La concentrazione fotovoltaica e l'attività di ricerca per...

Giorgio Graditi, Carlo Privato

ENEA - Centro Ricerche Portici (NA)Unità Tecnica Tecnologie, Laboratorio Tecnologie Fotovoltaiche (UTTP-FOTO)

RelatoreGiorgio Graditi

La concentrazione fotovoltaicae l'attività di ricerca per i componenti

fotovoltaici e di sistema

Fiera di Roma ‐ 10 settembre 2010

SOMMARIO

L’impegno ENEA sul solare fotovoltaico a concentrazione

L’attività di ricerca ENEA per i componenti e sistemi fotovoltaici

POTENZIALITA’ DEL FOTOVOLTAICO A CONCENTRAZIONE

La concentrazione della radiazione solare permette di ridurre l’area

dell’elemento attivo

Nel medio‐lungo termine può coniugare alta efficienza e basso costo

‐materiali III‐V con struttura MJ‐ incremento del fattore di concentrazione

Lo sviluppo della tecnologia ha un impatto diretto sul BOS (inseguitori,

ottiche, sistemi di conversione, etc): coinvolgendo un sistema industriale già

consolidato può assicurare una learning‐curve più rapida

La tecnologia non ha ancora raggiunto la piena maturità industriale

E’ idonea per applicazioni energetiche: generazione centralizzata e

distribuita

Vantaggi ambientali e socio‐economici

ATTIVITA’ ENEA SUL FOTOVOLTAICO A CONCENTRAZIONE

2002‐2006 Obiettivi progetto

2007‐2010 Nuovi sviluppi: celle, componenti BOS

Progetto PhoCUS ‐ Photovoltaic Concentrators to Utility Scale

Progetti nazionali/europei e supporto all’industria

sviluppo di una tecnologia per il fotovoltaico a media concentrazione (Point Focus) per dimostrarne la fattibilità tecnica e la maggiore potenzialità nella riduzione dei costi

diffusione delle competenze e promozione di iniziative industriali

PROGETTO PHOCUS - PhotovoltaicConcentrators to Utility Scale

OBIETTIVI

Dispositivo attivo: robusto, buona efficienza, basso costo

Ottica: rifrattiva point focus, 200X

Modulo: integrato

Eliostato: 2 assi, elevata accuratezza di puntamento (+/‐0.2°)

Unità base: 5 kWp per la generazione diffusa

Tecnologie: mutuate dai settori portanti dell’industria italiana(automotive, elettromeccanica, elettronica)

Costo di sistema: 4,1€/Wp per volumi di produzione di 5 MWp/anno


ROAD MAP

Suns Isc (A) Voc (V) FF (%) Eff (%)1 0.0444 0.645 83.02 19.64 22 1.0049 0.722 82.13 21.78 54 2.4265 0.741 78.2 21.28 98 4.3616 0.752 74.2 20.47 158 7.0127 0.758 69.12 19.22

Sviluppo di una cella ENEA in c‐Si: tecnologiarobusta e poco costosa

Griglia frontale lineare:

Efficienza = 20% a 100 soli

18% a 200 soli

Area 1,21 cm2


Sviluppo di una lente prismatica (brevetto ENEA) in PMMA per produzione in serie a basso costo con la tecnologia dello “stampaggio a iniezione”

Efficienza teorica = 86%

Efficienza ottenuta = 80%

Collaborazioni industriali: Borromini


Collaborazioni industriali: EniPower, ANSA Compositi

Sviluppo di un modulo integrato (brevetto ENEA‐ENI Tecnologie) in composito da produrre in serie a bassimo costo con la tecnologia dello

“sheet moulding compound”

Realizzati con celle

HECO252 SunPower

Eff. = 23,5% a 200 soli


17.3%Efficienza

100WPM

6.6AISC

19VVOC

24 in serieN. celle

1x0.68m2Dimensioni

Sviluppo di un inseguitore solare a due assidi elevatissima precisione

eliostato da 32m2

inseguimento alt‐azimutale realizzato con motorielettrici passo‐passo, motoriduttori epicicloidali e chiocciola‐vite senza fine

doppio controllo: loop aperto (per inseguimentocon o senza sole), loop chiuso con sensore CCD per posizionamento fine

Collaborazioni industriali: Galileo Avionica, ATEC

ENEA ManfredoniaENEA Manfredonia

ENEA PorticiENEA Portici

Precisione in funzione del ventoV < 40 km/h ± 0.2°40 > V < 60 km/h < ± 0.3°60 > V < 90 km/h < ± 0.7°V > 90 km/h homing


Cella ENEA in c‐Si: nuova griglia, antiriflesso migliorato, dimensioni ottimizzate per diversi livelli diconcentrazione

Cella da 0.64cm2 Efficienza > 22% a 100 soli

Cella da 1.21cm2 Efficienza > 20% a 200 soli

Griglia quadrata

Cella

Maschera

1 10 100

16

17

18

19

20

21

22

23

Effi

cien

za (%

)

Soli

D4406_3(0.3cm,0.64cm2) D4406_27(0.3cm,0.64cm2) C03PH1_4(0.1cm,1.21cm2) C03PH1_10(0.1cm,1.21cm2) C03PH1_15(0.1cm,1.21cm2) C02PH1_8(0.1cm,1.21cm2 griglia Phocus)

PROGETTO PHOCUS ‐ ULTERIORI SVILUPPI

Collaborazioni industriali: Borromini

Sviluppo di un nuovo progetto di lente ibrida prismatica‐Fresnel (brevettoENEA) in PMMA da produrre in serie a bassimo costo con la tecnologia dello

“stampaggio a iniezione”

Efficienza = 82%

+ 2% rispetto

alla prismatica


0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20Voltage (V)

Cur

rent

(A)

DNI Power 840 W, Tcell= 40°C

Introduzione di un’ottica secondaria per

Voc 18.58 V

Isc 6.61 A

FF 75 %

Rs 0.315

RSh 536

Efficienza = 18.7%

(riferita all’area otticamente attiva)

recuperare sulle perdite per disallineamenti aumentare l’angolo di accettanza mitigando le specifiche del tracker

Collaborazioni industriali: ANSA Compositi


ENEA - ManfredoniaEliostato IIa serie

Sviluppo di un nuovo inseguitore diminor costo avente le seguenti

caratteristiche:

Collaborazioni industriali: ATEC

Piano in travi scatolate invece chereticolari saldate

Area eliostato pari a 35m2

Sostituzione dei riduttoriepicicloidali con trasmissione a catena

Massima precisione richiesta ± 0.4° a V < 40 km/h (invece di ± 0.2°)

Controllo con elettronica dedicatasviluppata da ENEA


Collaborazioni industriali: ANSA Compositi

Sviluppo di un modulo integrato tipo PhoCUS con celle triple III‐V

Celle Spectrolab CDO‐100‐IC Efficienza = ~35% a 250 soli

Area cella 1cm2

Diodo di by‐pass integrato

Nuovo design ottica secondaria e dissipatore termici

Caratteristiche modulo

242XConcentrazione

130WPM

2.4AISC

67VVOC

24 in serieN. celle

1x0.68m2Dimensioni


MJC MODULE I-V CURVE

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 10 20 30 40 50 60 70

VOLTAGE [V]

CU

RR

ENT

[A]

Voc 66.9 VIsc 2.41 AFF 82 %Rs 1.12 Rsh 358

MJC MODULE P-V CURVE

0

20

40

60

80

100

120

140

0 10 20 30 40 50 60 70VOLTAGE [V]

POW

ER [W

]

Efficienza = 26.7%

(riferita all’area otticamente attiva)

DNI 840 W Tcell= 45°C

Sviluppo di un modulo integrato tipo PhoCUS con celle triple III‐V


Pirelli LabsTelecom Barra L’impianto da ~ 1kWp è stato

installato presso la sedeTelecom di Barra (NA).

Un tracker commerciale prodotto dalla DEGERenergie èstato modificato da ENEA per garantire una accuratezza di ±0,3° tramite un sensore difeedback è l’implementazione diuna logica di controllobrevettata.

Collaborazione con Pirelli Labs per lo sviluppo di sistemi modulari di piccola taglia


L’esperienza PhoCUS ha dimostrato la fattibilità tecnica del FV a concentrazione con l’impiego di tecnologie mutuate da settori in cui l’industria italiana è all’avanguardia

E’ una tecnologia che consente ampi margini di miglioramento in tempi relativamente brevi

Il rapido sviluppo delle celle a multigiunzione in termini di efficienza e abbattimento dei costi può essere assimilato immediatamente e accelerare in misura significativa il percorso della tecnologia del FV a concentrazione verso la competitività

Approfondimenti sono necessari per determinare il degrado dei componenti a lungo termine

L’ESPERIENZA PHOCUS

APOLLON:Multi‐APprOach for high efficiency integrated and inteLLigent cONcentratingPV modules (Systems)

Partners: 16 partners: Cesi Ricerca, JRC Ispra, ENEA, ENEL, Ferrara university, SolarTec, ecc.

5 Years ‐ 11.8 M€ (Starting 2008)

PRINCIPALI PROGETTI

IN CORSOEu

rope

an

VII FP

ItalianMinistry

forIndu

stry

SCOOP: Italian Solar COncentration technOlogies for Photovoltaic systems

Partners: ENEL, ENEA, CESI, ERSE, CRP, CNR‐INOA, SAVIO, Riello, STMicroelectronics, SGS Future, Calzavara, CREAR, Alitec, Consorzio Catania Ricerche

3 anni ‐ 17 M€ (Starting 2009)

ELIOSLAB

Innovative PV to reduce building energy requirement and distributed micro‐generation

Partners: ENEA, Angelantoni Industrie, CRIS, Napoli Universities

3 Years ‐ 1,2 M€ (Starting 2008)

ItalianMinistry

forRe

search

PRINCIPALI PROGETTI

IN CORSO

FOTOENERGIA_RdB (FIRB‐MUR)

Innovative PV to reduce building energy requirement and distributed micro‐generation

Partners: ENEA, CESI Ricerca, Parma – Ferrara – Napoli – Bologna Universities

Coordinator: ENEA

3 Years ‐ 1,1 M€ (Starting 2007)

ItalianMinistry

forRe

search

WP1 ‐ Optimisation of existing material and monolithic and discrete MJ cells (WP1 leader ENEA)

• Optimisation of cSi cells (in collaboration with NAREC)• AR for long term stability

WP2 ‐ Advanced MJ Solar cells

• Growth and characterization Epitaxial Ge/Si by PECVD

WP3 ‐ Development of Point Focus System

• Development of small area prismatic lens and parquet to increase optical efficiency

• Development in collaboration with ERSE, CRP, Tecnalia RBTK of the tracking devices for the module integrated position sensitive sensor and MPPT

PROGETTO APOLLON

Attività ENEA

PROGETTO APOLLON

WP5 ‐ Testing and Performance Evaluation

• Lens and mirror Testing • Solar cell Testing • Module characterization• Round‐Robin test plan on outdoor module testing

WP7 ‐ Dissemination of the Project Results

• ENEA having a decades‐long experience in the filed will support all consortium initiatives for the dissemination and/or exploitation of project results, and management of intellectual property

PROGETTO SCOOP

Filiere italiane integrate per la realizzazione e la diffusione commerciale di sistemi fotovoltaici innovativi

Integra sinergicamente quattro filiere produttive per lo sviluppo tecnologico, la realizzazione, l’implementazione industriale e la commercializzazione di sistemi C‐PV, nonché le strutture per la loro caratterizzazione e qualificazione.

I quattro prodotti sono destinati a coprire le aree di mercato di maggior interesse dei sistemi di generazione fotovoltaici

PROGETTO FOTOENERGIA

RB5: Celle solari Polimeriche

Studio di tecniche di incollaggio e sviluppo di trattamenti antiriflesso, antipolvere, antigraffio su lenti polimeriche realizzate in materiali resistenti all'UV

a4.3

Studio, sviluppo e realizzazione di ottiche innovative per aumentare l'angolo di accettanzanella media‐alta concentrazione

a4.2

Creazione di modelli, progettazione e realizzazione di ottiche a separazione spettrale per ricevitori fotovoltaici utilizzanti celle ottimizzate per specifici parti dello spetto per applicazioni diversificate

a4.1

RB4: Ottiche innovative per la concentrazione

RB3: Celle multistrato III‐V e basate su materiali innovativi

RB2: Celle a film sottile su substrati polimerici e flessibili

RB1: Celle di cSi ad alta efficienza per la concentrazione e le applicazioni speciali

LINEA DI ATTIVITA’

Componente BOS Ottiche per applicazioni solari a concentrazione

Coordinatore progetto: ENEA

Obiettivo

creazione di un laboratorio di eccellenza pubblico privato a livello internazionale per lo sviluppo di tecnologie e sistemi per la captazione e l’utilizzo dell’energia solaresotto forma di calore a media ed alta temperatura

PROGETTO ELIOSLAB

Il progetto prevede due linee di attività distinte

• Media Temperatura (MT): per la produzione di energia elettrica

• Alta Temperatura (AT): per la produzione di idrogeno

PROGETTO ELIOSLAB

ELIOSLAB

Materiali e pannelli riflettenti

Accumulo ad alta temperatura

Ricevitori solari ad alta temperatura

Fornace solare

Alta Temperatura 800°C

Ricevitori per collettori parabolici

lineari

Sistemi di accumulo a sali fusi

Generatori di vapore a sali fusi

Sviluppo di modelli tecnico‐economici

Media Temperatura 550°C

• sviluppo di materiali CERMET di nuova composizione per la realizzazione di coating spettralmente selettivi

• realizzazione di una macchina di sputtering per processi reattivi

• sviluppo di sistemi di accumulo di grande taglia con sali fusi

• prototipo di generatore di vapore a sali fusi

• sviluppo di materiali e substrati innovativi per superfici riflettenti

• sviluppo di metodologie di caratterizzazione ottica e geometrica di concentratori complessi

• sviluppo di un impianto solare ad alta concentrazione (circa 2000 soli) per processi ad altatemperatura

• sviluppo di sistemi di accumulo per calore ad alta temperatura con materiali refrattari solidi

PROGETTO ELIOSLAB

Attività ENEA

Media Temperatura

Alta Temperatura

INOA ‐ Istituto Nazionale di Ottica Applicata

Università degli studi di Napoli (Federico II)

CRIS ‐ Consorzio Ricerche Innovative per il Sud

Angelantoni

RONDA

PROGETTO ELIOSLAB

Collaborazioni

L’ATTIVITÀ DI RICERCA SUI COMPONENTI E SUI SISTEMI FOTOVOLTAICI

Componenti BOS (convertitore DC‐DC, MPPT, inverter, tracker)

Building integration e componenti innovativi

Caratterizzazione e qualificazione componenti (moduli, inverter, batterie, tracker)

Soluzioni ottimizzate per performance energetiche impianti (fissi, inseguimento, ibridi)

Generazione distribuita e smart grids

L’ATTIVITÀ DI RICERCA SUI COMPONENTI E SUI SISTEMI FOTOVOLTAICI

DC‐AC

COMPONENTI BOS

ReteConvertitore DC/DC

Controllore MPPT

Componente BOS Convertitore DC‐DC + controllore MPPT

La funzione del convertitore DC‐DC è quella di regolare la potenza in uscita al pannello FV in modo da ottenere tensioni e correnti adatte all’interfaccia di rete utilizzata e/o al carico da alimentare.

DC-DC CONVERTER

32

Attività di ricerca

ottimizzazione del power stageottimizzazione delle logiche di controlloconvertitore distribuito

Obiettivi

individuazione di dispositivi e tecnologie con bassa dissipazione di potenza (elevato rendimento)alti valori di affidabilità (MTBF)basso costopreindustrializzazione di soluzioni e tecnologie

Collaborazioni

• Università di Salerno• Università di Palermo• STMicroelectronics

CONTROLLORE MPPT

La funzione del controllore MPPT è quella di massimizzare, in ogni istante, la potenza in uscita dal pannello agendo opportunamente sul duty cycle del converter in relazione al soleggiamento, alla temperatura e ai fenomeni di mismatching.

Tecniche di controllo

• Analogiche/Digitali

• Tensione/Corrente di picco/Corrente media

CONTROLLORE MPPT

Vengono preferite tecniche di controllo semplici e a basso costo basate sul metodo delPerturba & Osserva

Altre tecniche di controllo effettuano la correzione del punto di lavoro del convertitore(anche mediante reti neurali e logica Fuzzy) a partire dalla variazione di:

livello di soleggiamento temperatura corrente di corto circuito del pannello tensione di circuito aperto del pannello

Diverse prestazioni in termini di:

affidabilità velocità di convergenza costo complessità di implementazione

35

Attività di ricerca

L’attività di ricerca è orientata all’ottimizzazione delle tecniche di controllo in anche funzione della tipologia applicativa (piano, a concentrazione, ecc..)

Conduttanza Incrementale Ripple Correlation Control Perturba & Osserva

Obiettivi

Preindustrializzazione di soluzioni e tecnologie per fattibilità industriale ed economica

Collaborazioni

• Università• Aziende italiane ed europee

CONTROLLORE MPPT

PV BUILDING INTEGRATION

Lampione fotovoltaico “Stapelia”

(brevetto internazionale)

Modulo per integrazione architettonica “Boogie‐Woogie” (brevetto nazionale)

Attività

Prove in campo

Caratterizzazioni e test di invecchiamento accelerato

Sviluppo di componenti speciali

37

CARATTERIZZAZIONE E QUALIFICAZIONE DI COMPONENTI

Moduli fotovoltaici: servizio diretto a produttori, installatori e rivenditori

Prove indoor

• caratteristica I‐V sotto illuminazione• caratteristica I‐V al buio• impedenza complessa• capacità vs frequenza• capacità vs tensione• isolamento elettrico• analisi termica infrarossa• trasmittanza ottica• caratteristiche termiche

Prove accelerate indoor

• corrosione in camera salina• cicli termici• umidità e congelamento• prova al caldo umido• irraggiamento UV

ENEA ‐ Area Sperimentale di Manfredonia

CARATTERIZZAZIONE E QUALIFICAZIONEDI COMPONENTI

Inverter di piccola‐media taglia per applicazioni fotovoltaiche off‐on grid

prestazioni

inquinamento armonico

curve di potenza

islanding

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Batterie di accumulatori stazionarie di tipo tradizionale ed innovativo per applicazioni fotovoltaiche (Progetto RINNOVA) (FIRB‐MUR)

CARATTERIZZAZIONE E QUALIFICAZIONEDI COMPONENTI

Attività

messa a punto ed esecuzione di test per la caratterizzazione elettrochimica di batterie al piombo di tipo tradizionale ed innovativo per applicazioni fotovoltaiche‐ prove di capacità estratta‐ prove di carica/scarica‐ prove di durata in cicli‐ cicli termici con controllo umidità

sviluppo ed implementazione di sistemi automatizzati (in ambiente LABView) per l’esecuzione delle prove e l’acquisizione dati.

Outdoor testing di moduli, inverter e sistemi grid-connected di piccola taglia

ENEA ‐ Area Sperimentale di Manfredonia (FG)



LABORATORIO MOBILE

ENEA ‐ Area Sperimentale di Manfredonia: Delphos (sezioni I‐II)

Sistemi di media e grande taglia: generazione centralizzata di energia

Design

Testing

Analisi tecnico‐economiche

PRODUZIONE IDROGENOFV-ELETTROLIZZATORE

Analisi energetica comparata Degrado moduli Affidabilità tracker Ottimizzazione logica di controllo

Inseguitori a due assi

4 standard unità FVdi 2,4 kWp

moduli Sanyo HIP200NHE1

2 Inverter SunnyBoySB4200TL da 4,4kVA

Sistema FV ad alte prestazioni energetiche

FV-ELETTROLIZZATOREPER LA PRODUZIONE DI IDROGENO

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

Jul

Aug Sep OctNov Dec Ja

nFeb Mar AprMay Ju

nAve

rage

INC

IDEN

T kW

h

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

PRO

DU

CED

kW

h

Incident kWh ('06-'08) Produced kWh ('06-'08)

DAILY SPECIFIC ELECTRIC POWER GENERATION

0

2

4

6

8

10

12

Jul

Aug Sep Oct Nov Dec Jan

Feb Mar Apr

May Jun

Averag

e

kWh/

kWp*

day

heq day ('06-'07) heq day ('07-'08) kWh/kWp*day ('06-'07) kWh/kWp*day ('07-'08)

Producibilità

2000kWh/kWp *anno

Alta efficienza modulo e BOS

Tecnologia Alcalina H2 produzione max: 2Nm3/h Output: 3 bar H2 purezza: 99,7% O2 purezza: 99,5% Elettrolita: KOH (29%) Alimentazione: 400V ‐ 50Hz

FV-ELETTROLIZZATOREPER LA PRODUZIONE DI IDROGENO

Studio di soluzioni ottimizzate per l’interfaccia generatore FV ‐ elettrolizzatore

GENERAZIONE DISTRIBUITA E SMART GRIDS

Smart Grids: “rete elettrica in grado di integrare intelligentemente le azioni di tutti gli utenti connessi ‐ produttori, consumatori, o prosumers ‐ al fine di distribuire energia in modo efficiente, sostenibile, economicamente vantaggioso e affidabile”(SmartGrids European Technology Platform)


Benefici attesi a seguito dell’introduzione del modello Smart Grids dipendono da diversi fattori legati alla specifica situazione di rete considerata e comprendono:

• riduzione delle perdite di rete

• miglioramento delle prestazioni di rete ed utilizzo degli asset

• integrazione e diffusione delle fonti rinnovabili di energia

• attivazione di gestione della domanda e di misure di efficienza energetica

• stimolo economico attraverso innovazione e creazione di “green jobs”


Il programma di ricerca è articolato in quattro sottoprogrammi (SP):

SP1 ‐ Network Operation

SP2 ‐ Energy Management (coinvolgimento ENEA)

SP3 ‐ Control System Interoperability (coinvolgimento ENEA)

SP4 ‐ Electrical Storage Technologies (coinvolgimento ENEA)

RSE (ex ERSE) ed ENEA coordinano il programma dell’European Energy ResearchAlliance (EERA), cardine della ricerca avanzata del SET‐Plan europeo sulle reti del futuro o “Smart Grids”.

Partecipano alcuni dei più importanti centri di ricerca europei: quali AIT austriaco, ECN olandese, LABEIN spagnolo, RISOE danese, SINTEF norvegese, LABORELEC e VITO belgi, VTT finlandese, IWES tedesco, TUBITAK turco,etc.

GRAZIE PER L’ATTENZIONE

Giorgio Graditi - mail: [email protected] Privato - mail: [email protected]

ENEA - Centro Ricerche Portici (NA)Unità Tecnica Tecnologie, Laboratorio Tecnologie Fotovoltaiche (UTTP-FOTO)

Fiera di Roma 10 settembre 2010

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