Tecnologie fotovoltaiche Autori:Kim Nagel Isa Zanetti Fonti:Corso Post diploma E.00 Energy...
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Tecnologie fotovoltaiche
• Autori: Kim Nagel
Isa Zanetti
• Fonti: Corso Post diploma E.00 Energy ManagementCorso E.13 Architettura e E solare – parte 2 fotovoltaicoLe celle fotovoltaiche e i moduli – Ivano Pola
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Istituto diSostenibilitàApplicata all’AmbienteCostruito
Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2
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UNIVERSITÀDELLASVIZZERAITALIANA
ACCADEMIA DIARCHITETTURA
Indice
L’effetto fotovoltaico
Tecnologie
Caratteristiche fisiche di celle e moduli (misure, forme, spessore, potenza, ecc)
Definizione corrente e tensione
Caratteristiche elettriche di un modulo, curva corrente (I) – tensione (V)
Prodotti PV (colorati, semitrasparenti, ecc)
Confronto tra tecnologie
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L’effetto fotovoltaico
La conversione da luce a energia elettrica avviene quando i fotoni, colpendo la cella fotovoltaica, generano elettroni e lacune, che vengono spinti in direzioni opposte dal campo elettrico interno creato attraverso la giunzione di due semiconduttori drogati in modo diverso.
Le cariche positive (lacune) sono spinte verso un lato della cella e le cariche negative (elettroni) verso l'altro.
Se le due facce (inferiore e superiore della cella) sono collegate mediante un conduttore, le cariche libere lo attraversano e si osserva una corrente elettrica.
Fino a quando la cella resta esposta alla luce, l'elettricità fluisce sotto forma di corrente continua.
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Tecnologie sul mercato
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Le 3 principali tecnologie sul mercato PV
Tecnologia cristallina
Tecnologia film sottile
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Anche:CdTe
CIS
Tecnologia cristallina
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Silicio cristallino (oggi 90% del mercato)
Silicio monocristallino (sc-Si) in cui ogni cella è realizzata a partire da un wafer la cui struttura cristallina è omogenea (monocristallo), opportunamente drogato in modo da realizzare una giunzione p-n.
Silicio policristallino (mc-Si), in cui il wafer di cui sopra non è strutturalmente omogeneo ma organizzato in grani localmente ordinati.
Tecnologia a film sottile (oggi il 10% del mercato, ma crescerà fortemente nei prossimi anni)
Silicio amorfo (a-Si), in cui gli atomi silicei vengono deposti chimicamente in forma amorfa, ovvero strutturalmente disorganizzata, sulla superficie di sostegno. Questa tecnologia impiega quantità molto esigue di silicio (spessori dell'ordine del micron).
Tecnologia cristallina
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Tecnologia sc-Si Tecnologia mc-Si Tecnologia a-Si
Caratteristiche fisiche – Celle (sc-Si e mc-Si)
- Le misure più comuni sono: 10 x 10 cm 12,5 x 12,5 cm 15 x 15 cm
- Le forme più comuni sono: quadrate, quadrate con smussatura sugli angoli, circolari
- Lo spessore tipico è compreso tra 0.25 e 0.35 mm
- La potenza tipica è di ca. 1,5 Watt
1° linea: forma delle celle2° linea: motivo prodotto dall'assemblaggio di celle3° linea: zoom sugli spazi tra celle
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Tipologie di contatti & celle colorate
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Ogni cella ha uno strato antiriflesso per limitare le perdite. Mediante questo strato si possono ottenere vari effetti colorati (ma il rendimento diminuisce del 15-30%).
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Utilizzo della tecnologia a film sottile
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Senza vetrosubstrato: acciaiocopertura: polimero (non vetro)
Semitrasparente substrato: vetrocopertura: vetro
Flessibilesubstrato: polimerocopertura: polimero
Tecnologie a film sottile
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Concorrenziale (rispetto a c-Si per grandi impianti)
Tellurio: limitata disponibilità (utilizzato però quasi solo per il PV)
Cadmio: tossico
In fase di sviluppo
Abbondante disponibilità
Colorante composto da molecole organiche (simile alla clorofilla o all’emoglobina)
Molto stabile
Contiene Cadmio
Indio: mediamente tossico
CdTe Telllurio di Cadmio
Culn Sez. Seleniuro di rame e di indio (CIS)
Dye Sensitized Solar Cell(DSSC, DSC o DYSC)
Moduli e celle semitrasparenti
Tedlar / Eva / Vetro
Vetro / Eva / Vetro
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Corrente & tensione
Corrente: quantità di carica che passa ogni secondo da una sezione di circuito.
Tensione: differenza di potenziale, cioè di forza o potenza, tra i due poli di un circuito che per effetto di una legge simile a quella dei vasi comunicanti, porta l'energia dal polo positivo al polo negativo (legge di compenso).
Analogia:
l’elettricità può essere paragonata ad un fiume, maggiore è il suo dislivello, più l'acqua scorre velocemente verso valle, se il fiume si ingrossa aumenta la sua portata. L’elettricità segue un concetto simile, la tensione (Volt) possiamo immaginarla come il dislivello del fiume, la corrente (Ampere) possiamo immaginarla come la portata d'acqua del fiume e la potenza (Watt = Tensione * Corrente) é assimilabile ad una grandezza che potremmo definire come il prodotto della portata per la velocità dell'acqua.
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Caratteristiche elettriche di un modulo – Curva I - V
Isc •lm
Pm = Im*Vm
• P = I*V
•
Vm
Tensione (V)
OCSC VI
PmFF
*
Carta d’identità del modulo
Pm = potenza massima
Isc = corrente di corto circuito
Voc = tensione di cicuito aperto
FF = Fill factor (fattore di riempimento)
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Isc
VOC
Variazioni d’irraggiamento
Pm
Co
rren
te [
A]
Tensione [V]
Dati etichetta
• Isc direttamente proporzionale all‘irraggiamento G; Voc influenzata minimamente• Voc già elevata a piccoli irraggiamenti (!)• Risultato: se G cresce anche Pm aumenta
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Variazione di temperatura (per i moduli c-Si)
• Voc diminuisce sensibilmente con la temperatura, relazione lineare; Isc resta quasi invariata• Cristallini: -0.4 %/°C se T > 25°C e +0.4 %/°C se T < 25°C• Amorfo: -0.2 %/°C se T > 25°C e +0.2 %/°C se T < 25°C
Tensione [V]
Co
rren
te [
A]
Pm
10°C
70°C70°C
10°C
Pm
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Efficienza di conversione Ƞ
Percentuale di energia contenuta nelle radiazioni solari che viene trasformata in energia elettrica.
η =Pmodulo / Area [W/m²]
Pluce [W/m²]
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η =130 W / (1.485 *0.663) m²
1000 [W/m²]
Solar – FabrikSeries SF 130/4
Efficienza di conversione
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Materiale della cella Rendimento del modulo
Superficie PV necessaria per 1kW
Monocristallino 11 – 16 % 7 – 9 m2
Policristallino (EFG) 10 – 14 % 8 – 9 m2
Policristallino 8 – 10 % 9 – 11 m2
CIS 6 – 8 % 11 – 13 m2
Film sottile (a-Si) 4 – 7 % 16 – 20 m2
Maggiore è il rendimento (efficenza), minore è l‘area PV necessaria per ottenere un impianto da 1 kWp
Confronto fra tecnologie
Tecnologia Mono cristallina
Multi cristallina
A film sottile
cella tipico 13 – 16 % 11 – 13 % 4 – 6 % 7 – 10 %
Vantaggi - elevato - stabile
- (costo) - meno delicati - miglior occupazione
- (costo)
- E grigia - fabbricazione - meno materiale - buon a G e luce art. - flessibile - coeff. Voc f(T)
Svantaggi - (costo) - quantità materiale - complesso
- complesso
- basso - degrado iniziale
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Tecnologia GaAs arseniuro di Gallio
CdTe Tellurio di
cadmio
CdS/CuS solfuro di
cadmio e di rame
Culn Sez. seleniuro di rame e di indio (EnS)
cella tipico 22 % (labo)
10 % 5 % 12 % (labo)
vantaggi - resiste a T elevate
- fabbri- cazione
- molto stabile
svantaggi - tossicità - disp. di materiale
- tossicità - disp. di materiale
- tossicità - sensibile all’umidità
- tossicità
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Conclusioni
Fattori che influenzano il funzionamento di un modulo fotovoltaico:
– Irraggiamento– Temperatura– Area– Orientamento ed inclinazione
Tecnologie principali PV: sc-Si mc-Si a-Si
grande varietà di moduli: dimensioni, caratteristiche elettriche e ottiche (trasparenza e colorazione)
P = I * V dipende da irraggiamento, temperatura, area
Se G allora P
Se T allora:
per c-Si, P [Coeff. potenza -0.4%/°C]
per a-Si, P [Coeff. potenza -0.2%/°C]
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