Componenti fotovoltaico a concentrazione

4.1.1.1 Celle fotovoltaiche

Durante le prove verranno testate due celle fotovoltaiche a tripla giunzione aventi la medesima parte fotosensibile ma realizzate con due tecnologie differenti: una realizzata con la tecnica IMS (Insulated Metal Substrate), mentre l’altra cella è realizzata con la tecnologia DBC (Direct Bonded Copper).

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La parte fotosensibile, della cella fotovoltaica a tripla giunzione è formata, come detto nei capitoli precedenti, da tre strati composti da Ga0.5In0.5P, Ga0.99In0.01As e Ge che hanno il compito di convertire

la radiazione solare in energia elettrica.

Figura 76: lunghezza d'onda di lavoro delle singole subcelle

La cella fotovoltaica è inizialmente di forma quadrata avente un lato di 2,4 mm (area di 5,7 mm2_),

per poi essere tagliata secondo una forma circolare di diametro pari a 2,3 mm e quindi un’area di 4,15 mm2_{. La cella fotovoltaica viene installata su di una scheda elettronica (PCB, Printed Circuit}

Board) sulla quale vengo realizzate due piste, una collegata al polo positivo della cella ed un'altra al polo negativo; la tecnica con cui viene realizzato questo collegamento è chiamata wire bonding (Figura 77). I conduttori utilizzati per collegare la superficie superiore della cella con il PCB sono realizzati in alluminio e devono avere ottime caratteristiche di conduzione elettrica.

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Con la tecnologia IMS la cella fotovoltaica è saldata sopra ad uno strato di allumina (Al2O3) di

spessore pari a 0,5 mm, su cui vengono ottenute le piste del circuito elettrico tramite la serigrafia. Lo strato di allumina deve garantire buone prestazioni di conducibilità termica e allo stesso tempo deve essere un buon isolante elettrico ovvero deve fungere da barriera al passaggio degli elettroni. Lo spessore di tale strato deve essere ben dimensionato perché se lo spessore fosse di dimensioni inferiori ciò faciliterebbe la dissipazione termica, ma si avrebbe un minor effetto per quanto riguarda l’isolamento elettrico. Sotto l’allumina è presente uno strato di alluminio che ha la funzione di migliorare la dissipazione termica. Le saldature vengono realizzate in un ambiente controllato al fine di evitare la formazione dei vuoti di saldatura che possono compromettere la dissipazione termica della cella fotovoltaica.

Figura 78: Substrato IMS

Invece con la tecnologia DBC, la cella è saldata su di un substrato ceramico (allumina) posto tra due lamine di rame. La tecnologia DBC ha ottime prestazioni sia per quanto riguarda la dissipazione termica, grazie ai due strati di rame, sia di conduzione elettrica dovuto ad un processo di saldatura ad alta temperatura, che è eseguita in atmosfera di azoto con 30 ppm di ossigeno, che consente la formazione di un eutettico rame-ossigeno che unisce la lamina di rame con il substrato. Inoltre in coefficiente di dilatazione lineare del substrato assicura un’elevata resistenza al ciclaggio termico.

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Figura 79: Substrato DBC

Le celle fotovoltaiche sono saldate su di un substrato metallico per disperdere il calore in eccesso causato dalla porzione di radiazione solare concentrata che non viene convertita in energia elettrica [47], in modo tale da garantire una maggiore affidabilità della cella stessa [48].

La tecnologia IMS è più semplice ed economica e viene utilizzata quando il carico termico sulle celle fotovoltaiche è basso. Mentre la tecnologia DBC permette una migliore gestione dello smaltimento del calore, che comporta una maggiore affidabilità nel lungo periodo [49][48].

Com’è stato detto all’inizio del paragrafo, la cella passa da una forma quadrata ad una circolare; questo cambiamento di forma è dovuto al fatto che lo spot luminoso che andrà ad incidere sulla cella ha anch’essa una forma circolare e quindi, per sfruttare al meglio la radiazione incidente si è scelta una cella con la stessa geometria. È evidente infatti che se si optasse per una cella di forma quadrata, ci sarebbero delle zone in ombra in prossimità dei vertici della stessa, oppure parte dello spot luminoso andrebbe al di fuori del perimetro della cella, perdendo così parte della radiazione luminosa.

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Dal particolare in Figura 77 si può notare che i contatti della cella hanno una struttura ad anelli concentrici, ed ogni anello è diviso in più settori.

In tabella sono riportati i valori di datasheet della cella fotovoltaica:

Cell N° VOC (V) Imppt (A) Vmppt (V) Pmppt (W) Efficienza (%) FF (%) Irraggiamento (W/Cm2₎ 2011010008-1 3,11 0,308 2,78 0,856 41,2 87,7 50 Tabella 5: Dtasheet cella fotovoltaica

4.1.1.2 Ottiche secondarie

Com’è stato detto nel paragrafo 3.1.3 le ottiche secondarie sono montate sopra la cella fotovoltaica ed hanno il compito di aumentare ulteriormente il rapporto di concentrazione, omogeneizzare la radiazione solare concentrata sulla superficie della cella fotovoltaica e correggere eventuali errori d’inseguimento solare ed aumentare l’angolo di accettanza.

Nelle prove indoor utilizzeremo 3 ottiche secondarie, una di tipo riflessivo e due di tipo rifrattivo. L’ottica riflessiva utilizzata (Figura 81) è costituita da un cono di base esagonale di materiale riflettente prodotto dall’azienda tedesca “Alanod Solar”.

Figura 81: Ottica secondaria riflessiva

Il materiale utilizzato è alluminio anodizzato, poiché tale materiale ha un indice di riflettanza elevato (>90%) e può resistere al calore fino ad una temperatura di 180 °C. Per posizionare l’ottica secondaria sopra la cella si è utilizzato un elemento (Figura 82) in acciaio; i due fori presenti sulla corona circolare esterna vengono utilizzati per il posizionamento visto che hanno lo stesso interasse dei fori presente sulla piastrina della cella fotovoltaica.

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Figura 82: Elemento in acciaio per posizionare l'ottica riflessiva

L’ottica secondaria viene fissata all’elemento in acciaio tramite un anello elastico.

Le altre due ottiche utilizzate sono di tipo rifrattivo; prima di realizzare queste due ottiche sono state eseguite delle analisi numeriche dal Polo Tecnologico ‘Andrea Galvani’ a Pordenone per definire la geometria ottimale delle due ottiche. Tramite il software di simulazione ottica Zemax [50] è stato possibile modellare l’interazione della radiazione solare con l’ottica primaria (che sarà utilizzata nelle prove outdoor), la struttura della cella e diverse tipologie di ottiche secondarie.

La prima ottica che è stata realizzata ha una geometria molto semplice, è un’ottica secondaria di tipo RTP di forma conica, tale tipologia di ottica come detto precedentemente sfrutta sia il principio della rifrazione sia quello della riflessione totale interna. L’ottica ha una forma conica con una superficie superiore asferica, ed è realizzata con vetro al silicio tramite lavorazioni alle macchine utensili.

Figura 83: Ottica secondaria rifrattiva conica

Tramite il software di simulazione ottica è stato possibile determinare che la distanza ottimale teorica tra l’ottica di concertazione primaria (lente Fresnel) e l’ottica secondaria è pari a 128 mm (Figura

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84). A distanze minori la potenza si riduce drasticamente mentre a distanze maggiori si ha una minor riduzione di potenza.

Figura 84: Potenza incidente sulla cella a diverse distanze focali

Sempre tramite il software è stato possibile simulare sia la distribuzione del flusso solare che colpisce la cella dopo aver attraversato l’ottica secondaria, sia il calo di prestazioni dovute al disallineamento tra l’ottica secondaria e la radiazione incidente.

Figura 85: Distribuzione del irraggiamento sulla superficie della cella fotovoltaica - 128 mm

2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 124 126 128 130 132 Po ten za t o ta le [W]

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Figura 86: Potenza incidente sulle celle con varie errori di allineamento - 128 mm

Dalle simulazioni è possibile vedere che l’ottica secondaria cilindrica riesce a compensare gli errori dovuto ad un non perfetto allineamento dell’ottica secondaria con la radiazione solare. Però non si ha una buona omogeneità della radiazione solare sulla superficie della cella fotovoltaica, in quanto si ha un picco di radiazione molto elevato che può portare alla formazione di un punto caldo sulla superficie della cella fotovoltaica.

La seconda ottica di tipo rifrattivo, è stata ottenuta tramite l’ottimizzazione della geometria della prima ottica rifrattiva, al fine di aumentare l’omogeneità della radiazione solare che colpisce la superficie della cella a tripla giunzione. Questa ottica secondaria si differenzia dalla precedente in quanto ha una superficie superiore piatta ed un profilo laterale “free-form” con superficie esagonale.

Figura 87: Ottica secondaria rifrattiva free-form

2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 0 0,25 0,5 0,75 Po ten za t o ta le [W] Errore di allineamento[°]

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Dalla Figura 88 è possibile vedere che con questa ottica secondaria rifrattiva, rispetto all’ottica rifrattiva conica, si ha un notevole miglioramento per quanto riguarda la distribuzione della radiazione solare sulla superficie della cella a tripla giunzione.

Figura 88: Distribuzione dell'irraggiamento sulla superficie della cella fotovoltaica - 128 mm

Inoltre è stato valutato il comportamento di questa ottica con eventuali errori d’inseguimento solare; in Figura 89 è possibile vedere che il flusso incidente sulla cella non decade in presenza di errori d’inseguimento significativi. L’angolo di accettanza di questa ottica è pari 0,75°, invece per errori d’inseguimento superiori a 0,75° si ha un significativo decadimento del flusso incidente sulla cella fotovoltaica. Oltre ad avere un angolo di accettanza più ampio ed una migliore distribuzione della radiazione luminosa sulla superficie della cella, l’ottica rifrattiva free-form riesce a traferire alla cella fotovoltaica una maggiore potenza incidente pari a 2,77 W contro i 2,72 W dell’ottica rifrattiva conica.

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Figura 89: Potenza incidente sulle celle con varie errori di allineamento - 128 mm

Per fissare entrambe le ottiche secondarie rifrattive sulle celle fotovoltaiche non vengono utilizzati dei supporti in quanto potrebbero danneggiare sia l’ottica che la cella fotovoltaica, ma viene utilizzato un silicone ottico, più precisamente il Sylgard 184 [51]. Il silicone ottico crea un’interfaccia tra la cella fotovoltaica e l’ottica secondaria che ha sia una funzione strutturale in quanto deve tenere in posizione l’ottica secondaria, sia una funzione di protezione in quanto impedisce allo sporco e all’acqua di depositarsi sulle connessioni elettriche. Inoltre il silicone ha il compito di evitare la formazione di bolle d’aria tra la superficie della cella e dell’ottica che causerebbero uno minor efficienza ottica.