FONDAMENTI DI SISTEMI FOTOVOLTAICI Sistemi e Impianti Fotovoltaici Le celle e i moduli fotovoltaici...
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FONDAMENTI DI SISTEMI FOTOVOLTAICI
Sistemi e Impianti Fotovoltaici Le celle e i moduli fotovoltaiciPrincipi chimico-fisiciLe tecnologie (Si, GaAs,CdTe, ecc.)I limitiProcessi e costiEsempi di applicazioni
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La potenzialità dell’ energia solareLa potenzialità dell’ energia solare
Radiazione solare ≈ 90 000 000 Mtep/a Consumo mondiale ≈ 10 000 Mtep/a
1250 kWh/metro quadro all’anno1000 kWh/mq al Nord Italia, 1500 al Sud Italia
La potenzialità dell’ energia solare è, per ora, 10.000 volte il consumo mondiale di energia
Ma non illudiamoci !!!
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Solare Fotovoltaico
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Tetto tradizionale con moduli in Silicio micromorfo (0,38 m2; h =13%)
Copertura in Silicio amorfo da 100mqProduzione media annuale 15MWh
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Facciata Fotovoltaica (6,5 kWp) del Ministero dell’Ambiente della Baviera (1993)
Dettaglio della facciata con moduli semi trasparenti in a-Si:H/a-Si:H/Ge (42 Wp/m2)
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Sistemi ad inseguimento solare: ad uno o due assi. Miglioramenti:Con un solo asse E-W inclinato 28% Con due assi 34%
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Modulo a concentrazione a inseguimento solareCelle multigiunzione al GaAs, Rendimento celle: 40% Superficie 8,4 m2 Rendimento del modulo: 17,9 %Wp/m2 Costo previsto= 1,52 [€/Wp]
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• La cella al silicio: modello, principi di funzionamento, prestazioni e rendimento
• Le tecnologie • Le celle multigiunzione• Il rendimento delle celle multigiunzione
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La cella monogiunzione: un modello elementare
Potenza entrante: energia solare Potenza uscente: energia elettricaPotenza dissipata: energia termica ed irradiata
I simbolistrutturale elettrico
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La caratteristica corrente-tensione (I-V) della cella fotovoltaica
a) Rilevazione al variare dell’illuminazione a 25oC;b) Punto di massima potenza PM=IM.VM (MPP: Maximum Power Point)
a) b)
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Potenza massimaPm= Im.Vm= FF.Isc.Voc
I
Isc
Im
0 Vm Voc V
Caratteristica I-V schematizzataFF: Fattore di riempimento ( Fill Factor )
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f(E)
0,5
Ev EFp EF EFn Ec E
P I N
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p
n
EC
EFn
EV
EC
EFn
EV
pnEFnEFp
n
pEg
Eg
Egeo
e(o –V)
eV
I=Io (exp(eV/kT)-1]
EgEg
Semiconduttoridrogati e isolati
Giunzione npnon illuminata
Giunzione illuminataed erogante la corrente I EFn
EFp
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Eg=h/
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V oc per cella ideale
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Radiativa Auger Prodotta da difetti(intrinseca) (estrinseca) (estrinseca)
I meccanismi di ricombinazione di volume “bulk”
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Cella c-Si con contatti posteriori
Silicio cristallino GaAlAs
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Telloluro di cadmio
CdTe CIGSSilicio amorfo
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Cella elettrolitica Cella solare “Dye Cell” polimerica
Struttura
giunzione
Livelli “energetici”
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Cella multigiunzione Tandema-Si/Ge, m-Si,…
Tandem Tandem Parallele2 giunz. 3. giunz. 3 giunz.
Cella multispettrale
2Eg1 = Eg
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Esempi:
Celle monogiunzioneCella CdTeEg=1,5 I=2 da cui P=3Cella ideale (GaAs) Eg=1 I = 4 da cui P=4Cella al SilicioEg=1,1 I = 3,2 da cui P=3,5
Celle multigiunzioneCella amorfa tripla giunzione con Egi= 1,8/1,6/1,4 cui corrispondono Ii=1,4/0,5/0,3Si ha P=Egi.Ii= 3,74Cella micromorfa conEgi=1,75/1,1 cui corrispondono Ii=1,5/1,7Si ha P=Egi.Ii= 4,49
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Rendimento limite termodinamico
9595Carnot
Assorbimento ed irradiaz. Bidirez corpo nero Tc = Ta
73,793,3(Landesberg)
Irradiaz. bidirezionaleUn solo circolatore Tc = Ta
7090Convertitore non reciproco
Convertitore ideale Tc =2544oCIrradiaz. bidirez.
53,6 85Assorbitore a corpo nero (Müser)
Teorico! 68,286,8Infinite giunzioni
Non dato52,5 2,14/1,53/1,10/0,72
67,94 giunzioni
a-Si:H/a-SiGe, 13,5; 1,8/1,6/1,4
48,6 1,95/1,30/0,8263,23 giunzioni
a-Si:H/c-Si:H, 14,7 1,75/1,142,5 1,70/0,9755,72 giunzioni
c-Si monocrist., 24,7 31 1,31
40,81 giunzione
Esempi di tecnologieMateriali, %, Eg delle giunzioniNote
Radiazione senza concentrazione % Eg delle giunzioni
RadiazioneConcentrata%
Tipologia
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Evoluzione delle tecnologie fotovoltaicheEvoluzione delle tecnologie fotovoltaiche
Cu [€/m2)
%
1- Silicio cristallino1- Silicio cristallino2- Film sottile2- Film sottile3- Il futuro?!3- Il futuro?!
33
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UNISOLAR 3mx0,4m circa 0,5KWp UNISOLAR 3mx0,4m circa 0,5KWp rendimento 7-10%rendimento 7-10%
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Stato di avanzamento del progetto ARENDI (Gruppo Marcegaglia)
– Apr, ‘07 Avvio progettazione esecutiva– Apr. ‘08 consegna primi impianti ed avvio set-up– Ott. ‘08 consegna impianti, Dic. avvio prove produzione– Primo semestre ’09 inizio produzione
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Viste schematiche dall’alto e laterale dell’impianto Unisolar per moduli a-Si in film sottile
Contatto opacoCella multigiunzioneContatto trasparente
Substrato acciaio inox Struttura integrata delle celle nel modulo
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Schema dell’impianto Oerlikon Solar
CS: Stazionamento CassetteEH: Stazione di maneggiamento esternoLL: camere di caricamento e chiusuraTC: camera di trasferimentoPC: camere di trattamento
Processo a lotti Oerlikon SolarDimensioni moduli: max 1100x1250 mm Capacità produttiva: 20 MW/a
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2000 2007 2010 2020 20302000 2007 2010 2020 2030
c€/kWhc€/kWh
5050
4040
3030
2020
1010
00OC + int.5%/anno
OC + int.10%/annoOC + int.10%/anno
PV solo ammort.PV solo ammort.
PV ammort.+ int. 3 %PV ammort.+ int. 3 %
UD + int.3% /annoUD + int.3% /anno
OC=olio combustibile OC=olio combustibile UD=utenze domesticheUD=utenze domestiche
Scenari di evoluzioneScenari di evoluzione dei costi del kWh per l’ energia fotovoltaicadei costi del kWh per l’ energia fotovoltaica
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= = ~~
Utenza Utenza Residenz.Residenz.
PVPV
Rete locale ACRete locale AC
Rete pubblicaRete pubblica
Generazione distribuita con riserva per black-Generazione distribuita con riserva per black-outout
ContatoreContatored’Impiantod’Impianto
= = ~~
Utenza Utenza Residenz.Residenz.
PVPV
Gruppo di Gruppo di continuitàcontinuità
• Produzione fotovoltaica in rete • Rendimento globale 10%
• 25 m2 di tetto/1 MWh.anno
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educazione
economia
ecologia
etica
estetica
energia
SviluppoSostenibile
Le 6E dello sviluppo sostenibileLe 6E dello sviluppo sostenibile