Università degli studi di Trieste
Facoltà di ingegneria
Corso di laurea in Ingegneria Elettronica
Tesi di laurea in optoelettronica
Energia Fotovoltaica: Principi e Prospettive
Applicazione a gruppi di continuità come
soluzione anti black-out
Laureando:
Relatore:
Cristofoli Mario
Chiar.mo Prof. Paolo Sirotti
_____________________________________________
Anno accademico 2003-04
L’ENERGIA FOTOVOLTAICA
Trasformazione di energia luminosa in energia elettrica
- Effetto luce, sotto forma di fotoni, su giunzione p-n
E = hf
c = h / EG
c = 1,24 / EG
RENDIMENTO DELLE CELLE FV
Rendimento di una cella
 = Pout / Pin = Pout / A . E
Pout(W) = potenza erogata - Pin = potenza luminosa
A (m2) = area utile
- E (W/ m2) = energia incidente
CAPACITA’ DI ASSORBIRE LA LUCE dipende:
DAL MATERIALE :
- SILICIO MONOCRISTALLINO
- SILICIO POLICRISTALLINO
- SILICIO AMORFO
DALLA TECNOLOGIA COSTRUTTIVA:
- FILM SOTTILE
- A CONCENTRATORE
IL PRINCIPIO FOTOVOLTAICO APPLICATO ALLA CELLA
Circuito equivalente
Rc
Rs
I
I
- generatore ideale di corrente
D
- effetto rettificante della cella /
D
p-n
Rsh - dovuta a dispersioni interne (leakage)
Rs
- dovuta al contatto catodo-semiconduttore
Rc
- rappresenta carico / generico utente
Rc
Rsh
TEORIA GIUNZIONE p-n APPLICATA AL FENOMENO FV
.
I = I0 (e V/VT - 1)
I = ISC + I0 (1 - e V/VT )
Vmax = Voc = VT ln ( 1 + Isc / I0 ) ==> Voc crsce con legge logaritmica Isc
I
Quadrante I
Quadrante II
Illuminazione = 0
V
Illuminazione > 0
Quadrante Fcond.vo
Isc
Voc
Quadrante FV
I
Vm , Im Voc
Isc
MP
-
Isc
MP
Im
0
Vm
V
Voc
I
W = 1KW/ m2
W = 0,8KW/ m2
W = 0,6KW/ m2
W = 0,4KW/ m2
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
0,6
V
tensione e corrente di max potenza
tensione a vuoto (circuito aperto)
corrente di corto circuito
massimo prodotto V x I
LA CELLA FV DAL PUNTO DI VISTA COSTRUTTIVO
IL SISTEMA FOTOVOLTAICO
Schema a blocchi di un impianto FV
Sistema di
controllo
microprocessore
Campo
FV
Carichi
utilizzatore
Convertitore
CC / CC
Convertitore
CC / CA
Rete
Elettrica
Batterie di
Accumulatori
Campo FV
Sistemi di controllo - carica batteria, tensioni in e out inverter
Convertitori (INVERTER) - LCI (sistemi grid c.) / SCI (isolati)
Accumulatori - piombo acido
COMPONENTI DI UN SISTEMA FV
Sezione tipica di un modulo FV
COMPONENTI DI UN SISTEMA FV
CAMPO FV
a
Cella
Modulo
Pannello
Stringa
Campo o generatore FV
Db
Collegamenti
elettrici di stringa
Inseguitore solare
Dp - diodo di bypass
Db - diodo di blocco
Dp
COMPONENTI DI UN SISTEMA FV
Unidirezionali CC ==> CA
Ristretto campo tensioni in ingresso
INVERTER x FV
Tecnica PWM a migliaia di Hz
Commutaz.ne ad alta frequenza (IGBT-MOSFET)
fp
>>
Oscillatore
Portante
fm
Vp
Oscillatore
Modulante
fp
Vm Modulatore
fm
alimentatore
Vi
INVERTITORE
PWM
TRENO DI IMPULSI
Vu
schema a blocchi dell’inverter PWM
IL SISTEMA FV - STAND ALONE
CAMPO FV
CC / CA
INVERTER
BATTERIA
ACCUMULATORI
SCI
RETE
FILTRO
lato
C.A.
R
UNITA’
di
CONTROLLO
R : Regolazione tensione e fase out -costante
PROTEZIONI
in
ISOLA
IL SISTEMA FV - GRID CONNECTED
FILTRO
C.C.
INVERTER
FILTRO
CAMPO
lato
/
LCI
lato
FV
C.C.
C.C
C.C. / C.A.
C.A.
R- MPPT
R-V out
RETE
PROTEZIONI
PUBBLICA
R- f rete
UNITA’
di
CONTROLLO
FILTRO C.C. Mantiene tensione costante
R- MPPT Regolazione punto MPPT
FILTRO C.A. filtra armoniche dispari
R-V out : Regolazione tensione out
PROTEZIONI max corrente e /o corto c.
R- f rete Sincronismo frequenza di rete
APPLICAZIONE A GRUPPI UPS COME SOLUZIONE
ANTI BLACK-OUT
Rivolta ad utente con UPS cui dare valore aggiunto
Schema a blocchi di un sistema FV-UPS
APPLICAZIONE A GRUPPI UPS COME SOLUZIONE
ANTI BLACK-OUT
UPS indispensabile in casi critici: allarmi, computer, sistemi rilevazione
Vantaggi:
- utilizzo energia FV altrimenti sprecata
- sorgente energetica addizionale
- riserva
- costo incrementale minimo su UPS esistente (filtri,interr.ri, protez)
- zero inquinamento
- produzione ed utilizzo nel punto di max domanda
- inverter con trasformatore
- isolamento galvanico secondo norme sicurezza
ALTRI ESEMPI APPLICATIVI - FV
- Abbinamento Energia FV-Irrigazione a goccia
(sintonia impinati FV e piante)
- Impianto antenna su Marmolada 3,6 kWp alimenta ripetitori telef.mobile
( gruppo UPS + batterie + rete elettrica)
- Idrolisi nella produzione di H2 - 1kWh per m3
- Barriere antirumore . tratto stradale Perugia-Bettolle
- Tetti FV - contributi 75% senza IVA x installazione
VALUTAZIONI ECONOMICHE
Costi di installazione Energia FV
Rapporto costo/rendimento di un impianto FV situato a
Milano, orientato a sud, inclinazione 30 gradi;
costo energia elettrica 0,16 €/kWh;
costo unitario 7.250 €/kWp
Consumo annuo abitazione 3.000 kWh
1,65 kW
Potenza impianto (12,7 m2)
Produzione annua energia 1.800 kWh
impianto FV
11.962,50 €
Costo impianto
8.971,88 €
Contributo (75%)
278,18 €
Risparmio annuo
10,8 anni
Tempo di ammortamento
Tempo di ammortamento
19,3 anni
+ IVA
Fonte: Regione Lombardia
VALUTAZIONI ECONOMICHE
Durata e affidabilità
dipendono da:
temperatura e irraggiamento
Dati ricavati da indagine LEEE su camp.ne di 78 moduli e studi impianto TISO (SVI)
Impianto con moduli certificati IEC ha durata > 25 anni con inverter
unico elemento da sostituirsi almeno una volta
- Differenza dalla potenza dichiarata dai fabbricanti: < 15%
( media moduli cristallini testati: 6,4%)
- Degrado iniziale (degrado fisico all’interno delle celle) < 5%
( media moduli cristallini testati: 3,8%)
- Degrado continuo (degrado e delaminazione dell’incapsulante)
< 0,5% / anno (impianto TISO 10 kW: 0,2 % anno)
Pmin = Pn +/- t (t= tolleranza di produzione: solitamente 3-5%)
LEEE-SUP.SI - Laboratorio Energia Ecologia Economia-Scuola Univ.ria Prof.le. - Svizzera It.
VALUTAZIONI AMBIENTALI
Smaltimento e riciclaggio.
Tipi di cella
Cristallino
Amorfo
CIS
CdTe
Materiale
Rischi di incendio
Tossicità
Triclorosilano
(SiHCl3)
Fosforo
ossicloridrico
(POCl3)
Acido
Cloridrico
(HCl)
Silano (SiH4)
Alto se esposto a calore o
fiamma
Potenzialmente esplosivo
in reazione con acqua
Moderata
a
seguito
ingestione o inalazione
Alta a seguito di ingestione
o inalazione
Corrosivo
Facilmente infiammabile e
con potere autoesplosivo
Infiammabilità spontanea
Fosfina
Reazione violenta con aria
Diborano (B2H6)
e acqua che forma H2
potenzialmente esplosivo
Seleniuro
di Rischio incendio al calore
e alla fiamma, forma
idrogeno (SeH2)
miscele esplosive con aria
Moderata a
inalazione
Molto alta
Cadmio
Alta, sospetto
cancerogeno
Fonte : Tillman (1995), Haynes (1994)
Alta
Altissima
seguito
di
PROSPETTIVE / SVILUPPI
Evoluzione tecnologica
- Celle : Si-amorfo (basso spessore supp. Flessibili - forte instab.tà )
CIS /CIGS - facile prod e basso costo / no unif.tà prestazioni
CdTe - a 4 strati e tre giunzioni, η > 15%, basso sp e costi- inquinante
nanocristallina : TiO2- tipo “fotosintesi”: costi di 5 volte < Si
- Moduli : a bassa riflettenza: coat a 4 strati a rifraz. Altern. (Si3N4 e SiO2)
curvi: adattamento di celle Si a sup. curve: sfrutta angolo sole
- Inverters: modulari, tecnologie SMD-Surface Mounting Devices)
- trasformatori: tecnologia DSP-Digital Signal Processing
CONSIDERAZIONI FINALI
OBIETTIVO
Riduzione degli sprechi e produzione dell’energia richiesta dove utilizzatza
- Energia FV (rinnovabile) anche se complementare
- Cogenerazione
- Ricerca di integrazione in strutture edilizie
- Rispetto Situazione Ambientale (Impegni di Kyoto)
- La situazione dell’Italia:
Potenza FV installata a fine 2002: 22.000 kWp (+10% su 2001)
Legge 283/2003:
. entro 2010 22% fabbisogno elettrico da fonti rinnovabili
. incentivi su produzione energia (non su investimenti iniziali v. tetti FV)
BIBLIOGRAFIA / 1
-
Groppi- Zuccaro, Impianti solari fotovoltaici a norme CEI-II edizione, UTET Periodici
J. Millman-C.C. Halkias, Dispositivi e Circuiti Elettronici, Boringhieri-1974.
Lotti-Montanari, Tecnologia delle costruzioni elettroniche–Vol. II, La Tecno Ed.ce,1975
Y. Hamakawa, Energia elettrica dal sole -Le Scienze Giu 1987
P. Prosini-S.Passerini, Ridurre l’inquinamento in città, Le Scienze 381/maggio 2000
E. Ruberti, Idrogeno. Energia per il futuro, Le Scienze 385/settembre 2000
A. Fiume, Einstein e l’energia solare: un binomio azzardato?-energia dal sole n. 2/2001
N. Cereghetti, Durata di vita e affidabilità di un impianto fotovoltaico,
Ilsoletrecentosessantagradi-lug-ago 2003
G. Clerici, Gli accumulatori elettrici, UTET Periodici/Editoriale Delfino
M. Cappellini, Travolti dalla spazzatura elettronica, Il Sole 24 ore 19.4.03
M. Losi – Energia, quei “costi esterni dimenticati”-Il Sole 24 ore: 10.9.03–
J. Giliberto, Dal 2007 energia “libera per tutti”, Il Sole 24 ore 16.5.03
J. Giliberto, Dal 2007 energia “libera per tutti”, Il Sole 24 ore 16.5.03
M. Prioschi, Inserto pag.6/ Fondi meno certi, freno ai progetti, Il Sole 24 ore 1.07.03
M. Prioschi, Dal sole calore e corrente elettrica, Il Sole 24 ore 6.10.03
L. Belloni, I vetri che imprigionano il calore dei raggi solari, Il Sole 24 ore 6.7.03
J. Giliberto, Un piano nazionale dell’elettricità”, Il Sole 24 ore 14.10.03
F. Rendina, Grandi specchi per rubare energia al sole, Il Sole 24 ore 5.11.03
J. Giliberto, Black-out, ecco le euro-regole, Il Sole 24 ore 29.11.03
F. Rendina, “Elettricità, mercato lento”, Il Sole 24 ore 27.03.04
L. Schirone-P. Bellucci, Autostrade del “SOLE”, Energia Solare n. 4/ 2003
BIBLIOGRAFIA / 2
-
C. Bruno, Quell’antenna sul ghiacciaio, Energia Solare n. 6 2003
C. Bruno, La cella è in forno, Energia Solare n. 5/2003
Intervista al presidente onorario di Aem spa – pagg. 74-77, Energia solare n.5/2003
AAVV-Laboratori Saint Gobain, Quando il troppo riflettere fa male, FV energia dal sole –
n.1-2004
G. Invernizzi – ( E adesso i moduli vanno in curva) -FV energia dal sole – n.2-2004
ENEA: Il Compendio del Rapporto energia/Ambiente 2002-ENEA
www.consorziocer.it
www.regione.fvg.it/energia
G. Graditi-F. Apicella, Convertitori statici di potenza negli impianti fotovoltaici, Power
Tecnology . Mag 2003- UTET Periodici / editoriale Delfino
G. Graditi- F. Apicella-V. Cataliotti, Sistemi Fotovoltaici e Gruppi statici di continuità , AEI
– GIU 2003
G. Polissi, Azionamenti a velocità variabile , AEI – GIU 2003
Ronchetti-Iacobazzi ,Celle a Combustibile – ENEAM. Pallante, Un futuro senza luce?, Editori Riuniti / 2004