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Sistemi fotovoltaici in conto energia, workshop PVENAS - 16/12/2009

VERIFICA A “LUCE NATURALE” DEI DATI DI TARGA DEI MODULI FV DI VARIE TECNOLOGIE

POLITECNICO DI TORINOPOLITECNICO DI TORINODipartimento di Ingegneria ElettricaDipartimento di Ingegneria Elettrica

Paolo Di [email protected]

Filippo

[email protected]


La valutazione dell’energia prodotta

• Tecnologia del p-Si• Tecnologia del m-Si• Tecnologie dei film sottili• Sistema Automatico di Acquisizione Dati• Circuito di misura • Procedura sperimentale• Risultati sperimentali


Tecnologie del p-SiLa tecnologia "block casting“ per il lingotto

poli-cristallino:

• il silicio, fuso con l’energia elettrica, è versato in un crogiolo di grafite, poi si effettua un raffreddamento controllato con cristallizzazione direzionale;

• i cristalli di Si sono allineati verticalmente alla superficie; nel crogiolo solidificano 244 kg di silicio, con un consumo energetico di 10-15 kWh/kg;

• con un taglio, si ricavano lingotti a forma di parallelepipedo, con base quadrata di lato 15,6 cm


Tecnologie del p-Si

• i lingotti sono tagliati in fette con seghe multi-filo diamantato, ottenendo wafer di spessore 0,2-0,3 mm; purtroppo, il 30-50% del materiale è rimosso come sfrido;

• il materiale ha già un drogaggio a base di boro (tipo P);

• sul wafer levigato e ripulito viene creata la giunzione, mediante diffusione gassosa di composti a base di fosforo (800-1200°C), ottenendo il drogaggio di tipo N (strato dell'ordine del micrometro);


Tecnologie del p-Si• lo strato antiriflesso di nitruro di silicio

o di ossido di titanio, depositato sulla superficie, consente di ridurre le perdite per riflessione;

• sulla faccia anteriore esposta alla luce si depone un elettrodo a griglia con una serigrafia ("screen printing" con lega di Al-Ag), in modo da ottenere un intimo contatto con lo strato drogato N, mentre sulla faccia posteriore si depone un elettrodo a placca in lega di Al

In un anno, con 1 kg di silicio trasformato in moduli FV, si producono oltre 200 kWh di energia elettrica


Tecnologie del p-Si

Sequenza tradizionale dal SG-Si alla cella:


Tecnologie del p-SiTecnologie non convenzionali:

• “string ribbon” per avere direttamente il wafer senza il taglio del lingotto: due cavi ad alta temperatura vengono fatti scorrere verticalmente attraverso una sottile superficie di silicio fuso. Il silicio fuso si fissa tra i due cavi e si solidifica formando una stringa. Il contenitore col silicio fuso man mano che si svuota viene continuamente riempito.

• “Edge defined Film Growth” (EFG) che consiste nell'estrarre e raffreddare, attraverso una sottile fessura ottagonale, il silicio fuso (simile ad una trafilatura): si ottiene un cilindro cavo, dal quale si estraggono 8 file di celle con taglio laser


Tecnologie del m-Si

• con l’etero-giunzione di Si monocristallino / Si amorfo (moduli con rendimento del 16-17%);

• con entrambi i contatti collocati nella faccia inferiore della cella “all back surface contacts” (moduli con rendimento del 18-19%).

Nella tecnologia mono-cristallina si possono distinguere due tecnologie innovative, oltre a quella convenzionale:


Tecnologie dei film sottili

• temperature di lavorazione minori (300-500 °C);• connessione delle celle contemporaneamente alla

loro fabbricazione (connessione integrata o monolitica tra i vetri che incapsulano il modulo);

• correnti ridotte 1-3 A, rendimenti 5-11%;• bassi coefficienti termici di perdita (-0,2-0,3%/°C)

Caratteristiche comuni a tutte le tecnologie “thin film” (qualche μm):

vetro

TCO (ZnO)

p

i

n

p

i

n

TCO

vetro

riflettore

Celle tandem

vetro

TCO

CdS

contatto

CuInSe2

vetro

etero-giunzione CIS/CdS

vetro

TCO

CdS

contatto

CdTe

vetro

cella CdTe/CdS

a-Si

μc-Si


Il SAAD è adatto per misure DC/AC (DFT fino alla 50a armonica). Le portate sono estese a 1000 Vpk e 2000 Apk con incertezze tipiche di:

±0,1% per la tensione, ±0,5-1% per la corrente, ±0,6-1,1% per la potenza e ±2.5% per l’irradianza

Il SAAD si basa su una scheda DAQ con 12 bit di risoluzione, 8 canali differenziali, 50 kSa/s di frequenza di campionamento per canale; esso è verificato nel laboratorio di taratura del POLITO

Sistema automatico di acquisizione dati


Gli strumenti virtuali realizzati in Labview comprendono: un oscilloscopio a memoria con sistema di trigger e un data logger multicanale

Sistema automatico di acquisizione dati


Circuito di misura

CondensatoreArray FV

+

Signal conditioning

u(t) i(t)+ +- -

DAQ

Cavo schermato

PCPCMCIA

Il transitorio di carica di un adatto condensatore permette di determinare, in una singola scansione (10-100 ms), la caratteristica dinamica I-V di un array FV senza l’uso di un carico elettronico


Le curve I-V misurate si estrapolano alle STC, secondo la norma IEC 891 per determinare la potenza nominale in condizioni operative PM

Curve I-U e P-U di un modulo da 197 Wp

( ) ( ) ( )121221212 TTTTKIIIRUU S −+−−−−= β ( )121

2112 1 TT

GG

III SC −+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+= α

Procedura sperimentale

G = 953 W/m2 Tc = 62.4°C

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40Tensione (V)

Cor

rent

e (A

)

0

30

60

90

120

150

180

210

240

Pote

nza

(W)


La temperatura equivalente di cella TC è calcolata in due modi diversi. Nel primo modo si usa la seguente formula che richiede il parametro NOCT in °C:

Procedura sperimentale

( )22800

20 mWGmW

CNOCTTT aC ⋅°−

+=

Ta è la temperatura ambiente in °C (misurata)NOCT: temperatura normale di lavoro di cella (fornito dal costruttore)G: irraggiamento solare (misurato)

Il secondo modo sfrutta la formula della CEI 82-10, che si basa sulla tensione a circuito aperto VOCmis (misurata) e sul coefficiente termico della tensione a circuito aperto βT :

T

OCOCmisC

CVVCTβ

)25(25 °−+°=


Esempio di misure effettuate su un modulo FV p-Si CoreanoRisultati sperimentali

Vmpp 26,60 V Impp 7,42 AVoc 33,30 V Isc 8,12 A

Pmpp 0,197 kWp η 13,6%

HydSpecifiche elettriche di targa ( STC )

Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 MediaPmax 0,164 0,165 0,165 0,165 kWVPmax 23,82 23,92 24,02 23,92 VIPmax 6,89 6,89 6,86 6,88 AIsc 7,56 7,60 7,60 7,59 A

IPmax/Isc 0,91 0,91 0,90 0,91Voc 30,73 30,70 30,70 30,71 V

VPmax/Voc 0,78 0,78 0,78 0,78Fill Factor 70,7% 70,6% 70,7% 70,7%

alle condizioni standard ( STC )Pmpp 0,191 0,191 0,192 0,191 kWVmpp 26,12 26,20 25,93 26,08 VImpp 7,29 7,31 7,39 7,33 A

Altri parametriTa 15,3 15,2 15,2 15,2 °CG 938 936 937 937 W/m2

Rs cella 0,013 0,013 0,013 0,013 ΩScarto -3,3% -2,8% -2,8% -3,0%

η 13,1% 13,2% 13,2% 13,2%Tc 46,2 46,2 46,3 46,2 °C

Hyd 197 Wp


Esempio di misure effettuate su un modulo FV p-Si Cinese


Pmpp 0,260 kW η 13,4%

Set 260 Wp Specifiche elettriche di targa ( STC )Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 Media

Pmax 0,177 0,177 0,175 0,176 kWVPmax 30,32 29,83 29,54 29,89 VVoc 39,97 40,00 40,02 40,00 V

VPmax/Voc 0,76 0,75 0,74 0,75IPmax 5,85 5,92 5,93 5,90 AIsc 6,44 6,41 6,31 6,39 A

IPmax/Isc 0,91 0,92 0,94 0,92Fill Factor 68,8% 68,9% 69,3% 69,0%



Rs cella 15 16 16 16 mΩScarto -9,0% -9,3% -9,6% -9,3%

η 12,2% 12,1% 12,1% 12,1%Tc 44,4 44,0 44,0 44,2 °C

SEt 260 Wp

Risultati sperimentali


Esempio di misure effettuate su un modulo FV p-Si Tedesco


Pmpp 0,205 kWp η 13,7%

Sco 205 WpSpecifiche elettriche ( STC )Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 Media

Pmax 0,160 0,161 0,162 0,161 kWVPmax 23,83 24,03 23,78 23,88 VIPmax 6,72 6,72 6,81 6,75 AIsc 7,26 7,26 7,26 7,26 A

IPmax/Isc 0,93 0,93 0,94 0,93Voc 30,79 31,09 30,95 30,95 V




Rs cella 0,013 0,014 0,013 0,013 ΩScarto -0,6% -1,7% -0,8% -1,0%

η 13,6% 13,5% 13,6% 13,6%Tc 57,8 58,6 59,4 58,6 °C

Sco 205 Wp



Esempio di misure effettuate su un modulo FV p-Si Italiano


Pmpp 0,230 kWp η 14,2%

Xgp 230 WpSpecifiche elettriche di targa ( STC )Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 Media


IPmax/Isc 0,92 0,92 0,92 0,92Voc 34,49 34,52 34,49 34,50 V




Rs cella 0,012 0,012 0,013 0,012 ΩScarto -8,7% -7,8% -8,8% -8,4%

η 13,0% 13,1% 13,0% 13,0%Tc 41,3 40,9 41,2 41,1 °C

Xgp 230 Wp



Esempio di misure effettuate su un modulo FV p-Si Italiano B


Pmpp 0,234 kWp η 14,1%

Sls 234 WpSpecifiche elettriche di targa ( STC )Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 Media


IPmax/Isc 0,91 0,92 0,91 0,91Voc 32,62 32,53 32,49 32,55 V




Rs cella 0,011 0,011 0,013 0,012 ΩScarto -3,8% -4,0% -5,3% -4,4%

η 13,6% 13,5% 13,4% 13,5%Tc 63,7 64,4 63,5 63,9 °C

Sls 234 Wp



11,512

12,513

13,514

14,5

Ren

dim

ento

%

it it B de kr cn

Elaborazione misure

Confronto tra i moduli p-Si

Tolleranza del

costruttore

Incertezza di misura

11,512

12,513

13,514

14,515

Ren

dim

ento

%

it it B de kr cn

Dati di targa


Confronto tra i moduli p-Si

-10%

-9%

-8%

-7%

-6%

-5%

-4%

-3%

-2%

-1%

0%

Scar

ti %

de kr it B it cn

Scarti percentuali tra la potenza di targa e quella rilevata col metodo di misura


Misure effettuate su un modulo FV m-Si Giapponese, con l’etero-giunzione di Si monocristallino / Si amorfo

Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 MediaPmax 0,203 0,204 0,204 0,204 kWVPmax 31,44 31,34 31,44 31,40 VIPmax 6,46 6,50 6,50 6,49 AIsc 7,87 7,87 7,87 7,87 A

IPmax/Isc 0,91 0,92 0,91 0,91Voc 39,98 40,04 39,93 39,98 V




Rs cella 0,012 0,012 0,012 0,012 ΩScarto -2,0% -2,0% -1,7% -1,9%

η 16,3% 16,3% 16,3% 16,3%Tc 46,5 45,8 46,9 46,4 °C

Syo 230 Wp


Pmpp 0,230 kWp η 16,6%

Syo 230 WpSpecifiche elettriche di targa ( STC )



Misure effettuate su un modulo FV m-Si Statunitense, in tecnologia “all back surface contacts” (BSC)


Pmpp 0,315 kWp η 19,3%

SPw 315 WpSpecifiche elettriche di targa ( STC )Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 Media


IPmax/Isc 0,92 0,91 0,91 0,91Voc 60,94 60,97 60,97 60,96 V


Alle condizioni standard ( STC )Pmpp 0,297 0,297 0,297 0,297 kWVmpp 51,78 52,02 52,22 52,01 VImpp 5,73 5,71 5,69 5,71 A


Rs cella 0,010 0,011 0,011 0,011 ΩScarto -5,8% -5,8% -5,7% -5,8%

η 18,2% 18,2% 18,2% 18,2%Tc 44,4 44,3 44,3 44,3 °C

SPw 315 Wp



Misure effettuate su un modulo FV m-Si Cinese, in tecnologia tradizionale (ormai obsoleta)


Pmpp 0,185 kWp η 14,5%

Shd 185 WpSpecifiche elettriche di targa ( STC )Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 Media


IPmax/Isc 0,91 0,91 0,91 0,91Voc 38,23 38,63 38,44 38,43 V


o alle condizioni standard ( STC )Pmpp 0,165 0,164 0,163 0,164 kWVmpp 33,88 34,43 34,03 34,11 VImpp 4,86 4,75 4,79 4,80 A


Rs cella 0,017 0,017 0,018 0,018 ΩScarto -11,0% -11,6% -11,8% -11,5%

η 12,9% 12,8% 12,8% 12,8%Tc 56,6 56,5 57,4 56,9 °C

Shd 185 Wp



111213141516171819

Ren

dim

ento

%

Tradiz. etero-giunz. BSC

Elaborazione misure

11

13

15

17

19

Rend

imen

to %


Dati di targaConfronto tra i moduli m-Si

Tolleranza del

costruttore

Incertezza di misura


Confronto tra i moduli m-SiScarti percentuali tra la potenza di targa e quella rilevata col metodo di misura

-12,0%

-10,0%

-8,0%

-6,0%

-4,0%

-2,0%

0,0%

Sca

rto %



Misure effettuate su un modulo FV in film sottile Giapponese


inizia

Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 MediaPmax 0,068 0,068 0,068 0,068 kW

VPmax 46,15 46,44 46,44 46,35 VIPmax 1,47 1,45 1,45 1,46 AIsc 1,69 1,67 1,67 1,68 A

IPmax/Isc 0,87 0,87 0,87 0,87Voc 57,09 57,04 57,04 57,06 V




Rs cella 0,082 0,083 0,083 0,083 ΩScarto -14,9% -15,0% -15,0% -15,0%

η 8,1% 8,1% 8,1% 8,1%Tc 44,1 43,9 43,6 43,9 °C

Srp 85W

iniziale nominale iniziale nominale

Vmpp 52,00 49,00 V Impp 1,92 1,74 AVoc 65,00 63,80 V Isc 2,2 2,11 A

Pmpp 0,100 0,085 kWp η 9,5% 8,1%

Srp 85WpSpecifiche elettriche di targa ( STC )

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