La tecnologia fotovoltaica Stato dell’arte e prospettive future

La tecnologia fotovoltaica, stato dell’arte e prospettive future

La tecnologia fotovoltaicaStato dell’arte e prospettive future

Claudio Zini - Casalecchio, 21 gennaio 2008


Energia dal Sole

La domanda mondiale annua di energia è di circa 8 miliardi di TEP (Tonnellate Equivalenti Petrolio)

La domanda annua di energia in Italia è di circa 167 milioni di TEP

Il sole irradia sulla terra 19.000 miliardi di TEP ogni anno

A parte la geotermia e l’energia nucleare, le altre fonti energetiche (termica da combustione di carbone, idrocarburi, gas, legno; eolica; idraulica) traggono origine dalla radiazione solare.

L'energia solare è la fonte di energia primaria da cui deriva, direttamente o indirettamente, quasi tutta l'energia utilizzata dall’uomo.

Ovviamente occorre tener conto della bassa densità energetica della fonte solare e della sua aleatorietà.


Il flusso di energia incidente al suolo dipende dalla latitudine, dalle condizioni atmosferiche, dal periodo dell'anno, dall'ora del giorno.

In un giorno di cielo sereno, a 30 di latitudine nord, il valore dell'incidenza solare varia durante l'anno da 0.6 a 1 kW/m2.

Effetto di filtraggio dell’atmosfera (lo spettro della radiazione solare viene modificato sia quantitativamente, che qualitativamente)

La potenza della radiazione incidente su una superficie perpendicolare ai raggi solari, ai limiti della atmosfera, è mediamente 1350 W/m2 (costante solare).


Per la massimizzazione della produttività di un impianto solare è di fondamentale importanza la corretta installazione del sistema di captazione dell’energia solare.

Latitudine della zona considerata La radiazione solare è massima all’equatore e diminuisce verso i poli

Orientamento della superficie captante Nell’emisfero Nord, la superficie captante dovrebbe essere orientata verso Sud

Inclinazione della superficie captante Inclinazione rispetto al piano orizzontale: - circa (L – 5°) per ottimizzare l’energia captata globalmente in un anno; - circa (L –12°) per massimizzare l’energia captata nel periodo estivo; - circa (L+12°) per massimizzare l’energia captata nel periodo invernale.

La radiazione solare incidente su una superficie in un dato periodo è funzione di :


Mappa della distribuzione dell’irraggiamento mediogiornaliero solare

Esempio di valori di Insolazione annua media (dati rilevati nel periodo 1994-1999)

- Bologna: 1427 kWh/m2

- Roma: 1516 kWh/m2

- Palermo: 1658 kWh/m2


ENERGIA FOTOVOLTAICA

I sistemi fotovoltaici (FV) permettono la conversione diretta di energia solare in elettrica

sistema di generazione: le celle fotovoltaiche

sistema di controllo e condizionamento della potenza

eventuale sistema di accumulo dell’energia (batteria)

struttura di sostegno

Elementi principali di un impianto fotovoltaico


Un sistema fotovoltaico è composto da:

Cella (l’unità costruttiva minima)

Modulo (insieme di celle interconnesse in serie o in parallelo da giunzioni elettriche finalizzate alla generazione di tensioni e correnti utilizzabili negli impieghi comuni)

Pannello (uno più moduli installati su di una struttura rigida)

Stringa (insieme di pannelli connessi in serie per realizzare tensioni efficaci)

Campo (o Generatore) fotovoltaico (insieme di una o più stringhe

connesse in parallelo)


La conversione della radiazione solare in una corrente di elettroni avviene nella cella fotovoltaica.

È costituta da materiale semiconduttore drogato e può avere varie misure ed essere realizzata in diversi materiali.


Efficienza per varie tipologie di modulo fotovoltaico

Tipo di modulo disponibili in commercio

Silicio monocristallino

Silicio policristallino

Silicio amorfo

Efficienza dei moduli

14 - 17 %

11 - 14 %

5 - 7 %


Le prestazioni dei moduli FV sono legate alle caratteristiche della radiazione solare e della temperatura esterna.

Per quantificare le loro prestazioni occorre riferirsi a delle condizioni standard:

Intensità della radiazione = 1000 W/m2

Temperatura della cella = 25 °C

Massa d’aria: AM 1.5

La massa d’aria è un parametro utilizzato per tener conto dello spessore dello strato di atmosferaattraversato dalla radiazione e dei conseguenti effetti di assorbimento, a seconda della posizionedel sole nel cielo.

Il dato di targa della potenza generata da una cella FV è espresso in Watt di picco (Wp), ossia si riferisce alla potenza di picco generata nelle condizioni standard.


Fonte: Luca Siragusa, IUAV


- generatore FV

- Inverter, per convertire la corrente generata dai moduli da continua in alternata

Per utenze collegate alla rete elettrica

Elementi principali:

Impianti connessi in rete


- moduli fotovoltaici

- regolatore di carica

- sistema di batterie di accumulo dell’energia

- eventuale inverter (nel caso in cui sia necessario alimentare l’utenza in corrente alternata).

Elementi principali:

Impianti isolati

Per utenze non raggiunte dalla rete elettrica


Sistemi isolati (“stand alone”)

• rifugi di montagna• piccole isole• rilevazioni climatiche• ripetitori radio• boe di segnalazione• illuminazione stradale e da giardino• carica batterie• Paesi in via di sviluppo (refrigerazione, pompaggio, aree rurali)

LE APPLICAZIONI

Sistemi connessi in rete

• centrali di potenza• sistemi integrati negli edifici


Insolazione media annua

(kWh/m² anno)

Efficienza moduli

(%)

Efficienza BOS

(%)

Elettricità prodotta

mediamente in un anno

(kWhe/m² anno)

MILANO 1372.4 12,5% 85 145.8

ROMA 1737.4 12,5% 85 184.6

TRAPANI 1963.7 12,5% 85 208.6

Energia elettrica mediamente prodotta in corrente alternata in un anno da 1 m² di moduli

Insolazione media annua

(kWh/m² anno)

Efficienza moduli

(%)

Superficie occupata da 1 kWp di moduli

(m2)

Elettricità prodotta mediamente in un anno in corrente

continua

(kWhe/kWp anno)

MILANO 1372.4 12,5% 8 1372.4

ROMA 1737.4 12,5% 8 1737.4

TRAPANI 1963.7 12,5% 8 1963.7

Energia elettrica in corrente continua mediamente prodotta in un anno da 1 kWp di moduli


Presentazioni collegate:

prof. Martinelli (UniFe)

Ing. Sarno (Enea)

dott. Armani (CNR)

d.ssa Camaioni (CNR)


MOTIVAZIONI

• Mercato Fotovoltaico dominato dalla tecnologia del Silicio cristallino con quota di mercato del 95% (2003)

• Il costo del wafer di Silicio incide per il 50% sul costo del modulo finito

• Tecnologia del Silicio cristallino a film sottile

Potenzialità della tecnologia:Max ~21% su substrato di mono-Si (UNSW)

Celle solari a film sottili di Silicio cristallino

Fonte: ENEA



Formazione dello strato attivo (wafer equivalent)

Substrate:T<600°C: glass, SST>600°C: Alumina, mullite, graphite, HT-glass, low-cost Si, SiSiC

diffusion barrier (SiO2)wetting layer (SiNx, AlN)seeding layer (poly-Si)

active layer (poly-Si)

reflector (text)

Fonte: ENEA



ZMR on ceramic substrates

Module developed by ISE using the BBC

Progetto Europeo SUBARO

Fonte: ENEA



Progetto Europeo SUBARO V PQ UE: Risultati

Celle e moduli con efficienze ≤ 12% mediante processi industrializzabili.

Costo finale previsto: 0,5-1 €/Wp contro gli attuali 1,5-2 €/Wp.

Miglior substrato: SiN preparato per “tape casting” da polveri Si3N4.

Tecnologia promettente per strati barriera: spin on a base di ossidi di silicio.

Silicio depositato da fase vapore con reattori CVD ad alta resa in continuo.

Risultato ENEA: realizzazione di celle one sided contact con processi laser assisted, serigrafici e spin on degli ossidi.

(Warning: Nessuno deposita poly-Si in Italia!).Fonte: ENEA


Tecnologie fotovoltaiche innovative a basso costo

StM + centri di ricerca chimica di Napoli. Polimeri conduttori di nuova generazione, chiave per la nuova frontiera del fotovoltaico diffuso. Polimeri con caratteristiche efficienti di assorbimento della luce, trasformazione in elettroni e trasporto di questi. Vernici, o gel da spruzzare sui muri, vetri o piastrelle. Nanotubi in carbonio.

Università di Princeton. Obiettivo: realizzare una superficie fotovoltaica da spruzzare su fogli di plastica.Vernici fotovoltaiche da stendere sulle superfici delle abitazioni.Superfici tinteggiate di diversi colori, finestre fotovoltaiche.

Laboratori Ucla (Los Angeles): un nuovo tipo di pannello solare in plastica composto da un singolo strato di un polimero rivestito da due elettrodi

pellicola ultrasottile e ultraflessibile celle solari organiche

=5%=►10%

….

Fonte: ENEA


Quantum dot solar cells

Semiconduttore Quantum Dot

Da: A.J. Nozik, “Quantum dot solar cells”, in “Next Generation Photovoltaics”, Ed. by A. MartÍ and A. Luque, IOP. Fonte: ENEA



Array ordinato di Quantum DotLo spazio tra i QDs è così ristretto che si forma un forte accoppiamento tra loro e si formano minibande per il trasporto “long-range” delle cariche. Le minibande rallentano il raffreddamento delle cariche e permettono il trasporto Dei portatori caldi (hot-carriers), innalzando il fotovoltaggio.




Quantum Dots dispersi in una miscela di due polimeri: uno che conduce lacune e uno che conduce elettroni.



Concentratori Solari Luminescenti (LSC)

Fonte: ENEA



Solar cells

Soglie di assorbimento

Red-shift

Fonte: ENEA



Idee: Integrare gli LSC in edilizia usandoli sia su pareti opache che come finestre fotovoltaiche.

Utilizzo di Quantum Dot (QDs) al posto dei coloranti (dyes).Perché?• Maggiore stabilità rispetto ai coloranti;• Accordo della soglia di assorbimento fatto variando il “size” dei QDs. Quantum Dots realizzati con nanoparticelle di Silicio. (Collaborazione con Univ. Modena).

Impiego di Filtri Dicroici interposti tra gli strati adiacenti per migliorare l’efficienza di raccolta della luce di luminescenza.(Collaborazione con Univ. Ferrara).

Fonte: ENEA


Concentratori FV statici a microlenti

Studio e sviluppo di microdispositivi per la concentrazione “adattativa” dei raggi solari (effetto girasole) integrati su supporti fotovoltaici

Configurazione di partenza

Configurazione deformata

"Thermo-compliantmechanisms

Supporto conrivestimentofotovoltaico

Microlente

Raggi solari

Asse di incidenza ottimale

Microlente

Asse di incidenza ottimale

Raggi solari

Supporto conrivestimentofotovoltaico

"Thermo-compliantmechanisms

Fonte: DIEM


Studio e sviluppo di microdispositivi per la concentrazione “adattativa”

dei raggi solari (effetto girasole) integrati su supporti fotovoltaici

Raggi solariAsse di ottimale incidenza del raggio solare

Supporto copertura

Supporto con rivestimento fotovoltaico

Microlenti con dispositivi di auto-orientamento

Parete esterna

Supporto con rivestimento fotovoltaico

Microlenti con dispositivi di auto-orientamento

Raggi solari

Asse di ottimale incidenza del raggio solare

Tipologie di installazione

Per lo sviluppo del nuovo concetto di “thermo-compliant mechanisms”, delle relative lenti e quindi del nuovo sistema a “micro girasoli” su supporto fotovoltaico statico si prospetta una collaborazione tra: ENEA - UNIBO - DIEM (Dipartimento delle Costruzioni Meccaniche, Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia)


Sistemi termofotovoltaici (TPV)

Fonte: ENEA



Spettro di emissione Filtro dielettrico a 9 strati

Quantum Yield GaSbPower spectrum su cella

Fonte: ENEA



Progetto “Cogenerazione termofotovoltaica” in collaborazione con:UNIFE-DI, IMEM, BALTUR S.p.A. Cento (FE), Helios Technology.

Obiettivo: sviluppo della tecnologia del “termofotovoltaico” (TPV), applicata a impianti di potenza inferiore a 100 kW,

Produzione contemporanea e locale di energia termica ed elettrica in un rapporto ottimale per un uso residenziale e terziario.Rendimenti globali superiori al 90%.

Sistemi considerati: caldaie a gas BALTUR per uso domestico, a basse emissioni e con bruciatore a superficie, da trasformare, mediante l’introduzione di celle FV sensibili all’IR, in sistemi di cogenerazione.

Bruciatore a superficie e camera di combustione.

Schema matrice in acciaio/tela metallica

Caldaia prototipo strumentata

Fonte: ENEA


Applicazioni del fotovoltaico in edilizia

Le piastrelle fotovoltaiche(principale promotore della sperimentazione: Il Centro Ceramico Bolognese)

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