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Tecnologie - Fotovoltaico

1.  Principi 2.  Tipologie

a)  monocristallino b)  policristallino c)  amorfo d)  film sottile e)  organico f)  a concentrazione

III - 0

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Quadro generale

III - 1

Solare Geotermica Gravitazionale

solare termodin.

foto- voltaico

fluidi caldi

vento maree

biomassa

osmosi salina

idro- elettrico

moto ondoso

gradienti temperat.

correnti marine

calore

luce

energia cinetica

materia

Energia naturale

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Nota di richiamo

III - 2

λ = 500 nm = 5× 10−7 m

E = hν =hc

λ= 4× 10−19 J =

4× 10−19 J

1.6× 10−19 J/eV= 2.5 eV

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Principi

4.1 2.5 1.7 1.2 1 eV

1.1 eV (soglia silicio)

III - 3

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Principi

III - 4

drogaggio p drogaggio n

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Principi

III - 5

Ponendo una parte drogata “n” vicino ad una parte drogata “p” gli elettroni si spostano dalla parte n alla parte p creando un campo elettrico e quindi una differenza di potenziale attraverso la giunzione.

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Principi

III - 6

Quando un fotone di energia sufficiente è assorbito, la sua energia viene trasferita ad un elettrone che passa dalla banda di valenza a quella di conduzione dove è libero di muoversi sotto l’azione del potenziale elettrico presente nella giunzione p-n. Anche la “buca” lasciata dall’elettrone nella banda di valenza è libera di “muoversi” in direzione opposta. L’energia in eccesso (non usata per liberare l’elettrone) viene dissipata sotto forma di energia cinetica e quindi di calore. A questa perdita di energia corrisponde la “efficienza termodinamica” (<40% per silicio accoppiato a luce solare).

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Inizio

III - 7

Gerald Pearson, Daryl Chapin, and Calvin Fuller, Bell Laboratories, 1952

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con: I0 = massima corrente inversa n = fattore di qualità (1 per un diodo ideale) q = carica elementare k = costante di Boltzmann T = temperatura assoluta

ID = I0

�exp

�qVj

nkT

�− 1

�Equazione di Shockley:

Funzionamento elettrico

III - 8

I = IL − ID − ISH con: I = corrente in uscita IL = corrente fotogenerata ID = corrente attraverso il diodo ISH = corrente di fuga (shunt current)

Circuito equivalente:

Vj = V + IRS con: Vj = caduta di potenziale attraverso il diodo e RSH V = caduta di potenziale tra i terminali di output I = corrente in uscita RS = resistenza in serie

con: RSH = resistenza di fuga

ISH =Vj

RSH

I = IL − I0

�exp

�q(V + IRS)

nkT

�− 1

�− V + IRS

RSH

.

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Massima potenza

III - 9

Aumentando R da 0 (corto circuito) ad infinito (circuito aperto) il prodotto V×I passa per un massimo (Pm) che dipende dalla configurazione della cella (al massimo circa il 50% del prodotto VOC×ISC), dove:

R I V

V=IR P=VI=I2R

ISC ≈ IL

VOC ≈ kT

qln

�ILI0

+ 1

�voltaggio a circuito aperto

corrente di corto circuito (≈corrente prodotta dalla cella)

NB: sia a circuito aperto che in corto circuito, P=0.

Fill factor: FF =Pm

VOC × ISC

A.

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Andamento con la temperatura

III - 10

La temperatura agisce in molti modi, direttamente nell’equazione e attraverso l’aumento di I0. L’effetto netto è una diminuzione nelle prestazioni di una frazione di percento per grado.

ISC

VOC

Pm

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Tipologie

III - 11

•  Silicio •  monocristallino •  policristallino •  film sottile

•  Telluro di Cadmio

•  Seleniuro di Rame, Indio e Gallio

•  Arseniuro di Gallio

•  Dye-sensitized

•  Celle a polimeri organici

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Efficienza

III - 12

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Diffusione delle diverse tipologie

III - 13

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Costruzione

III - 14

© BP, 2010

Monocristallino e policristallino

Film sottile Il silicio è depositato sul supporto e non fatto crescere come cristallo

Film sottile multijunction Diversi materiali sono sensibili a lunghezze d’onda diverse

A.

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Inverter

III - 15

Le celle fotovoltaiche producono corrente continua a 0.6 V. Per l’utilizzo bisogna trasformare la corrente in alternata a 220 V. Principio di funzionamento:

Switch elettronici producono un’onda quadra, che è la somma di un’onda sinusoidale fondamentale e delle armoniche di ordine superiore (v. lezioni di Fisica Avanzata). Con opportuni filtri, si possono eliminare le armoniche di ordine superiore.

A.

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Calcolo dell’energia ricavabile

III - 16

L’energia ricavabile da un sistema a celle fotovoltaiche dipende dall’insolazione e dall’angolazione delle celle rispetto al sole, integrata sull’anno. Fattori di cui tener conto: • latitudine (direzione dello zenit) • inclinazione e orientamento delle celle rispetto allo zenit • giorno dell’anno:

-  inclinazione dell’asse terrestre -  distanza dal sole

• ora del giorno

Referenza: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/index.htm

gennaio

luglio

kWh/h per kWp installato latitudine 45°, tetto a 30°, esposizione 15° da S verso E

kWh/giorno-kWp

a condizioni meteo ideali

A.

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Energia ricavabile

1 kW corrisponde teoricamente a 8760 kWh/anno In realtà 1 kWp di fotovoltaico produce 1100 kWh/anno a Ravenna. Cioè è equivalente ad una centrale termoelettrica di potenza installata = 1100/8760 = 126 W In altri termini, la potenza di 18 GWp installata fino al 2013 in Italia, corrisponde a due centrali tradizionali da 1.1 GW e non a sedici centrali della stessa potenza.

III - 17

A.

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Top Ten 2012

III - 18

Ditta Produzione (MW) Nazione Yingli 2,300 China First Solar 1,800 USA Trina 1,600 China Canadian Solar 1,550 Canada

Suntech 1,500 China (fallita nel Marzo 2013)

Sharp Solar 1,050 Japan Jinko 900 China Sunpower 850 USA Hanwha Solarone 750 China Renewable Energy Corporation 750 Norway

A.

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Prezzi e potenza installata

III - 19

stabili dal 2002

A.

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Prezzi

III - 20

Prezzi attuali: -  pannelli: 1000 US$/kW -  inverter: 700 US$/kW -  batterie, supporti, allacciamento, costi finanziari: 2600 US$/kW

I pannelli costituiscono una frazione ormai piccola (≤25%) del totale.

Basato su stime di Yingli: http://cleantechnica.com/2013/03/07/plunging-cost-of-solar-pv-graphs/

A.

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Prezzi

III - 21

“Reconsidering the Economics of Photovoltaic Power” (2012) LCOE = Levelized Cost of Electricity

A.

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Fotovoltaico a concentrazione

III - 22 Vedasi, ad esempio: http://www.slideshare.net/sustenergy/high-concentration-photovoltaics-potentials-and-challenges-presentation

Tre parametri fondamentali: • efficienza • fattore di concentrazione • tolleranza angolare (necessità di puntamento)

A.

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Dye-sensitized solar cells

III - 23 A. Di Carlo et al.: “La rivoluzione della plastica nel settore fotovoltaico”, Il Nuovo Saggiatore, vol 26 / no 5-6 / 2010

Michael Grätzel, EPFL Losanna (CH)

Principio di funzionamento di una DSC. I diversi processi sono: (1) eccitazione del colorante (2) iniezione e (3) diffusione di elettroni in banda di conduzione del TiO2; (4): riduzione del colorante; (5): rigenerazione dell’elettrolita attraverso il contro elettrodo e lo strato catalitico; (6), (7): principali meccanismi di perdita per ricombinazione di elettroni.