• Le celle fotovoltaiche vengono generalmente vendute già assemblate in gruppi.
L’insieme delle celle e della struttura che contiene le celle prende il nome di modulo fotovoltaico.
I principi della conversione fotovoltaica
Il modulo fotovoltaico
Una cella fotovoltaica eroga una potenza di qualche watt: troppo piccola per i comuni impieghi.
Più celle (uguali) vengono quindi collegate elettricamente e assemblate meccanicamente per formare un modulo, il quale costituisce il componente base, commercialmente disponibile sul mercato, per la realizzazione di impianti fotovoltaici.
La tensione totale di più celle collegate in serie è data dalla somma delle tensioni; la corrente è quella della singola cella, fig. 1.12 a).
Più celle collegate in parallelo forniscono una corrente somma delle correnti delle celle, fig. 1.12 b); la tensione è quella della singola cella.
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Il modulo fotovoltaico
• Struttura di un modulo fotovoltaico:
• celle fotovoltaiche collegate elettricamente tra loro in modo da costituire un circuito serie parallelo tale da fornire ai morsetti di uscita una determinata tensione e corrente;
• complesso occorrente per l’incapsulamento ed il fissaggio delle celle FV in modo da garantire stabilità meccanica e tenuta agli agenti atmosferici; sulla parte anteriore del modulo viene utilizzato una lastra di vetro per garantire la completa penetrazione della radiazione solare;
• cornice di contenimento che rafforza ulteriormente la rigidità del modulo e consente l’aggancio dello stesso alle strutture di sostegno
Vista della parte posteriore ed anteriore di un modulo.
Vista della parte posteriore ed anteriore di un modulo.
Vista della parte posteriore ed anteriore di un modulo.
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Il modulo fotovoltaico
• Struttura di un modulo fotovoltaico:
• cassetta di derivazione, che contiene le terminazioni elettriche del circuito serie parallelo delle celle assemblate al suo interno; essa generalmente può contenere il diodo di by pass ed è dotata di appositi connettori o passacavi per il collegamento elettrico del modulo.
• Diodo di by pass, che serve a cortocircuitare il modulo in caso di interruzioni elettriche nel circuito interno così da non compromettere drasticamente le prestazioni dell’intera stringa di moduli.
• In caso di applicazioni particolari, vengono costruiti moduli FV senza cornice o senza cassetta di derivazione od addirittura flessibili per essere montati su superfici curve.
Cassette di derivazione di moduli fotovoltaici. In ognuna delle cassette si notano i terminali elettrici del modulo ed i diodi di by-pass.
Le celle fotovoltaiche non sono tutte uguali tra loro, per le inevitabili difformità di fabbricazione, sicché due blocchi di celle, collegati in parallelo, non hanno la stessa tensione. Si forma così una corrente di circolazione dal blocco di celle a tensione maggiore verso quello a tensione minore. Ne consegue che una parte della potenza prodotta dal modulo si perde all' interno del modulo stesso (perdite di mismatch o di dissimmetria).
La disuguaglianza tra le celle può essere determinata anche da un diverso irraggiamento solare, ad esempio una parte di celle sono in ombra, oppure dal loro deterioramento nel tempo. Tali celle si comportano come un diodo che blocca la corrente prodotta dalle altre celle.
Il diodo è soggetto alla tensione delle altre celle, la quale può provocare la perforazione della giunzione con surriscaldamento locale (hot spot) e danni al modulo.
I diodi di by-pass di cui sono dotati i moduli limitano tale fenomeno, cortocircuitando la parte del modulo in ombra o danneggiata, fig. 1.13. In genere, si impiegano 2-4 diodi di by-pass per modulo.
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Il modulo fotovoltaico
Parametri elettrici caratteristici
• La scelta dei moduli fotovoltaici da utilizzare nella progettazione di un impianto FV viene effettuata in base alle caratteristiche elettriche presentate; tali caratteristiche dipendono da molteplici fattori tra cui la tipologia di Silicio utilizzato, la
combinazione serie parallelo delle celle ed altri ancora.
• Di seguito sono definite le principali caratteristiche elettriche di un modulo FV:
– curva caratteristica tensione corrente; costituisce la carta d’identità del modulo fotovoltaico e viene ricavata in condizioni di illuminazione e temperatura
specificate applicando un carico variabile da zero ad infinito e misurando le coppie ordinate tensione corrente relative. Si è convenuto internazionalmente di stabilire come condizioni di riferimento una temperatura della giunzione di 25° C ed un irraggiamento di 1000 W/m2.
Esempio di caratteristica tensione corrente di un modulo fotovoltaico con i relativi parametri elettrici fondamentali.
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• Parametri elettrici caratteristici
- Pmax (potenza massima erogabile); è misurata in watt di picco (Wp) ed è il massimo dei valori ottenuti moltiplicando le coppie ordinate della caratteristica tensione corrente del modulo. Va riferita alle condizioni in cui è stata ricavata (ad es. STC);
- Fill Factor (fattore di riempimento); Rapporto tra la potenza massima e il prodotto dato dalla tensione a circuito aperto VOC per la corrente di corto circuito ISC del modulo fotovoltaico. Tale fattore indica di quanto la forma della curva I-V del dispositivo si avvicini ad un rettangolo ed è indicativo della “bontà” del componente (bassa resistenza serie ed elevata resistenza parallelo).
FF = Vm*Im/Voc * Isc
Vm e Im: tensione e corrente nel punto di massima potenza.
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• Parametri elettrici caratteristici
- VOC (tensione di circuito aperto); è la tensione massima prodotta dal modulo FV e si verifica quando non c’è carico applicato.
- ISC (corrente di corto circuito); è la corrente prodotta dal modulo quando i suoi terminali elettrici sono cortocircuitati.
- Vm; è la tensione relativa al punto di massima potenza.
- Im; è la corrente relativa al punto di massima potenza.
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Dati nominali e scelta dei moduli
Le prestazioni di moduli diversi possono essere paragonate solo a parità di condizioni ambientali e di irraggiamento solare, donde la necessità di stabilire a livello internazionale condizioni di prova standard (STC: Standard Test Conditions).
Le norme IEC/EN 60904 hanno assunto le seguenti condizioni di prova standard:
• irraggiamento solare (sul piano del modulo): 1000 W/m2;
• temperatura delle celle: 25 °C;
• distribuzione spettrale corrispondente ad AM = 1,5.
Per ricavare i dati nominali, in particolare la caratteristica corrente-tensione, il modulo viene posto in un simulatore solare, attrezzato con lampade allo xenon, in grado di riprodurre le suddette condizioni di prova standard.
Nella realtà impiantistica, i moduli funzionano spesso in condizioni ambientali differenti da quelle standard. In particolare, la cella si trova ad una temperatura diversa da 25 °C.
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Si è perciò sentito il bisogno di introdurre la "temperatura della cella in condizioni operative nominali" (NOCT: Nominal Operating Cell Temperature) per calcolare l'influenza della temperatura sulla potenza.
Tali condizioni operative nominali sono le seguenti:
• irraggiamento solare: 800 W/m2;
• temperatura ambiente (dell'aria): 20 °C;
• velocità dell'aria sul retro del modulo: 1 m/s;
• modulo funzionante a vuoto.
Il costruttore specifica la temperatura NOCT; in genere compresa tra 40 o c e 50 °C. Se una cella funziona con un irraggiamento solare sul piano dei moduli (Gp) diverso da 800 W/m2 e temperatura ambiente (Tamb) diversa da 20 °C assume la temperatura (Tcell).
Bassi valori della temperatura NOCT corrispondono ad una buona capacità delle celle di
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la variazione percentuale di potenza DELTA Pm (%) dovuta a una temperatura delle celle diversa da 25 °C vale quindi:
CT è il coefficiente di temperatura per la potenza (variazione percentuale di potenza per ogni grado di differenza da 25 °C)
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Il modulo fotovoltaico
Ogni modulo deve disporre di una targa leggibile e indelebile, su cui devono essere riportati i seguenti dati:
• nome o simbolo del costruttore;
• tipo o numero di modello;
• numero di serie;
• polarità dei terminali o dei conduttori;
• massima tensione di esercizio per la quale il modulo è adatto;
• classe di impiego del modulo;
• simbolo di classe II (per i moduli di classe A).
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Ogni modulo deve disporre di una targa leggibile e indelebile, su cui devono essere riportati i seguenti dati:
• nome o simbolo del costruttore;
• tipo o numero di modello;
• numero di serie;
• polarità dei terminali o dei conduttori;
• massima tensione di esercizio per la quale il modulo è adatto;
• classe di impiego del modulo;
• simbolo di classe II (per i moduli di classe A).
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Il modulo fotovoltaico
Il costruttore del modulo deve inoltre fornire gli ulteriori dati necessari per l'impiego dei moduli, tra cui:
• tensione a vuoto Uoc;
• corrente di cortocircuito lsc;
• massima potenza Pmax, con indicazione delle tolleranze di produzione;
• tensione e corrente nel punto di massima potenza (MPP) Dmpp e Impp‘;
• corrente nominale massima dei dispositivi di protezione contro le sovracorrenti abbinabili al modulo (in genere fusibili);
• numero massimo raccomandato di moduli collegabili in serie/parallelo;
• temperatura della cella in condizioni operative nominali (NOCT);