2.3 Moduli fotovoltaici: assorbimento e conversione dell’energia solare
2.3.4 Analisi dello stato dell’arte, definizione del modello per la stima della massa specifica e
Si passa ora ad una veloce analisi dello stato dell’arte volta ad individuare quelli che sono i pesi specifici e gli spessori che contraddistinguono le celle fotovoltaiche al Silicio, in maniera tale da poter definire un modello adatto al calcolo della massa totale dei moduli in funzione della superficie fotovoltaica a disposizione e da riuscire a stimare approssimativamente lo spessore delle celle e dei pannelli solari.
Di seguito sono riportati i dati tecnici raccolti a seguito di questa analisi.
• La prima tipologia di celle considerate è quella che è stata impiegata da André Noth per la progettazione e la successiva realizzazione del suo velivolo solare Sky - Sailor.
Si tratta delle celle al Silicio monocristallino RWE-S 32 o Silicon Solar Space Cell S 32 prodotte dall’azienda tedesca AZURSPACE (ex RWE Space), le quali sono contraddistinte da un’elevata efficienza ed un peso ridotto e sono dotate di un diodo di by-pass integrato. (2), (50) I principali dati tecnici caratteristici di questa tipologia di cellule fotoelettriche sono i seguenti:
Dimensioni (cella scoperta): 𝟕𝟒, 𝟎 × 𝟑𝟏, 𝟗 [𝐦𝐦] ± 𝟎, 𝟏 [𝐦𝐦]; Superficie della cella: 𝟐𝟑, 𝟔𝟏 [𝐜𝐦𝟐];
Peso medio: ≤ 𝟑𝟐 [𝐦𝐠 𝐜𝐦⁄ 𝟐] → ≤ 𝟑𝟐𝟎 [𝐠 𝐦⁄ 𝟐]; Spessore (cella): 𝟏𝟑𝟎 ± 𝟑𝟎 [𝛍𝐦];
Efficienza di conversione: 𝟏𝟔, 𝟗% [𝐁𝐎𝐋] → cioè ad inizio vita. • Il secondo tipo di cella analizzata è l’A-300 dell’azienda Sunpower. (51)
I dati tecnici fondamentali relativi a questa tecnologia FV al Silicio monocristallino sono di seguito riportati:
Dimensioni (cella scoperta): 𝟏𝟐𝟓 × 𝟏𝟐𝟓 [𝐦𝐦]; Spessore (cella): 𝟐𝟕𝟎 ± 𝟒𝟎 [𝛍𝐦];
Efficienza di conversione: fino al 𝟐𝟏, 𝟓% .
• L’azienda tedesca Gochermann Solar Technology ha prodotto delle celle fotovoltaiche al Silicio caratterizzate dalle seguenti proprietà e prestazioni: (52), (53)
Spessore moduli (quindi no celle singole) per applicazioni aerospaziali: ≅ 𝟎, 𝟓 [𝐦𝐦] ;
Peso specifico: ≅ 𝟎, 𝟕 ÷ 𝟏, 𝟑 [𝐤𝐠 𝐦⁄ 𝟐] con delle speciali celle al Silicio si può arrivare anche a 𝟎, 𝟓 [𝐤𝐠 𝐦⁄ 𝟐] ;
Efficienza di conversione: anche fino al 𝟐𝟒%.L’ultima fonte di informazioni è stata rintracciata grazie al già sopraccitato Paper “Solar-powered airplanes: A historical perspective and future challenges”, il quale riporta una tabella che riassume brevemente le prestazioni che contraddistinguono alcune tipologie di celle solari al Silicio cristallino. (3)
A seguito di un’attenta lettura dei dati riportati in Figura 2.38, si può concludere che facendo un trade-off tra i vari parametri che caratterizzano ognuna delle celle sotto riportate, quella che risulta essere più performante è quella realizzata dalle Motech Industries, cioè una cella solare al Silicio policristallino contraddistinta da un’efficienza pari al 17,6% e da uno spessore di circa 𝟐𝟎𝟎 ± 𝟑𝟎 [𝛍𝐦]. (54)
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Figura 2.38
Parametri caratteristici di alcune celle fotovoltaiche al Silicio cristallino (3) Andando ad analizzare i Datasheet rintracciabili e scaricabili dal sito delle Motech Industries possono essere ricavati dati tecnici molto interessanti ed utili, come ad esempio efficienze di conversione, dimensioni, spessori, potenze erogabili in condizioni nominali e curve caratteristiche corrente - tensione. Se, a scopo di esempio, si pone l’attenzione sulla scheda tecnica relativa alla cella al Silicio policristallino IM156B4, si possono ricavare le seguenti informazioni riguardo le specifiche e le prestazioni caratteristiche di questa tipologia di cellula fotoelettrica: (55)• Dimensioni: 𝟏𝟓𝟔, 𝟕𝟓 × 𝟏𝟓𝟔, 𝟕𝟓 [𝐦𝐦] ± 𝟎, 𝟐𝟓 [𝐦𝐦]; • Spessore: 𝟐𝟎𝟎 [𝛍𝐦] ± 𝟐𝟎 [𝛍𝐦];
• Efficienza di conversione: 𝟏𝟕, 𝟐 ≤ 𝛈 ≤ 𝟏𝟗;
• Potenza massima erogabile: 𝟒, 𝟐𝟑 ≤ 𝐏𝐌𝐀𝐗≤ 𝟒, 𝟔𝟕.
A valle di questa breve analisi dello stato dell’arte riguardo le celle al Silicio mono e policristallino ad oggi maggiormente impiegate, si passa alla determinazione di un modello analitico dedicato alla stima del peso specifico sia delle celle solari scoperte che dei moduli fotovoltaici nel loro complesso, comprendendo nel calcolo anche i contributi relativi all’incapsulamento, cioè all’insieme dei cover sheets (films protettivi) e delle connessioni elettriche.
In prima approssimazione si procede quindi alla stima della massa specifica o del rapporto massa superficie⁄ dei moduli solari andando ad ipotizzare di utilizzare delle celle contraddistinte da uno spessore pari a 𝐭𝐜𝐞𝐥𝐥𝐚= 𝟐𝟎𝟎 [𝛍𝐦] = 𝟎, 𝟐𝟎 [𝐦𝐦] e costituite da Silicio policristallino caratterizzato da una densità pari a 𝛒𝐒𝐢 = 𝟐𝟑𝟑𝟎 [𝐤𝐠 𝐦⁄ 𝟑].
In questo modo, grazie ad un semplice prodotto tra queste due grandezze, può essere facilmente stimato il valore approssimativo della massa specifica da utilizzare durante la procedura di dimensionamento:
𝐑𝐜𝐞𝐥𝐥𝐞= massa superficie= mtotcelle Scelle = ρSi× tcelle= 2330 × 0,0002 [ kg m2] = 𝟒𝟔𝟔 [ 𝐠 𝐦𝟐]
Dal momento che il rapporto precedentemente riportato è stato calcolato considerando celle solari scoperte, quindi prive di qualsiasi tipo di rivestimento protettivo e senza tener conto della massa di cavi e collegamenti elettrici, risulta necessario effettuare una nuova stima del parametro in oggetto, in maniera tale da poter aggiungere alla valutazione anche il contributo legato all’incapsulamento e quindi all’integrazione dei moduli FV con la struttura delle ali del velivolo.
Una buona approssimazione di quella che può essere l’entità della massa aggiuntiva legata a questi termini è stata presentata da André Noth nella sua tesi di dottorato. (2)
Egli afferma infatti che una stima di questi contributi in termini di massa totale può essere condotta ipotizzando che il rivestimento in materiale termoplastico e le connessioni elettriche apportino circa il
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90% di massa aggiuntiva, la quale deve andare ovviamente a sommarsi a quella relativa alle celle scoperte. Il valore approssimativo della massa specifica, a seguito di queste modifiche, risulta essere infine il seguente:
𝐑𝐦𝐨𝐝𝐮𝐥𝐢_𝐅𝐕= Rcelle+ 90% × Rcelle = 466 + 90% × 466 [g m⁄ 2] = 𝟖𝟖𝟓, 𝟒 [𝐠 𝐦⁄ 𝟐]
Questo rapporto rappresenta quindi una buona stima di quella che, in prima approssimazione, risulta essere la massa specifica dei moduli fotovoltaici al Silicio policristallino che saranno impiegati nel processo di dimensionamento concettuale.
Per quanto concerne lo spessore dei moduli, esso risulta essere più complesso da valutare, dal momento che dipende dalla tipologia e dal materiale impiegato per il rivestimento delle celle, dalla modalità attraverso la quale si intendono effettuare i vari collegamenti elettrici tra le celle e dalla tecnica di integrazione dei pannelli con la struttura alare dell’aeromobile che si sceglie di adottare.
In prima approssimazione, per avere a disposizione un valore di massima per quanto riguarda lo spessore totale dei moduli, si può procedere supponendo che tutto il pannello sia costituito da Silicio (il che non corrisponde alla realtà, dal momento che il coating viene di solito fatto utilizzando materiale composito termoplastico e che i collegamenti elettrici non saranno di certo costruiti in Silicio policristallino) così da poter ricavare lo spessore a partire dalla conoscenza della densità del Silicio 𝛒𝐒𝐢 e dal valore della massa specifica appena calcolata.
Il risultato che si ottiene in prima approssimazione è il seguente:
𝐭𝐦𝐨𝐝𝐮𝐥𝐢_𝐅𝐕=Rmoduli_FV
ρSi =
0,8854
2330 [m] = 𝟎, 𝟑𝟖𝟎 [𝐦𝐦] = 𝟑𝟖𝟎 [𝛍𝐦]
Dato che il valore ricavato risulta essere non di molto superiore a quello che effettivamente è lo spessore della cella scoperta (𝟐𝟎𝟎 [𝛍𝐦]), per effettuare delle stime più attendibili e precise si può procedere ipotizzando il tipo di materiale di cui sono composte le cover sheets ed attraverso la densità caratteristica di questo materiale calcolare lo spessore da aggiungere a quello della cella al Si.
Ad esempio, si potrebbe scegliere di utilizzare lo stesso film protettivo che è stato impiegato da Noth per la realizzazione del suo Sky – Sailor, cioè il Dupont™ Teflon® fluoropolymer film, contraddistinto da uno spessore di appena 𝟓𝟎 [𝛍𝐦] e da una densità di circa 𝛒𝐓𝐞𝐟𝐥𝐨𝐧= 𝟐𝟐𝟎𝟎 [𝐤𝐠 𝐦⁄ 𝟑]. (56)
In alternativa possono essere presi come riferimento i valori di spessore relativi ai moduli fotovoltaici della Gochermann Solar Technology, i quali ammontano a circa 𝐭𝐦𝐨𝐝𝐮𝐥𝐢_𝐅𝐕= 𝟎, 𝟔 ÷ 𝟎, 𝟕 [𝐦𝐦] per quanto riguarda i moduli “regular”, mentre scendono anche al di sotto di 𝐭𝐦𝐨𝐝𝐮𝐥𝐢_𝐅𝐕= 𝟎, 𝟓 [𝐦𝐦] per quanto concerne i pannelli solari utilizzati in campo aerospaziale.
Questi ultimi dati sembrano essere abbastanza in linea con l’entità dello spessore approssimativamente stimata considerando la densità del Silicio.
In sostanza, per eseguire la procedura di dimensionamento concettuale, si decide di utilizzare dei pannelli solari al Silicio policristallino caratterizzati da una massa specifica pari a 𝟖𝟖𝟓, 𝟒 [𝐠 𝐦⁄ 𝟐] e da un’efficienza di conversione del 𝟏𝟕, 𝟔%, in accordo con i valori mediamente rintracciati durante l’analisi dello stato dell’arte e dei Datasheet disponibili.
Potrebbero ad esempio essere scelte delle celle al Silicio policristallino delle Motech Industries, le quali presentano un rendimento pari proprio al 𝟏𝟕, 𝟔% e la cui massa specifica in prima approssimazione potrebbe essere considerata pari a quella precedentemente stimata nel caso generico di
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pannelli al Silicio (𝟖𝟖𝟓, 𝟒 [𝐠 𝐦⁄ 𝟐]), dato che sono contraddistinte da uno spessore molto simile a quello ipotizzato per eseguire il suddetto calcolo (𝟐𝟎𝟎 [𝛍𝐦] ± 𝟐𝟎 [𝛍𝐦]).
In alternativa, nel caso in cui fosse richiesta un’elevata flessibilità a causa della curvatura del profilo alare selezionato, la scelta potrebbe eventualmente ricadere sulla tipologia di celle al Silicio monocristallino utilizzata da André Noth per lo studio e la realizzazione del velivolo Sky – Sailor, dal momento che presentano un’efficienza di conversione del 𝟏𝟔, 𝟗% e sono il frutto di un trade-off eccellente tra celle solari altamente flessibili e quindi caratterizzate da un rendimento bassissimo e celle multi - giunzione contraddistinte da un efficienza molto elevata, ma da un peso ed un costo maggiori.
Figura 2.39
Cella al Si policristallino IM156B4 delle Motech Industries e cella al Si policristallino Silicon Solar Space Cell S 32 della AZURSPACE (50), (55)I dati tecnici raccolti risultano sufficienti ad uno stadio preliminare del design come quello affrontato in questo elaborato, dal momento che il rapporto massa/superficie ed il rendimento sono gli unici parametri relativi ai moduli solari che rientreranno nei calcoli di dimensionamento.
D’altro canto, possono essere condotte anche alcune considerazioni aggiuntive riguardo la disposizione dei pannelli fotovoltaici lungo la struttura dell’aeromobile e le possibili procedure di integrazione da adottare.