modelli delle prestazioni reali di un modulo fotovoltaico relatori laureando prof. antonio parretta...
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MODELLI DELLE PRESTAZIONI REALI DI UN MODULO FOTOVOLTAICO
Relatori Laureando
Prof. ANTONIO PARRETTA CARLO SIBILLA
Prof. CESARE MALAGU’
Università degli Studi di Ferrara Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea triennale in Ingegneria Meccanica
Caratteristiche elettriche
Struttura a bande elettroniche
Eg= gap proibito (o banda proibita) di energia
ISOLANTE SEMICONDUTTORE CONDUTTORE
Il silicio: puro e drogato
Puro Drogato con fosforo Drogato con boro
DROGAGGIO
Tipo n Tipo p
Le giunzioni p-n
Semiconduttori drogati:
prima della giunzione dopo la giunzione
Giunzione p-n
Effetto fotoelettricoEnergia di un fotone da cui poiché
minore di Eg elettrone “prigioniero”
Se
maggiore (o uguale) di Eg elettrone libero
Processo fotoelettrico del silicio
vh
ch
c
v
Curva caratteristica: I/VCorrente che attraversa la giunzione della cella:
Eq. caratteristica cella
Risolvendo rispetto a V:
dove I0 è trascurabile rispetto a I
)1(0 NkT
qV
D eII
SH
SH )1(0 TNV
V
L eIII
00 /ln IIIINVV LT
Curva caratteristica: I/V
Andamento cella illuminata e al buio Dipendenza dall’illuminazione…
e dalla temperatura
Cella solare
Meccanismi alla base del funzionamento della cella
N
P
e - h
SCR
Ē
e - h
e
e
h
h
load
Cella solare
Silicio monocristallino Silicio policritallino
Principali differenze
COSTO EFFICIENZA PUREZZA
Il modulo fotovoltaico
In condizioni standard (STC)In condizioni reali (RRC)
I 5 parametri:
ηηSTCSTCo Perdita per riflessione della luceo Effetti spettralio Perdita per basso irraggiamentoo Perdita per temperaturao Perdita per polarizzazione della luce
ηηRRCRRC
Come si perde energia?
Come incide la perdita?Tipo perdita Assoluta(%) Relativa(%) Assoluta(%) Relativa(%)
Riflessione 3.4 19.7 3.3 19.9
Spettrale - 0.3 - 1.7 0.7 4.2
Basso irrag-
giamento
3.0 17.3 2.7 16.3
Temperatura 7.8 45.1 6.4 38.5
Polarizza-
zione
3.4 19.6 3.5 21.1
Generic sky Clear sky
Incidenza dei parametri
Potenza erogata STC RRC
Pero=ηSTC Ginc Smod Pero=ηRRC GincSmod
η1=η0 PRR (riflessione) η2=η1 PRS (effetti spettrali)Calcolo 5 perdite
η3=η2 PRG (basso irraggiamento)
η4=ηRRC=η3 PRT (temperatura)
η0 PRR PRS PRGPRT(efficienza reale)
ProgrammaAquila
Perdita per riflessione della luce
Leggi di Snell
θ = θ
sinθ/sin = n2/n1
)(1)( RT
)0(1
)(1
)0(
)()(
R
R
T
T
10 20 30 40 50 60 70
90
92
94
96
98
100
102
Silicio cristallino
Tra
sm
itta
nza
re
lativa
, (
%)
Angolo d'incidenza, (°)
mod7 mod1 mod5 mod2 mod19 mod18 mod16 mod12 mod13 mod10 mod9 mod8
Perdita per riflessione della luce
Equazioni di Fresnel
dove
)()cos/(cos5,0)(1)( 22spiteqnRT
)]cos()/[sin()cossin2( titittp
)sin(/)cossin2( titts
Grafico delle perdite
con cielo sereno
Grafico delle perdite
con cielo “generico”
Riflessione Spettrale Basso irrag. Temperat. Polariz.0
10
20
30
40
Clear sky
Perd
ita rela
tiva(%
)
Singoli effetti
Riflessione Spettrale Basso irrag. Temperat. Polariz.0
10
20
30
40
Generic sky
Perd
ita rela
tiva(%
)
Singoli effetti
Metodo di calcolo assorbimento luce diffusa
dove
e
Perdita per luce diffusa
])2(2[cos)(1
...
...)2(cos)(1
)0()(
000
0
iiitidiff
iiitidiffabsabs
BAtiltTG
BATGGtiltG
i
tttidiffabs TGG )cos(coscos)(2)0( 10
)cos(cos]4/)[(
)cos(cos
11
1
ttiii
ttii
B
A
)](/)2/([cos2 1ii tgtilttg
Qual è lo scopo?
Effetti Spettrali
Metodo di calcolo
))0(1000(...
...))0((
)()(
irradianza )/(
)/(
densità di corrente
)(
)()()()(
)('
)('
)()(
)()(
2)(
)(
TJ
TGJGJk
GkGkkJ
GkkGkkkJ
GkGkJ
mWG
WAk
GkJJ
STCsc
STCSTCscSTCabsSTCscSTC
diffabsdiffdirabsdirSTCsc
diffabsSTCdiffdirabsSTCdirSTCsc
diffabsdiffdirabsdirsc
sabs
s
sabs
sphsc
Effetti spettrali
305
)(
305
)(
305
)(
305
)('
)()(
)(
...
...
)(
)()(
dESR
dE
dE
dESR
k
kk
STCincext
STCinc
dirinc
dirincext
STC
dirdir
305
)(
305
)(
305
)(
305
)('
)()(
)(
...
...
)(
)()(
dESR
dE
dE
dESR
k
kk
STCincext
STCinc
diffinc
diffincext
STC
diffdiff
k’dir = coefficiente spettrale per la componente diretta
k’diff = coefficiente spettrale per la diffusa
Modulo AM1.5G
(k’STC)
AM1.5Dir
(k’dir)
AM1.5Diff
(k’diff)
BP585 1.0 0.98 1.07
Single-Si
[12]
1.0 0.99 1.04
Multi-Si
[13]
1.0 0.98 1.05
Multi-Si
[14]
1.0 0.99 1.02
Perdita per basso irraggiamento
Calcolo della perdita
Eq. I-V per I=0 e I=Im
Ottengo così i parametri A0 e I0
]1)/[exp()( 00 Tph VAVIIVI
]1)/[exp(0 00 Tocsc VAVII
]1)/[exp( 00 Tmscm VAVIII
)/1ln(/)()/1(0 scmocmT IIVVVA
]1)/1/[( )/(0 VocVmVoc
scmsc IIII
Perdita per basso irraggiamentoCalcolo il PR per il basso irraggiamento
Da cui
)/1000()]()()(/[)]()()([...
...)/1000()](/)([]1000/)(/[]/)([)(/)(
GSTCFFSTCVSTCIGFFGVGI
GSTCPGPSTCPGGPSTCGPR
OCSCOCSC
mmmmG
)]()(/[)]()([ STCFFSTCVGFFGVPR OCOCG
0 200 400 600 800 100075
80
85
90
95
100
105
DEM SEM
Perf
orm
ance R
atio, P
RG (
%)
Irradiance (W/m2)
Effetti della temperaturaP=f(T)
Modulo al silicio cristallino
ΔT = T(°C) – 25 e γ = (4÷6) 10-3 (°C-1) Performance Ratio temperatura: PRT = (1–γΔT)
0 10 20 30 40 50 60 70
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
115
P(t
)
T(gradi Celsius)
50W 60W 70W 80W 90W 100W
1.00
]1[)25()( 0 TPTP
0 10 20 30 40 50 60 70
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
115
P(t
)
T(gradi Celsius)
50W 60W 70W 80W 90W 100W
Effetti della temperatura
0 200 400 600 800 1000
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
NOCT=45°C
Tce
ll (°
C)
Irradianza (W/m2)
Tamb=5°C Tamb=10°C Tamb=15°C Tamb=20°C Tamb=25°C
Simulatore solare
25°C (costanti)
Condizioni reali
Variabilità tra 5 e 55°C