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