CORSO PROGETTISTI/INSTALLATORI
PARTE PRIMA
I principi della conversione fotovoltaica
Principio di funzionamento di una cella fotovoltaica
Caratteristiche elettriche delle celle fotovoltaiche
Il modulo fotovoltaico
I principi della conversione fotovoltaica
La radiazione solare
– La radiazione solare è l’energia elettromagnetica emessa dai processi di fusione nucleare che avvengono nel Sole.
– La radiazione solare, misurata in Wh/m2, che raggiunge la superficie terrestre, si distingue in diretta, diffusa e riflessa .
– La somma delle tre componenti costituisce la radiazione solare globale.
La radiazione solare e l’atmosfera terrestre
I principi della conversione fotovoltaica
Radiazione diretta, diffusa e riflessa
– La radiazione diretta colpisce una qualsiasi superficie con un unico angolo di incidenza,
– La radiazione diffusa incide su tale superficie con vari angoli.
– Quando la radiazione diretta non può colpire una superficie a causa della presenza di un ostacolo, l’area ombreggiata non si trova completamente oscurata grazie al contributo della radiazione diffusa.
– Una superficie inclinata, può ricevere, inoltre, la radiazione riflessa dal terreno o da specchi d’acqua o da altre superfici orizzontali.
I principi della conversione fotovoltaica
Radiazione diretta, diffusa e riflessa
Le proporzioni di radiazione riflessa, diffusa e diretta ricevuta da una superficie dipendono:
– dalle condizioni meteorologiche (in una giornata nuvolosa la radiazione è pressoché totalmente diffusa; in una giornata serena con clima secco, viceversa, predomina la componente diretta, che può arrivare fino al 90% della radiazione totale);
– dall’inclinazione della superficie rispetto al piano orizzontale (una superficie orizzontale riceve la massima radiazione diffusa e la minima riflessa; la componente riflessa aumenta al crescere dell’inclinazione);
– dalla presenza di superfici riflettenti (il contributo maggiore alla riflessione è dato dalle superfici chiare; così la radiazione riflessa aumenta in inverno, per effetto della presenza di neve, e diminuisce in estate, per effetto di assorbimento di colori
• L’intensità della radiazione solare incidente su una superficie al suolo è influenzata dall’angolo di inclinazione della radiazione stessa.
• La posizione ottimale si ha quando la superficie è orientata a sud con angolo di inclinazione pari alla latitudine del sito: l’orientamento a sud massimizza la radiazione solare captata ricevuta nella giornata e l’inclinazione pari alla latitudine rende minime, durante l’anno, le variazioni nella captazione di energia solare.
• Una variazione di pochi gradi (+/-15°), rispetto alle condizioni ottimali di orientamento ed inclinazione determina perdite dell’energia raccolta (e quindi prodotta dall’impianto fotovoltaico) di pochi percento.
I principi della conversione fotovoltaica
Radiazione diretta, diffusa e riflessa
• La valutazione dell’energia solare globale incidente su una superficie è indispensabile nella progettazione degli impianti fotovoltaici sia per il dimensionamento del campo fotovoltaico sia per la determinazione della producibilità energetica dello stesso.
• La quantità di energia elettrica producibile deve essere calcolata, sulla base dei dati radiometrici riportati nella norma UNI 10349 e assumendo come efficienza operativa media annuale dell’impianto il 75% dell’efficienza nominale del generatore fotovoltaico.
• La norma UNI 10349 riporta i dati di radiazione solare diretta e diffusa incidenti sul piano orizzontale nei capoluoghi di provincia.
I principi della conversione fotovoltaica
Radiazione diretta, diffusa e riflessa
I principi della conversione fotovoltaica
Valutazione dell’energia solare incidente su una superficie
• Negli impianti fotovoltaici la superficie di captazione è spesso inclinata rispetto all’orizzontale per aumentare l’energia incidente. E’ perciò indispensabile passare dalla radiazione incidente su una superficie orizzontale, che è il dato solitamente conosciuto, alla radiazione incidente su una superficie inclinata.
• La radiazione solare su una superficie inclinata può essere determinata in vari modi in funzione dei dati di partenza:
– metodi di calcolo basato sulle norme UNI
– metodi di calcolo teorico-sperimentali (Liu-Jordan)
– in modo più approssimativo, mediante opportune mappe isoradiative.
I principi della conversione fotovoltaica
Valutazione dell’energia solare incidente su una superficie
• Il dimensionamento del generatore fotovoltaico si effettua tramite la norma UNI 10349
• Nella norma UNI 10349 sono riportati i dati di radiazione solare diretta Hdo e diffusa Hbo incidenti sul piano orizzontale nei capoluoghi di provincia.
I principi della conversione fotovoltaica
Valutazione dell’energia solare incidente su una superficie
I principi della conversione fotovoltaica
Valutazione dell’energia solare incidente su una superficie
Angoli di inclinazione b e di orientazione ( azimuth) g di una superficie.
I principi della conversione fotovoltaica
Valutazione dell’energia solare incidente su una superficie
Calcoli con l’utilizzo della Norma UNI 10349
Ho = Hdo + Hbo
H = Hb + Hd + Ha = Rb * Hbo +( l + cos )/2 * Hdo + * ( l + cos ) / 2 * Ho dove:
= angolo di inclinazione (vedi )della superficie captante sul piano orizzontale;
= riflettività del terreno;
inoltre, trattandosi di una superficie orientata verso sud:
Rb = ( / 180) * ’s * sen * sen ( - ) + sen ’s * cos * cos ( - ) / ( / 180) * s * sen * sen + cos * sen s * cos
con
= latitudine;
=23.5 sen (360 (284 + n) / 365) = declinazione;
I principi della conversione fotovoltaica
Valutazione dell’energia solare incidente su una superficie
• Calcolo della radiazione incidente su una superficie inclinata e rivolta a sud con il metodo di Liu-Jordan.
• Il metodo di Liu e Jordan si utilizza quando il dato di partenza conosciuto è la radiazione globale sul piano orizzontale Ho; esso si basa sull’ipotesi che il tasso di nuvolosità giornaliera possa essere calcolato a partire dal rapporto fra la radiazione globale giornaliera raccolta da una superficie posta orizzontalmente al suolo, Ho, e quella che invece sarebbe raccolta dalla stessa superficie fuori dell’atmosfera, Qo. D’altronde la radiazione diffusa captata da una superficie orizzontale al suolo, Hdo, è anch’essa correlata al grado di nuvolosità ed è quindi lecito aspettarsi una legge che leghi Hdo a Ho. In seguito a rilievi sperimentali, Liu e Jordan hanno determinato la relazione che lega la componente diffusa alla radiazione globale (giornaliera calcolata su dati medi mensili) .
I principi della conversione fotovoltaica
Valutazione dell’energia solare incidente su una superficie
Energia solare incidente su una superficie secondo Liu-Jordan
Hdo / Ho = 1.390 - 4.027 * Kt + 5.531 * Kt2 - 3.108 * Kt3 dove:
Hdo = radiazione diffusa giornaliera raccolta da una superficie orizzontale;
Ho = radiazione globale giornaliera raccolta da una superficie;
Kt = Ho / Qo;
Qo = Isc * r * cos cos sen s + ( / 180) *s * sen sen * (24 / );
r = 1 + 0.033 cos (360 * n / 365) (quadrato del rapporto fra distanza media e distanza al giorno n fra la terra e il sole);
Isc = costante solare pari a a 1353 W/m2 ;
= latitudine;
=23.5 sen (360 (284 + n) / 365) = declinazione;
n = giorno progressivo dell’anno;
s =arcos (-tg * tg ) = angolo orario al tramonto su superficie orizzontale
;
I principi della conversione fotovoltaica
Valutazione dell’energia solare incidente su una superficie
Qualora si disponesse di una mappa isoradiativa in cui i valori riportati siano ottenuti in accordo alla norma UNI 10349 sarà possibile ottenere la radiazione solare incidente sul piano inclinato semplicemente leggendo tale valore direttamente dalla mappa. Tale metodo per quanto estremamente rapido, può risultare approssimativo.
Valori di radiazione giornaliera media annua sul piano inclinato di 60°
sull'orizzontale e rivolto a Sud
I principi della conversione fotovoltaica
Il principio della conversione fotovoltaica
• La conversione diretta dell’energia solare in energia elettrica, realizzata con i dispositivi fotovoltaici, utilizza il fenomeno fisico dell’interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nei materiali semiconduttori, denominato effetto fotovoltaico.
• Grazie alle caratteristiche atomiche del silicio cristallino, è possibile sovrapporne due strati ( giunzione P-N), in ognuno dei quali si è introdotto un altro particolare elemento chimico (operazione di drogaggio), per esempio fosforo(valenza 5) e boro (valenza 3).
• Una opportuna quantità di energia trasmessa agli elettroni dai fotoni che costituiscono la radiazione luminosa, genera un flusso di elettroni ordinato ed orientato dal campo elettrico generatosi all’interno della giunzione ottenuta.
I principi della conversione fotovoltaica
Principio di funzionamento di una cella fotovoltaica
I materiali utilizzati nelle celle fotovoltaiche (celle PV) sono i semiconduttori comunemente impiegati nella componentistica elettronica.
Il silicio è il semiconduttore di gran lunga più noto e costituisce l'elemento base per le celle PV più diffuse.
Nei materiali isolanti, gli elettroni di valenza non si possono allontanare dall'atomo;
sono cioè bloccati nella banda di valenza e non possono passare nella banda di conduzione.
Nei materiali conduttori (metallici), gli elettroni di valenza sono liberi di muoversi e il loro movimento, provocato da un campo elettrico, dà origine alla corrente elettrica.
In questo caso, le bande di valenza e di conduzione sono sovrapposte.
Nei materiali semiconduttore, gli elettroni di valenza non si possono muovere, come nei materiali isolanti, ma è piccola la differenza energetica tra la banda di valenza e
I principi della conversione fotovoltaica
Principio di funzionamento di una cella fotovoltaica
L'energia necessaria all'elettrone di un semiconduttore per passare dalla banda di valenza a quella di conduzione può essere fornita dalla luce (effetto fotoelettrico).
A seguito dell'effetto fotoelettrico un semiconduttore diventa conduttore, ma non per questo diventa un generatore elettrico. Per ottenere un generatore elettrico bisogna ricorrere ad una giunzione P-N. Vale la pena ricordare, anche se in modo semplificato, il significato fisico di una giunzione P-N per meglio comprendere il funzionamento di una cella fotovoltaica.
Se nel silicio, che ha quattro elettroni di valenza, si inseriscono atomi di fosforo, i quali banno cinque elettroni di valenza, si rende disponibile un elettrone di conduzione.
Sei silicio si forma quindi un eccesso di cariche negative (elettroni); si dice che il silicio è drogato negativamente (N).
Se si droga il silicio con una sostanza che ha tre elettroni di valenza, ad esempio il boro, viene a mancare un elettrone; la mancanza di carica elettrica negativa prende il nome di lacuna. Tutto succede come se fosse disponibile una carica positiva: si dice che i semi conduttore è drogato positivamente (P)
I principi della conversione fotovoltaica
Principio di funzionamento di una cella fotovoltaica
Se un semi conduttore P viene messo a contatto con un semiconduttore N, si forma la nota giunzione P-N.
La regione tipo N ha un eccesso di elettroni, la regione tipo P ha un eccesso di lacune.
Nella giunzione P-N, gli elettroni tendono a diffondersi naturalmente dalla regione ad alta densità di elettroni (lato N) alla regione a bassa densità di elettroni (lato P), creando in tal modo un accumulo di carica negativa nella regione P.
Un fenomeno simmetrico avviene per le lacune, con un accumulo di carica positiva nella regione N.
In definitiva, a ridosso della giunzione si stabilisce un campo elettrico Ei interno alla giunzione, che si oppone alla ulteriore naturale diffusione delle cariche una volta raggiunta una situazione di equilibrio, fig. 1.4 a).
I principi della conversione fotovoltaica
Principio di funzionamento di una cella fotovoltaica
Se si applica dall'esterno una tensione U, la giunzione permette il passaggio di corrente in un senso solo, funziona cioè da diodo, fig. 1.4 b) e 1.4 c).
Se ora la giunzione P-N viene investita dalla luce, la situazione cambia radicalmente, perché la luce fornisce agli elettroni l'energia sufficiente per passare dalla banda di valenza a quella di conduzione; l'elettrone passando nella banda di conduzione determina una lacuna. Le cariche elettriche sono messe in movimento dalla differenza di potenziale presente nella giunzione P- N.
FIGURA 1.4- La giunzione P-N equivale ad un diodo.
a) Nella giunzione si ha un movimento di cariche positive da P a N e di cariche negative da N a P, fino a che l'accumulo di cariche elettriche nelle due zone determina un campo elettrico E; che si oppone all'ulteriore movimento di cariche elettriche (passaggio di corrente).
b) Se si applica dall'esterno un campo elettrico che supera quello interno E; riprende il passaggio di corrente (il verso convenzionale della corrente è quello delle cariche positive).
c) Schema elettrico di un diodo.
Flusso di corrente fotogenerata attraverso un circuito elettrico
Ecco dunque il generatore fotovoltaico: la tensione dovuta alla giunzione P-N mette
in movimento le cariche elettriche (corrente) prodotte nel semi conduttore dall'effetto fotoelettrico.
La cella fotovoltaica non è altro che una giunzione P-N di silicio. La zona di silicio
che contribuisce a fornire la corrente è quella circostante la giunzione P-N; nelle zone lontane si formano le cariche elettriche, ma manca il campo elettrico che le mette in movimento e in buona parte si ricombinano.
Di qui l'importanza che la cella fotovoltaica abbia una grande superficie: maggiore è la superficie e più grande è la corrente.
I principi della conversione fotovoltaica
La cella fotovoltaica
• La cella fotovoltaica è un dispositivo capace di convertire l’energia luminosa, su di essa incidente, direttamente in energia elettrica. Esponendola alla radiazione solare, la cella si comporta come un generatore di corrente il cui funzionamento può essere descritto per mezzo della caratteristica tensione - corrente.
• In generale la caratteristica di una cella fotovoltaica è funzione di tre variabili fondamentali: intensità della radiazione solare, temperatura e area della cella.
I principi della conversione fotovoltaica
Caratteristiche elettriche delle celle fotovoltaiche
La caratteristica corrente-tensione
Quanto di seguito indicato per le celle PV, fatte le debite proporzioni, vale anche per i moduli PV, i quali sono un insieme di celle PV. La caratteristica corrente-tensione di un diodo a giunzione, fig. 1.5 a), corrisponde alla relazione:
dove:
• Io = corrente di saturazione del diodo,
• q= carica elettrica dell'elettrone, in valore assoluto (1,6 · 10^-19 C),
• k =costante di Boltzmann (1,38 · 10^-23 J/K),
• T = temperatura assoluta della cella (K).
I principi della conversione fotovoltaica
Caratteristiche elettriche delle celle fotovoltaiche
La caratteristica corrente-tensione
La caratteristica corrente-tensione di fig. 1.5 a) è quella della cella PV al buio. Se si aggiunge la corrente dovuta all'effetto fotovoltaico Isc e si adotta la convenzione di segno dei generatori, si ottiene la caratteristica corrente-tensione di una cella PV (fig. 15 b):
dove:
• corrente di cortocircuito Isc è un parametro caratteristico della cella PV e aumenta con l’area della giunzione (30-35 mA/cm2)
• Io = corrente di saturazione del diodo,
• q= carica elettrica dell'elettrone, in valore assoluto (1,6 · 10^-19 C),
• k =costante di Boltzmann (1,38 · 10^-23 J/K),
• T = temperatura assoluta della cella (K).
I principi della conversione fotovoltaica
Caratteristiche elettriche delle celle fotovoltaiche
FIGURA 1.5 - Dal diodo alla cella fotovoltaica:
a) caratteristica corrente-tensione di un diodo (convenzione di segno degli utilizzatori: positiva la corrente entrante);
b) caratteristica corrente-tensione di una cella PV (convenzione di segno dei generatori: positiva
Caratteristica V-I di una cella solare
I principi della conversione fotovoltaica
Caratteristiche elettriche delle celle fotovoltaiche
Per una data cella PV il valore della corrente Isc aumenta con l' irraggiamento solare (aumentano il numero di fotoni e il numero di cariche elettriche liberate).
Un altro parametro della cella PV è la tensione a vuoto Uoc· Ponendo I= O nella (l) si ricava:
La tensione a vuoto U0c dipende essenzialmente dal materiale semiconduttore; per le celle al silicio Uoc ~ 0,5-0,6 V.
La caratteristica corrente-tensione di una cella fotovoltaica è prossima a quella di un generatore ideale di corrente (generatore che fornisce una corrente costante entro ampi limiti, indipendentemente dal carico).
Il punto di funzionamento della cella chiusa su una resistenza R è rappresentato dall'intersezione della retta U = RI con la caratteristica corrente-tensione della cella, fig.
I principi della conversione fotovoltaica
Caratteristiche elettriche delle celle fotovoltaiche
Caratteristica corrente-tensione di una cella PV e punto di funzionamento al variare del carico R. ll punto C (Umax • Imax) corrisponde alla potenza massima che la cella può erogare.
la potenza massima corrisponde al punto C C(Imax • Umax) ed è rappresentata dall'area del rettangolo di lati Umax e Imax
fattore di riempimento FF (Fill Factor).
I principi della conversione fotovoltaica
Caratteristiche elettriche delle celle fotovoltaiche
Tanto più è elevato il fattore di riempimento, tanto più è "squadrata"
la caratteristica
della cella. Valori elevati del fattore di riempimento sono indicativi della qualità globale della cella. Per le celle in commercio i valori tipici si collocano nell'intervallo 0,7-:-0,85.
L’efficienza di conversione (rendimento) varia dall'8% al 20%
secondo il tipo di cella.
I principi della conversione fotovoltaica
Caratteristiche elettriche delle celle fotovoltaiche
Circuito elettrico equivalente di una cella PV: le resistenze Rs e Rp corrispondono alle perdite nella cella.
L'efficienza di conversione «eta» determina la superficie delle celle necessaria per produrre una determinata potenza. A pari potenza, se aumenta l'efficienza di conversione si riduce la superficie del campo PV.
L'efficienza di conversione della cella è limitata soprattutto a causa di:
a) fotoni di energia eccessiva rispetto a quella necessaria per produrre una coppia elettrone-lacuna;
b) fotoni di energia insufficiente per produrre una coppia elettrone-lacuna;
c) fenomeni di ricombinazione nella cella tra elettroni e lacune, specie in prossimità delle superfici;
d) riflessione sulla superficie della luce incidente;
e) presenza della griglia superiore (elettrodo superiore) che scherma la cella sottostante;
f) perdite sulla resistenza interna della cella e dei contatti elettrici.
I principi della conversione fotovoltaica
Caratteristiche elettriche delle celle fotovoltaiche
La presenza delle resistenze determina:
• una riduzione della tensione ai morsetti del generatore, a causa della resistenza in Serie
• una riduzione della corrente fornita dal generatore, a causa della resistenza in Parallelo
Come risulta evidente dalla fig. le resistenze in serie e in parallelo riducono il fattore
I principi della conversione fotovoltaica
La cella fotovoltaica
• L’intensità della radiazione solare non ha un effetto significativo sul valore della tensione a vuoto; viceversa l’intensità della corrente di corto circuito varia in modo proporzionale al variare della intensità dell’irraggiamento, crescendo al crescere di questo.
• La temperatura non ha un effetto significativo sul valore della corrente di corto circuito; al contrario, esiste una relazione di proporzionalità inversa tra questa e la tensione a vuoto, diminuendo la tensione al crescere della temperatura. L’area della cella non ha alcun effetto sul valore della tensione; viceversa esiste una diretta proporzionalità tra questa e la corrente generata.
I principi della conversione fotovoltaica
La cella fotovoltaica
Variazioni della caratteristica corrente-tensione
La caratteristica corrente-tensione cambia con l'irraggiamento solare (W/m2) come indicato in fig. 1.9 a).
All'aumentare dell'irraggiamento solare cresce la corrente lsc fornita dalla cella, mentre la tensione Uoc rimane pressoché costante.
Nel complesso, la potenza erogata dalla cella aumenta con l'irraggiamento solare.
Per contro, quando aumenta la temperatura la tensione a vuoto diminuisce (circa 1- 3 mV/°C), mentre la corrente lsc rimane quasi costante, fig. 1.9 b).
I principi della conversione fotovoltaica
La cella fotovoltaica
Andamento della caratteristica elettrica in funzione della temperatura (a) e della radiazione solare (b).
I principi della conversione fotovoltaica
La cella fotovoltaica
• In condizioni di corto circuito la corrente generata è massima (Isc), mentre in condizioni di circuito aperto è massima la tensione (Voc).
• In condizioni di circuito aperto e di corto circuito la potenza estraibile sarà nulla, poiché nella relazione P = V * I sarà nulla la corrente nel primo caso e la tensione nel secondo.
• Negli altri punti della caratteristica all’aumentare della tensione aumenta la potenza, raggiungendo quindi un massimo e diminuendo repentinamente in prossimità della Voc.
I principi della conversione fotovoltaica
La cella fotovoltaica
• Di tutta l’energia che investe la cella solare sotto forma di radiazione luminosa, solo una parte è convertita in energia elettrica disponibile ai suoi morsetti.
• I motivi di tale valore di efficienza sono molteplici e possono essere riassunti come segue:
• riflessione;
• fotoni poco energetici per rompere il legame tra elettrone e nucleo;
• ricombinazione;
• resistenze parassite;
• per la resistenza che gli elettroni incontrano ai confini tra un grano e l’altro (nel caso di celle al silicio poli - cristallino) e, ancor più, nel caso di celle al silicio amorfo, per la resistenza dovuta all’orientamento casuale dei singoli atomi.
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Il modulo fotovoltaico
• 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.
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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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Il modulo fotovoltaico
• 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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Il modulo fotovoltaico
• 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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Il modulo fotovoltaico
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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Il modulo fotovoltaico
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
I principi della conversione fotovoltaica
Il modulo fotovoltaico
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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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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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);
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Il modulo fotovoltaico
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Il modulo fotovoltaico
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Scelta dei moduli
La percentuale di potenza ricevuta dal sole che il modulo trasforma in energia elettrica, cioè l'efficienza di conversione è sicuramente il parametro più noto e pubblicizzato dai produttori.
Infatti, due moduli di pari potenza nominale, a parità di condizioni ambientali e con irraggiamento solare di 1000 W/m2 forniscono la stessa potenza, indipendentemente dall'efficienza di conversione del modulo stesso. L'unica differenza è che il modulo meno efficiente occupa più spazio. I moduli ad alta efficienza (silicio monocristallino) sono quindi utili soprattutto dove c'è carenza di spazio.
La tolleranza sulla potenza nominale dei moduli è importante, poiché la disomogeneità dei moduli in una stringa ne riduce la potenza, inoltre aumenta le perdite di mismatch tra le stringhe.
Infine, indipendentemente da queste perdite, se tutti i moduli avessero una potenza pari al limite inferiore della tolleranza, ad esempio -10%, l'impianto PV fornirebbe una potenza 0,9 volte quella nominale.
Aumenta così il costo specifico dell'impianto (€/kW) e può diventare più interessante un lotto con tolleranza± 5%, anche se più costoso.
I principi della conversione fotovoltaica
Scelta dei moduli
La temperatura NOCT e il coefficiente di temperatura CT sono importanti, perché indicano come aumentano le perdite con la temperatura. Un modulo è tanto più pregiato quanto minore è la temperatura T NOCT e il coefficiente di temperatura CT.
Quanto più la temperatura ambiente è elevata, tanto maggiore è il vantaggio conseguibile con moduli a basso T NOCT e basso CT.
I moduli in film sottile sono meno sensibili alla temperatura, quindi sono più adatti dove la temperatura aumenta per mancanza di ventilazione, ad esempio negli inter,
·enti integrati architettonicamente.
I moduli dotati di certificazioni e garanzie contrattuali hanno maggiori probabilità di durare e produrre energia elettrica per l'intera vita utile dell'impianto.
I principi della conversione fotovoltaica
Stringhe di moduli fotovoltaici
• I moduli fotovoltaici possono essere connessi elettricamente in serie per ottenere la tensione di lavoro del campo fotovoltaico ottimale per l’accoppiamento con i dispositivi subito a valle degli stessi moduli.
• La stringa ottenuta dal collegamento in serie dei moduli è caratterizzata da una curva I-V che, nel caso in cui i moduli FV fossero perfettamente identici, sarebbe la somma esatta delle caratteristiche dei singoli moduli.
I principi della conversione fotovoltaica
Stringhe di moduli fotovoltaici
• In pratica, le condizioni ideali non si verificano mai e quindi la curva ottenuta risente delle cosidette perdite di accoppiamento (effetto di “Mismatching”), valutabili approssimativamente nel 5% della somma delle singole potenze nominali dei moduli utilizzati, si ottiene dalla “somma” delle singole caratteristiche.
• Il collegamento in serie avviene all’interno della cassetta di derivazione presente nei moduli e viene ricondotto al quadro di sottocampo, se presente; direttamente al convertitore CC/CA altrimenti.
• Allo scopo di incrementare l’energia prodotta si possono collegare in parallelo più stringhe.
La composizione elettrica di celle, moduli, pannelli e stringhe forma il campo fotovoltaico.
La composizione elettrica di celle, moduli, pannelli e stringhe forma il campo fotovoltaico.
Collegamento in serie di moduli fotovoltaici.
I principi della conversione fotovoltaica
L'inverter
L'inverter
La corrente continua del generatore PV deve essere convertita in corrente alternata per essere utilizzata o immessa nella rete di distribuzione pubblica. Questa è la
funzione principale svolta dall' inverter (convertitore).
La fig mostra lo schema di principio di un inverter.
I principi della conversione fotovoltaica
L'inverter
I principi della conversione fotovoltaica
L'inverter
I transistor sono pilotati da un segnale, che nella forma più semplice on-off fornirebbe in uscita una onda quadra.
La tecnica più sofisticata per ottenere un'onda sinusoidale si basa sulla modulazione di larghezza di impulso (PWM: Pulse Width Modulation), la quale permette di variare anche il valore della tensione e della frequenza.
La forma d'onda della tensione in uscita dall'inverter non è perfettamente sinusoidale, ma è affetta da armoniche.
ll trasformatore (eventuale) riduce il contenuto di armoniche (insieme al filtro LC a monte) ed eleva il valore di tensione a quello di rete.
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L'inverter
La potenza fornita da un generatore fotovoltaico dipende dal punto di funzionamento in cui esso si trova ad operare. Per ottimizzare l'energia ottenibile dall'impianto PV, si deve adeguare il generatore al carico, in modo che il punto di funzionamento corrisponda sempre a quello di massima potenza. A tal fine viene impiegato all'interno dell'inverter stesso, un convertitore DC/DC adeguatamente controllato, che prende il nome di inseguitore del punto di massima potenza (MPPT: Maximum Power Point Tracking).
