Impianti Fotovoltaici
Gianluca Gatto
Università degli Studi di Cagliari
Dipartimento di ingegneria Elettrica ed Elettronica
• Impiego dell’energia solare
• Effetto fotovoltaico
• Tipologie Impianti
• Problematiche di Mismatch
• Scelta dell’inverter
INDICE
Programmi di incentivazione delle energie rinnovabili
•Conto energia
•remunerazione diretta del kWh solare (decreto del 19 febbraio 2007)
•delibere n° 88-89-90 – 2007 dell’Autorità Energia Elettrica e Gas
Obiettivo dell’Unione Europea per la diffusione delle energie solari:
• installazione entro il 2010
•100 milioni di metri quadrati di collettori solari;
•3000 MW di impianti solari fotovoltaici;
Fotovoltaico e sistemi di generazione distribuita
Il beneficio economico è costituito da due voci:
• ricavo derivante dalla remunerazione di tutti i kWh prodotti dall’impianto fotovoltaico (quota del Conto Energia)
Conto Energia
• utilizzo dei “kWh fotovoltaici” prodotti
Energia consumata localmente
“Autoconsumo”
l’utilizzo delle eccedenze secondo
• net-metering
• vendita della stessa energia a tariffe
prefissate.
Come si può impiegare l’energia del Sole?
Solare Termico Fotovoltaico
Termodinamico
Impianto Fotovoltaico
Captazione e conversione
in energia elettrica Dispositivo di
Regolazione e controllo
Dispositivo di inseguimento
Accumulo in batteria o equivalente
Dispositivo di
distribuzione in rete
Classificazione dei sistemi fotovoltaici
In funzione della tipologia della strutture di sostegno dei moduli.
1. Sistemi ad inclinazione fissa ;
2. Sistemi ad inseguimento attivi
3. Sistemi ad inseguimento passivi
Sistemi ad inclinazione fissa
Sistemi ad inseguimento attivi
monoassiali
biassiali
Sistemi ad inseguimento “caratteristiche”
1)Controllo basato sulla lettura dei sensori di radiazione.
2)Controllo del sistema di tipo predittivo
(posizione astronomica) 3)Sistema misto
Condizione ideale
Parziale ombreggiamento
Totale ombreggiamento
Situazione comune
Sistemi ad inseguimento passivi
Principio di funzionamento basato sulla differenza di
pressione che si forma in due
cilindri, contenenti ciascuno
particolari sostanze es. freon e
olio.
Classificazione dei sistemi fotovoltaici
IMPIANTI FOTOVOLTAICI CONNESSI IN RETE
ISOLATI
Dal punto di vista elettrico
Impianti grid connected
CAMPO
FOTOVOLTAICO INVERTER
UTENZA
QUADRO ELETTRICO DI INTERFACCIA
RETE
Impianti Stand Alone
CAMPO FOTOVOLTAICO
INVERTER POMPA
REGOLATORE DI CARICA
BATTERIA CARICO IN C.C.
INVERTER CARICO IN C.A.
Impianti Stand Alone Ibridi
CAMPO FOTOVOLTAICO
REGOLATORE DI CARICA
BATTERIA CARICO IN C.C.
INVERTER CARICO IN C.A.
DIESEL GENERATORE
EOLICO
Campo Fotovoltaico
Moduli fotovoltaici
SILICIO MONOCRISTALLINO
• elevata purezza
• rendimento più elevato (η=13-15 %)
• costo maggiore SILICIO POLICRISTALLINO
• minor rendimento (η=9-13 %)
• costo minore
FILM SOTTILE
• minor rendimento (η=7-10 %)
• costo minore
• Garanzia prestazioni 20-25 anni
• Lunga durata (> 100 anni)
• Certificazioni (CE, TÜV, ecc)
Moduli fotovoltaici
Effetto fotovoltaico
Produzione diretta di corrente elettrica attraverso illuminazione, con
luce solare, di opportuni materiali semiconduttori.
Caratteristica I-V della Cella Fotovoltaica
MPPT
I
Vp V
I
pCella esposta alla radiazione solare
La cella FV si
comporta da semplice diodo in zona attiva
Quadrante dove la cella passa in conduzione inversa
La cella si comporta da fotogeneratore
Cella non esposta alla radiazione solare
Caratteristica I-V della Cella Fotovoltaica
• La caratteristica elettrica della cella risulta essere analoga a quella di un diodo traslata verticalmente del valore della corrente
fotogenerata, avendo considerato i valori positivi della tensione e della corrente secondo la
convenzione dei generatori.
Circuito equivalente
•Il punto di lavoro al quale è associata la massima potenza estraibile dalla cella è detto MPP (Maximum Power Point) ed è dato da:
Il MPP rappresenta la condizione di adattamento d’impedenza tra cella
fotovoltaica e carico elettrico alimentato
Caratteristiche I-V funzione della radiazione incidente
Caratteristica I-V funzione della Temp.
Una variazione di temperatura determina una traslazione orizzontale della
caratteristica, con una variazione di
tensione di segno opposto (coefficiente di temperatura negativo)
Una variazione della radiazione incidente determina una traslazione verticale della caratteristica a cui corrisponde una
variazione di segno concorde della corrente (la ISC è direttamente
proporzionale alla radiazione incidente)
Per ottenere determinati valori di tensione e di corrente i moduli e le stringhe del campo fotovoltaico devono essere opportunamente connesse (serie e parallelo).
Mismatch delle celle fotovoltaiche
+
-
Problema di mismatch
•
in una serie di moduli la corrente è limitata dal modulo che eroga la corrente più bassa;
•
in un parallelo la tensione è limitata dal modulo che eroga la tensione più bassa)
Causa disomogeneità
delle caratteristiche elettriche delle celle.
La disomogeneità delle comportamento elettrico delle celle è causato
• dal processo di produzione industriale,
• Dalle differenti condizioni operative (temperatura e irraggiamento)
Il punto di lavoro assunto in corrispondenza della corrente di funzionamento della serie è tale per cui la cella interessata da un minore irraggiamento è soggetta all’inversione della tensione ai suoi capi e viene vista come un carico dalle restanti celle della serie (discorso duale per la tensione relativamente alla connessione parallelo)
•Dissipazione di parte della potenza generata sulla stessa cella (effetto hot spot)
Mismatch delle celle fotovoltaiche
Valutazione delle perdite per mismatch
L’energy efficiency è un parametro rappresentativo delle perdite per mismatch
i i tot energy
E
∑ E η =
l’energia prodotta complessivamente dall’impianto ftv
l’energia prodotta complessivamente considerando ogni
generatore ftv indipendentemente
Come si possono ridurre l’effetto del mismatch?
• Selezionare i moduli
• Evitare la connessione parallelo di stringhe con differenti
“esposizioni”
• Evitare surriscaldamenti dei moduli
• Passare da configurazione “central converter” e “string converter”.
• Differenti inverter
• Inverter con differenti MPPT
Come si possono ridurre l’effetto del mismatch?
• Selezionare i moduli
• Evitare la connessione parallelo di stringhe con differenti
“esposizioni”
• Evitare surriscaldamenti dei moduli
• Passare da configurazione “central converter” e “string converter”.
• Differenti inverter
• Inverter con differenti MPPT
Confronto tra la configurazione “Central e String Inverter”
Incremento di efficienza
•4,3% per una giornata limpida e soleggiata;
•5,9% per una giornata nuvolosa.
Energy efficiency in %
Risultato ottenuto con l’analisi descritta
Confronto economico tra le configurazioni: inverter centrale e ad inverter di stringa
Configurazione Central Inverter
Configurazione String Inverter
Costo impianto 263.000 euro 276.000 euro
Produzione annua dell'impianto 54.675 kWh/anno 57135 kWh/anno
Ricavo annuale da Conto energia 25.150 euro/anno 26.282 euro/anno
Risparmio autoconsumo annuo 8.200 euro/anno 8.570 euro/anno
Ammortamento impianto 7,91 anni 7,96 anni
Ammortamento impianto con detraz. Irpef 7,49 anni 7,52 anni
Guadagno successivo al tempo di ammortamento 220.000 euro 230.000 euro
Impianto fotovoltaico trifase considerato:
•Potenza nominale: 30 kWp;
•12 stringhe di 12 moduli
•Efficienza complessiva del sistema fotovoltaico: 14%
Caratteristiche moduli:
•Pn: 210 Wp
•Efficienza: 17% (efficienza di cella: 19%)
