Fotovoltaico: composizione, funzionamento e produzione di energia elettrica

FOTOVOLTAICO

La cella fotovoltaica

• Una cella fotovoltaica è costituita da materiale semiconduttore, generalmente silicio, opportunamente trattato.
• I semiconduttori sono materiali che hanno una resistività (o anche una conducibilità) intermedia tra i conduttori e gli isolanti. Nel caso della cella fotovoltaica, a causa delle radiazioni solari gli elettroni degli orbitali più esterni degli atomi (le particelle dell'atono che si trovano più lontane dal nucleo) di silicio ricevono una quantità di energia tale da poter circolare (elettroni di conduzione).

Principio di funzionamento di una cella fotovoltaica: il generatore

• Il componente elementare del generatore è la cella fotovoltaica in cui la radiazione solare diventa corrente elettrica. Come è possibile?
• Un atomo di silicio, materiale che forma la cella fotovoltaica, ha 4 elettroni (carica negativa) nel suo orbitale esterno più lontano dal nucleo: Elettroni esterni (4) NUCLEO (formato da protoni e neutroni) 1 +144 +4 o dell'ato li silicio modello completo dell'atomo di silicio

Principio di funzionamento di una cella fotovoltaica: il generatore

Affinché questi 4 elettroni diventino elettroni di conduzione, capaci quindi di causare la corrente, è necessario trattare il silicio in questo modo: si inseriscono tra gli atomi di silicio atomi di fosforo (che ha 5 elettroni esterni) e atomi di boro (che ha 3 elettroni esterni). In questo modo dove si è inserito il fosforo (simbolo P) un elettrone si è liberato (drogaggio negativo N), mentre dove si è inserito il boro (simbolo B) si è formato uno spazio vuoto, (perché manca un elettrone) chiamato lacuna (drogaggio positivo P). L'elettrone si sposterà così verso le lacune. Mettendo a contatto la zona drogata positivamente con quella drogata negativamente si ottiene la cosiddetta giunzione P-N. Silicio drogato Si Si O Si 0 O Lacuna Elettrone libero O O O B Si P Atomo di BORO Atomo di FOSFORO O O Si Si Si

Drogaggio dell'atomo di silicio

nte a quello di una carica libera. Per capirio facciamo riferimento alla seguente figura: Situazione iniziale Situazione finale . Si Si Si . Si Si Si Si . Si atomo di boro lacuna B Si Si Si B Si Si Si Si Si . Si SI Si Si Si L'elettrone ha rimpiazzato la lacuna La lacuna si spostata in verso opposto Figura 1.8 - Funzionamento cella fotovoltaica Carico Radiazione luminosa Corrente elettrica Silicio tipo n Giunzione p-n Silicio tipo p Fotoni AFlusso di elettroni Flusso di lacune di boro

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA

• Nella zone di giunzione P-N gli elettroni si sposteranno dalla zona N dove sono più concentrati, verso la zona P dove sono meno concentrati. Per cui nella zona P ora di ha un eccesso di carica negativa (presenza di elettroni) e nella zona N un eccesso di carica positiva. A questo punto si origina un campo elettrico interno alla giunzione P-N che si oppone ad un ulteriore passaggio di corrente. Se si applica una tensione dall'esterno, la giunzione permette il passaggio di corrente in un solo senso (funzionamento da diodo, cioè permette il passaggio della corrente attraverso di esso in una direzione con maggiore facilità rispetto all'altra). La cella fotovoltaica funziona da diodo.

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA

• Tale situazione viene attuata dall'effetto fotovoltaico. La luce solare fornisce agli elettroni l'energia sufficiente (fotoni) per diventare elettroni di conduzione. L'elettrone, muovendosi così, crea una lacuna. Le cariche elettriche sono messe in moto dalla differenza di potenziale presente nella giunzione P-N.

La cella fotovoltaica

Una cella solare trasforma direttamente la luce solare in corrente elettrica. Particelle subatomiche cariche negativamente (elettroni) ven- gono fatte uscire dal semicon- duttore grazie ai quanti di luce (fotoni) e vengono poi raccolti dalla griglia conduttrice. Griglia conduttrice - Strato antiriflesso Strato N strato siliceo Strato limite Strato P + Struttura portante Disegno schematico di una cella cristallina

Caratteristiche elettriche della cella fotovoltaica

Guardando il grafico accanto, possiamo dire che se prendiamo un punto della linea curva, il punto C, l'area compresa tra la sua ascissa (Vm) e la sua ordinata (Im), rappresenta la potenza elettrica di una cella prodotta in corrispondenza di Im e di Vm. Nel caso del punto C abbiamo l'area massima, cioè la produzione massima di potenza. FF U MAX . I MAX Uoc . Ioc Questa formula ci dà il valore del fattore di riempimento (FF) della cella. Il fattore di riempimento ci dà un'indicazione delle prestazioni di una cella. Più alto è il valore di FF, migliori saranno le prestazioni della calla fotovoltaica. IA Isc C IM Massima Potenza 0 VI Voc Figura 4: Curva tensione corrente di una cella fotovoltaica

Caratteristiche elettriche della cella fotovoltaica

• INFLUENZA DI IRRAGGIAMENTO SOLARE E TEMPERATURA La caratteristica I-U della cella varia in funzione dell'irraggiamento solare e della temperatura. Sono fattori da considerare nel progetto dell'impianto. All'aumentare dell'irraggiamento aumenta la corrente di corto circuito Isc della cella. All'aumentare della temperatura diminuisce la tensione a vuoto Uoc e il fattore di riempimento FF. AUMENTO IRRAGGIAMENTO AUMENTO TEMPERATURA U

Caratteristiche elettriche della cella fotovoltaica

MODULO FOTOVOLTAICO 1 CELLA POTENZA = POCHI WATT 1 MODULO PIU' CELLE COLLEGATE FRA LORO COLLEGAMENTO CELLE IN SERIE IN PARALLELO UTUT - EU, U, - TENSIONE SINGOLA CELLA I - CORRENTE SINGOLA CELLA X Lb 3 3 Più celle collegate fra loro costituiscono un blocco di celle. Combinando fra loro blocchi di celle in serie e in parallelo si ottengono moduli con tensioni e correnti diverse. Il modulo fotovoltaico è costituito da celle incapsulate con un sistema di cablaggio che le isola verso l'esterno, le protegge dagli agenti atmosferici, resiste ai raggi UV, alle basse temperature, alle variazioni di temperatura, all'abrasione e inoltre smaltisce facilmente il calore. H 8

Pannelli fotovoltaici

Cella Modulo Stringa Generatore fotovoltaico insieme di stringhe collegate In parallelo per ottenere la potenza voluta

STRINGHE E CAMPO FOTOVOLTAICO

• MODULARITA' La modularità della tecnologia PV (fotovoltaico) è un vantaggio! MODULO+MODULO+MODULO+ ... COLLEGATI IN SERIE = STRINGA STRINGA - STRINGA - STRINGA - ... COLLEGATE IN PARALLELO = CAMPO FOTOVOLTAICO Più moduli in serie permettono di ottenere la tensione richiesta. Più moduli in parallelo permettono di ottenere la potenza richiesta.

Dati nominali e scelta del modulo

• I dati nominali caratterizzano le prestazioni del modulo fotovoltaico.
• Le prestazioni sono paragonabili solo a parità di condizioni ambientali e irraggiamento solare, pertanto le condizioni di prova dei moduli al fine della determinazione delle prestazioni devono essere standardizzate.
• CONDIZIONI UTILIZZATE IN LABORATORIO: STS (STANDARD TEST CONDITIONS) IRRAGGIAMENTO SOLARE: 1000W/m2. TEMPERATURA: 25 ℃ . La caratteristica corrente-tensione della cella fotovoltaica varia al variare delle condizioni ambientali, pertanto sono introdotte delle condizioni operative per calcolare l'influenza della temperatura sulla potenza prodotta dalla cella: NOCT (NOMINAL OPERATING CELL TEMPERATURE) IRRAGGIAMENTO SOLARE: 800 W/m2 . TEMPERATURA AMBIENTE: 25 °C . VELOCITA' DEL VENTO: 1 m/s . MODULO FUNZIONANTE A VUOTO. 10

INVERTER

INVERTER METTE IN PARALLELO L'IMPIANTO PV CONLA RETE ENEL ADEGUA LA FREQUENZA CON I VALORI DI RETE SINCRONIZZA LA TENSIONE CON I VALORI DI RETE SI DISATTIVA PER ASSENZA DI RETE PER VALORI DI TENSIONE E DI FREQUENZA CHE ESCONO DAL RANGE PREFISSATO FUNZIONA ENTRO UN INTERVALLO DI TENSIONI IN INGRESSO AL DI FUORI DELLE QUALI VA IN STAND BY STRINGHE TENSIONE MAX QUANDO TEMPERATURA È MIN TENSIONE MIN QUANDO TEMPERATURA È MAX TENSIONI MAX E MIN DI STRINGA DEVONO RICADERE ENTRO L'INTERVALLO ACCETTATO DALL'INVERTER CON UN BUON MARGINE DI SICUREZZA !! 16

L'inverter

L'inverter trasforma la corrente continua, prodotta dal generatore, in corrente alternata.

Impianto fotovoltaico

2 1 Generatore fotovoltaico 2 Quadr lato c.c. 0 Convertitore statico c.c./c ... Quadro lato cha. - Collegamenti c.c. Rete distributore - Collegamenti c.a.

Schema elettrico impianto fotovoltaico

3 Kwp E1 Contatore bi-direzionale misura energia immessa / prelevata Interruttore Id Utenza domestica E2 Contatore Gse misura energia prodotta dall'impianto fv Interruttore Sistema di monitoraggio impianto Internet Inverter Cavo Q Misuratore di tempertura e irraggiamento Sezionatore Moduli fotovoltaici

Produzione energia elettrica

In generale l'energia prodotta dalle celle fotovoltaiche è uguale a: E = P.t P = potenza t = tempo di funzionamento Le ore di funzionamento dell'impianto sono pari al numero di ore annuo meno le ore fuori servizio per manutenzione o inconvenienti tecnici. L'energia prodotta da un impianto fotovoltaico dipende da: ·RADIAZIONE SOLARE DISPONIBILE, · ORIENTAMENTO E INCLINAZIONE DEI MODULI, · RENDIMENTO DELL'IMPIANTO.