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UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI PARMA

DIPARTIMENTO DI FISICA E SCIENZE DELLA TERRA

CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN FISICA

TESI:

Confronto tra Celle Fotovoltaiche di

varie tipologie con Piranometri di Riferimento

RELATORE: Chiar.mo Prof. Alessio Bosio

Studente: Ernesto Consiglio

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Anno Accademico 2013-2014

RINGRAZIAMENTI:

Si ringrazia l’Azienda Lsi Lastem e in particolare l’AD Luca Lesi che ha permesso e

supportato le varie fasi organizzative e il Responsabile elettronico Gian Carlo Cesari per il

supporto tecnico.

Si ringrazia anche il CESI per avere cortesemente fornito le celle di GaAs da utilizzare nel

confronto.

3

INDICE

1.0) Obiettivo della Tesi....................................................................................................................2

2.0) Introduzione: ..............................................................................................................................3

2.1) Considerazioni tecniche generali:............................................................................................3

Misura della fotocorrente:........................................................................................................3

Datalogger: .................................................................................................................................3

Incertezza misure: .....................................................................................................................4

3.0) Cella fotovoltaica .......................................................................................................................5

3.1) Semiconduttori intrinseci: ....................................................................................................5

3.2) Semiconduttori estrinseci: ....................................................................................................7

3.3) Giunzione PN: ........................................................................................................................9

3.4) Statistica: ...............................................................................................................................13

3.5) Semiconduttori fuori equilibrio termico:..........................................................................14

3.5.1) Descrizione semiconduttore a giunzione pn illuminata:.........................................14

3.6) Risposta spettrale: ................................................................................................................17

4.0) Piranometri: ..............................................................................................................................18

5.0) Apparato sperimentale: ..........................................................................................................20

6.0) Misure:.......................................................................................................................................24

6.1)Taratura ..................................................................................................................................24

6.2) Taratura 1 secondo ISO 98474:............................................................................................25

6.2.1) Osservazione sulla serie di misure.............................................................................29

6.3) Taratura 2 nel punto di massimo:......................................................................................33

6.4) Risultati misure cella GaAs (CESI): ..................................................................................35

4

7.0) Approfondimento:...................................................................................................................36

7.1) Influenza della temperatura:..............................................................................................36

6.2) Misura della potenza delle celle: .......................................................................................37

Allegati:.............................................................................................................................................40

1.0 Obiettivo della Tesi

L’obiettivo di questa Tesi è il confronto della misura della fotocorrente generata da vari

tipi di celle fotovoltaiche in condizioni di diverso illuminamento naturale, (quest’ultimo

misurato con piranometro di Classe 1 (vedi § 4.0”Piranometri”)) per verificare come esse si

comportano nelle varie condizioni di posizione stagionale del sole, delle condizioni

meteorologiche, dell’ora del giorno e della temperatura.

L’obbiettivo finale è la misura dell’irraggiamento solare con celle solari al Silicio o di GaAs

(solarimetri), in alternativa ai piranometri, conoscendone il diverso comportamento con la

temperatura e con la posizione angolare rispetto al sole.

2.0 Introduzione

La fotocorrente è una corrente negativa generata dalla cella solare grazie all’energia dei

fotoni incidenti provenienti dal sole o da altre sorgenti (vedi § 3.0“Cella fotovoltaica”). La

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corrente fotogenerata è direttamente proporzionale all’irradianza solare1 (o irraggiamento

solare) se misurata in condizioni di corto circuito.

2.1 Considerazioni tecniche generali

Misura di fotocorrente:

La misura della fotocorrente generata dalle celle, si esegue con amplificatori operazionali

in configurazione di transimpedenza (vedi schema elettrico in Figura 19). In questa

configurazione, grazie alle proprietà dell’amplificatore operazionale si ha un’impedenza

di ingresso molto alta e con collegamento a massa virtuale, tutta la fotocorrente generata,

percorre la resistenza di reazione R1 generando su di essa un caduta di tensione. In questo

modo, si annulla l’influenza della resistenza interna della cella, che dipende in modo non

trascurabile dalla temperatura e dall’illuminamento.

La resistenza di reazione R1 ha una accuratezza di 0,1% del valore dichiarato. La

resistenza utilizzata in queste misure è di 15 Ω. Questo perché si considera che le celle

generano, in condizioni standard ovvero con irraggiamento solare perpendicolare di 1000

W/m2 e temperatura di 25 °C, valori tra 10 e 30 mA/cm2 . Con questa resistenza, il valore

di uscita è nel range 150-450 mV.

I valori di fotocorrente di celle con area maggiore devono poi essere normalizzati a 1 cm2.

Le celle utilizzate hanno al massimo 3 cm2 di area attiva e sono caratterizzate da un

segnale in uscita inferiore al massimo consentito dal datalogger di 1200 mV.

Datalogger:

Le misure in tensione fornite dagli amplificatori operazionali sono visualizzate e

memorizzate da un datalogger. Il modello utilizzato è l”Elog” datalogger della Lsi Lastem.

È in grado di memorizzare i valori in mV, nel range (–300 +1200) mV, che riceve dai suoi

8/16 canali analogici di ingresso e di mostrarli su un grafico con la data e il valore

corrispondente di tensione campionata. È possibile visualizzare i valori con grandezze

1 L’Irradianza solare è la quantità di radiazione elettromagnetica emessa dal Sole che raggiunge una data superficie; si misura in W/m2.

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secondarie (calcolate) quando si conosce la funzione di trasferimento. Il campionamento

avviene ogni secondo e la memoria è di tipo circolare.

Figura 1: fotografia di un datalogger “Elog”. Si può osservare il display, la tastiera e in basso vi sono i

morsetti verdi per i collegamenti.

Incertezza misure:

Il valore di corrente misurato in mA, ha un’incertezza totale data dalla somma

dell’incertezza del multimetro o del datalogger utilizzato, dall’incertezza del valore

dichiarato della resistenza, dalla risoluzione del multimetro o del datalogger e dalla

deviazione standard delle misure sperimentali. La valutazione dell’incertezza totale è

quindi data dalla somma delle incertezze relative singole.

Figura 2: L’incertezza relativa totale, è data semplicemente dalla somma delle incertezze relative sopra elencate.

Figura 3: estratto dal manuale dell’Elog”dove sono riportate la risoluzione e l’incertezza nella misura nel campo da -300 a + 1200 mV.

lgdatatot res risol stdev

nom letti lettifotoc fotocR mV mVI I

δδ δ δ σ= + + +

0,1600,01 0,040

15

tot stdev

letti lettifotoc fotoc

mV mV

mV mVI I

δ σΩ= + + +

Ω

Elog (estratto dal manuale)

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3.0 Cella fotovoltaica

Le celle solari più diffuse attualmente sono composte da due strati di Silicio

monocristallino o policristallino, con aggiunta di atomi detti di drogaggio. Su uno strato si

depositano materiali trivalenti, detti accettori, che diffondendo permettono di ottenere uno

strato tipo p, mentre sull’altro strato si depositano materiali pentavalenti, detti donori, che

in seguito a diffusione permettono di ottenere uno strato tipo n. La concentrazione dei

droganti è dell’ordine di 1015 cm-3, 1016 cm-3.

Questi strati formano una giunzione o diodo p-n. Nella sezione trasversale di una cella

solare (Figura 3) si osservano anche i contatti ohmici (tunneling) che permettono alla

corrente generata di essere utilizzata da una utenza esterna.

Figura 4: sezione di una cella solare al Silicio, nella quale si osservano i due strati drogati p e n.

che formano una giunzione pn. Si osservano anche i contatti ohmici necessari per portare

all’esterno la fotocorrente generata.

P (1 µm)

Ohmico back

Ohmico front

N

Si

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3.1) Semiconduttori intrinseci

Il Silicio è un elemento caratterizzato da atomi con valenza 4 e ogni atomo è legato, in una

struttura puramente cristallina, a 4 atomi vicini di Silicio con legame covalente a struttura

tetraedrica. Il Silicio come il Germanio, è un materiale semiconduttore e conduce

debolmente la corrente elettrica. La conducibilità dei semiconduttori aumenta con la

temperatura contrariamente ai metalli.

Figura 5: si osserva lo schema di atomi di silicio legati e quando la temperatura aumenta è più probabile che

si rompano alcuni legami e alcuni elettroni non siano più legati all’atomo.

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Portatori di carica nei semiconduttori intrinseci

I portatori di carica, elettroni n(T) e lacune p(T), nei semiconduttori intrinseci hanno

densità (numero di portatori per unità di volume) che dipende solo dalla temperatura. Si

dice che sono portatori di carica di generazione termica. Il loro numero si equivale come

descritto nella seguenti relazioni:

Le relazioni sopra forniscono l’uguaglianza tra i portatori di carica descritti con la statistica

di Fermi f(E,T) (vedi anche 3.4 Statistica). Nc e Nv sono la densità di stati permessi in

banda di conduzione e di valenza, mentre le funzioni esponenziali sono la probabilità (di

Fermi) che a certe temperature T, livelli con energia E, possano essere occupati da

elettroni o lacune.

Il livello di Fermi, EF, indica probabilità ½ di trovare livelli occupati da elettroni (o lacune)

a una determinata temperatura. Nella teoria dei semiconduttori, EF è un parametro

(importante) di riferimento nella descrizione dei livelli di energia.

Nel caso dei semiconduttori intrinseci, EF è a metà tra banda di valenza e la banda di

conduzione.

Semiconduttore intrinseco

EF i

Ec

Ev

c F F vE E E E

kT kT

C vN e N e

− − − − =( ) ( ) ( )in T p T n T= =

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Figura 6: L’energia di Fermi EF ( vedi 3.4 Statistica), è a metà tra l’energia massima della banda di valenza Ev e la

energia minima della banda di conduzione Ec.

3.2 Semiconduttori estrinseci

Se nel semiconduttore intrinseco, vengono aggiunti atomi con valenza 3 o 5, cambiano le

sue proprietà. Se si inseriscono atomi con valenza 3, detti atomi accettori, essi lasciano

scoperte cariche positive libere detta lacune. Se si inseriscono atomi con valenza 5, detti

donori, essi lasciano liberi elettroni.

Queste cariche libere non essendo fortemente legate al nucleo dell’atomo possono

spostarsi con poca energia. Un elettrone, ad esempio, ha una energia di legame bassa,

dell’ordine dei 30 meV. I livelli energetici di questi portatori si trovano, nella

visualizzazione a bande, nella zona proibita o gap proibita, vicino ai bordi delle bande,

come descritto nella Figura 7.

Questo permette agli elettroni di passare dal livello localizzato nella gap alla banda di

conduzione (o per le lacune di “saltare” in banda di valenza) con energie dello stesso

ordine di grandezza della energia termica ( a T ambiente kT ≈ 0,026 ev).

I semiconduttori diventano dei conduttori elettrici anche a temperature alle quali il

semiconduttore intrinseco si comporterebbe come un isolante.

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Figura 7: si osservano gli effetti della aggiunta, tra atomi di Silicio con valenza 4, di un atomo di valenza 3

che lascia una carica positiva scoperta. Aggiungendo un atomo di valenza 5, si ha invece un elettrone in più

debolmente legato.

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Figura 8: si osservano le posizioni energetiche, nel modello a bande, dei livelli donori e accettori, che si

trovano entro la banda proibita e il confronto con le energie di legame atomo–elettrone. Partendo

dall’energia del livello fondamentale dell’atomo di H nel modello di Bohr e considerando l’influenza della

costante dielettrica del semiconduttore e la massa efficace.

Il concetto di massa efficace permette di considerare l’elettrone come se fosse influenzato

solo dalle forze esterne (elettrone libero) e quindi con una descrizione classica.

La costante dielettrica invece dà una indicazione della influenza degli atomi presenti nel

semiconduttore. Nel caso dei semiconduttori estrinseci, la densità dei portatori di carica

dipende dalla temperatura e dalla concentrazione degli atomi di drogaggio. In questa

condizione il semiconduttore si dice in equilibrio termico.

3.3 Giunzione pn

Quando si mettono a contatto un semiconduttore drogato p e un semiconduttore drogato n

si forma una giunzione denominata pn. Essa ha il comportamento elettrico tipico di un

diodo ed è alla base delle cella solari, ma anche dei transistor, dei LED, etc.

13

Come descritto in Figura 9 (parte alta), i semiconduttori p ed n separati, hanno l’energia di

Fermi posizionata diversamente. Nella parte n della giunzione, la maggior parte degli

elettroni liberi sono più vicini alla banda di conduzione, e la probabilità ½ di avere

elettroni con energia pari a EF è più vicina alla banda di conduzione.

Nella parte p della giunzione, la probabilità ½ di avere portatori maggioritari (lacune) con

energia pari a EF è più vicina alla banda di valenza.

Quando le due parti p e n sono a contatto (Figura 9 parte bassa), a causa della grande

differenza di concentrazione di cariche, (diversa energia del livello di Fermi), si stabilisce

un gradiente di concentrazione che fa muovere gli elettroni liberi verso la parte p e le

lacune verso la parte n. Gli atomi dei droganti saranno perciò ionizzati avendo perso

elettroni e lacune che si sono spostate dall’altra parte.

Questi ioni generano allora un campo elettrico che si oppone ad un ulteriore spostamento

di cariche libere. Tra le due parti della giunzione, si forma una zona svuotata da cariche

libere. La differenza di potenziale tra gli estremi della giunzione genera un campo elettrico

molto alto, dell’ordine di 105 Volt/cm. L’energia di Fermi EF diventa uniforme in tutta la

giunzione quando si raggiunge l’equilibrio.

N

EF

Ec

Ev

P

Ec

Ev

EF i

EF

Ec

Ev

N P campo elettrico

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Figura 9: nella parte alta si osservano i semiconduttori p e n separati, con i loro valori in energia della banda

di valenza Ev e di conduzione Ec. L’energia di Fermi è più vicina alla banda di valenza nel semiconduttore p

e più vicina a quella di conduzione nel semiconduttore n.

In basso si osserva che unendo il semiconduttore drogato di tipo p con quello drogato di tipo n, il livello

massimo di energia della banda di valenza e minimo della banda di conduzione sono modificati nell’area di

contatto, mentre il valore EF della energia di Fermi si porta allo stesso valore di equilibrio intermedio nel

semiconduttore p e in quello n.

Vi sono anche giunzioni formate da altri semiconduttori come l’Arseniuro di Gallio.

Questo materiale è a gap diretta rispetto al Si che invece ha una gap indiretta come

descritto in Figura 10. Dalla figura si osserva che nelle celle a gap diretto, un fotone con

energia vicina a quella di gap Eg, riesce, con una buona probabilità, a fare passare un

elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione.

Nel caso della gap indiretta, l’energia del fotone potrebbe non essere sufficiente a fare

saltare un elettrone nella banda di conduzione. In questo caso un urto tra un elettrone di

valenza e un fonone (quanto di energia termica) del reticolo assieme all’energia del fotone

incidente possono fornire l’energia E e la quantità di moto p sufficiente per raggiungere la

banda di conduzione.

Bc

Bv Bv

Bc

K=0 K=0

GAP diretto: GaAs GAP indiretto: Si

Eg

E fotone

fonone hν hν

E

p

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Figura 10: schema di un semiconduttore a gap diretto (sinistra) dove il minimo della banda di conduzione Bc

è in corrispondenza con il massimo della banda di valenza Bv e a gap indiretto (destra) dove il minimo della

banda di conduzione Bc non è allineato con il massimo della banda di valenza Bv.

Nel gap diretto un fotone con energia hν può fornire l’energia sufficiente per fare passare

un elettrone dalla Bv alla Bc. In quello indiretto, l’energia del fotone hν non è sufficiente e

per raggiungere la Bc serve anche l’energia e soprattutto la quantità di moto di un fonone.

Questo fenomeno è comunque meno probabile rispetto a quello della gap diretta. Una

valutazione della probabilità che il fenomeno del salto avvenga può essere fatto con il

seguente ragionamento:

la legge di Lambert-Beer ci fornisce l’attenuazione della l’intensità della radiazione

nell’attraversamento di un materiale.

L’intensità della radiazione, di valore iniziale Io, attraversa un materiale di spessore d e

coefficiente di assorbimento α secondo la legge esponenziale:

Ovvero

L’attenuazione del 63% si ottiene quando:

37,01

)( 00 ∗=∗= Ie

IdI

Consideriamo i coefficienti di assorbimento (o di estinzione) del Silicio e dell’Arseniuro di

Gallio:

[ ]0( )

dI d I e

α− ∗=

[ ]

0

( ) dI de

I

α− ∗=

* 1dα =

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Sostituendoli nella seguente relazione si ottiene:

Il risultato è che la probabilità che un fotone possa essere assorbito (dando l’energia per

fare saltare un elettrone nella banda di conduzione) è maggiore nelle celle di GaAs rispetto

al Si perché il fotone ha la stessa probabilità di essere assorbito percorrendo solo 1 µm di

spessore rispetto ai 100 µm del Si.

Il comportamento elettrico (I-V) della giunzione a semiconduttore polarizzata è quella del

diodo descritto nella Figura 11.

2 3 1( ) 10 10Si cmα −= ÷

4 5 1( ) 10 10GaAs cmα −= ÷

V

I

Diodo

d

1d

α=

2

1( ) 0,01 100

10d Si cm mµ= = =

d(GaAs) =1

104= 0,0001cm=1µm

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Figura 11: curva I-V di una giunzione PN polarizzata con le caratteristiche di diodo.

3.4 Statistica

In meccanica quantistica, uno stato quantico (o stato quantistico o semplicemente stato) è

completamente rappresentativo di un sistema quantistico. I portatori di carica, siano essi elettroni o

lacune sono sistemi quantistici. Siccome i portatori di carica seguono la statistica di Fermi

(fermioni) per loro vale il principio di esclusione di Pauli: ad ogni portatore di carica, è

permesso un solo stato quantico. Uno stato quantico è indicato dai suoi numeri quantici

che competono alla carica, al livello energetico, al momento angolare e al numero di spin.

In questo caso, consideriamo la densità degli stati energetici permessi (n° di stati/volume)

Dc(E) in banda di conduzione. Dc(E) fornisce la densità degli stati energetici permessi, ma

non è detto che questi siano effettivamente occupati.

La statistica di Fermi indica la probabilità che un certo numero di stati di energia E a

temperatura T siano occupati.

La seguente relazione, ad esempio, ci fornisce il numero di elettroni per unità di volume,

ad una data temperatura T con energia che va dalla energia minima della banda di

conduzione all’infinito.

Si osservano la densità degli stati permessi Dc(E ) con energia E e la probabilità F(T,E) che

questi, temperatura T, siano occupati.

( ) ( ) * ( , )cEc

n T D E F T E dE∞

= ∫

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 2 4 6 8 10

Energia di Fermi

(Prob. 0,5)

Probabilità

500 K

300 K

0 K

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Figura 12: Funzione di probabilità di Fermi. In questo esempio, nel limite per T che tende a 0 K, l’energia di

Fermi ci indica che tutti gli stati sotto i 5 ev sono occupati. Quando la temperatura è più alta possono essere

occupati stati con energia maggiore.

3.5 Semiconduttori fuori equilibrio

Quando in un semiconduttore vengono iniettati portatori di carica o assorbe energia da

fotoni, il semiconduttore si dice fuori equilibrio.

In questa condizione di squilibrio l’energia di Fermi non è più uniforme nelle due parti

della giunzione e si parla di quasi livelli di Fermi EqF. Il livello di Fermi non è più lo stesso

in tutto il semiconduttore finché non raggiunge nuovamente l’equilibrio.

3.5.1 Giunzione pn illuminata:

Se la cella solare è investita da radiazione elettromagnetica (e.m.) con energia E > Eg,

alcuni elettroni hanno energia sufficiente per andare dalla banda di valenza alla banda di

conduzione creando coppie di elettroni e lacune libere.

Come descritto in Figura 13, il campo elettrico della giunzione pn presente, sposta gli

elettroni nel lato n e le lacune nel lato p diminuendo la probabilità che si ricombinino ed

aumenta quindi la corrente di generazione ovvero la corrente inversa favorita dal campo.

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Figura 13: Descrizione dello schema di una giunzione illuminata.

I portatori generati dalla radiazione e.m. più lontani dalla zona del campo elettrico, invece

si ricombinano. La cella solare investita da luce genera quindi corrente utilizzabile da una

utenza esterna.

Nella seguente Figura 14, è riportato il circuito equivalente di una cella solare.

Esso comprende il generatore ideale di corrente, il diodo ideale, la resistenza di shunt,

data dai difetti del semiconduttore e la resistenza serie data soprattutto dalle giunzioni

ohmiche ottenute per effetto tunneling.

Rsh

V

+

-

Isc Rs

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Figura 14: Circuito equivalente di una cella fotovoltaica: si osserva il generatore ideale di corrente, il diodo

ideale, la resistenza in parallelo o di shunt, la resistenza in serie Rs dovuta ai contatti ohmici.

Nella seguente Figura 15 è riportata la curva del diodo polarizzato al buio ed illuminato

come avviene per la cella solare. La cella illuminata genera una corrente inversa. Se è

collegata su una resistenza molto piccola (corto circuito), genera una corrente detta di

corto circuito Isc, mentre se non ha carico genera una tensione detta di circuito aperto Voc.

Se si collega in parallelo una resistenza di valore opportuno (qualche ohm), si ottiene il

massimo di trasferimento di potenza in una zona intermedia tra Isc e Voc..

Figura 15: si osserva l’andamento della cella polarizzata al buio e illuminata. Si osserva che a V=0 la cella

solare eroga una corrente detta di corto circuito (short circuit) Isc. Essa può generare anche una tensione Voc

nella quale non viene erogata corrente, detta tensione a circuito aperto (open circuit) Voc.

3.6 Risposta spettrale

La sensibilità spettrale delle celle è data prevalentemente dalle caratteristiche in energia

della Band Gap, Eg.

I

Voc

Isc

Giunzione p-n illuminata

Giunzione p-n non illuminata

Pmax

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Se un fotone ha energia superiore a Eg, può essere assorbito dalla cella e generare una

coppia elettrone-lacuna.

Ad es. un fotone con lunghezza d’onda di 546 nm (verde) ha un’energia di 2,27 eV

((E=hν= 6,626 10-34 J / 1,6 10-19 J)* 5,49 1014 Hz) mentre la Band Gap del Silicio è 1,12 eV e

quella dell’ Arseniuro di Gallio è 1,43 eV a (300K).

Sono riportate le risposte spettrali delle celle utilizzate nelle misure:

1) Risposta spettrale (e altre caratteristiche) cella GaAs CESI a tripla giunzione:

InGaP/InGaAS/Ge.

Figura 16: caratteristiche di una cella di GaAs a tripla giunzione.

2) Risposta spettrale cella IMT SOLAR di Si Monocristallino:

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Figura 17: risposta spettrale di una cella compensata di Si monocristallino della IMT Solar dotata di un

sensore di temperatura (termistore) inglobato sotto la cella e che tramite l’elettronica compensa la

variazione di temperatura.

4.0 Piranometri

Il piranometro è considerato uno strumento di riferimento per la misura della radiazione

ricevuta dal sole perché è sensibile a tutta la radiazione solare da 0,3 a 3,0 µm e ha una

risposta spettrale piatta (vedi Figura 19). La Classe 1 secondo la ISO 90602, si riferisce alla

classe di accuratezza dei piranometri utilizzati come riferimento per misure in campo. La

taratura è tracciabile al SI, presso WRC-PMOD di Davos (CH) centro mondiale di

riferimento per la taratura dei misuratori solari del WMO3.

Il piranometro misura la radiazione solare diretta (proporzionale all’angolo di incidenza

del sole sull’elemento sensibile) e diffusa.

L’elemento sensibile è una termopila verniciata con vernice nero opaco ad altissimo

assorbimento di luce (emissività > 0,98%). La termopila riscaldata genera un segnale

elettrico (dell’ordine dei 10 mV per 1000 W/m2) con una relazione in buona

approssimazione lineare, rispetto alla radiazione solare incidente.

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La Figura 18 è una rappresentazione schematica di un piranometro.

Figura 18: un piranometro è composto da un elemento sensibile, da un duomo in vetro interno per

intrappolare l’energia della radiazione per effetto serra e da un duomo esterno per limitare gli effetti di

raffreddamento dovuto al vento o alla pioggia.

Si osservano anche il cavo di uscita del segnale elettrico, dei regolatori di inclinazione e il porta sali

igroscopici per mantenere all’interno un ambiente secco.

Duomo esterno Duomo interno

Elemento sensibile

sali igoscopici e regolatori inclinazione

Sole

24

Figura 19: si osserva lo spettro di corpo nero del sole al livello del mare e la sensibilità spettrale di un

piranometro che comprende la sensibilità della termopila, praticamente piatta nel range di misura, e la

trasparenza del vetro dei duomi.

Nella seguente Figura 20 sono riportati 13 giorni di misure di un piranometro di Good

Quality4 e un piranometro di riferimento di classe High Quality in posizione orizzontale a

45° verso Sud per simulare l’energia ricevuta da un pannello solare.

Figura 20: confronto di misure di energia tra un piranometro di classe 1 4 “High Quality” ed un piranometro di “Good Quality”. Le misure di energia nei giorni descritti sono entro l’1% del totale.

2 Norma ISO 9060:1990 Energia solare - Specifiche e classificazione degli strumenti per la misurazione emisferica e diretta della radiazione solare. 3 World Meteorological Organization (WMO) è un'organizzazione intergovernativa con una adesione di 191 Stati membri e Territori. È nato dalla International Meteorological Organization (IMO), che è stata fondata nel 1873. Fondata nel 1950, WMO divenne l'agenzia specializzata delle Nazioni Unite per la meteorologia (tempo e clima), l'idrologia e le connesse scienze geofisiche. 4 High Quality e Good Quality: Il doc. WMO n°8 § 7 classifica come High Quality (o Standard Secondario per la ISO 9060) i piranometri di accuratezza minore del 2% della misura totale giornaliera, mentre i Good Quality (o Classe 1 per la ISO9060) sono classificati per misure in campo e hanno accuratezza minore del 5 % nella misura totale giornaliera.

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Nella seguente Figura 21 si osserva la comparazione tra l’energia generata da un pannello

solare Policristallino da 2 m2 e l’energia effettivamente ricevuta misurata da un

piranometro di Classe 1. Il modello del pannello è NINGBO SOLAR TPB156-72-P. da 285

W. La corrente è stata misurata con una resistenza di shunt da 0,01 ohm e 10 A e il carico

era una resistenza da 3 ohm di potenza 300W.

Energia misurata dal piranometro

Energia generata dal pannello solare per 1 m2

MJ/m2 539 46

% Rapporto energia ricevuta / energia generata dal pannello 8,5

Figura 21: in alto si osserva la misura per 22 giorni della energia generata da un pannello solare di 2 m2 e la

misura di un piranometro posizionato al fianco. In basso il rapporto tra la misura della energia misurata dal

piranometro e quella generata dal pannello.

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5.0 Apparato sperimentale

La strumentazione sperimentale è composta da due apparati: uno per la misura della

radiazione solare in posizione fissata ad elevazione di 45° verso SUD e l’altro per la misura

dell’MPP (Maximum Power Point) orientato perpendicolarmente verso il sole.

Il primo apparato (vedi Figura 22) è montato su un ripiano a 45° orientato verso SUD, con

sopra un Piranometro CMP6 K&Z di riferimento (cavo giallo), una cella di Si

Monocristallino della IMT Solar Si-13TC-K, un contenitore bianco contenente (vedi figura

23) una cella a tripla giunzione di GaAs del CESI da 1cm2, una cella di Si Monocristallino

IYXS di 1,5 cm2, una di Si Policristallino di area 3 cm2 e una Pt100 che misura la

temperatura sotto la cella di GaAs (ma rappresentativa di tutte le celle in misura). Le

misure di questi sensori sono memorizzate nel datalogger Elog.

Il secondo apparato (vedi figura 24) contiene celle dello stesso tipo del contenitore

precedente, una cella di GaAs del CESI da 1cm2, una cella di Si Monocristallino IYXS di

1,5 cm2, una di Si Policristalino di 3 cm2 e una Pt100 che misura la temperatura sotto la

cella di GaAs (rappresentativa di tutte le celle in misura). Le misure sono effettuate con un

amperometro, un voltmetro e con uso di una decade di resistenze variabili.

27

Figura 22: Si osservano a destra il piranometro di riferimento CM6P della K&Z (cavo giallo), in basso la cella

della IMT Solar compensata in temperatura, in alto il contenitore per esterni con la cella di GaAs, Si Mono e

Si Poli. Si osservano al centro il CM21 Standard Secondario della K&Z e a sinistra un DPA154 Classe 1 della

Lsi Lastem, le cui misure sono riportate in Figura 20.

28

Figura 23: dettaglio del contenitore in alto nella Figura 22. Si osservano in alto a sinistra la cella solare di

GaAs (1 cm2), in basso a destra una cella di Si Monocristallino della IXON (1,5 cm2) e a sinistra una cella di

Si Policristallino (3 cm2). Dietro il pannellino bianco è alloggiata l’elettronica. Si vedono anche i 4 fili (alto a

sinistra) della Pt100 che misura la temperatura della cella di GaAs.

Il contenitore bianco è quello di un lampioncino a cui è stata rimossa la lampada. Si è dimostrato molto

resistente alle intemperie.

29

Figura 24: Custodia nera con celle solari per le misure di MPP (Maximum Power Point). Si osserva in alto a

sinistra la cella di GaAs di 1 cm2, a destra la cella di si Monocristallino da 1,5 cm2 e in basso la cella di Si

Policristallino da 3 cm2. Si osservano anche in alto a sinistra i fili della Pt100 che si trova sotto le celle per la

misura della temperatura, la decade per variare la resistenza e un tester. La protezione esterna è un foglio di

0,15 mm di PE.

La misura di fotocorrente delle celle è effettuata con amplificatori operazionali (OP177) in

configurazione di transimpedenza. Questo tipo di configurazione non risente della

variazione dell’impedenza interna della cella.

La fotocorrente generata dalla cella, non entra nell’amplificatore operazionale a causa

della sua altissima impedenza e quindi percorre la resistenza di reazione R1 come

mostrato nella Figura 25. Su di essa si leggerà una tensione (Vout) direttamente

proporzionale alla radiazione solare incidente sulla cella.

30

Figura 25: il collegamento della cella solare con un circuito in transimpedenza permette la misura senza

dover tenere conto della impedenza della cella. L’ingresso dell’amplificatore operazionale ha un’impedenza

di ingresso elevatissima (diversi MOhm) e quindi la corrente generata dalla cella, non entra

nell’amplificatore operazionale ma passa nella resistenza R1.

Inoltre, se l’ingresso non invertente (3+) è collegato alla massa, anche l’ingresso invertente

(2-) è a massa (virtuale) quindi la cella lavora in condizione di corto circuito. Gli ingressi

sono equipotenziali e questo è equivalente ad avere una resistenza molto bassa o corto

circuito. Questa proprietà degli amplificatori operazionali è data dalla presenza della

resistenza di reazione (R1) che agisce sull’ingresso invertente per mantenere la differenza

di potenziale agli ingressi uguale a zero.

U1A

OP177

1

3

2

4

11

OUT

+

-

V+

V-

V3

5Vdc

R1 15 +- 0,1% ohm

Vout

V1

5Vdc

Vout =

-(fotocorrente*R1)

0

hv

D1

cella solare

fotocorrente

in mA

Circuito in transimpedenza per misurare la fotocorrente senza l'influenza della

resistenza interna della cella solare.

31

Si potrebbe anche misurare la fotocorrente di corto circuito Isc collegando solo una

resistenza in parallelo (shunt) alla cella misurandone la caduta di tensione. Questa

resistenza deve avere un valore almeno di un ordine di grandezza inferiore rispetto a

quella della cella perché vi passi “quasi” tutta la corrente generata. In questo caso si

dovrebbe conoscere la resistenza interna della cella considerando che essa varia con

l’irraggiamento e la temperatura e che questo può falsare la misura di Isc. Il vantaggio di

questo metodo è di non avere bisogno di alimentazione esterna.

Questo non accade con la misura in transimpedenza dove la resistenza interna della cella

non è influente ai fini della misura perchè l’amplificatore operazionale non influenza la

cella.

6.0 Misure

Per effettuare il confronto delle misure tra celle e piranometro, si verificano due modalità

di taratura e poi si inseriscono i valori ricavati di sensibilità delle celle nel datalogger Elog

per osservarne il comportamento.

6.1 Taratura

La taratura consiste nella misura della tensione in uscita in mV delle celle, rapportandola

al valore in W/m2 del piranometro nello stesso momento.

Commento 1:

Questa proporzione deve poi essere valutata tenendo conto che il piranometro e le celle solari hanno

risposte spettrali diverse e che rispondono diversamente anche all’angolo di incidenza del sole.

Si è pensato di verificare due modalità di taratura:

1) Taratura seguendo la ISO 98475 nella modalità “outdoor”. Questa richiede molti

campionamenti e l’uso del datalogger Elog.

2) Taratura in un solo punto. Questo punto è il massimo del piranometro con una

piccola correzione.

Sono state effettuate misure per diversi giorni con l’obbiettivo di misurare la radiazione

solare globale misurata dal piranometro e dalle celle.

Commento 2 :

32

Le celle al Silicio possono avere diversi tipi di protezione esterna (coating), a seconda del

costruttore. L’interazione della luce con il coating non è uniforme per ogni lunghezza d’onda ed

angolo. Per alcune lunghezze d’onda, la superficie del Si riflette anche il 40% della radiazione

incidente, in funzione anche dell’angolo. Per questo motivo si ricoprono le celle con uno strato di

anti-reflecting coating (ARC). L’efficienza complessiva delle celle di Silicio può differire, da un

costruttore all’altro, anche del 10% a causa del coating. Per le altre celle il problema è minore.

6.2 Taratura 1 (secondo ISO 98475)

La norma ISO 9847, afferma che, le misure per effettuare la taratura, devono essere

effettuate nelle ore centrali di una giornata con cielo chiaro, con radiazione solare globale

> 600 W/m2 e con diverse serie di campionamenti per almeno 2-3 ore per coprire una

maggiore varietà di condizioni ambientali.

Questa norma è rivolta ai piranometri per motivi essenzialmente legati alla sensibilità spettrale. In

questo paragrafo si vuole verificare quanto possa essere valida la misura della radiazione globale

anche con le celle solari seguendo comunque la modalità di misura e trattamento matematico della

ISO 9847.

Questa taratura è stata effettuata con un Elog e i dati sono stati trattati con il programma

per gestire i grafici “Gidas Viewer” della Lsi-Lastem.

Nelle seguenti figure si osservano le misure con radiazione solare maggiore di 900 W/m2 e

le statistiche. In particolare nel grafico della Figura 26 sono riportate in alto le misure,

dalle 11,18 alle 12,27 del 15 maggio, del piranometro (azzurro), della cella compensata di Si

Monocristallino della IMT (violetto) espresse in W/m2 e in basso le contemporanee misure

in mV della cella di GaAs del CESI di 1,0 cm2 (verde), di Si Monocristallino di 1,5 cm2

(giallo) della IYXS e Si Policristallino della Lafayette fabbricato in Cina di 3,0 cm2 (rosso) .

5 Norma ISO 9847:1990 Energia solare – Energia Solare: Calibrazione di “field pyranometer” per comparazione con un piranometro di riferimento.

33

Figura 26 Nel grafico in alto, si osservano le misure del piranometro (linea blù) e della cella IMT Solar

(violetto) espresse in W/m2 (a sinistra), e le misure della cella GaAs (linea verde), della cella Mono (linea

gialla) e della cella Poli (linea rossa).

Nella seguente Figura 27, sono riportati i rapporti tra i segnali in mV delle celle e la

potenza in W/m2 misurata dal piranometro. Questi rapporti sono in buona

approssimazione lineari.

34

Figura 27: sono riportati i rapporti tra i mV delle celle rispetto alla misura del piranometro in W/m2. Questi

rapporti sono in buona approssimazione lineari. Questo rapporto è detto sensibilità o responsivity (ISO9060).

La linea azzurra è la cella di GaAs (1 cm2), quella verde è del Si Mono (1,5 cm2) e l’arancione del Si Poli (3

cm2) con valori che vanno da circa 0,14 a 0,22 mV/ W/m2.

Nella seguente Figura 28 è riportata la statistica delle misure precedenti. I valori della

“Media” delle ultime tre righe, sono i valori di responsivity delle celle.

35

Figura 28: sono riportati le statistiche delle misure dei grafici della Figura 26 e Figura 27. Le deviazioni

standard delle misure della responsività (ultime tre righe) sono molto minori dello 0,5% richiesto dalla

ISO9060.

Con questa taratura è stato configurato l’Elog con i valori di sensibilità per le celle,

riportati in Figura 28 e sono state fatte misure per diversi giorni che sono riportate nella

seguente Figura 29.

36

Figura 29: Nel grafico in alto, si osservano le misure per diversi giorni del piranometro e delle celle tarate. In

basso si ossevano le misure delle temperature dell’aria e delle celle.

Risultati:

La tabella 1 riporta le misure di energia totale e differenza % rispetto alla misura del

piranometro. Sono tutte sotto il 4% dei MJ/m2 totali.

La taratura secondo la ISO9847, ha dato valori accettabili, paragonabili a piranometri di

Good Quality secondo il WMO n°85 che richiedono una incertezza giornaliera entro il 5 %

del totale.

37

Tabella 1: confronto dei valori della energia totale misurata dalle celle rispetto al

piranometro considerato come riferimento.

Dai risultati si può affermare che la misura dell’energia totale giornaliera può essere

effettuata anche con celle solari tarate con piranometri, ma la misura spettrale e le diverse

inclinazioni solari durante le varie ore del giorno, richiederebbe diversi approfondimenti.

6.2.1 Osservazione sulla serie di misure.

Dal grafico di Figura 29 possiamo estrarre alcune giornate per verificare più in dettaglio il

comportamento:

Nei seguenti due grafici di giornate con cielo variabile e nubi bianche abbaglianti, nelle ore

più centrali, si osserva che le celle di GaAs CESI (azzurro scuro) e Si Mono (azzurro

chiaro) misurano circa 100 W/m2 più del piranometro (violetto) e della cella compensata

IMT (rosso). La temperatura cella e la temperatura aria sono le linee gialla e verde.

Si stima in queste giornate una componente della radiazione solare del 70% di diretta e 30

% di diffusa quando si aprono le nubi.

Ipotesi:

Con cielo variabile vi è molta radiazione diffusa e il piranometro legge un valore più basso

ricevendo una minore componente diretta. Se ne deduce che il piranometro legge meno la

componente diffusa rispetto alle celle. La cella IMT è in Si Monocristallino ma segue

meglio il piranometro probabilmente perché il suo segnale è compensato in temperatura e

perchè tiene conto elettronicamente della differenza spettrale rispetto al piranometro.

MJ/m2 totali 305,92 305,64 297,75 303,85 294,99

differenza % 0,094 1,00 -2,58 -0,58 -3,48

Cella Compensata piranometro GaAs Si Mono Si Poli

38

Le celle solari inoltre hanno la maggiore sensibilità nel vicino infrarosso e potrebbero

misurare di più a causa di una maggiore componente di radiazione in questa banda.

Figura 30 : giornata variabile con nubi molto bianche e abbaglianti. Le celle solari nelle ore centrali misurano

più del piranometro e della cella compensata.

39

Figura 31 : giornata variabile con nubi molto bianche e abbaglianti. Le celle solari nelle ore centrali misurano

più del piranometro e della cella compensata.

Nella seguente Figura 32, si osserva che in una giornata con cielo velato, si sovrappongono

tutte le misure. Quando vi sono brevi aperture tra le nuvole, si ripete il fenomeno

precedente. In giornate come questa vi è una grande variazione delle percentuali delle

componenti della radiazione solare diretta e diffusa (la diffusa è prevalente).

Figura 32: con cielo velato quasi si sovrappongono celle e piranometro.

Nelle seguenti Figure 33 e 34 si osservano i comportamenti con giornate serene.

Nelle ore centrali della giornata c’è una certa sovrapposizione tra piranometro e le celle,

mentre al mattino presto e nel tardo pomeriggio, le celle forniscono un valore di potenza

(W/m2) minore.

In queste giornate serene, si stima che la radiazione solare totale abbia una componente

della diretta del 90% e della diffusa del 10 %.

Ipotesi:

40

1- influenza dell’angolo di incidenza rispetto alla perpendicolare:

Le celle rispetto al piranometro misurano in difetto se l’angolo della radiazione incidente

non è vicino alla perpendicolare.

Questo vale soprattutto per le celle di Si Monocristallino che con angoli bassi d’incidenza,

perdono, per riflessione, fino al 40 % della radiazione per alcune lunghezze d’onda.

2- influenza sul trasferimento della potenza:

La cella solare genera una corrente. E’ possibile quindi trasferire potenza su un carico

resistivo. La curva di trasferimento della potenza e la misura del punto massimo MPP

risentono dell’intensità di illuminamento e della temperatura.

Vedi § 7.0.

3- Influenza della temperatura:

È noto che le celle solari risentono della temperatura. Nella configurazione di cella a

circuito aperto e nella condizione di MPP, la cella risente molto della temperatura.

Nella configurazione in corto circuito, la dipendenza è molto minore (circa di 1 ordine di

grandezza). Nel nostro caso le misure sono in transimpedenza perciò in condizione di

corto circuito.

4: Influenza della intensità radiazione solare:

Il trasferimento di potenza della cella solare risente molto della intensità di radiazione

solare. In corto circuito la corrente generata è in relazione lineare con la radiazione solare

incidente, mentre a circuito aperto vi è una relazione logaritmica. Negli approfondimenti

sono riportate alcune misure delle potenze a varie intensità di radiazione solare.

41

Figura 33: giornata serena con % della rad. diretta molto alta.

Figura 34: giornate serene con % della rad. diretta molto alta.

Nella seguente Figura 35, è immediato rilevare che nelle giornate con cielo variabile, le

celle sovrastimano l’intensità della radiazione incidente nelle ore centrali rispetto al

piranometro, mentre nelle giornate serene le misure si sovrappongono meglio restando

42

evidente che le celle sottostimano al mattino e nel tardo pomeriggio rispetto al

piranometro.

Figura 35: misure in giornate con diverse condizioni di cielo.

6.3 Taratura 2 nel punto massimo potenza

Questa taratura è stata effettuata leggendo il valore max del piranometro, intorno alle ore

12,00 e dividendo il corrispondente segnale della cella in quel punto per questo valore

max. Questo valore è stato poi moltiplicato per 1,01. In questa maniera si sovrastima la

misura nelle ore centrali della giornata, ma si recupera nelle ore nelle quali il sole ha una

inclinazione maggiore e le celle sottostimano.

Con questa taratura sono state fatte misure per 11 giorni come riportato nella Figura 36:

43

Figura 36: misura per diversi giorni del piranometro (violetto) e i segnali delle celle solari tarate ai quali è

stata fatta una taratura nel punto max del piranometro aumentato dell’1%.

Nella seguente Tabella 2 sono riportati i confronti dei valori della energia totale misurati

dai vari sensori in 11 giorni con diverse condizioni di nuvolosità.

Dal 09-al 21 maggio

IMT SOLAR piranometro GaAs CESI Si Mono

IYXS

MJ/m2 250 251 238 235

Differenza % rispetto al piranometro

-0.71 0 -5.21 -6.36

Tabella 2:confronto dei valori della energia totale misurata dalle celle rispetto al piranometro considerato come

riferimento.

44

Nella seguente Figura 37 e Tabella 3 sono riportati i grafici e i confronti dei valori della

energia totale misurati dai vari sensori in un giorno con cielo sereno.

Figura 37: dettaglio del giorno 15 maggio: misura del piranometro (violetto) e i segnali delle celle solari ai

quali è stata fatta una taratura nel punto max del piranometro aumentato dell’1%.

15 maggio MJ/m2 27.17 25.36 25.37 25.92

Differenza % rispetto al

piranometro

0 -6.65 -6.59 -4.58

piranometro GaAs tarata nel punto Max del piranometro

Mono tarata nel punto Max del piranometro

Poli tarata nel punto Max del piranometro

Tabella 3:confronto dei valori della energia totale misurata dalle celle rispetto al piranometro considerato come riferimento.

45

Risultato:

Come si osserva dai dati dalle Tabelle 2 e 3, la taratura nel punto massimo ha dato valori

non molto buoni, paragonabili a piranometri di Classe 2 secondo il WMO n°8 che

richiedono una incertezza giornaliera entro il 10% del totale.

Funzioni di trasferimento:

Sono state anche verificate alcune curve polinomiali che interpolando i valori della cella di

GaAs e del piranometro potessero fornire le funzioni di traferimento FDT che legano i mV

letti dalla cella e l’irraggiamento solare effettivamente ricevuto e misurato dal

piranometro.

Risultato:

La FDT al 1° e 2° ordine ricostruisce bene solo nella prima parte della giornata, mentre

nella seconda parte sovrastima rispetto al piranometro come si osserva a destra e in basso

della Figura 38.

Nella seguente Figura 38 sono mostrate curve di interpolazione polinomiale sino al

secondo ordine delle misure della cella di GaAs, ma il risultato non è accettabile.

46

Figura 38: sono riportate delle curve di interpolazione polinomiali sino al secondo ordine relative alla cella

di GaAs.

6.4 Risultati finali delle misure:

Nelle seguenti tabelle sono riportatati i risultati del confronto per le diverse celle:

Misure della energia giornaliera con cella GaAs del CESI da 1 cm2.

Posizione su piano con elevazione di 45° SUD.

La cella al GaAs è stata tarata comparando la sua misura in mV e il corrispondente valore

del piranometro di riferimento.

Successivamente questi dati sono stati trattati in Excel con polinomiali di diversi ordini

per verificare l’errore della misura di energia giornaliera rispetto al piranometro.

Piranometro Secondo

ISO9847

Taratura in

nel max (1

punto)

Con FDT 1° ordine Con FDT 2° ordine

Differenza di energia totale giornaliera rispetto al piranometro in %

0 -2,6 -6,65 +14,15 +13,36

Tabella 4: confronto dei valori della energia totale misurata dalle celle di GaAs rispetto al piranometro considerato come riferimento.

Si monocristallino da 1,5 cm2 della IXYS

Posizione su piano con elevazione di 45° SUD.

La cella è stata tarata comparando la sua misura in mV e il corrispondente valore

del piranometro di riferimento.

Piranometro Secondo

ISO9847

Taratura in nel max (1 punto)

Differenza di energia totale giornaliera rispetto al piranometro in %

0 -0,58 -6.59

Tabella 5: confronto dei valori della energia totale misurata dalle celle di Si monocristallino rispetto al piranometro considerato come riferimento.

47

Tabella 6: confronto dei valori della energia totale misurata dalle celle di Si policristallino rispetto al piranometro considerato come riferimento.

Si policristallino da 3,0 cm2 della Lafayette (fabbr. CINA)

.Posizione su piano con elevazione di 45° SUD.

La cella è stata tarata comparando la sua misura in mV e il corrispondente valore

del piranometro di riferimento

Piranometro Secondo

ISO9847

Taratura in nel max (1 punto)

Differenza di energia totale giornaliera rispetto al piranometro in %

0 -3,48 -4.58

48

7.0 Approfondimenti

In questo paragrafo si approfondiscono le ipotesi fatte sopra sul comportamento delle

celle.

7.1 Influenza della temperatura

Le celle solari risentono della temperatura in maniera diversa a seconda della configurazione. L’influenza della temperatura è maggiore nella configurazione di circuito aperto (Voc e MP), mentre in configurazione di corto circuito (Isc) è circa di un ordine di grandezza in meno.

Nel punto di Isc, di Voc e di massimo (PM) di potenza si hanno i seguenti valori, dichiarati

da alcuni costruttori: Tabella 7:

Tabella 7: sono riportati i coefficienti di temperatura per i vari tipi di celle in tre configurazioni di collegamento. (Fonti: CESI, Sunways e Elital).

GaAs Monocristallino Policristallino

Coefficiente di

temperatura per la

corrente Isc

+ 0,053 % /°C + 0,012 % /°C + 0,023 % /°C

Coefficiente per tensione

Voc

-0,19 % /°C -0,362 % /°C - 0,285 % /°C

Coefficiente per la

potenza nel punto di

MPP

-0,260 % /°C -0,498 % /°C -0,392 % /°C

49

Confronto sperimentale in temperatura tra una cella di GaAs e una di Si Mono in Isc.

Nella seguente Figura 39, si osserva che al mattino la cella di Si Mono misura un valore

più alto rispetto alla cella di GaAs. Con il crescere della temperatura di cella, però la

situazione si inverte dopo le 12 e con una temperatura cella di 50 °C. Quando la

temperatura scende, si riavvicinano.

Alle ore 8,00 la cella di GaAs misura 366 W/m2 e quella di Si Mono 388 W/m2 con 25°C

mentre alle ore 13,00 la GaAs misura 859 W/m2 mentre la Si Mono misura 840 W/m2

con 50°C.

La differenza tra GaAs e Si Mono è circa del 8 % tra le misura a 25°C e a 50°C e per ogni

grado diventa 8/25 = +0,32 %/C°

Risultato: La cella di GaAs in configurazione di Isc rispetto alla Si Mono ha un coefficiente più alto.

50

Figura 39: si osserva un confonto tra una cella di GaAs del CESI (magenta) e una cella in Si Mono della IXYS (azzurra) in relazione con la temperatura della cella (gialla) a parità di irraggiamento ricevuto.

6.2 Misura della potenza delle celle

Sono state effettuate alcune misure della potenza generata dalle celle a diverse ore del

giorno.

Le celle erano montate su un supporto con cornice nera (a destra nella Figura 40 o anche in

Figura 24) che veniva orientato verso il sole per avere il segnale massimo in Isc.

Il confronto veniva effettuato con la misura della radiazione solare diretta mediante un

“pyreliometer”.

Questo strumento (vedi WMO n°8) misura, con una termopila con superficie nero opaco,

la radiazione del sole e della sua corona mediante un’ottica che “vede” il sole solo entro un

angolo di visuale di 5°. In questo caso il puntamento durante le misure era fatto

manualmente mediante il mirino dello strumento.

Si è pensato di utilizzare il pyreliometer per avere la misura della radiazione solare

direttamente incidente sulle celle senza la componente della radiazione solare diffusa.

51

Nella Figura 40 si osservano anche la decade di resistenze per variare il carico, il

misuratore di corrente (in serie alla cella) e di tensione (in parallelo alla decade) utilizzati

per la misura della potenza.

Figura 40: si osservano le celle solari a destra, la decade e i tester.

Misure della cella di GaAs del CESI e di Si Mocristallino della IXYS:

52

Figura 41: Misure di potenza erogata dalla cella di GaAs a tripla giunzione del CESI da 1 cm2 a varie intensità di radiazione solare e temperatura. In alto sono riportate le misure sperimentali, mentre in basso le stesse riportate a 25°C nei punti Isc, MPP e Voc.

53

Figura 42: Misure di potenza erogata dalla cella di Si Moncristallino da 1,5 cm2 a varie intensità di radiazione solare e temperatura. In alto sono riportate le misure sperimentali, mentre in basso le stesse riportate a 25°C nei punti Isc, MPP e Voc.

Valutazioni:

La potenza generata da una cella solare è influenzata dalla intensità di radiazione solare ricevuta e dalla temperatura. In questo caso le misure sono state effettuate in giornate con condizioni di cielo sereno e stabile in diversi orari, ma i valori della radiazione diretta, tranne qualche eccezione, sono molto simili per un confronto a diverse intensità. Anche la temperatura delle celle era quasi sempre tra 50 °C e 62 °C. Questo non ha permesso di evidenziare grandi differenze della potenza generata in relazione alla radiazione solare e alla temperatura. Dalle misure rispetto alla temperatura si rileva che la cella di GaAs da 25° a 44°C perde circa il 5,4 % della potenza generata, da 25°c a 50°C perde circa il 7,0 % e da 25°C a 56°C perde circa l’8% della potenza. La cella di Si monocristallino da 25°C a 55°C perde circa il 12 % della potenza generata, mentre da 25°C a 62°C perde circa il 18% della potenza generata.

54

8) Conclusione

Le condizioni per ottimizzare la misura con celle solari sono fondamentalmente:

1) Linerità della misura:

Per avere una misura in cui l’irraggiamento solare ricevuto sia direttamente proporzionale alla corrente generata dalla cella si deve effettuare la misura in

configurazione di corto circuito. Questo è possibile inserendo in parallelo all’uscita della cella una resistenza di Shunt di valore molto basso. 2) Influenza della temperatura:

La misura di Isc permette di avere anche l’influenza minore possibile rispetto alla temperatura.

Eventualmente si potrebbe compensare l’influenza della temperatura mediante un sensore inglobato nella cella e una elettronica come nella cella della IMT SOLAR.

3) Influenza dell’angolo:

Tarare e posizionare la cella nella stessa posizione del pannello solare da misurare per avere la stessa radiazione solare diretta, con lo stesso angolo di incidenza. Se il pannello solare è di Si monocristallino è preferibile utilizzare una cella solare dello stesso tipo e non in Si policristallino per avere una risposta angolare simile anche quando la radiazione solare diretta ha un’angolo di incidenza basso.

4) Influenza dell’MPP: se si effettua la misura in condizioni di corto circuito, l’influenza della dipendenza dell’MPP dalla temperatura e dall’illuminamento non è da considerare.

La conclusione della comparazione tra le celle solari e il piranometro, è la possibilità di misurare l’energia totale della radiazione solare anche con celle solari tarate con piranometri. L’incertezza della misura può essere entro il 5% del totale se tarata seguendo la ISO 9847 e tra 5% e 10 % se tarata solo nel punto Max. I risultati di questo confronto tra celle solari e piranometro, sono comparabili con quanto dichiara la norma (vedi “Allegato tratto da CEI 82-25-2010”.).

55

Allegato tratto da CEI 82-25-2010

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