FONDAMENTI DI SISTEMI FOTOVOLTAICI
Sistemi e Impianti Fotovoltaici Le celle e i moduli fotovoltaiciPrincipi chimico-fisiciLe tecnologie (Si, GaAs,CdTe, ecc.)I limitiProcessi e costiEsempi di applicazioni
La potenzialità dell’ energia solareLa potenzialità dell’ energia solare
Radiazione solare ≈ 90 000 000 Mtep/a Consumo mondiale ≈ 10 000 Mtep/a
1250 kWh/metro quadro all’anno1000 kWh/mq al Nord Italia, 1500 al Sud Italia
La potenzialità dell’ energia solare è, per ora, 10.000 volte il consumo mondiale di energia
Ma non illudiamoci !!!
Solare Fotovoltaico
Tetto tradizionale con moduli in Silicio micromorfo (0,38 m2; h =13%)
Copertura in Silicio amorfo da 100mqProduzione media annuale 15MWh
Facciata Fotovoltaica (6,5 kWp) del Ministero dell’Ambiente della Baviera (1993)
Dettaglio della facciata con moduli semi trasparenti in a-Si:H/a-Si:H/Ge (42 Wp/m2)
Sistemi ad inseguimento solare: ad uno o due assi. Miglioramenti:Con un solo asse E-W inclinato 28% Con due assi 34%
Modulo a concentrazione a inseguimento solareCelle multigiunzione al GaAs, Rendimento celle: 40% Superficie 8,4 m2 Rendimento del modulo: 17,9 %Wp/m2 Costo previsto= 1,52 [€/Wp]
• La cella al silicio: modello, principi di funzionamento, prestazioni e rendimento
• Le tecnologie • Le celle multigiunzione• Il rendimento delle celle multigiunzione
La cella monogiunzione: un modello elementare
Potenza entrante: energia solare Potenza uscente: energia elettricaPotenza dissipata: energia termica ed irradiata
I simbolistrutturale elettrico
La caratteristica corrente-tensione (I-V) della cella fotovoltaica
a) Rilevazione al variare dell’illuminazione a 25oC;b) Punto di massima potenza PM=IM.VM (MPP: Maximum Power Point)
a) b)
Potenza massimaPm= Im.Vm= FF.Isc.Voc
I
Isc
Im
0 Vm Voc V
Caratteristica I-V schematizzataFF: Fattore di riempimento ( Fill Factor )
f(E)
0,5
Ev EFp EF EFn Ec E
P I N
p
n
EC
EFn
EV
EC
EFn
EV
pnEFnEFp
n
pEg
Eg
Egeo
e(o –V)
eV
I=Io (exp(eV/kT)-1]
EgEg
Semiconduttoridrogati e isolati
Giunzione npnon illuminata
Giunzione illuminataed erogante la corrente I EFn
EFp
Eg=h/
V oc per cella ideale
Radiativa Auger Prodotta da difetti(intrinseca) (estrinseca) (estrinseca)
I meccanismi di ricombinazione di volume “bulk”
Cella c-Si con contatti posteriori
Silicio cristallino GaAlAs
Telloluro di cadmio
CdTe CIGSSilicio amorfo
Cella elettrolitica Cella solare “Dye Cell” polimerica
Struttura
giunzione
Livelli “energetici”
Cella multigiunzione Tandema-Si/Ge, m-Si,…
Tandem Tandem Parallele2 giunz. 3. giunz. 3 giunz.
Cella multispettrale
2Eg1 = Eg
Esempi:
Celle monogiunzioneCella CdTeEg=1,5 I=2 da cui P=3Cella ideale (GaAs) Eg=1 I = 4 da cui P=4Cella al SilicioEg=1,1 I = 3,2 da cui P=3,5
Celle multigiunzioneCella amorfa tripla giunzione con Egi= 1,8/1,6/1,4 cui corrispondono Ii=1,4/0,5/0,3Si ha P=Egi.Ii= 3,74Cella micromorfa conEgi=1,75/1,1 cui corrispondono Ii=1,5/1,7Si ha P=Egi.Ii= 4,49
Rendimento limite termodinamico
9595Carnot
Assorbimento ed irradiaz. Bidirez corpo nero Tc = Ta
73,793,3(Landesberg)
Irradiaz. bidirezionaleUn solo circolatore Tc = Ta
7090Convertitore non reciproco
Convertitore ideale Tc =2544oCIrradiaz. bidirez.
53,6 85Assorbitore a corpo nero (Müser)
Teorico! 68,286,8Infinite giunzioni
Non dato52,5 2,14/1,53/1,10/0,72
67,94 giunzioni
a-Si:H/a-SiGe, 13,5; 1,8/1,6/1,4
48,6 1,95/1,30/0,8263,23 giunzioni
a-Si:H/c-Si:H, 14,7 1,75/1,142,5 1,70/0,9755,72 giunzioni
c-Si monocrist., 24,7 31 1,31
40,81 giunzione
Esempi di tecnologieMateriali, %, Eg delle giunzioniNote
Radiazione senza concentrazione % Eg delle giunzioni
RadiazioneConcentrata%
Tipologia
Evoluzione delle tecnologie fotovoltaicheEvoluzione delle tecnologie fotovoltaiche
Cu [€/m2)
%
1- Silicio cristallino1- Silicio cristallino2- Film sottile2- Film sottile3- Il futuro?!3- Il futuro?!
33
UNISOLAR 3mx0,4m circa 0,5KWp UNISOLAR 3mx0,4m circa 0,5KWp rendimento 7-10%rendimento 7-10%
Stato di avanzamento del progetto ARENDI (Gruppo Marcegaglia)
– Apr, ‘07 Avvio progettazione esecutiva– Apr. ‘08 consegna primi impianti ed avvio set-up– Ott. ‘08 consegna impianti, Dic. avvio prove produzione– Primo semestre ’09 inizio produzione
Viste schematiche dall’alto e laterale dell’impianto Unisolar per moduli a-Si in film sottile
Contatto opacoCella multigiunzioneContatto trasparente
Substrato acciaio inox Struttura integrata delle celle nel modulo
Schema dell’impianto Oerlikon Solar
CS: Stazionamento CassetteEH: Stazione di maneggiamento esternoLL: camere di caricamento e chiusuraTC: camera di trasferimentoPC: camere di trattamento
Processo a lotti Oerlikon SolarDimensioni moduli: max 1100x1250 mm Capacità produttiva: 20 MW/a
2000 2007 2010 2020 20302000 2007 2010 2020 2030
c€/kWhc€/kWh
5050
4040
3030
2020
1010
00OC + int.5%/anno
OC + int.10%/annoOC + int.10%/anno
PV solo ammort.PV solo ammort.
PV ammort.+ int. 3 %PV ammort.+ int. 3 %
UD + int.3% /annoUD + int.3% /anno
OC=olio combustibile OC=olio combustibile UD=utenze domesticheUD=utenze domestiche
Scenari di evoluzioneScenari di evoluzione dei costi del kWh per l’ energia fotovoltaicadei costi del kWh per l’ energia fotovoltaica
= = ~~
Utenza Utenza Residenz.Residenz.
PVPV
Rete locale ACRete locale AC
Rete pubblicaRete pubblica
Generazione distribuita con riserva per black-Generazione distribuita con riserva per black-outout
ContatoreContatored’Impiantod’Impianto
= = ~~
Utenza Utenza Residenz.Residenz.
PVPV
Gruppo di Gruppo di continuitàcontinuità
• Produzione fotovoltaica in rete • Rendimento globale 10%
• 25 m2 di tetto/1 MWh.anno
educazione
economia
ecologia
etica
estetica
energia
SviluppoSostenibile
Le 6E dello sviluppo sostenibileLe 6E dello sviluppo sostenibile