FONDAMENTI DI SISTEMI FOTOVOLTAICI

Sistemi e Impianti Fotovoltaici Le celle e i moduli fotovoltaiciPrincipi chimico-fisiciLe tecnologie (Si, GaAs,CdTe, ecc.)I limitiProcessi e costiEsempi di applicazioni

La potenzialità dell’ energia solareLa potenzialità dell’ energia solare

Radiazione solare ≈ 90 000 000 Mtep/a Consumo mondiale ≈ 10 000 Mtep/a

1250 kWh/metro quadro all’anno1000 kWh/mq al Nord Italia, 1500 al Sud Italia

La potenzialità dell’ energia solare è, per ora, 10.000 volte il consumo mondiale di energia

Ma non illudiamoci !!!

Solare Fotovoltaico

Tetto tradizionale con moduli in Silicio micromorfo (0,38 m2; h =13%)

Copertura in Silicio amorfo da 100mqProduzione media annuale 15MWh

Facciata Fotovoltaica (6,5 kWp) del Ministero dell’Ambiente della Baviera (1993)

Dettaglio della facciata con moduli semi trasparenti in a-Si:H/a-Si:H/Ge (42 Wp/m2)

Sistemi ad inseguimento solare: ad uno o due assi. Miglioramenti:Con un solo asse E-W inclinato 28% Con due assi 34%

Modulo a concentrazione a inseguimento solareCelle multigiunzione al GaAs, Rendimento celle: 40% Superficie 8,4 m2 Rendimento del modulo: 17,9 %Wp/m2 Costo previsto= 1,52 [€/Wp]

• La cella al silicio: modello, principi di funzionamento, prestazioni e rendimento

• Le tecnologie • Le celle multigiunzione• Il rendimento delle celle multigiunzione

La cella monogiunzione: un modello elementare

Potenza entrante: energia solare Potenza uscente: energia elettricaPotenza dissipata: energia termica ed irradiata

I simbolistrutturale elettrico

La caratteristica corrente-tensione (I-V) della cella fotovoltaica

a) Rilevazione al variare dell’illuminazione a 25oC;b) Punto di massima potenza PM=IM.VM (MPP: Maximum Power Point)

a) b)

Potenza massimaPm= Im.Vm= FF.Isc.Voc

I

Isc

Im

0 Vm Voc V

Caratteristica I-V schematizzataFF: Fattore di riempimento ( Fill Factor )

f(E)

0,5

Ev EFp EF EFn Ec E

P I N

p

n

EC

EFn

EV

EC

EFn

EV

pnEFnEFp

n

pEg

Eg

Egeo

e(o –V)

eV

I=Io (exp(eV/kT)-1]

EgEg

Semiconduttoridrogati e isolati

Giunzione npnon illuminata

Giunzione illuminataed erogante la corrente I EFn

EFp

Eg=h/

V oc per cella ideale

Radiativa Auger Prodotta da difetti(intrinseca) (estrinseca) (estrinseca)

I meccanismi di ricombinazione di volume “bulk”

Cella c-Si con contatti posteriori

Silicio cristallino GaAlAs

Telloluro di cadmio

CdTe CIGSSilicio amorfo

Cella elettrolitica Cella solare “Dye Cell” polimerica

Struttura

giunzione

Livelli “energetici”

Cella multigiunzione Tandema-Si/Ge, m-Si,…

Tandem Tandem Parallele2 giunz. 3. giunz. 3 giunz.

Cella multispettrale

2Eg1 = Eg

Esempi:

Celle monogiunzioneCella CdTeEg=1,5 I=2 da cui P=3Cella ideale (GaAs) Eg=1 I = 4 da cui P=4Cella al SilicioEg=1,1 I = 3,2 da cui P=3,5

Celle multigiunzioneCella amorfa tripla giunzione con Egi= 1,8/1,6/1,4 cui corrispondono Ii=1,4/0,5/0,3Si ha P=Egi.Ii= 3,74Cella micromorfa conEgi=1,75/1,1 cui corrispondono Ii=1,5/1,7Si ha P=Egi.Ii= 4,49

Rendimento limite termodinamico

9595Carnot

Assorbimento ed irradiaz. Bidirez corpo nero Tc = Ta

73,793,3(Landesberg)

Irradiaz. bidirezionaleUn solo circolatore Tc = Ta

7090Convertitore non reciproco

Convertitore ideale Tc =2544oCIrradiaz. bidirez.

53,6 85Assorbitore a corpo nero (Müser)

Teorico! 68,286,8Infinite giunzioni

Non dato52,5 2,14/1,53/1,10/0,72

67,94 giunzioni

a-Si:H/a-SiGe, 13,5; 1,8/1,6/1,4

48,6 1,95/1,30/0,8263,23 giunzioni

a-Si:H/c-Si:H, 14,7 1,75/1,142,5 1,70/0,9755,72 giunzioni

c-Si monocrist., 24,7 31 1,31

40,81 giunzione

Esempi di tecnologieMateriali, %, Eg delle giunzioniNote

Radiazione senza concentrazione % Eg delle giunzioni

RadiazioneConcentrata%

Tipologia

Evoluzione delle tecnologie fotovoltaicheEvoluzione delle tecnologie fotovoltaiche

Cu [€/m2)

%

1- Silicio cristallino1- Silicio cristallino2- Film sottile2- Film sottile3- Il futuro?!3- Il futuro?!

33

UNISOLAR 3mx0,4m circa 0,5KWp UNISOLAR 3mx0,4m circa 0,5KWp rendimento 7-10%rendimento 7-10%

Stato di avanzamento del progetto ARENDI (Gruppo Marcegaglia)

– Apr, ‘07 Avvio progettazione esecutiva– Apr. ‘08 consegna primi impianti ed avvio set-up– Ott. ‘08 consegna impianti, Dic. avvio prove produzione– Primo semestre ’09 inizio produzione

Viste schematiche dall’alto e laterale dell’impianto Unisolar per moduli a-Si in film sottile

Contatto opacoCella multigiunzioneContatto trasparente

Substrato acciaio inox Struttura integrata delle celle nel modulo

Schema dell’impianto Oerlikon Solar

CS: Stazionamento CassetteEH: Stazione di maneggiamento esternoLL: camere di caricamento e chiusuraTC: camera di trasferimentoPC: camere di trattamento

Processo a lotti Oerlikon SolarDimensioni moduli: max 1100x1250 mm Capacità produttiva: 20 MW/a

2000 2007 2010 2020 20302000 2007 2010 2020 2030

c€/kWhc€/kWh

5050

4040

3030

2020

1010

00OC + int.5%/anno

OC + int.10%/annoOC + int.10%/anno

PV solo ammort.PV solo ammort.

PV ammort.+ int. 3 %PV ammort.+ int. 3 %

UD + int.3% /annoUD + int.3% /anno

OC=olio combustibile OC=olio combustibile UD=utenze domesticheUD=utenze domestiche

Scenari di evoluzioneScenari di evoluzione dei costi del kWh per l’ energia fotovoltaicadei costi del kWh per l’ energia fotovoltaica

= = ~~

Utenza Utenza Residenz.Residenz.

PVPV

Rete locale ACRete locale AC

Rete pubblicaRete pubblica

Generazione distribuita con riserva per black-Generazione distribuita con riserva per black-outout

ContatoreContatored’Impiantod’Impianto

= = ~~

Utenza Utenza Residenz.Residenz.

PVPV

Gruppo di Gruppo di continuitàcontinuità

• Produzione fotovoltaica in rete • Rendimento globale 10%

• 25 m2 di tetto/1 MWh.anno

educazione

economia

ecologia

etica

estetica

energia

SviluppoSostenibile

Le 6E dello sviluppo sostenibileLe 6E dello sviluppo sostenibile