Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

22
Le tecnologie Elettroniche e Informatiche al servizio della gestione energetica Enrico Sangiorgi “Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” Workshop Logo azienda/univer sità

description

Enrico Sangiorgi, DEI – UNIBO

Transcript of Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

Page 1: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

Le tecnologie Elettroniche e Informatiche al servizio della gestione energetica

Enrico Sangiorgi 

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

Workshop

Logo azienda/università

Page 2: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

OUTLINE

• Smart grid and renewable energy sources integration

• Smart buildings

• Power conversion

• Photovoltaic systems and overview of solar cell technology

Page 3: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

Smart Grid Scenario

Integration of renewable energy

Energy efficient transmission

EV charging and energy storage

Smart metering

Energy efficient consumption

Energy efficient consumption

Page 4: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

Energy to Smart Grid

Page 5: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

Outline

• Smart grid and renewable energy sources integration

• Smart building

• Power conversion

• Photovoltaic systems and overview of solar cell technology

Page 6: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

Smart Building• Distributed energy consumption profiler at building level with integration of heterogeneous protocols

• Interactions with the central data processing unit in order to elaborate energy consumption profiles at building level

building level

network

floor/apartment network(e.g. Zigbee, Bluetooth, etc.)

Connectionto building

level network(e.g. Wi-fi,PLC, etc.)

Page 7: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

Smart Metering and Local Collection

• Miniaturized sensor system are used for monitoring local power consumption

• Local collection (e.g. apartment level) of power/energy consumption data through a low-power IEEE802.15.4 wireless network (e.g. Zigbee/Bluetooth/etc. nodes).

• Bridge to an external higher level network connection (e.g. Wi-Fi, or PowerLine Communication) for transferring data at building level.

floor/apartment network(e.g. Zigbee, Bluetooth, etc.)

Connectionto building

level network(e.g. Wi-fi,PLC, etc.)

Page 8: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

Building Level Network• A building level network collects

data from all local networks through the bridge nodes

• Possible architectures for the building network based on:– Internet– Power Line Communication

• All collected data transferred to a server database. Profiles and consumption data can be extracted.

building level

network

Page 9: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

Outline

• Smart grid and renewable energy sources integration

• Smart building

• Power conversion

• Photovoltaic systems and overview of solar cell technology

Page 10: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

Power Converters

• Si-based power transistors (i.e. IGBT, power MOSFET, Thyristor) are implemented in converters for optimal power transfer to the grid 

• SiC FET or GaN HEMT allows to increase BV with respect to Si devices because of the higher bandgap. Alternatively, for a given BV, a lower RDSON can be achieved.

ST AN3152 Application note

BV=600-650V

M. Trey et al., IEDM 2012

Page 11: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

Reliability of Power MOSFETsAn experimental setup has been implemented at University of Bologna (Cesena Campus) in order to investigate the defectiveness of Power MOSFETs provided by ST Microelectronics

Amplifier and Bias Network

DUT

GateBias

Drain BiasD

S

G

Pre – Amplifier Stage

+

-

Final Amplifier Stage

+

-

HP Filter

PowerSupply

+6V

-6V

+6V +6V

-6V-6V

+

-

-6V

Buffer+6V

Multimeter

DAQ

Numerical processing (Labview

environment)

DC

LF

R1 R2

U1

Rbias

10-1 1001015

1016

1017

Tra

p D

ensi

ty (cm

-3 e

V-1)

Sample 1Sample 2Sample 3

|VGS

- VT| (V)

Defects in the gate oxide are evaluated by means of noise measurements. Such a quantity is useful to understand the reliability of MOS structure.Drain Contact

Gate Contact

Source Contact

Page 12: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

Outline

• Smart grid and renewable energy sources integration

• Smart building

• Power conversion

• Photovoltaic systems and overview of solar cell technology

Page 13: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

Photovoltaic system

Page 14: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

Page 15: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

Silicon Solar Cells: technology options overview

Interdigitated back contact (IBC)

S. I

no

ue

et

al.,

23

rd E

UP

VS

EC

(2

008

)J.

Zh

ao

et a

l., S

olM

AT

, 6

5, 2

00

1.

Passivated Emitter with Rear Locally diffused (PERL)

Metal Wrap Through (MWT) Heterojunction with intrinsic thin layer (HIT)

Single junction silicon solar cells: theoretical max efficiency 33 %

η=20 % η=23 %

η=23 %η=25 %

Ime

c, B

E

Page 16: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

Multijunction Solar Cellsh

ttp:

//w

ww

.lase

rfo

cusw

orl

d.co

m

• Multi-junction solar cells or tandem cells are solar cells containing several p-n junctions. • Each junction is tuned to a different wavelength of light. • Efficiency above 40 %

Page 17: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

Thin Film Solar Cellsh

ttp:

//w

ww

.sne

rese

arch

.com

• Cell thickness 0.5 – 5 μm• Low cost • Efficiency < 10 % (commercial device)• Flexible substrates• Photovoltaic integrated into the building

Page 18: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

Thin Film Solar Cells: photon management

Nanoparticle-enhanced amorphous-silicon solar cell

W.-

Sh

ing

Ko

h a

nd

Y.

Aki

mo

v, S

PIE

20

10

htt

p://

scite

chd

aily

.co

m

Erik C. Garnett et al., Annu. Rev. Mater. Res. 2011. 41:11.1–11.27

Photonic Crystals

Nanowire-based solar cells

Page 19: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

Research goals at device/module level

• Lowering cost-per-watt of solar cell/modules– Investigation of new materials, architectural options,

frabrication processes – Optimization of cell design– New light trapping strategies– Optimization of contacting schemes

• Investigation of device reliability and variability• Modeling of solar cells/modules

– Feedback to industry and photovoltaic community to address new technologies and fabrication options

Page 20: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

Simulation of PV solar cell

• Modeling by numerical simulation at device level

Optimization of light absorptance in vertical nanowires

Optimization of the geometry of a PERL solar cell

Page 21: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

Simulation at Cell/Module level• Cell/Module level simulation can be used to investigate:

– the impact of non-uniformity on the conversion efficiency (e.g. partial shadowing, local shunting)

– System reliability (e.g. study of temperature increase in the solar cell)

0.515 V

0.550 V

0.530 V

15.6 cm

Potential distribution along solar cellLocal temperature transient in silicon solar cells (a comparison between experimental data and simulations)

Page 22: Le tecnologie elettroniche ed informatiche a servizio della gestione energetica

“Ridurre i costi energetici in azienda: dagli scenari ai meccanismi di incentivazione” 

22

Facilities at Cesena Campus• Solar Simulator Abet Sun 2000 (Class A Spectral

Match)

• Test station for contacting 156mm x 156mm solar cells, with temperature control.

• 4 SMU Keithley (2600 series) for IV measurement of solar cells (up to 12A)

• Semi-automatic probe station 200mm (Cascade) with thermal chuck (from -55°C to 200°C) for wafer measurements

• 4 SMU for static characterization

• Agilent 81110A Pulse Generator

• Agilent E4980A LCR meter (2MHz)