LENERGIA FOTOVOLTAICA Trasformazione di energia luminosa in energia elettrica - Effetto luce, sotto...
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Università degli studi di Trieste
Facoltà di ingegneria
Corso di laurea in Ingegneria Elettronica
Tesi di laurea in optoelettronica
Energia Fotovoltaica: Principi e Prospettive
Applicazione a gruppi di continuità come
soluzione anti black-out
Laureando: Relatore:
Cristofoli Mario Chiar.mo Prof. Paolo Sirotti_____________________________________________Anno accademico 2003-04
L’ENERGIA FOTOVOLTAICA
Trasformazione di energia luminosa in energia elettrica
- Effetto luce, sotto forma di fotoni, su giunzione p-n
E = hf
c = h / EG
c = 1,24 / EG
CAPACITA’ DI ASSORBIRE LA LUCE dipende:
DAL MATERIALE :
- SILICIO MONOCRISTALLINO
- SILICIO POLICRISTALLINO
- SILICIO AMORFO
DALLA TECNOLOGIA COSTRUTTIVA:
- FILM SOTTILE
- A CONCENTRATORE
RENDIMENTO DELLE CELLE FV
Rendimento di una cella = Pout / Pin = Pout / A . E
Pout(W) = potenza erogata - Pin = potenza luminosa
A (m2) = area utile - E (W/ m2) = energia incidente
IL PRINCIPIO FOTOVOLTAICO APPLICATO ALLA CELLA
Circuito equivalente
Rc
I - generatore ideale di corrente
D - effetto rettificante della cella / p-n
Rsh - dovuta a dispersioni interne (leakage)
Rs - dovuta al contatto catodo-semiconduttore
Rc - rappresenta carico / generico utente
DRs
RshRc
I
TEORIA GIUNZIONE p-n APPLICATA AL FENOMENO FV
I = I0 (e V/VT - 1) I = ISC + I0 (1 - e V/V
T )
Vmax = Voc = VT ln ( 1 + Isc / I0 ) ==> Voc crsce con legge logaritmica Isc
.
Illuminazione = 0
Quadrante FVQuadrante Fcond.vo
Quadrante IQuadrante II
V
I
VocIsc
Illuminazione > 0
I
Isc
Im
0 VVm VocI
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 V
W = 0,8KW / m 2
W = 0,6KW / m 2
W = 0,4KW / m 2
W = 1KW / m 2
MP
Vm , Im - tensione e corrente di max potenza
Voc - tensione a vuoto (circuito
aperto)
Isc - corrente di corto circuito
MP - massimo prodotto V x I
LA CELLA FV DAL PUNTO DI VISTA COSTRUTTIVO
IL SISTEMA FOTOVOLTAICO
Campo FV
Sistemi di controllo - carica batteria, tensioni in e out inverter
Convertitori (INVERTER) - LCI (sistemi grid c.) / SCI (isolati)
Accumulatori - piombo acido
Sistema dicontrollo
microprocessore
Carichiutilizzatore
Convertitore CC / CC
Convertitore CC / CA
Batterie diAccumulatori
ReteElettrica
CampoFV
Schema a blocchi di un impianto FV
Sezione tipica di un modulo FV
COMPONENTI DI UN SISTEMA FV
COMPONENTI DI UN SISTEMA FV
Collegamenti elettrici di stringa
CAMPO FV
Cellaa
Modulo Pannello Stringa Campo o generatore FV
Inseguitore solare
Dp - diodo di bypass
Db - diodo di blocco
Db
Dp
COMPONENTI DI UN SISTEMA FV
O s c il la to r eP o r ta n te
M o d u la to r e
P W M
O s c il la to r eM o d u la n te
I N V E R T I T O R E
a lim e n ta to r e
V m
f m
f pV p V i
T R E N O D I I M P U L S I
f p >> f m
Vu
INVERTER x FV
Unidirezionali CC ==> CA
Ristretto campo tensioni in ingresso
Tecnica PWM a migliaia di Hz
Commutaz.ne ad alta frequenza (IGBT-MOSFET)
schema a blocchi dell’inverter PWM
IL SISTEMA FV - STAND ALONE
CAMPO FV
BATTERIA ACCUMULATORI
CC / CA
INVERTER
SCI
FILTRO lato
C.A.
PROTEZIONI
RETE
in
ISOLA
UNITA’
di
CONTROLLO
R : Regolazione tensione e fase out -costante
R
CAMPO
FV
INVERTER
LCI
C.C. / C.A.
PROTEZIONIRETE
PUBBLICA
UNITA’
di
CONTROLLO
IL SISTEMA FV - GRID CONNECTED
FILTRO lato
C.C.
FILTRO lato
C.A.
R- MPPT R-V out R- f rete
R- MPPT Regolazione punto MPPT
R-V out : Regolazione tensione out
R- f rete Sincronismo frequenza di rete
C.C.
/
C.C
FILTRO C.C. Mantiene tensione costante
FILTRO C.A. filtra armoniche dispari
PROTEZIONI max corrente e /o corto c.
R e t e
N
R a d d r iz z a t o r e I n v e r t e r
B a t t e r i e
F l u s s o e n e r g i a
F lu s s o e n e r g ia B A T T E R I A
C A
C C
C C
C A C A R IC O
F V
M P P T
APPLICAZIONE A GRUPPI UPS COME SOLUZIONE ANTI BLACK-OUT
Schema a blocchi di un sistema FV-UPS
Rivolta ad utente con UPS cui dare valore aggiunto
APPLICAZIONE A GRUPPI UPS COME SOLUZIONE
ANTI BLACK-OUT
Vantaggi:
- utilizzo energia FV altrimenti sprecata
- sorgente energetica addizionale
- riserva
- costo incrementale minimo su UPS esistente (filtri,interr.ri, protez)
- zero inquinamento
- produzione ed utilizzo nel punto di max domanda
- inverter con trasformatore
- isolamento galvanico secondo norme sicurezza
UPS indispensabile in casi critici: allarmi, computer, sistemi rilevazione
ALTRI ESEMPI APPLICATIVI - FV
- Abbinamento Energia FV-Irrigazione a goccia
(sintonia impinati FV e piante)
- Impianto antenna su Marmolada 3,6 kWp alimenta ripetitori telef.mobile
( gruppo UPS + batterie + rete elettrica)
- Idrolisi nella produzione di H2 - 1kWh per m3
- Barriere antirumore . tratto stradale Perugia-Bettolle
- Tetti FV - contributi 75% senza IVA x installazione
VALUTAZIONI ECONOMICHE
Costi di installazione Energia FV
Rapporto costo/rendimento di un impianto FV situato aMilano, orientato a sud, inclinazione 30 gradi;costo energia elettrica 0,16 €/kWh;costo unitario 7.250 €/kWpConsumo annuo abitazione 3.000 kWhPotenza impianto (12,7 m2) 1,65 kWProduzione annua energiaimpianto FV
1.800 kWh
Costo impianto 11.962,50 €Contributo (75%) 8.971,88 €Risparmio annuo 278,18 €Tempo di ammortamento 10,8 anniTempo di ammortamento + IVA 19,3 anni
Fonte: Regione Lombardia
Durata e affidabilità dipendono da: temperatura e irraggiamento
Impianto con moduli certificati IEC ha durata > 25 anni con inverterunico elemento da sostituirsi almeno una volta
- Differenza dalla potenza dichiarata dai fabbricanti: < 15% ( media moduli cristallini testati: 6,4%)
- Degrado iniziale (degrado fisico all’interno delle celle) < 5% ( media moduli cristallini testati: 3,8%)
- Degrado continuo (degrado e delaminazione dell’incapsulante) < 0,5% / anno (impianto TISO 10 kW: 0,2 % anno)
Pmin = Pn +/- t (t= tolleranza di produzione: solitamente 3-5%)
VALUTAZIONI ECONOMICHE
LEEE-SUP.SI - Laboratorio Energia Ecologia Economia-Scuola Univ.ria Prof.le. - Svizzera It.
Dati ricavati da indagine LEEE su camp.ne di 78 moduli e studi impianto TISO (SVI)
Smaltimento e riciclaggio.
Tipi di cella Materiale Rischi di incendio Tossicità
Triclorosilano(SiHCl3)
Alto se esposto a calore ofiamma
Moderata a seguitoingestione o inalazione
Fosforoossicloridrico(POCl3)
Potenzialmente esplosivoin reazione con acqua
Alta a seguito di ingestioneo inalazione
Cristallino
Acido Cloridrico(HCl)
Corrosivo
Silano (SiH4) Facilmente infiammabile econ potere autoesplosivo
Moderata a seguito diinalazione
Fosfina Infiammabilità spontanea Molto altaAmorfo
Diborano (B2H6) Reazione violenta con ariae acqua che forma H2
potenzialmente esplosivo
Alta
CIS Seleniuro diidrogeno (SeH2)
Rischio incendio al caloree alla fiamma, formamiscele esplosive con aria
Altissima
CdTe Cadmio Alta, sospettocancerogeno
Fonte : Tillman (1995), Haynes (1994)
VALUTAZIONI AMBIENTALI
PROSPETTIVE / SVILUPPI
- Celle : Si-amorfo (basso spessore supp. Flessibili - forte instab.tà )
CIS /CIGS - facile prod e basso costo / no unif.tà prestazioni
CdTe - a 4 strati e tre giunzioni, η > 15%, basso sp e costi- inquinante
nanocristallina : TiO2- tipo “fotosintesi”: costi di 5 volte < Si
- Moduli : a bassa riflettenza: coat a 4 strati a rifraz. Altern. (Si3N4 e SiO2)
curvi: adattamento di celle Si a sup. curve: sfrutta angolo sole
- Inverters: modulari, tecnologie SMD-Surface Mounting Devices)
- trasformatori: tecnologia DSP-Digital Signal Processing
Evoluzione tecnologica
CONSIDERAZIONI FINALI
OBIETTIVO
Riduzione degli sprechi e produzione dell’energia richiesta dove utilizzatza
- Energia FV (rinnovabile) anche se complementare
- Cogenerazione
- Ricerca di integrazione in strutture edilizie
- Rispetto Situazione Ambientale (Impegni di Kyoto)
- La situazione dell’Italia:
Potenza FV installata a fine 2002: 22.000 kWp (+10% su 2001)
Legge 283/2003:
. entro 2010 22% fabbisogno elettrico da fonti rinnovabili
. incentivi su produzione energia (non su investimenti iniziali v. tetti FV)
BIBLIOGRAFIA / 1
- Groppi- Zuccaro, Impianti solari fotovoltaici a norme CEI-II edizione, UTET Periodici- J. Millman-C.C. Halkias, Dispositivi e Circuiti Elettronici, Boringhieri-1974.- Lotti-Montanari, Tecnologia delle costruzioni elettroniche–Vol. II, La Tecno Ed.ce,1975- Y. Hamakawa, Energia elettrica dal sole -Le Scienze Giu 1987- P. Prosini-S.Passerini, Ridurre l’inquinamento in città, Le Scienze 381/maggio 2000- E. Ruberti, Idrogeno. Energia per il futuro, Le Scienze 385/settembre 2000- A. Fiume, Einstein e l’energia solare: un binomio azzardato?-energia dal sole n. 2/2001- N. Cereghetti, Durata di vita e affidabilità di un impianto fotovoltaico,
Ilsoletrecentosessantagradi-lug-ago 2003- G. Clerici, Gli accumulatori elettrici, UTET Periodici/Editoriale Delfino- M. Cappellini, Travolti dalla spazzatura elettronica, Il Sole 24 ore 19.4.03- M. Losi – Energia, quei “costi esterni dimenticati”-Il Sole 24 ore: 10.9.03–- J. Giliberto, Dal 2007 energia “libera per tutti”, Il Sole 24 ore 16.5.03- J. Giliberto, Dal 2007 energia “libera per tutti”, Il Sole 24 ore 16.5.03- M. Prioschi, Inserto pag.6/ Fondi meno certi, freno ai progetti, Il Sole 24 ore 1.07.03- M. Prioschi, Dal sole calore e corrente elettrica, Il Sole 24 ore 6.10.03- L. Belloni, I vetri che imprigionano il calore dei raggi solari, Il Sole 24 ore 6.7.03- J. Giliberto, Un piano nazionale dell’elettricità”, Il Sole 24 ore 14.10.03- F. Rendina, Grandi specchi per rubare energia al sole, Il Sole 24 ore 5.11.03- J. Giliberto, Black-out, ecco le euro-regole, Il Sole 24 ore 29.11.03- F. Rendina, “Elettricità, mercato lento”, Il Sole 24 ore 27.03.04- L. Schirone-P. Bellucci, Autostrade del “SOLE”, Energia Solare n. 4/ 2003
BIBLIOGRAFIA / 2
- C. Bruno, Quell’antenna sul ghiacciaio, Energia Solare n. 6 2003- C. Bruno, La cella è in forno, Energia Solare n. 5/2003- Intervista al presidente onorario di Aem spa – pagg. 74-77, Energia solare n.5/2003- AAVV-Laboratori Saint Gobain, Quando il troppo riflettere fa male, FV energia dal sole –
n.1-2004- G. Invernizzi – ( E adesso i moduli vanno in curva) -FV energia dal sole – n.2-2004- ENEA: Il Compendio del Rapporto energia/Ambiente 2002-ENEA- www.consorziocer.it- www.regione.fvg.it/energia- G. Graditi-F. Apicella, Convertitori statici di potenza negli impianti fotovoltaici, Power
Tecnology . Mag 2003- UTET Periodici / editoriale Delfino- G. Graditi- F. Apicella-V. Cataliotti, Sistemi Fotovoltaici e Gruppi statici di continuità , AEI
– GIU 2003- G. Polissi, Azionamenti a velocità variabile , AEI – GIU 2003- Ronchetti-Iacobazzi ,Celle a Combustibile – ENEA-- M. Pallante, Un futuro senza luce?, Editori Riuniti / 2004