.22 - 77 778.68 - 86 210.22 - 86 365.80 - 52 524.43 - 53 184.02

3 - 910 18600 7 626.16 3 255.07 - 60 753.20 - 62 674.76 - 70 618.05 - 71 912.53 - 83 865.15 - 84 317.53 - 42 553.20 - 44 474.76

4 - 910 18411 7 548.35 3 221.86 - 50 893.00 - 54 625.90 - 63 979.71 - 66 493.66 - 81 553.29 - 82 430.37 - 32 693.00 - 36 425.90

5 - 910 18221 7 470.53 3 188.64 - 41 143.83 - 47 188.30 - 57 419.18 - 61 488.66 - 79 274.65 - 80 692.00 - 22 943.83 - 28 988.30

6 - 910 18031 7 392.71 3 155.43 - 31 505.70 - 40 316.45 - 50 936.47 - 56 866.58 - 77 029.23 - 79 091.05 - 13 305.70 - 22 116.45

6 - 910 18031 7 392.71 3 155.43 - 21 867.56 - 33 444.59 - 44 453.76 - 52 244.50 - 74 783.80 - 77 490.09 - 3 667.56 - 15 244.59

7 - 910 17841 7 314.89 3 122.21 - 12 340.46 - 27 096.28- 38 048.87 - 47 976.65 - 72 571.59 - 76 016.00

5 859.54- 8 896.28

8 - 910 17651 7 237.07 3 089.00 - 2 924.39 - 21 232.42 - 31 721.79 - 44 036.46 - 70 392.60 - 74 659.03 15 275.61 - 3 032.42

9 - 910 17462 7 159.26 3 055.78 6 380.65 - 15 816.81 - 25 472.54 - 40 399.34 - 68 246.82 - 73 410.17 24 580.65 2 383.19

10 - 9 100 - 910 17272 7 081.44 3 022.57 6 474.65 - 15 765.68 - 28 401.10 - 41 992.28 - 75 234.25 - 77 210.87 24 674.65 2 434.32

11 - 910 17082 7 003.62 2 989.35 15 557.62 - 11 148.36 - 22 307.48 - 38 894.60 - 73 154.90 - 76 153.83 33 757.62 7 051.64

12 - 910 16892 6 925.80 2 956.14 24 529.56 - 6 885.85 - 16 291.68 - 36 036.53 - 71 108.77 - 75 181.73 42 729.56 11 314.15

13 - 910 16702 6 847.98 2 922.92 33 390.46 - 2 951.51- 10 353.69 - 33 400.00 - 69 095.85 - 74 287.97

51 590.46 15 248.49

14 - 910 16513 6 770.17 2 889.71 42 140.33 679.38 - 4 493.53 - 30 968.24 - 67 116.14 - 73 466.46 60 340.33 18 879.38

15 - 910 16323 6 692.35 2 856.49 50 779.17 4 029.67 1 288.82 - 28 725.74 - 65 169.65 - 72 711.58 68 979.17 22 229.67

16 - 910 16133 6 614.53 2 823.28 59 306.98 7 120.54 6 993.35 - 26 658.16 - 63 256.38 - 72 018.12 77 506.98 25 320.54

17 - 910 15943 6 536.71 2 790.06 67 723.75 9 971.59 12 620.06 - 24 752.20 - 61 376.32 - 71 381.28 85 923.75 28 171.59

18 - 910 15753 6 458.89 2 756.85 76 029.49 12 600.97 18 168.96 - 22 995.56 - 59 529.47 - 70 796.62 94 229.49 30 800.97

19 - 910 15564 6 381.08 2 723.63 84 224.19 15 025.49 23 640.03 - 21 376.86 - 57 715.84 - 70 260.03

102 424.19 33 225.49

20 - 9 100 - 910 15374 6 303.26 2 690.42 83 207.87 14 744.47 19 933.29 - 22 401.81 - 65 035.43 - 72 283.95 101 407.87 32 944.47


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12

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- 100.000,00

- 80.000,00

- 60.000,00

- 40.000,00

- 20.000,00

-

20.000,00

1 2 3 4 5 6 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Flusso di Cassa

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Senza scambio sul posto

- 80.000,00

- 60.000,00

- 40.000,00

- 20.000,00

-

20.000,00

40.000,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20


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Con contributo in conto capitale del 20%

- 80.000,00

- 60.000,00

- 40.000,00

- 20.000,00

-

20.000,00

40.000,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

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Vantaggi:? totale assenza di emissioni nocive (verso aria, acqua, suolo), almeno

in fase di esercizio;? la fonte primaria disponibile ovunque, sia pure in modo non

uniforme;? tecnologia relativamente matura ed affidabile.

Inconvenienti:? Costi lontani dalla soglia di competitivit senza incentivazioni;? impatto paesaggistico (per impianti di grandi dimensioni);? occupazione di suolo (densit di potenza ? 100 W/m2);

Possibili fattori di sviluppo:?miglioramento tecnologico (ad ex.: nuovi materiali);? applicazioni diffuse (piccoli impianti distribuiti);? abbattimento dei costi grazie alla diffusione su larga scala.

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