Tecnologie fotovoltaiche Autori:Kim Nagel Isa Zanetti Fonti:Corso Post diploma E.00 Energy...

Tecnologie fotovoltaiche

• Autori: Kim Nagel

Isa Zanetti

• Fonti: Corso Post diploma E.00 Energy ManagementCorso E.13 Architettura e E solare – parte 2 fotovoltaicoLe celle fotovoltaiche e i moduli – Ivano Pola

SUPSIScuola Universitaria Professionaledella Svizzera Italiana

DipartimentoAmbienteCostruzioni eDesign

Istituto diSostenibilitàApplicata all’AmbienteCostruito

Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2

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UNIVERSITÀDELLASVIZZERAITALIANA

ACCADEMIA DIARCHITETTURA

Indice

L’effetto fotovoltaico

Tecnologie

Caratteristiche fisiche di celle e moduli (misure, forme, spessore, potenza, ecc)

Definizione corrente e tensione

Caratteristiche elettriche di un modulo, curva corrente (I) – tensione (V)

Prodotti PV (colorati, semitrasparenti, ecc)

Confronto tra tecnologie



Istituto diSostenibilitàApplicata all’AmbienteCostruito 2




L’effetto fotovoltaico

La conversione da luce a energia elettrica avviene quando i fotoni, colpendo la cella fotovoltaica, generano elettroni e lacune, che vengono spinti in direzioni opposte dal campo elettrico interno creato attraverso la giunzione di due semiconduttori drogati in modo diverso.

Le cariche positive (lacune) sono spinte verso un lato della cella e le cariche negative (elettroni) verso l'altro.

Se le due facce (inferiore e superiore della cella) sono collegate mediante un conduttore, le cariche libere lo attraversano e si osserva una corrente elettrica.

Fino a quando la cella resta esposta alla luce, l'elettricità fluisce sotto forma di corrente continua.







Tecnologie sul mercato







Le 3 principali tecnologie sul mercato PV

Tecnologia cristallina

Tecnologia film sottile







Anche:CdTe

CIS








Silicio cristallino (oggi 90% del mercato)

Silicio monocristallino (sc-Si) in cui ogni cella è realizzata a partire da un wafer la cui struttura cristallina è omogenea (monocristallo), opportunamente drogato in modo da realizzare una giunzione p-n.

Silicio policristallino (mc-Si), in cui il wafer di cui sopra non è strutturalmente omogeneo ma organizzato in grani localmente ordinati.

Tecnologia a film sottile (oggi il 10% del mercato, ma crescerà fortemente nei prossimi anni)

Silicio amorfo (a-Si), in cui gli atomi silicei vengono deposti chimicamente in forma amorfa, ovvero strutturalmente disorganizzata, sulla superficie di sostegno. Questa tecnologia impiega quantità molto esigue di silicio (spessori dell'ordine del micron).








Tecnologia sc-Si Tecnologia mc-Si Tecnologia a-Si

Caratteristiche fisiche – Celle (sc-Si e mc-Si)

- Le misure più comuni sono: 10 x 10 cm 12,5 x 12,5 cm 15 x 15 cm

- Le forme più comuni sono: quadrate, quadrate con smussatura sugli angoli, circolari

- Lo spessore tipico è compreso tra 0.25 e 0.35 mm

- La potenza tipica è di ca. 1,5 Watt

1° linea: forma delle celle2° linea: motivo prodotto dall'assemblaggio di celle3° linea: zoom sugli spazi tra celle







Tipologie di contatti & celle colorate






Ogni cella ha uno strato antiriflesso per limitare le perdite. Mediante questo strato si possono ottenere vari effetti colorati (ma il rendimento diminuisce del 15-30%).


Utilizzo della tecnologia a film sottile







Senza vetrosubstrato: acciaiocopertura: polimero (non vetro)

Semitrasparente substrato: vetrocopertura: vetro

Flessibilesubstrato: polimerocopertura: polimero

Tecnologie a film sottile







Concorrenziale (rispetto a c-Si per grandi impianti)

Tellurio: limitata disponibilità (utilizzato però quasi solo per il PV)

Cadmio: tossico

In fase di sviluppo

Abbondante disponibilità

Colorante composto da molecole organiche (simile alla clorofilla o all’emoglobina)

Molto stabile

Contiene Cadmio

Indio: mediamente tossico

CdTe Telllurio di Cadmio

Culn Sez. Seleniuro di rame e di indio (CIS)

Dye Sensitized Solar Cell(DSSC, DSC o DYSC)

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5b/NREL_Array.jpg

Moduli e celle semitrasparenti

Tedlar / Eva / Vetro

Vetro / Eva / Vetro







Corrente & tensione

Corrente: quantità di carica che passa ogni secondo da una sezione di circuito.

Tensione: differenza di potenziale, cioè di forza o potenza, tra i due poli di un circuito che per effetto di una legge simile a quella dei vasi comunicanti, porta l'energia dal polo positivo al polo negativo (legge di compenso).

Analogia:

l’elettricità può essere paragonata ad un fiume, maggiore è il suo dislivello, più l'acqua scorre velocemente verso valle, se il fiume si ingrossa aumenta la sua portata. L’elettricità segue un concetto simile, la tensione (Volt) possiamo immaginarla come il dislivello del fiume, la corrente (Ampere) possiamo immaginarla come la portata d'acqua del fiume e la potenza (Watt = Tensione * Corrente) é assimilabile ad una grandezza che potremmo definire come il prodotto della portata per la velocità dell'acqua.







Caratteristiche elettriche di un modulo – Curva I - V

Isc •lm

Pm = Im*Vm

• P = I*V

•

Vm

Tensione (V)

OCSC VI

PmFF

*

Carta d’identità del modulo

Pm = potenza massima

Isc = corrente di corto circuito

Voc = tensione di cicuito aperto

FF = Fill factor (fattore di riempimento)







Isc

VOC

Variazioni d’irraggiamento

Pm

Co

rren

te [

A]

Tensione [V]

Dati etichetta

• Isc direttamente proporzionale all‘irraggiamento G; Voc influenzata minimamente• Voc già elevata a piccoli irraggiamenti (!)• Risultato: se G cresce anche Pm aumenta







Variazione di temperatura (per i moduli c-Si)

• Voc diminuisce sensibilmente con la temperatura, relazione lineare; Isc resta quasi invariata• Cristallini: -0.4 %/°C se T > 25°C e +0.4 %/°C se T < 25°C• Amorfo: -0.2 %/°C se T > 25°C e +0.2 %/°C se T < 25°C

Tensione [V]

Co

rren

te [

A]

Pm

10°C

70°C70°C

10°C

Pm







Efficienza di conversione Ƞ

Percentuale di energia contenuta nelle radiazioni solari che viene trasformata in energia elettrica.

η =Pmodulo / Area [W/m²]

Pluce [W/m²]







η =130 W / (1.485 *0.663) m²

1000 [W/m²]

Solar – FabrikSeries SF 130/4

Efficienza di conversione







Materiale della cella Rendimento del modulo

Superficie PV necessaria per 1kW

Monocristallino 11 – 16 % 7 – 9 m2

Policristallino (EFG) 10 – 14 % 8 – 9 m2

Policristallino 8 – 10 % 9 – 11 m2

CIS 6 – 8 % 11 – 13 m2

Film sottile (a-Si) 4 – 7 % 16 – 20 m2

Maggiore è il rendimento (efficenza), minore è l‘area PV necessaria per ottenere un impianto da 1 kWp

Confronto fra tecnologie

Tecnologia Mono cristallina

Multi cristallina

A film sottile

cella tipico 13 – 16 % 11 – 13 % 4 – 6 % 7 – 10 %

Vantaggi - elevato - stabile

- (costo) - meno delicati - miglior occupazione

- (costo)

- E grigia - fabbricazione - meno materiale - buon a G e luce art. - flessibile - coeff. Voc f(T)

Svantaggi - (costo) - quantità materiale - complesso

- complesso

- basso - degrado iniziale






Tecnologia GaAs arseniuro di Gallio

CdTe Tellurio di

cadmio

CdS/CuS solfuro di

cadmio e di rame

Culn Sez. seleniuro di rame e di indio (EnS)

cella tipico 22 % (labo)

10 % 5 % 12 % (labo)

vantaggi - resiste a T elevate

- fabbricazione

- molto stabile

svantaggi - tossicità - disp. di materiale

- tossicità - disp. di materiale

- tossicità - sensibile all’umidità

- tossicità


Conclusioni

Fattori che influenzano il funzionamento di un modulo fotovoltaico:

– Irraggiamento– Temperatura– Area– Orientamento ed inclinazione

Tecnologie principali PV: sc-Si mc-Si a-Si

grande varietà di moduli: dimensioni, caratteristiche elettriche e ottiche (trasparenza e colorazione)

P = I * V dipende da irraggiamento, temperatura, area

Se G allora P

Se T allora:

per c-Si, P [Coeff. potenza -0.4%/°C]

per a-Si, P [Coeff. potenza -0.2%/°C]







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