Misure e prove sui pannelli fotovoltaici

Corso di Misure Termomeccaniche per MENR

SAPIENZA Università di Roma

A.A. 2012-13

Schema impianto

Richiami di teoria del fotodiodo

In uno strato sottilissimo adiacente alla giunzione (strato di svuotamento) la distribuzione dei portatori di carica (elettroni e lacune) cambia rispetto alla situazione esistente nel volume del semiconduttore P o N: in esso si crea un campo elettrico (sostenuto da un doppio strato carico e fisso nel reticolo). Nello strato di svuotamento, non ci sono cariche libere e quando esso è colpito dalla luce (fotoni), alcuni elettroni, normalmente legati ad un atomo del reticolo cristallino e quindi non disponibili per il trasporto di carica, vengono liberati dal legame e possono muoversi liberamente nel cristallo, lasciando carico positivamente l’atomo cui erano legati. Questa carica positiva viene detta “lacuna”. Anche le lacune possono “muoversi” nel cristallo: infatti se uno degli elettroni legati agli atomi adiacenti si sposta nel sito lasciato libero, la lacuna si sposta in direzione opposta. I due tipi di portatori di carica (elettroni e lacune) possono ricombinarsi durante la migrazione nel volume del semiconduttore, e cessare così di contribuire alla foto-corrente.

La foto-corrente può essere prodotta solo da un flusso di fotoni (con energia superiore all’energia di soglia : hn > Eg) che possa raggiungere lo strato di svuotamento. L’energia di soglia è quella corrispondente alla “banda di energia proibita” (Energy Gap) tipica del semiconduttore di cui è fatta la giunzione PN. Si capisce quindi come si possa ottenere un sensore di luce da un fotodiodo: è sufficiente che la giunzione PN, chiusa su un carico esterno, sia esposta alla luce (ad esempio rendendo molto sottile lo strato drogato N, come in figura) perché attraverso di essa si stabilisca una corrente elettrica proporzionale al flusso luminoso, che circola da P a N sul carico esterno e da N a P all’interno del fotodiodo (corrente inversa). Viceversa, se una giunzione PN è attraversata da corrente elettrica nel verso della polarizzazione positiva (corrente diretta) , è possibile osservare una emissione di luce (LED).

Richiami di teoria del fotodiodo

Curve caratteristiche del fotodiodo

Curva 1 = buio Curva 2 = luce

B : fotodiodo in produzione fotovoltaica (polarizzato direttamente ma come se Rinterna < 0 … collegando un carico esterno, su di esso si osserva il passaggio della corrente inversa Im ) A : fotodiodo polarizzato inversamente (P < 0 e N > 0) … da evitare ! C : fotodiodo polarizzato direttamente (P > 0 e N < 0) … normale diodo.

Procedura di Collaudo

Un impianto fotovoltaico FV deve essere sottoposto a un collaudo iniziale (prima della messa in servizio) e a verifiche periodiche (ad esempio annualmente) da programmare con la manutenzione Le verifiche iniziali e periodiche comportano l’esecuzione di: • Esami e controlli a vista sui :

moduli cavi quadri scatole di derivazione inverter

• Prove e misure strumentali : misura della corrente e della tensione di stringa misura dell’isolamento verifica dei collegamenti equipotenziali verifica del rendimento dell’impianto FV con misure di WCC e

WCA su ogni inverter

Procedura di Collaudo

La misura della tensione di stringa Vocs deve essere effettuata a vuoto per ogni stringa e, in condizioni di irraggiamento costante, non devono risultare differenze superiori al 5% tra le stringhe (mismatch tollerato)

Procedura di Collaudo

Per confrontare il valore di tensione a vuoto misurato sulla stringa (VOCS) con il valore alle condizioni STC (1000 W/m2; 25 °C; AM 1,5) indicato dal costruttore sui moduli (VOC-STC) si può applicare la relazione:

VOCS = [VOC-STC - β (25 - Tcell)] n VOC-STC = tensione nominale a vuoto di un modulo (V) β = coefficiente di variazione della tensione con la temperatura (V/°C) Tcell = temperatura misurata sul retro dei moduli (°C) n = numero di moduli della stringa La temperatura Tcell può essere misurata con un sensore RTD (per esempio una sonda Pt100) oppure con una termocoppia posizionata sul retro di uno dei moduli. L’accuratezza della misura richiesta è ± 1°C

Procedura di Collaudo

Il valore della temperatura Tcell può essere anche ricavato misurando la temperatura d’ambiente (Tamb) e l’irraggiamento solare (Gp) con la relazione approssimata:

Tcell = Tamb + Gp (NOCT - 20) / 800

NOCT = temperatura del modulo nelle condizioni operative nominali (G = 800 W/m2; Tamb = 20 °C; velocità dell’aria 1 m/s) In questo modo è possibile misurare la temperatura Tamb in prossimità della faccia posteriore dei moduli, senza contatto diretto. Evitare sempre l’irraggiamento diretto del sensore di temperatura.

Per ragioni di sicurezza le misure della corrente di cortocircuito (Isc) si effettuano mettendo in cortocircuito sottocampi fotovoltaici fino a correnti Isc non superiori a 120 ÷150 A. Per effettuare tale verifica si utilizzano apposite “cassette” dotate di adeguati interruttori di manovra.

Procedura di Collaudo

Procedura di Collaudo

Nella misura della corrente di cortocircuito ISC-camp c’è da portare in conto una riduzione del 5% per mismatch :

ISC-camp = 0,95 ∙ n ∙ ISC-mod

n = numero di stringhe in parallelo ISC-mod = corrente nominale di un modulo Si possono confrotare i valori di corrente misurati (ISC-M) con quelli delle condizioni STC mediante la relazione:

ISC-M = ISC-STC + n α (Tcell - 25) α = coefficiente di variazione della corrente con la temperatura (A/°C) Tcell = temperatura misurata a contatto sul retro dei moduli (°C)

Oltre agli esami a vista e alle verifiche comuni a tutti gli impianti elettrici (isolamento, continuità elettrica dei conduttori, funzionamento degli interruttori differenziali, ecc.) è opportuno misurare le potenze (Wcc) e (Wca) per accertare il rendimento dell’impianto.

Procedura di Collaudo

Questa esigenza è contenuta anche nel “Certificato di collaudo” (DM 19/2/07) che occorre redigere e presentare al GSE per accedere agli incentivi …

Certificato di Collaudo

Verifiche punto 5 del “Certificato di collaudo” (efficienza del generatore PV)

Verifica della condizione Wcc > 0,85 · Wnom · Gp/GSTC

Certificato di Collaudo

• La misura dell’irraggiamento Gp deve essere effettuata con un piranometro o solarimetro con precisione migliore del ± 3%.

• La misura della potenza (Wcc) all’uscita del generatore FV deve essere effettuata con precisione migliore del ± 2%.

• La prova deve essere effettuata con irraggiamento > 600 W/m2

• La misura deve essere effettuata su insiemi di stringhe o sottocampi con moduli aventi lo stesso orientamento e la stessa inclinazione.

• È importante che le misure di Gp e Wcc siano effettuate simultaneamente.

Certificato di Collaudo

Verifica della condizione Wca > 0,9 Wcc

• La misura della potenza in c.c. (Wcc) all’uscita del generatore FV deve essere effettuata con precisione migliore del ± 2%

• La misura della potenza (Wca) all’uscita dell’inverter deve essere effettuata con precisione migliore del ± 2%

• La prova deve essere effettuata con irraggiamento > 600 W/m2 • È importante che le misure di Wcc e Wca siano effettuate simultaneamente

Se durante la misura delle potenze Wca e Wcc, la temperatura dei moduli (Tcell) è superiore a 40 °C si può correggere la potenza Wcc misurata. La condizione da verificare diventa:

Wcc > (1 - Ptpv - 0,08) Wnom × Gp/GSTC

Ptpv rappresenta le perdite termiche dovute alla maggiore temperatura dei moduli e si calcola con la relazione:

Ptpv = γ (Tcell - 25) / 100 Tcell = temperatura misurata (con sonde Pt100) sul retro dei moduli (°C) γ = coefficiente di variazione della potenza con la temperatura (W%/°C) Se non è possibile misurare Tcell si può egualmente calcolare Ptpv

misurando la temperatura dell’ambiente (dell’aria) in prossimità dei moduli (Tamb), con la relazione:

Ptpv = [Tamb – 25 + (NOCT - 20) Gp / 800] CT / 100

Certificato di Collaudo

Cosa vogliamo misurare ?

CURVA CARATTERISTICA CORRENTE-TENSIONE (es. dati ATERSA A-240P) : Voc = tensione a vuoto (≈ 37,15V) Isc = corrente di corto circuito (≈ 8.7 A)

PUNTO DI FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA CHIUSA SU UN CARICO R : È l’intersezione della curva caratteristica corrente-tensione con la retta V=RI. Se il punto di funzionamento corrisponde a Imax e Vmax (punto P), tale condizione è quella per la quale il generatore eroga la massima potenza. Infatti la massima potenza erogata dalla cella Wmax = Vmax·Imax è indicata dall’area evidenziata:

U=RI

P

Schema test di base

Luce

Carico variabile

Solarimetro

PFV

Pt100

Sono dati: • 1 pannello fotovoltaico industriale • un carico a resistenza variabile 0,1 Ω – 0,1 kΩ • un termometro elettrico RTD Pt100 o termocoppia K • Un solarimetro per la misura dell’irradiamento solare

Cosa vogliamo misurare ?

A partire dalle coppie di valori «V» ed «I» misurate per ogni condizione di carico «R», è anche possibile costruire i diagrammi della potenza W=V·I in funzione della tensione V o della corrente I di esercizio:

Da questi diagrammi è possibile ricavare i valori di Vmax e Imax in corrispondenza dei punti dove la potenza è massima !

Vmax Imax

Cosa vogliamo misurare ?

La resistenza del carico variabile (se si considera trascurabile la resistenza interna dell’amperometro) può essere estrapolata a partire dalle misure della tensione V e della corrente I, per ogni punto di lavoro si ottiene: R = V/I . E’ possibile quindi costruire anche il diagramma della potenza W in funzione del carico R, da cui si ricava il valore del carico ottimale Ropt per il quale si ha il massimo trasferimento di potenza Wmax

Carico OTTIMALE Ropt

Cosa vogliamo misurare ?

INFLUENZA DI IRRAGGIAMENTO SOLARE E TEMPERATURA : Purtroppo la caratteristica I-U della cella varia in funzione dell’irraggiamento solare e della temperatura. All’aumentare dell’irraggiamento aumenta la corrente di corto circuito Isc. All’aumentare dell’irraggiamento diminuisce la resistenza di carico ottimale Ropt. All’aumentare della temperatura diminuisce la tensione a vuoto Voc.

Ropt

Di queste circostanze occorre tenere conto durante le prove e le misure sul campo !

Cosa vogliamo misurare ?

1. Si colleghi il modulo FV al reostato (carico variabile) e si inseriscano correttamente nel circuito gli strumenti per la misura di V e I.

2. Si colleghino opportunamente il termometro Pt100 e il solarimetro LP RAD 03 BL ai rispettivi multimetri digitali

3. Variando lentamente il carico al reostato si registrino simultaneamente i valori misurati per almeno 10 punti di lavoro

4. Si costruiscano i diagrammi VI e WR dei due moduli. Si individui la resistenza di carico ottimale per le condizioni di irraggiamento incontrate.

5. Si effettui la verifica dei rendimenti η dei due moduli FV, tenendo conto anche delle eventuali correzioni in temperatura e si valuti se il modulo ha «superato il collaudo» per accedere agli incentivi del GSE.

6. Si eseguano delle misure di rendimento a seguito di un «ombreggiamento» parziale della superfice attiva del pannello FV

Richiami teorici

RENDIMENTO DI MODULO η

Il rendimento di un pannello è la quantità di energia solare che un pannello riesce a convertire in energia elettrica per unità di superficie, ed è sempre dichiarato il massimo rendimento alle condizioni STC.

per calcolare Smod si utilizzano le dimensioni del pannello comprese le cornici, ovvero l’ingombro massimo del modulo.

η =𝑊𝑆𝑇𝐶 𝑆𝑚𝑜𝑑

𝐺𝑆𝑇𝐶 ∙ 100

RENDIMENTO GLOBALE DI IMPIANTO η Le specifiche emesse da ENEA per i sistemi connessi a rete fissavano un valore minimo di

η pari al 75%.

In realtà, η è una variabile di sistema che dipende

da vari parametri

η = ηPV * ηJ * ηINV * ηTR

Richiami teorici

RENDIMENTO DI MODULO ηPV

ηPV = ηK * [ 1 – β ( Tc – Tk ) + γ log10 G ] ηK = rendimento del modulo a STC Tc = Temperatura °K del modulo Tk = Temperatura di riferimento di 298 °K β = coeff. sperimentale pari a 0,0045 °C-1 γ = coeff. sperimentale pari a 1,3 G = irraggiamento espresso in kW/m2

Richiami teorici

RENDIMENTO DI MODULO ηPV In prima approssimazione ηPV = ηK * [ 1 – β ( Tc – Tk )] con Tc calcolata Tc = ( G / 800 ) * (NOCT-20°C) + Ta

con Ta = temperatura ambiente e G = irraggiamento sul piano dei moduli

Richiami teorici