FONDAMENTI DI SISTEMI FOTOVOLTAICI
Sistemi e Impianti Fotovoltaici
Le celle e i moduli fotovoltaici
Principi chimico-fisici
Le tecnologie (Si, GaAs,CdTe, ecc.)
I limiti
Processi e costi
Esempi di applicazioni
La potenzialità dell’ energia solare
Radiazione solare ≈ 90 000 000 Mtep/a
Consumo mondiale ≈ 10 000 Mtep/a
1250 kWh/metro quadro all’anno
1000 kWh/mq al Nord Italia, 1500 al Sud Italia
La potenzialità dell’ energia solare è, per ora,
10.000 volte il consumo mondiale di energia
Ma non illudiamoci !!!
Solare Fotovoltaico
Copertura in Silicio amorfo da 100mq
Produzione media annuale 15MWh
Tetto tradizionale con moduli in Silicio
micromorfo (0,38 m2; h =13%)
Facciata Fotovoltaica (6,5 kWp) del
Ministero dell’Ambiente della Baviera
(1993)
Dettaglio della facciata con moduli
semi trasparenti in a-Si:H/a-Si:H/Ge
(42 Wp/m2)
Sistemi ad inseguimento solare: ad uno o due assi. Miglioramenti:
Con un solo asse E-W inclinato 28%
Con due assi 34%
Modulo a concentrazione a inseguimento solare
Celle multigiunzione al GaAs, Rendimento celle: 40% Superficie 8,4 m2
Rendimento del modulo: 17,9 %Wp/m2 Costo previsto= 1,52 [€/Wp]
• La cella al silicio: modello, principi di
funzionamento, prestazioni e rendimento
• Le tecnologie
• Le celle multigiunzione
• Il rendimento delle celle multigiunzione
I simboli
strutturale
elettrico
Potenza entrante: energia solare Potenza uscente: energia elettrica
Potenza dissipata: energia termica ed irradiata
La cella monogiunzione: un modello elementare
a)
b)
La caratteristica corrente-tensione (I-V) della cella fotovoltaica
a) Rilevazione al variare dell’illuminazione a 25oC;
b) Punto di massima potenza PM=IM.VM (MPP: Maximum Power Point)
I
Isc
Potenza massima
Pm= Im.Vm= FF.Isc.Voc
Im
0
Vm
Voc
Caratteristica I-V schematizzata
FF: Fattore di riempimento ( Fill Factor )
V
f(E)
P
I
N
0,5
Ev EFp
EF
EFn Ec
E
EC
EC
EFn
Eg
n
p
EV
Eg
EFn
Eg
n
p
Semiconduttori
drogati e isolati
EFn
EV
eYo
EFp
e(Yo –V)
EFn
n
Eg
p Eg
eV E
Fp
Giunzione np
non illuminata
Giunzione illuminata
ed erogante la
corrente I
I=Io (exp(eV/kT)-1]
l
Eg=h/l
Radiativa
(intrinseca)
Auger
(estrinseca)
Prodotta da difetti
(estrinseca)
I meccanismi di ricombinazione di volume “bulk”
Silicio cristallino
GaAlAs
Cella c-Si con
contatti posteriori
Telloluro di cadmio
CdTe
Silicio amorfo
CIGS
Cella elettrolitica
“Dye Cell”
Struttura
giunzione
Livelli
“energetici”
Cella solare
polimerica
Tandem
2 giunz.
2Eg1 = Eg
Cella multispettrale
Tandem
3. giunz.
Parallele
3 giunz.
Cella multigiunzione
Tandem
a-Si/Ge, mm-Si,…
Esempi:
Celle monogiunzione
Cella CdTe
Eg=1,5 DI=2 da cui P=3
Cella ideale (GaAs)
Eg=1 DI = 4 da cui P=4
Cella al Silicio
Eg=1,1 DI = 3,2 da cui P=3,5
Celle multigiunzione
Cella amorfa tripla giunzione con
Egi= 1,8/1,6/1,4 cui corrispondono DIi=1,4/0,5/0,3
Si ha P=SEgi.DIi= 3,74
Cella micromorfa con
Egi=1,75/1,1 cui corrispondono DIi=1,5/1,7
Si ha P=SEgi.DIi= 4,49
Tipologia
Radiazion
e
Concentra
ta
h%
Radiazione
senza
concentrazione
h%
Eg delle giunzioni
Esempi di tecnologie
Materiali, h%,
Eg delle giunzioni
Note
1 giunzione
40,8
31
1,31
c-Si monocrist., 24,7
2 giunzioni
55,7
42,5
3 giunzioni
63,2
48,6 1,95/1,30/0,82
a-Si:H/a-SiGe, 13,5;
1,8/1,6/1,4
4 giunzioni
67,9
52,5
2,14/1,53/1,10/0,72
Non dato
Infinite giunzioni
86,8
68,2
Teorico!
Assorbitore a
corpo nero
(Müser)
85
53,6
Convertitore ideale Tc
=2544oC
Irradiaz. bidirez.
Convertitore non
reciproco
90
70
Irradiaz. bidirezionale
Un solo circolatore Tc = Ta
(Landesberg)
93,3
73,7
Assorbimento ed irradiaz.
Bidirez corpo nero Tc = Ta
Carnot
95
95
Rendimento limite
termodinamico
1,70/0,97
a-Si:H/mc-Si:H, 14,7 1,75/1,1
Evoluzione delle tecnologie fotovoltaiche
h%
3
Cu [€/m2)
1- Silicio cristallino
2- Film sottile
3- Il futuro?!
UNISOLAR 3mx0,4m circa 0,5KWp
rendimento 7-10%
–
–
–
–
Stato di avanzamento del progetto
ARENDI (Gruppo Marcegaglia)
Apr, ‘07 Avvio progettazione esecutiva
Apr. ‘08 consegna primi impianti ed avvio set-up
Ott. ‘08 consegna impianti, Dic. avvio prove produzione
Primo semestre ’09 inizio produzione
Contatto opaco
Cella multigiunzione
Contatto
trasparente
Struttura integrata delle celle nel modulo
Viste schematiche dall’alto
e laterale dell’impianto Unisolar
per moduli a-Si in film sottile
Substrato acciaio
inox
Processo a lotti Oerlikon Solar
Dimensioni moduli: max 1100x1250 mm
Capacità produttiva: 20 MW/a
Schema dell’impianto Oerlikon Solar
CS: Stazionamento Cassette
EH: Stazione di maneggiamento esterno
LL: camere di caricamento e chiusura
TC: camera di trasferimento
PC: camere di trattamento
Scenari di evoluzione
dei costi del kWh per l’ energia fotovoltaica
c€/kWh
50
OC=olio combustibile
UD=utenze domestiche
40
PV ammort.+ int. 3 %
30
PV solo ammort.
20
UD + int.3% /anno
OC + int.10%/anno
10
OC + int.5%/anno
0
2000
2007
2010
2020
2030
• Produzione fotovoltaica in rete
PV
= ~
• Rendimento globale 10%
• 25 m2 di tetto/1 MWh.anno
= ~
Utenza
Residenz.
Utenza
Residenz.
Gruppo di
continuità
PV
Rete locale AC
Contatore
d’Impianto
Rete pubblica
Generazione distribuita con riserva per black-out
ecologia
energia
economia
Sviluppo
Sostenibile
educazione
estetica
Le 6E dello sviluppo sostenibile