Principio di Funzionamento di una Cella Fotovoltaica

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA

Una cella fotovoltaica è costituita da materiale semiconduttore opportunamente trattato in relazione alla struttura atomica e alla relativa conduzione di corrente elettrica.

• MATERIALE ISOLANTE

  Gli elettroni di valenza non si possono allontanare dall'atomo in quanto sono bloccati dalla banda di valenza (banda = stato energetico)

• MATERIALE CONDUTTORE

  Gli elettroni di valenza sono liberi di muoversi e il loro movimento, provocato da un campo elettrico, origina la corrente elettrica. La banda di valenza e la banda di conduzione sono sovrapposte.

• MATERIALE SEMICONDUTTORE

  Gli elettroni di valenza non si possono muovere come negli isolanti, ma la differenza energetica esistente fra banda di valenza e di conduzione è piccola, pertanto gli elettroni possono passare con facilità nella banda di conduzione se ricevono energia dall'esterno. Tale energia può essere fornita dalla luce (effetto fotoelettrico). Grazie all'effetto fotoelettrico un semiconduttore diventa conduttore, ma non generatore elettrico!

COME OTTENERE UN GENERATORE ELETTRICO

L'atomo di silicio ha 4 elettroni di valenza. L'atomo di fosforo ha 5 elettroni di valenza. Inserendo atomi di fosforo fra quelli di silicio si crea una struttura avente un elettrone disponibile per la conduzione. Nel silicio si crea quindi un eccesso di cariche negative (elettroni) e si dice che esso è drogato negativamente (N). L'atomo di boro ha 3 elettroni di valenza. Inserendo atomi di boro fra quelli del silicio si crea una struttura con zone in cui manca un elettrone (lacune), ossia zone con mancanza di carica negativa. Tutto avviene come se fosse presente una carica positiva. Si dice che il conduttore è drogato positivamente (P). La lacuna può essere colmata da un elettrone che si sposta da un atomo vicino formando a sua volta una lacuna. Lo spostamento di elettroni in un verso corrisponde allo spostamento di lacune nel verso opposto. Mettendo a contatto la zona drogata positivamente con quella drogata negativamente si ottiene la cosiddetta giunzione P-N.

GIUNZIONE P-N

• GIUNZIONE P-N La regione N ha un eccesso di elettroni. La regione P ha un eccesso di lacune. Nella giunzione P-N gli elettroni si diffondono naturalmente dalla regione ad alta densità (N) a quella a bassa densità (P), creando un accumulo di carica negativa nella regione P. Analogamente avviene per le lacune, con formazione di accumulo di lacune (cariche positive) nella regione N. In sostanza, a ridosso della zona di giunzione si stabilisce un campo elettrico E; interno alla giunzione, il quale, una volta raggiunta la situazione di equilibrio, si oppone alla ulteriore naturale diffusione di cariche. Applicando dall'esterno una tensione U, la giunzione permette il passaggio della corrente in un solo senso, funzionando come un diodo. Tale situazione viene attuata dall'effetto fotovoltaico. La luce fornisce infatti agli elettroni l'energia sufficiente (fotoni) per passare dalla banda di valenza a quella di conduzione. L'elettrone, passando nella banda di conduzione, determina una lacuna. Le cariche elettriche sono messe in moto dalla differenza di potenziale presente nella giunzione P-N.

strato antiriflettente contatti metallici frontali strato antiriflettente migrazione degli elettroni cristallo con drogaggio n cristallo con drogaggio p circuito di richiusura contatto metallico posteriore collettore di corrente migrazione delle lacune coppie elettroni-lacune

• Nella figura 1 è schematicamente rappresentata la struttura interna di una tradizionale cella fotovoltaica al silicio monocristallino. La radiazione luminosa è assorbita nelle regioni del semiconduttore adiacenti alla giunzione pn ed origina le coppie di portatori elettroni lacune. La regione di tipo n, che è sulla parte della cella esposta alla radiazione, è a contatto con una pellicola trasparente di ossido conduttore o da una griglia metallica specificamente progettata per oscurare solo una frazione modesta della superficie. Lo strato conduttore o la griglia metallica costituiscono l'elettrodo positivo.

CARATTERISTICHE ELETTRICHE DELLE CELLE FOTOVOLTAICHE

• CURVA CARATTERISTICA CORRENTE-TENSIONE

  Uoc = tensione a vuoto (0,5 - 0,6V) Isc = corrente di corto circuito ( 30 -35 mA/cm2 )

• PUNTO DI FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA CHIUSA SU UNA RESISTENZA R:

  È l'intersezione della curva caratteristica corrente-tensione con la retta U=RI. Se il punto di funzionamento corrisponde a Imax e Umax (punto C), tale condizione è quella per la quale il generatore eroga la massima potenza. Infatti la potenza P=UI corrisponde all'area del diagramma

• FATTORE DI RIEMPIMENTO - FILL FACTOR - FF

  Maggiore è FF, tanto più squadrata è la caratteristica di riempimento! I valori di FF indicano la qualità globale della cella. Valori tipici: 0,70 - 0,85 FF _ MAX . I MAX Uoc . Ioc Sc Uo U U=RI

* Imax C R - U* Umax U

EFFICIENZA DI CONVERSIONE

Varia fra 8 e 20% e determina la superficie delle celle necessaria per ottenere una determinata potenza MAX POTENZA EROGATA (= UMAX . I MAX ) n = POTENZA RICEVUTA DAL SOLE

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

TIPOLOGIA DELLE CELLE FOTOVOLTAICHE

MONOCRISTALLINO SILICIO 90% POLICRISTALLINO CELLE A FILM SOTTILE 10% ALTRO (PER TECNOLOGIE PARTICOLARI)

MODULO FOTOVOLTAICO

1 CELLA POTENZA = POCHI WATT 1 MODULO PIU' CELLE COLLEGATE FRA LORO COLLEGAMENTO CELLE IN SERIE IN PARALLLELO U TOT = ZUi U = TENSIONE SINGOLA CELLA I ΤΟΥ = ΣΙ. I = CORRENTE SINGOLA CELLA 15 Isc U U2 U3 U4 U5 U 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. 12 Uo TU

STRUTTURA DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA

CORNICE METALLICA SIGILLANTE VETRO MATERIALE DI INCAPSULAMENTO CELLA FOTOVOLTAICA CHIUSURA POSTERIORE

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 °C

• 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 ℃ . VELOCITA' DEL VENTO: 1 m/s . MODULO FUNZIONANTE A VUOTO.

DATI NOMINALI E SCELTA DEL MODULO (CONTINUA)

• Il costruttore indica la temperatura NOCT ( TNOCT ). TNOCT è variabile fra 40 e 50 ℃ .
• N.B .: bassi valori di TNOCT indicano una buona capacità di smaltire il calore verso l'esterno.

• Per irraggiamenti diversi dal valore NOCT (800 W/m2) la temperatura viene corretta con l'espressione: TCELL =T -(NOCT -20) AMB GI + 800 Gp = IRRAGGIAMENTO SOLARE SUL PIANO DEI MODULI Per t # 25°C : APm% = CT(TCELL - 25) AP = Variazione percentuale di potenza CT = Coeff. tabellato

• I moduli di silicio hanno una riduzione di efficienza dopo 6-12 mesi.

• La potenza nominale dichiarata dal costruttore si riferisce alla potenza stabilizzata (cioè già decurtata delle perdite dopo 6-12 mesi), ma occorre tener conto della maggiore potenza per l'accoppiamento con l'inverter (il modulo fotovoltaico produce una corrente continua, la quale viene trasformata dall'inverter in c. alternata; l'inverter deve essere accoppiato alle celle sulla base di parametri elettrici, tra i quali la potenza prodotta). Inoltre occorre considerare la tensione prodotta e la relativa classe di isolamento in relazione alla protezione dai possibili contatti indiretti: classe di impiego A per U>120V cc (moduli considerati CLASSE II), classe di impiego C per U≤120V cc (moduli considerati SELV). I moduli in classe di impiego B sono considerati senza protezione contro i contatti diretti.

ALTRI DATI FORNITI

• NOME COSTRUTTORE
• MODELLO
• Nº SERIE
• POLARITA' DEI TERMINALI O DEI CONDUTTORI
• MAX TENSIONE DI ESERCIZIO PER CUI IL MODULO E' ADATTO
• CLASSE DI IMPIEGO DEL MODULO
• SIMBOLO DI CLASSE II (PER MODULI A)
• Uoc TENSIONE A VUOTO
• Isc CORRENTE DI CORTO CIRCUITO
• POTENZA MASSIMA ± TOLLERANZA PERCENTUALE
• EFFICIENZA DI CONVERSIONE (n)

  È il parametro più noto ma è meno importante di quanto sembra! Infatti un modulo avente efficienza inferiore può produrre la stessa potenza di un modulo avente efficienza superiore se la propria superficie è maggiore. Moduli ad alta efficienza sono utili dove c'è meno spazio.

TOLLERANZA SU POTENZA NOMINALE

• TOLLERANZA SU POTENZA NOMINALE È in genere sottovalutato, ma invece è importante! Esempio: Se i moduli considerati avessero potenza nominale P con tolleranza pari a ±10%, l'impianto potrebbe fornire una potenza pari a 0,9 P. Pertanto potrebbe essere più interessante valutare un lotto con tolleranza ±5%, anche se più costoso.

• TEMPERATURA NOCT e COEFFICIENTE DI TEMPERATURA CT Indicano come aumentano le perdite in funzione della temperatura. Un modulo è tanto più pregiato quanto minori sono TNOCT e CT . Tanto più la temperatura ambiente è elevata, tanto maggiore è il vantaggio conseguibile con moduli a bassa TNOCT e CT . I moduli in film sottile sono meno sensibili alla temperatura, quindi sono più adatti dove essa aumenta per mancanza di ventilazione, ad es. negli interventi integrati architettonicamente.

• CERTIFICAZIONI E GARANZIE CONTRATTUALI I moduli certificati e garantiti hanno maggior probabilità di durare e produrre energia per tutta la vita utile dell'impianto. Per ottenere una tariffa incentivante i moduli devono essere certificati da un organismo di prova, indipendentemente dal costruttore, che ne attesti la conformità in base alle norme di prodotto. La garanzia dovrebbe riguardare il mantenimento delle condizioni iniziali! Ad es .: 90% della potenza nominale fino a 12 anni e 80% fino a 25 anni.