Capitolo 2

Capitolo 2

I Pannelli fotovoltaici

2.1 Introduzione

I sistemi fotovoltaici convertono l’energia solare in elettricità. A causa della sempre crescente richiesta di energia solare, la realizzazione di celle fotovoltaiche negli ultimi anni ha registrato una drastica espansione.

Il fotovoltaico rappresenta una fonte di energia con molti vantaggi: • Il sole è una fonte di energia gratuita;

• Non esistono limiti (inferiori) di grandezza per l’energia prodotta da un impianto fotovoltaico; ovvero mentre non è per esempio realizzabile una centrale nucleare che fornisca una potenza di qualche Watt, la potenza fornita da un impianto fotovoltaico può andare da pochi millesimi di Watt fino a diversi milioni di Watt;

• Gli impianti possono essere ampliati a piacere; cioè la potenza di un impianto fotovoltaico può essere aumentata anche successivamente senza grossi problemi;

• Il fotovoltaico è particolarmente ecologico dato che non vengono prodotti gas di scarico o altre scorie;

• Gli impianti fotovoltaici godono di elevata durata, necessitano di poca manutenzione e hanno una struttura semplice, dato che non vi sono parti meccaniche in movimento;

• Facilmente integrabili negli edifici e nelle infrastrutture urbane occupando superfici solitamente inutilizzate (tetti,facciate, pensiline, ecc...);

• Per potenze ridotte è una fonte di energia estremamente mobile. Di contro tale fonte d energia presenta anche degli svantaggi:

• L'investimento per un impianto fotovoltaico è ancora elevato e l’energia elettrica prodotta con questa tecnologia ha un costo superiore (fino a 5 volte) rispetto all’energia prodotta con i sistemi tradizionali dunque non sarebbe ancora di per sé conveniente;

• L’ efficienza degli attuali pannelli fotovoltaici è di circa il 20%, il che impone un elettronica di controllo molto efficiente (98%-99%) e quindi anch’essa costosa;

• L’energia solare non è disponibile di notte o in cattive condizioni meteorologiche; in certe applicazioni è quindi necessaria la presenza di un sistema ausiliario per la produzione dell’energia quando quello fotovoltaico non è disponibile;

• Lo smaltimento dei pannelli in disuso, anche se ad oggi non ci sono risultati certi sulla percentuale di riciclabilità e sui relativi costi.

2.2 La radiazione solare

L’energia solare è quella emessa dal sole sottoforma di un flusso continuo di fotoni. Essa è generata da processi di fusione nucleare in cui, due nuclei d’idrogeno (basso numero atomico) si uniscono e formano un atomo d’elio (numero atomico superiore). Questa fusione, libera enormi quantità di energia, in quanto la massa del nucleo risultante è minore della somma delle masse dei nuclei iniziali. La differenza di massa è convertita in energia secondo la nota relazione:

2

c m E = ⋅

Secondo misurazioni effettuate dalla NASA con i propri satelliti la potenza totale irraggiata dal sole è pari a:

23 10 8 , 3 ⋅ ≅ S P [kw]

Della potenza totale irradiata dal sole, la Terra con il suo raggio medio di 6371 km, intercetta un’aliquota pari a:

12 10 173 ⋅ ≅ T P [kw]

Per conoscere la radiazione solare al di fuori dell’atmosfera terrestre è sufficiente integrare la radiazione spettrale rispetto alla lunghezza d’onda di tutto lo spettro. Otteniamo in questo modo il valore della potenza incidente su una superficie unitaria perpendicolare ai raggi del sole. Ad essa diamo il nome di “costante solare” ed il suo valore è:

1360 ≅

S

C [W/m2]

Tale valore resta pressoché costante durante l’anno subendo, in conseguenza dell’eccentricità dell’orbita terrestre, variazioni di ± 3.3%. Il grafico del suo andamento è riportato di seguito in figura 2.0

Figura 2.0: Variazione della costante solare extraterrestre espressa in [W/m2]

La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre si distingue in diretta e diffusa.

Mentre la radiazione diretta colpisce una qualsiasi superficie con un preciso angolo di incidenza, quella diffusa incide su tale superficie con vari angoli.

Occorre ricordare che quando la radiazione diretta non è in grado di colpire una superficie a causa della presenza di un ostacolo, l’area ombreggiata non si trova completamente oscurata grazie al contributo della radiazione diffusa.

I pannelli solari funzionano anche in presenza della sola componente diffusa, infatti, generano elettricità anche con cielo nuvoloso anche se chiaramente la loro produzione diminuisce proporzionalmente all’intensità luminosa.

Una superficie inclinata può ricevere, inoltre, la radiazione riflessa dal terreno, o da altre superfici orizzontali, tale contributo è chiamato albedo.

• dalle condizioni meteorologiche: infatti in una giornata nuvolosa la radiazione è quasi totalmente diffusa; in una giornata serena con clima secco predomina invece 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, se non ci sono intorno oggetti a quota superiore a quella della superficie;

• dalla presenza di superfici riflettenti: il contributo maggiore alla riflessione è dato dalle superfici chiare; la radiazione riflessa aumenta in inverno per effetto della neve e diminuisce in estate per l’effetto di assorbimento dell’erba o del terreno.

Al variare della località, inoltre, varia il rapporto fra la radiazione diffusa e quella totale e poiché all’aumentare dell’inclinazione e della superficie di captazione diminuisce la componente diffusa e aumenta la componente riflessa, l’inclinazione che consente di massimizzare

l’ energia raccolta può essere differente da località a località.

La posizione ottimale, in pratica, si ha quando la superficie è orientata a sud e un inclinazione del modulo corrispondente al grado di latitudine in cui ci si trova (nel Nord Italia circa 30° - 35°).

L’orientamento a sud infatti massimizza la radiazione solare captata ricevuta nella giornata e l’inclinazione pari alla latitudine rende minime, durante l’anno, le variazioni di energia solare captate dovute

all’oscillazione di 0

5 . 23

± della direzione dei raggi solari rispetto alla perpendicolare alla superficie di raccolta.

Se indichiamo con ID la radiazione diretta, IS quella diffusa ed R

In conclusione poiché i raggi solari raggiungono la superficie terrestre con inclinazioni diverse a seconda delle stagioni e della latitudine, l’orientamento dei moduli solari è molto importante. Tenendo conto di tutti questi fenomeni, nella pratica impiantistica di progettazione il valore massimo di radiazione al suolo, è assunto pari a 1000 [W/m2]. Questo valore deve essere usato come riferimento di massima potenza di irraggiamento in fase di progettazione di un impianto fotovoltaico.

I moduli solari però non riescono a trasformare tutta l’energia luminosa in energia elettrica.

I moduli attualmente sul mercato permettono, in relazione alla tipologia, di raggiungere dei rendimenti (rapporto tra energia irradiata e energia ricavata) dal 3% al 20%.

Pertanto da un impianto fotovoltaico con una superficie di un metro quadrato possono essere ricavati teoricamente fino a 200 W (potenza di picco).

È necessario infatti tenere conto e valutare le perdite/cadute di tensione introdotte dai componenti che costituiscono l’impianto (Inverter, batterie, regolatori di carica, cavi di collegamento,etc.etc.).

2.3 Effetto fotovoltaico

L' effetto fotovoltaico si realizza quando un elettrone presente nella banda di valenza di un materiale (generalmente semiconduttore) passa in banda di conduzione a causa dell' assorbimento di un fotone incidente sul materiale, il quale possiede un energia superiore a quella di band gap.

Nelle celle fotovoltaiche il meccanismo di funzionamento si basa sull' utilizzo di materiali semiconduttori.

Infatti, nel caso di materiali isolanti, il band gap risulta troppo elevato per poter essere eguagliato dall' energia del fotone incidente, mentre per i materiali conduttori l' energia del band gap è piccolissima, quindi a temperatura ambiente c'è una continua creazione e distruzione di coppie elettrone-lacuna e l' energia necessaria alla creazione viene fornita direttamente dalle fluttuazioni termiche.

Qualunque sia il semiconduttore impiegato, il meccanismo con cui la cella trasforma la luce solare in energia elettrica è essenzialmente lo stesso, sia esso silicio monocristallino, policristallino od amorfo.

2.3.1 La giunzione pn

Il drogaggio di un semiconduttore viene generalmente realizzato inserendo atomi del terzo gruppo (boro) e del quinto gruppo (fosforo) per ottenere rispettivamente una struttura di tipo p (con un eccesso di lacune) ed una di tipo n (con un eccesso di elettroni).

Lo strato drogato con elementi del quinto gruppo, che hanno cinque elettroni esterni (o di valenza) contro i tre di quelli del terzo gruppo, presenta una carica negativa debolmente legata, costituita da un elettrone in eccesso per ogni atomo drogante.

Allo stesso modo, nello strato drogato con elementi del terzo gruppo, che hanno invece tre elettroni esterni, si ottiene un' eccesso di carica positiva, data dalle lacune degli atomi droganti.

Il primo strato, a carica negativa, viene generalmente chiamato strato n, l' altro, a carica positiva, strato p.

Mettendo a contatto questi due strati si ottiene una giunzione pn.

È evidente che in tale giunzione, si viene a verificare un flusso di elettroni dalla zona n alla zona p e di lacune in direzione opposta, fino al raggiungimento dell' equilibrio elettrostatico, che determina un eccesso di carica positiva nella zona n, un eccesso di elettroni nella zona p e una regione intermedia detta regione di svuotamento (depletion region). Il risultato è un campo elettrico interno al dispositivo (detto campo elettrico di built-in) che si estende a cavallo della regione di svuotamento, generalmente spessa pochi micron. La conseguente barriera di potenziale che si ottiene tra le due regioni n e p prende il nome di tensione di built-in.

2.3.2 Conversione dell’energia luminosa

Quando una cella fotovoltaica assorbe una radiazione luminosa i cui fotoni possiedono un valore di energia E = h⋅ν (dove h è la costante di Plank e ν è la frequenza del fotone), può succedere che:

Se hν <E_g, i fotoni non potranno essere catturati da elettroni poiché questi verrebbero portati ad un livello energetico della banda proibita ove nessun elettrone può portarsi.

Se invece hν >E_gl’elettrone che cattura il fotone viene portato nella banda di conduzione, lasciando ionizzato (lacuna) il suo atomo originario di appartenenza. Una volta nella banda di conduzione l’elettrone dissipa termicamente la quantità di energia in eccesso:

g

E

h −ν ed è libero di muoversi in tale banda.

In questo caso si dice che si è verificato un processo di generazione di coppia elettrone-lacuna.

Il campo elettrico di built-in permette di dividere gli elettroni in eccesso (ottenuti dall’assorbimento dei fotoni da parte del materiale) dalle lacune, e li spinge in direzioni opposte gli uni rispetto agli altri. Gli elettroni, una volta oltrepassata la zona di svuotamento non possono più tornare indietro, perché il campo impedisce loro di invertire la marcia. Connettendo la giunzione con un conduttore esterno, si otterrà un circuito chiuso nel quale il flusso di elettroni parte dallo strato n, a potenziale maggiore, verso lo strato p, a potenziale minore fintanto che la cella resta esposta alla luce.

Figura 2.1: Descrizione dell’effetto fotovoltaico

2.3.3 Efficienza di conversione

L'efficienza di conversione per celle commerciali al silicio non va oltre il 20%, mentre realizzazioni speciali di laboratorio hanno raggiunto valori del 42,8%, ma si tratta di prototipi.

I motivi di tale bassa efficienza sono molteplici e possono essere raggruppati in quattro categorie:

1) riflessione

non tutti i fotoni che incidono sulla cella penetrano al suo interno, dato che in parte sono riflessi dalla superficie della cella e in parte incidono sulla griglia metallica dei contatti;

2) fotoni troppo o troppo poco energetici

per rompere il legame tra elettrone e nucleo è necessaria una ben determinata quantità di energia, e non tutti i fotoni incidenti possiedono energia sufficiente.

D'altra parte, alcuni fotoni troppo energetici generano coppie elettrone- lacuna, dissipando in calore l'energia eccedente quella necessaria a staccare l'elettrone dal nucleo.

3) ricombinazione

non tutte le coppie elettrone-lacuna generate sono raccolte dal campo elettrico di giunzione e inviate al carico esterno, dato che nel percorso dal punto di generazione verso la giunzione possono incontrare cariche di segno opposto e quindi ricombinarsi;

4) resistenze parassite

le cariche generate e raccolte nella zona di svuotamento devono essere inviate all'esterno. L'operazione di raccolta è compiuta dai contatti metallici, posti sul fronte e sul retro della cella. Anche se durante la fabbricazione viene effettuato un processo di lega tra silicio e alluminio dei contatti, resta una certa resistenza all'interfaccia, che provoca una dissipazione che riduce la potenza trasferita al carico. Nel caso di celle al silicio policristallino, l'efficienza è ulteriormente diminuita a causa della resistenza che gli elettroni incontrano ai confini tra un grano e l'altro e, ancor più nel caso di celle al silicio amorfo, per la resistenza dovuta all'orientamento casuale dei singoli atomi.

2.4 Le celle fotovoltaiche

2.4.1 Curva caratteristica e circuito equivalente

La cella fotovoltaica, al buio, è sostanzialmente un diodo di gran superficie.

Esponendola alla radiazione solare la cella si comporta come un generatore di corrente il cui funzionamento può essere descritto per mezzo della curva caratteristica tensione-corrente come è mostrato in figura 2.2.

Figura 2.2: Curva I/V di un cella fotovoltaica al buio e illuminata

Se si alimenta con potenziale positivo V il lato p (cioè introduciamo cariche positive al lato p, o che è lo stesso cariche negative al lato n) non si ha passaggio di corrente per piccoli valori di V, perché il potenziale esterno viene contrastato dalla tensione di built-in generata dal doppio strato di cariche alla giunzione. Quando invece V tende alla tensione di built-in , il dispositivo diviene un buon conduttore. La corrente è dovuta

n. Questi portatori di segno opposto si muovono verso la giunzione che ora possono attraversare visto che il potenziale esterno ha abbassato il valore del potenziale di contatto che su esso esisteva.

Se invertiamo il segno del potenziale non si può avere invece conduzione. In questo caso, infatti, il potenziale esterno si somma a quello della barriera. Solo i portatori minoritari, ossia le lacune presenti nel materiale n e gli elettroni presenti nel p, sono facilitati dal maggior valore del potenziale di barriera ad attraversare la giunzione. Poiché però la concentrazione dei portatori minoritari è sempre molto bassa, la corrente che si ha per polarizzazione inversa è estremamente modesta. La corrente che passa nella cella nel caso di alimentazione con potenziale V è data dalla espressione della corrente che attraversa un diodo in conduzione diretta:

) 1 ( 0 − = KT qV D I e I dove: q : carica dell’elettrone K : costante di Boltzman (1,38_⋅10−23_J/_K) T : temperatura (K)

IO : costante che dipende dalle caratteristiche dei due semiconduttori

N : coefficiente compreso tra 1 e 2 , dipende dai fenomeni di generazione e ricombinazione che avvengono nella zona di carica spaziale (per un diodo ideale N=1).

La quantità V_T = KT/q è chiamata potenziale termico.

L’espressione analitica di IO è la seguente :

KT Eg e T A I − ⋅ ⋅ = 3 0

Quando la cella è illuminata con fotoni di frequenza ν> Eg/h la giunzione

diviene una sorgente di coppie elettrone-lacuna. La tensione ai capi della cella raggiunge, a circuito aperto, un valore VOC massimo mentre in

questa condizione la corrente del dispositivo è nulla.

Se la cella è chiusa in corto circuito si misura una corrente massima denominata ISC con una tensione nulla agli estremi.

Quando è presente un carico esterno, la corrente ISC diminuisce di una

quantità pari a ID, di direzione opposta a quella generata dal processo

fotovoltaico, questo perché con un carico esterno la cella diventa un diodo a cui viene applicata una tensione. Se scegliamo per convenzione che la fotocorrente sia positiva, la ID è negativa. Il circuito equivalente

della cella è:

Figura 2.3: Circuito equivalente di una cella fotovoltaica

La corrente IL è quella generata dalla luce, la sua intensità è

proporzionale al numero dei fotoni con frequenza ν > Eg/h.

La corrente ID è quella che attraversa la giunzione della cella, , la sua

espressione come abbiamo già visto è data da:

La corrente I è quella che fluisce nel carico ed è quella che ai fini pratici ci interessa conoscere.

La RS è la resistenza parassita della cella e comprende la resistenza dei

due strati di materiale che costituiscono la cella e la resistenza ohmica dei contatti stessi. La resistenza RSH, detta resistenza di shunt,

rappresenta tutte quelle perdite dovute alle correnti di dispersione che si verificano all’interno della cella.

L’equazione caratteristica della cella illuminata diviene dunque:

SH S KT qV L RSH D L R I R V e I I I I I I = − − = − ₀( −1)− + ⋅

Avendo a nostra disposizione l’espressione della corrente generata da una cella fotovoltaica illuminata, moltiplicandola per la sua tensione, ricaviamo la potenza generata e possiamo farne il grafico:

Figura 2.4: Caratteristica di una cella fotovoltaica illuminata

La corrente ISC, per V=0, è detta corrente di corto circuito (short circuit),

ed è la massima corrente che la cella può erogare fissata l’illuminazione, ed è data dall’espressione: SH S SC t KT R t I q L SC R R t I t I t I t I

_e

In condizioni normali risulta che RS << RSH e che l’esponente

dell’esponenziale è molto minore di uno perciò il terzo termine dell’equazione può essere trascurato e l’esponenziale può essere approssimato mediante la sua serie esponenziale arrestata al 1° ordine, cioè come ex ≅ 1+x Allora si ha: S L SC R I q t T K n t T K n t I t I ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ≅ 0 ) ( ) ( ) ( ) ( Allora:       ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ≅ ) ( 1 ) ( ) ( 0 t T K n R I q t I t I S SC L

Il secondo termine dentro parentesi quadra può essere trascurato rispetto ad uno. Infatti la resistenza RS in condizioni di cortocircuito è

insignificante e IO misurata per T = 300 K, Eg = 1.1 eV, RS = 0.1247 Ω, è

dell’ordine dei 1.5*10-10, e quindi IL(t)≅ISC(t)

Possiamo quindi affermare che la corrente di corto circuito ISC(t) è

proporzionale all’irraggiamento.

La differenza di potenziale che si ha ai capi della cella fotovoltaica, in condizione di circuito aperto, è indicata con VOC. La sua espressione

analitica si può ricavare da quella della corrente I, ponendola appunto uguale a zero e trascurando RS e RSH:

 I +I

Le variabili fondamentali che influiscono sulla caratteristica di una cella fotovoltaica, sono tre: l’intensità della radiazione solare, la temperatura e l’area della cella.

L’intensità della corrente di corto circuito varia in modo proporzionale al variare dell’intensità dell’irraggiamento. Al contrario, l’intensità della radiazione solare, non ha un effetto rilevante sul valore della tensione a vuoto. Per questo la tensione a vuoto è presente con valori prossimi a quello massimo anche a bassi valori di radiazione solare. Come si vede dalla figura 2.5, la tensione a vuoto tra i casi di massimo e minimo valore d’irraggiamento varia tra 0.50÷0.60 V.

Figura 2.5: Relazione tra la tensione a vuoto di un cella fotovoltaica e intensità della radiazione solare

L’unico modo per evitare la presenza di tensione ai morsetti di un generatore fotovoltaico consiste nell’oscurare totalmente la superficie captante.

Quando aumenta la temperatura della cella si registra una diminuzione della tensione a vuoto VOC di circa 2,3mV/°C e congiuntamente, un

aumento della corrente di cortocircuito ISC pari a circa 0,2% /°C come

mostrato in figura 2.6.

Figura 2.6: Effetto dell’aumento di temperatura sulla tensione a vuoto e sulla corrente di cortocircuito in una cella fotovoltaica

I due fenomeni anche se di segno opposto si traducono in pratica in una diminuzione della potenza di picco valutabile intorno al 6-7% per ogni aumento di 10° C della temperatura delle celle , come mostrato in figura 2.7.

Figura 2.7: Variazione della potenza di picco al variare della temperatura e dell’irraggiamento

Per quanto riguarda l’area della cella, si vede che non ha effetto sul valore della tensione a vuoto, ma ovviamente con maggior superficie si produrrà maggior corrente.

Poiché la potenza di una cella fotovoltaica varia al variare della sua temperatura e della radiazione, per poter fare dei confronti sono state definite delle condizioni standard di collaudo STC sotto le quali la cella eroga in watt di picco (Wp). Tali condizioni includono una temperatura della cella di 25 °C, l’intensità della radiazione di 1 [Kw/m2]e la distribuzione dello spettro della luce.

2.4.2 Maximum Power Point Tracking (MPPT)

L’irraggiamento solare su una superficie captante ha carattere fortemente variabile, essendo dipendente dalla posizione del sole rispetto a detta superficie. Per di più tale irraggiamento è aleatorio, essendo influenzato dalla presenza-assenza del sole. Una cella di un modulo fotovoltaico esibisce, per vari valori dell’irraggiamento solare, e per vari valori della temperatura, una famiglia di curve caratteristiche come quelle di figura 2.7.

Su ogni curva caratteristica esiste uno ed un solo punto tale per cui è massimizzato il trasferimento di potenza verso un ipotetico carico alimentato dal modulo fotovoltaico.

Figura 2.8: Caratteristica di una cella fotovoltaica illuminata

Il punto di massima potenza, indicato con MPP (Maximum Power Point) corrisponde alla coppia tensione-corrente tale per cui è massimo il

morsetti del modulo e I è la corrente che circola nel circuito ottenuto chiudendo il modulo su un ipotetico carico.

Chiaramente, riuscendo a massimizzare la potenza erogata, si potrebbe sfruttare al meglio l'impianto, che si tratti di stand-alone, o che sia connesso alla rete. L’ MPPT (Maximum Power Point Tracking) è un dispositivo integrato negli inverter.

L’algoritmo che sta alla base dell’MPPT, controlla il convertitore mediante tecniche di tipo perturbativo, essenzialmente basate sul metodo Perturba ed Osserva (P&O).

Il principio di funzionamento può essere cosi descritto: l’algoritmo legge, ad ogni istante, i valori di tensione e corrente, ne calcola il prodotto (cioè la potenza in Watt) e, provocando piccole variazioni nei parametri di conversione (duty cycle), perturba il punto di lavoro.

Successivamente l’algoritmo, osserva la corrispondente variazione della potenza erogata, e stabilisce per confronto se il modulo fotovoltaico sta lavorando in condizioni di massima potenza oppure no. A seconda del risultato l’algoritmo agisce ancora sul circuito per portare l’impianto in condizione ottimale.

Il motivo per cui gli MPPT sono utilizzati è semplice: un impianto fotovoltaico senza MPPT può funzionare comunque, ma a parità di irraggiamento solare fornisce meno energia.

2.4.3 Tecnologie per le celle fotovoltaiche

La conversione della radiazione solare in una corrente elettrica avviene nella cella fotovoltaica. Questo è un dispositivo costituito da una sottile fetta di un materiale semiconduttore (silicio).

Generalmente una cella fotovoltaica ha uno spessore che varia fra i 0,25 e 0,35 mm e una forma quadrata con una superficie pari a circa 100 cm². Per la realizzazione delle celle, il materiale attualmente più utilizzato è lo stesso silicio adoperato dall’industria elettronica, il cui processo di fabbricazione presenta costi molto alti, non giustificati dal grado di purezza richiesti dal fotovoltaico, che sono inferiori a quelli necessari in elettronica.

A seconda dei processi di produzione, si distinguono i seguenti tipi di celle fotovoltaiche:

• Celle Silicio Mono-cristallino: Resa energetica fino 20 %.

Vengono prodotte tagliando una barra di silicio monocristallina. Il vantaggio principale è un alto rendimento. Questo tipo di cella

è però molto costosa a causa della tecnica di produzione.

• Celle Silicio Poli-cristallino: Resa energetica fino 12 - 14 %. Vengono colate in blocchi e poi tagliate a dischetti. Il rendimento ed il prezzo sono inferiori.

• Celle Silicio Amorfo: Resa energetica meno del 10 %. Vengono prodotte mediante bombardamento catodico di atomi di silicio su una piastra di vetro. Questo tipo di cella presenta un rendimento minore, tipicamente compreso tra 4% ed 8 %, ma si adatta anche al caso di irradiamento diffuso. Presenta inoltre il vantaggio di poter essere realizzata in qualsiasi forma

• Celle di Altri materiali: Arseniuro di gallio, di seleniuro di indio e rame, telliuro di cadmio.

Attualmente il materiale più utilizzato è il silicio mono-cristallino che presenta prestazioni e durata nel tempo superiori a qualunque altro materiale usato per lo stesso scopo.

Per una cella fotovoltaica si definisce il fattore di riempimento, filling factor (FF), che esprime il rapporto fra la massima potenza ed il prodotto della tensione a circuito aperto per la corrente di cortocircuito:

SC oc m m I V I V FF ⋅ ⋅ =

Un altro parametro caratteristico della cella solare è l’efficienza di conversione: è definita dal rapporto tra la potenza massima , per unità di superficie, fornita dalla cella stessa e l’intensità solare incidente sempre per unità di superficie,indicata con PS.

Analiticamente la sua espressione è la seguente:

S m m P I V ⋅ = η

L’efficienza di conversione di una cella è limitata da una serie di fattori, tra i quali spiccano le caratteristiche della radiazione solare ed il gap di banda proibita del semiconduttore.

2.5 Il modulo fotovoltaico

Le celle solari costituiscono un prodotto intermedio dell’industria fotovoltaica: forniscono valori di tensione e corrente limitati in rapporto a quelli normalmente richiesti dagli apparecchi utilizzatori, sono estremamente fragili, elettricamente non isolate e prive di supporto meccanico.

Esse vengono quindi assemblate in modo opportuno a costituire un’unica struttura: il modulo fotovoltaico.

Più moduli assemblati meccanicamente tra loro formano il pannello. Il modulo fotovoltaico è una struttura robusta e maneggevole sulla quale vengono collocate le celle fotovoltaiche.

L’insieme di moduli o pannelli collegati in serie, per ottenere la tensione nominale di generazione, prende il nome di stringa e l’insieme di stringhe costituisce il generatore o campo.

I moduli in commercio presentano dimensioni diverse (i più diffusi hanno superfici che vanno dai 0,5 m² ai 1,3 m²).

Figura 2.9: Esempi di moduli fotovoltaici commercialmente disponibili

Il modulo così costituito ha una potenza che varia dai 50Wp ai 150 Wp, a seconda del tipo e dell’efficienza delle celle che lo compongono.

• Potenza di Picco (Wp): Potenza erogata dal modulo alle condizioni standard STC (Irraggiamento = 1000W/m²; temperatura = 25 ºC; A.M. = 1,5).

• Corrente nominale (A): Corrente erogata dal modulo nel punto di lavoro.

• Tensione nominale (V): Tensione di lavoro del modulo.

Figura 2.10: Caratteristica tensione corrente di un modulo fotovoltaico al variare dell'irraggiamento

2.6 Il generatore fotovoltaico

Il generatore fotovoltaico è costituito dall’insieme dei moduli fotovoltaici opportunamente collegati in serie ed in parallelo in modo da realizzare le condizioni operative desiderate.

Figura 2.11: Schema di principio di un generatore fotovoltaico.

Per ciascuna applicazione il generatore dovrà essere dimensionato sulla base del:

• Campo elettrico • Potenza di picco

• Possibilità di collegamento alla rete elettrica

• Latitudine del sito e irraggiamento medio annuo dello stesso • Specifiche architettoniche dell’edificio

2.7 Impianti fotovoltaici

Si definisce impianto o sistema fotovoltaico un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che concorrono a captare e trasformare l’energia solare disponibile, rendendola utilizzabile sotto forma di energia elettrica.

I suddetti sistemi, indipendentemente dal loro utilizzo e dalla potenza in grado di erogare, possono essere divisi in due categorie:

• Impianti isolati (stand alone) • Impianti connessi in rete

2.7.1 Impianti isolati (stand alone)

Gli impianti fotovoltaici isolati funzionano, come fa intuire già il nome, indipendentemente dalla rete elettrica pubblica.

Questo tipo di impianto viene impiegato principalmente per l’alimentazione di apparecchi in zone isolate, o nel caso sia richiesta grande mobilità.

Per poter disporre di energia elettrica anche durante le ore notturne l’energia fornita durante il giorno dai moduli fotovoltaici viene immagazzinata da accumulatori.

Una configurazione di questo tipo comporta che il campo fotovoltaico venga dimensionato in modo da permettere, durante le ore di insolazione, sia l’alimentazione del carico che la ricarica delle batterie di accumulo.

Un semplice impianto fotovoltaico ad isola è composto dai seguenti elementi:

• Moduli fotovoltaici: per la trasformazione di energia solare in energia elettrica. Per ricavare più potenza vengono collegate tra loro diverse celle.

• Regolatore di carica: è un sistema elettronico che regola la ricarica e la scarica degli accumulatori. Serve sostanzialmente a preservare gli accumulatori da un eccesso di carica ad opera del generatore fotovoltaico e da un eccesso di scarica dovuto all’utilizzazione. Entrambe le condizioni, infatti, sono nocive per la corretta funzionalità e durata degli accumulatori.

• Accumulatori: sono i “magazzini” di energia di un impianto fotovoltaico. Essi forniscono l’energia elettrica quando i moduli non sono in grado di produrne, per mancanza di irradiamento solare. Un sistema di accumulo è costituito da un banco di accumulatori ricaricabili, dimensionato in modo da garantire la sufficiente autonomia di alimentazione del carico elettrico. Inverter: trasforma la corrente continua proveniente dai moduli e/o dagli accumulatori in corrente alternata convenzionale a 230V. Se l’apparecchio da alimentare necessita di corrente continua si può fare a meno di questo componente. Normalmente esso integra al suo interno l’algoritmo di calcolo dell’MPPT.

• Utenze: apparecchi alimentati dall’impianto fotovoltaico. Un esempio di sistema fotovoltaico stand alone è rappresentato dai

cosiddetti “tetti fotovoltaici” dove i pannelli sono posti sui tetti delle abitazioni per poter ricevere i raggi del sole senza alcun ostacolo.

Figura 2.12: Tetto fotovoltaico

Altri esempi di impianto fotovoltaico stand alone sono le “street light” cioè lampioni per illuminazione pubblica e privata funzionanti ad energia solare e le “solar lantern” ossia delle vere e proprie lanterne solari.

Figura 2.14: Solar lantern

2.7.2 Impianti ad immissione in rete (grid-connected)

Gli impianti fotovoltaici a immissione in rete possono essere definiti come centrali elettriche.

Essi infatti forniscono l’energia solare trasformata direttamente alla rete pubblica di distribuzione dell’energia elettrica.

Questi tipi di “centrali”, contrariamente ad altri tipi, sono già oggi realizzabili in forma ridotta (potenza di pochi watt) fino ai grandi impianti (potenza di diversi megawatt).

Un impianto PV a immissione in rete è principalmente composto dai seguenti componenti:

• Moduli fotovoltaici; • Inverter:

rete abbia tutte le caratteristiche richieste dal fornitore locale di energia;

• Quadro elettrico: in esso avviene la distribuzione dell’energia. In caso di consumi elevati o in assenza di alimentazione da parte dei moduli fotovoltaici la corrente viene prelevata dalla rete pubblica. In caso contrario l’energia fotovoltaica eccedente viene di nuovo immessa in rete. Inoltre esso misura la quantità di energia fornita dall’impianto fotovoltaico alla rete;

• Rete: allacciamento alla rete pubblica dell’azienda elettrica; • Utenze: apparecchi alimentati dall’impianto fotovoltaico.

Lo schema seguente mostra un’architettura centralizzata, per un sistema fotovoltaico ad immissione in rete dell’energia :

I pannelli sono collegati in serie per formare una stringa. Ogni stringa viene collegata in parallelo alle altre per aumentare la corrente.

I diodi di “blocco” proteggono l’intera stringa da riflussi di corrente provenienti da altre stringhe causati dalla non uniformità dell’irraggiamento.

La funzione dei diodi di “by-pass” è in questo modo enunciata:

Se alcune celle sono danneggiate o parzialmente oscurate, producono rispettivamente correnti nulle o di basso valore.

Tali diodi rappresentano un percorso alternativo al passaggio di corrente. L’inverter realizza principalmente tre funzioni:

1. Conversione DC-DC 2. Conversione DC-AC 3. Calcolo dell’MPPT

Una limitazione di questa architettura sta nel fatto che l’algoritmo dell’MPPT lavora correttamente quando tutti i pannelli di tutte le stringhe sono soggetti alla stesso medesimo irraggiamento solare.

Se invece alcuni pannelli sono parzialmente oscurati rispetto ad altri, l’algoritmo dell’MPPT non potrà estrarre la massima potenza per ogni pannello, perché, in tal caso, il calcolo della potenza viene effettuato sulla corrente dell’intera stringa di pannelli.

Infatti, tale corrente, essendo unguale per tutti i pannelli della stringa (essendo connessi in serie) viene imposta dal pannello piu ombreggiato. Una soluzione a questo problema è piazzare il convertitore DC-DC e il relativo controllo dell’MPPT su ogni pannello.

Tale architettura, detta distribuita, implica una semplificazione nell’architettura dell’inverter che diventa un semplice convertitore

Figura 2.16: Architettura distribuita

Quindi in tale architettura, essendo che per ogni pannello dell’impianto deve essere presente un blocco Boost + MPPT , è facile comprendere come il costo di quest’ultimi diventa priorità assoluta nel loro progetto.

2.7.3 Impianti ad alimentazione diretta

L’utilizzatore, nel caso di impianto ad alimentazione diretta, viene collegato direttamente al modulo fotovoltaico.

Il grande svantaggio di questo tipo di impianti è ovviamente che il sistema ad esso collegato non funziona nelle ore notturne.

Le applicazioni pratiche sono pertanto limitate a piccole utenze come per esempio radio, calcolatrici tascabili, piccole elettro-pompe etc.