La tecnologia fotovoltaica, stato dell’arte e prospettive future
La tecnologia fotovoltaica
Stato dell’arte e prospettive future
Claudio Zini - Casalecchio, 21 gennaio 2008
La tecnologia fotovoltaica, stato dell’arte e prospettive future
Energia dal Sole
L'energia solare è la fonte di energia primaria da cui deriva, direttamente o
indirettamente, quasi tutta l'energia utilizzata dall’uomo.
A parte la geotermia e l’energia nucleare, le altre fonti energetiche (termica da
combustione di carbone, idrocarburi, gas, legno; eolica; idraulica) traggono origine dalla
radiazione solare.
La domanda mondiale annua di energia è di circa 8 miliardi di TEP
(Tonnellate Equivalenti Petrolio)
La domanda annua di energia in Italia è di circa 167 milioni di TEP
Il sole irradia sulla terra 19.000 miliardi di TEP ogni anno
Ovviamente occorre tener conto della bassa densità energetica della fonte solare e della
sua aleatorietà.
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La potenza della radiazione incidente su una superficie perpendicolare ai raggi solari, ai
limiti della atmosfera, è mediamente 1350 W/m2 (costante solare).
Effetto di filtraggio dell’atmosfera (lo spettro
della radiazione solare viene modificato sia
quantitativamente, che qualitativamente)
Il flusso di energia incidente al suolo dipende dalla latitudine, dalle condizioni atmosferiche,
dal periodo dell'anno, dall'ora del giorno.
In un giorno di cielo sereno, a 30 di latitudine nord, il valore dell'incidenza solare varia
durante l'anno da 0.6 a 1 kW/m2.
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Per la massimizzazione della produttività di un impianto solare è di
fondamentale importanza la corretta installazione del sistema di captazione
dell’energia solare.
La radiazione solare incidente su una superficie in un dato periodo è funzione di :
 Latitudine della zona considerata
La radiazione solare è massima all’equatore e diminuisce verso i poli
 Orientamento della superficie captante
Nell’emisfero Nord, la superficie captante dovrebbe essere orientata verso Sud
 Inclinazione della superficie captante
Inclinazione rispetto al piano orizzontale:
- circa (L – 5°) per ottimizzare l’energia captata globalmente in un anno;
- circa (L –12°) per massimizzare l’energia captata nel periodo estivo;
- circa (L+12°) per massimizzare l’energia captata nel periodo invernale.
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Esempio di valori di Insolazione annua media
(dati rilevati nel periodo 1994-1999)
- Bologna: 1427 kWh/m2
- Roma: 1516 kWh/m2
- Palermo: 1658 kWh/m2
Mappa della distribuzione
dell’irraggiamento medio
giornaliero solare
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ENERGIA FOTOVOLTAICA
I sistemi fotovoltaici (FV) permettono la conversione diretta di energia solare
in elettrica
Elementi principali di un impianto fotovoltaico
 sistema di generazione: le celle fotovoltaiche
 sistema di controllo e condizionamento della potenza
 eventuale sistema di accumulo dell’energia (batteria)
 struttura di sostegno
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Un sistema fotovoltaico è composto da:
 Cella (l’unità costruttiva minima)
 Modulo (insieme di celle interconnesse in serie o in parallelo da giunzioni
elettriche finalizzate alla generazione di tensioni e correnti utilizzabili negli
impieghi comuni)
 Pannello (uno più moduli installati su di una struttura rigida)
 Stringa (insieme di pannelli connessi in serie per realizzare tensioni efficaci)
 Campo (o Generatore) fotovoltaico (insieme di una o più stringhe
connesse in parallelo)
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La conversione della radiazione solare in una corrente di elettroni avviene nella
cella fotovoltaica.
È costituta da materiale semiconduttore drogato e può avere varie misure ed essere
realizzata in diversi materiali.
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Efficienza per varie tipologie di modulo fotovoltaico
Tipo di modulo disponibili in commercio
Efficienza dei moduli
Silicio monocristallino
14 - 17 %
Silicio policristallino
11 - 14 %
Silicio amorfo
5-7%
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Le prestazioni dei moduli FV sono legate alle caratteristiche della radiazione solare e
della temperatura esterna.
Per quantificare le loro prestazioni occorre riferirsi a delle condizioni standard:

Intensità della radiazione = 1000 W/m2

Temperatura della cella = 25 °C

Massa d’aria: AM 1.5
La massa d’aria è un parametro utilizzato per tener conto dello spessore dello strato di atmosfera
attraversato dalla radiazione e dei conseguenti effetti di assorbimento, a seconda della posizione
del sole nel cielo.
Il dato di targa della potenza generata da una cella FV è espresso in Watt di picco (Wp),
ossia si riferisce alla potenza di picco generata nelle condizioni standard.
La tecnologia fotovoltaica, stato dell’arte e prospettive future
Fonte: Luca Siragusa, IUAV
La tecnologia fotovoltaica, stato dell’arte e prospettive future
Fonte: Luca Siragusa, IUAV
La tecnologia fotovoltaica, stato dell’arte e prospettive future
Fonte: Luca Siragusa, IUAV
La tecnologia fotovoltaica, stato dell’arte e prospettive future
Impianti connessi in rete
Elementi principali:
-
generatore FV
-
Inverter, per convertire la corrente
generata dai moduli da continua in
alternata
Per utenze collegate alla rete elettrica
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Impianti isolati
Elementi principali:
-
moduli fotovoltaici
-
regolatore di carica
-
sistema di batterie di accumulo dell’energia
-
eventuale inverter (nel caso in cui sia
necessario alimentare l’utenza in corrente
alternata).
Per utenze non raggiunte dalla rete elettrica
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LE APPLICAZIONI
Sistemi isolati (“stand alone”)
Sistemi connessi in rete
• rifugi di montagna
• piccole isole
• rilevazioni climatiche
• ripetitori radio
• boe di segnalazione
• illuminazione stradale e da giardino
• carica batterie
• Paesi in via di sviluppo
(refrigerazione, pompaggio, aree rurali)
• centrali di potenza
• sistemi integrati negli edifici
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Energia elettrica in corrente continua mediamente prodotta in un anno da 1 kWp di moduli
Insolazione
media annua
(kWh/m² anno)
Efficienza
moduli
(%)
Superficie
occupata da 1
kWp di moduli
(m2)
Elettricità prodotta
mediamente in un
anno in corrente
continua
(kWhe/kWp anno)
MILANO
1372.4
12,5%
8
1372.4
ROMA
1737.4
12,5%
8
1737.4
TRAPANI
1963.7
12,5%
8
1963.7
Energia elettrica mediamente prodotta in corrente alternata in un anno da 1 m² di moduli
Insolazione media
annua
(kWh/m² anno)
Efficienza
moduli
(%)
Efficienza
BOS
(%)
Elettricità
prodotta
mediamente in
un anno
(kWhe/m² anno)
MILANO
1372.4
12,5%
85
145.8
ROMA
1737.4
12,5%
85
184.6
TRAPANI
1963.7
12,5%
85
208.6
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Presentazioni collegate:
prof. Martinelli (UniFe)
Ing. Sarno (Enea)
dott. Armani (CNR)
d.ssa Camaioni (CNR)
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Celle solari a film sottili di Silicio cristallino
MOTIVAZIONI
•
Mercato Fotovoltaico dominato dalla tecnologia del Silicio cristallino con quota di
mercato del 95% (2003)
•
Il costo del wafer di Silicio incide per il 50% sul costo del modulo finito
•
Tecnologia del Silicio cristallino a film sottile
Potenzialità della tecnologia:
Max h~21% su substrato di mono-Si (UNSW)
Fonte: ENEA
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Celle solari a film sottili di Silicio cristallino
Formazione dello strato attivo (wafer equivalent)
active layer (poly-Si)
seeding layer (poly-Si)
wetting layer (SiNx, AlN)
diffusion barrier (SiO2)
reflector (text)
Substrate:
T<600°C: glass, SS
T>600°C: Alumina, mullite, graphite,
HT-glass, low-cost Si, SiSiC
Fonte: ENEA
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Celle solari a film sottili di Silicio cristallino
Progetto Europeo SUBARO
ZMR on ceramic
substrates
Module developed by
ISE using the BBC
Fonte: ENEA
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Celle solari a film sottili di Silicio cristallino
Progetto Europeo SUBARO V PQ UE: Risultati
Celle e moduli con efficienze ≤ 12% mediante processi industrializzabili.
Costo finale previsto: 0,5-1 €/Wp contro gli attuali 1,5-2 €/Wp.
Miglior substrato: SiN preparato per “tape casting” da polveri Si3N4.
Tecnologia promettente per strati barriera: spin on a base di ossidi di silicio.
Silicio depositato da fase vapore con reattori CVD ad alta resa in continuo.
Risultato ENEA: realizzazione di celle one sided contact con processi laser
assisted, serigrafici e spin on degli ossidi.
(Warning: Nessuno deposita poly-Si in Italia!).
Fonte: ENEA
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Tecnologie fotovoltaiche innovative a basso costo
StM + centri di ricerca chimica di Napoli. Polimeri conduttori di nuova
generazione, chiave per la nuova frontiera del fotovoltaico diffuso.
Polimeri con caratteristiche efficienti di assorbimento della luce,
trasformazione in elettroni e trasporto di questi. Vernici, o gel da spruzzare
sui muri, vetri o piastrelle. Nanotubi in carbonio.
….
Università di Princeton. Obiettivo: realizzare una superficie fotovoltaica da
spruzzare su fogli di plastica.
Vernici fotovoltaiche da stendere sulle superfici delle abitazioni.
Superfici tinteggiate di diversi colori, finestre fotovoltaiche.
Laboratori Ucla (Los Angeles): un nuovo tipo di pannello solare in
plastica composto da un singolo strato di un polimero rivestito da due
elettrodi
pellicola ultrasottile e ultraflessibile
celle solari organiche
h=5%=►10%
Fonte: ENEA
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Quantum dot solar cells
Semiconduttore
Quantum Dot
Da: A.J. Nozik, “Quantum dot solar cells”, in “Next Generation Photovoltaics”, Ed. by A. MartÍ and A. Luque, IOP.
Fonte: ENEA
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Quantum dot solar cells
Array ordinato di Quantum Dot
Lo spazio tra i QDs è così ristretto che si forma un forte accoppiamento
tra loro e si formano minibande per il trasporto “long-range” delle cariche.
Le minibande rallentano il raffreddamento delle cariche e permettono il trasporto
Dei portatori caldi (hot-carriers), innalzando il fotovoltaggio.
Da: A.J. Nozik, “Quantum dot solar cells”, in “Next Generation Photovoltaics”, Ed. by A. MartÍ and A. Luque, IOP.
Fonte: ENEA
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Quantum dot solar cells
Quantum Dots dispersi in una miscela di
due polimeri: uno che conduce lacune e
uno che conduce elettroni.
Da: A.J. Nozik, “Quantum dot solar cells”, in “Next Generation Photovoltaics”, Ed. by A. MartÍ and A. Luque, IOP.
Fonte: ENEA
La tecnologia fotovoltaica, stato dell’arte e prospettive future
Concentratori Solari Luminescenti (LSC)
Fonte: ENEA
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Concentratori Solari Luminescenti (LSC)
Solar cells
Red-shift
Soglie di
assorbimento
Fonte: ENEA
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Concentratori Solari Luminescenti (LSC)
Idee: Integrare gli LSC in edilizia usandoli sia su pareti opache che come
finestre fotovoltaiche.
Utilizzo di Quantum Dot (QDs) al posto dei coloranti (dyes).
Perché?
• Maggiore stabilità rispetto ai coloranti;
• Accordo della soglia di assorbimento fatto variando il “size” dei QDs.
Quantum Dots realizzati con nanoparticelle di Silicio.
(Collaborazione con Univ. Modena).
Impiego di Filtri Dicroici interposti tra gli strati adiacenti per migliorare
l’efficienza di raccolta della luce di luminescenza.
(Collaborazione con Univ. Ferrara).
Fonte: ENEA
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Concentratori FV statici a microlenti
Studio e sviluppo di microdispositivi per la concentrazione “adattativa”
dei raggi solari (effetto girasole) integrati su supporti fotovoltaici
Configurazione di partenza
Asse di incidenza ottimale
Microlente
"Thermo-compliant
mechanisms
Asse di incidenza ottimale
Raggi solari
Microlente
Raggi solari
"Thermo-compliant
mechanisms
Supporto con
rivestimento
fotovoltaico
Configurazione deformata
Fonte: DIEM
Supporto con
rivestimento
fotovoltaico
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Studio e sviluppo di microdispositivi per la concentrazione “adattativa”
dei raggi solari (effetto girasole) integrati su supporti fotovoltaici
Raggi solari
Asse di ottimale
incidenza del
raggio solare
Tipologie di installazione
Asse di ottimale
incidenza del
raggio solare
Microlenti con
dispositivi di autoorientamento
Microlenti con
dispositivi di autoorientamento
Supporto con
rivestimento
fotovoltaico
Raggi solari
Supporto
copertura
Supporto con
rivestimento
fotovoltaico
Parete
esterna
Per lo sviluppo del nuovo concetto di “thermo-compliant mechanisms”, delle relative lenti e quindi del
nuovo sistema a “micro girasoli” su supporto fotovoltaico statico si prospetta una collaborazione tra:
ENEA - UNIBO - DIEM (Dipartimento delle Costruzioni Meccaniche, Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia)
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Sistemi termofotovoltaici (TPV)
Fonte: ENEA
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Sistemi termofotovoltaici (TPV)
Spettro di emissione
Quantum Yield GaSb
Filtro dielettrico a 9 strati
Power spectrum su cella
Fonte: ENEA
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Sistemi termofotovoltaici (TPV)
Progetto “Cogenerazione termofotovoltaica” in collaborazione con:
UNIFE-DI, IMEM, BALTUR S.p.A. Cento (FE), Helios Technology.
Obiettivo: sviluppo della tecnologia del “termofotovoltaico” (TPV),
applicata a impianti di potenza inferiore a 100 kW,
Produzione contemporanea e locale di energia termica ed elettrica in
un rapporto ottimale per un uso residenziale e terziario.
Rendimenti globali superiori al 90%.
Sistemi considerati: caldaie a gas BALTUR per uso domestico,
a basse emissioni e con bruciatore a superficie, da trasformare,
mediante l’introduzione di celle FV sensibili all’IR, in sistemi di
cogenerazione.
Caldaia prototipo strumentata
Bruciatore a superficie e camera di combustione.
Schema matrice in acciaio/tela metallica
Fonte: ENEA
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Applicazioni del fotovoltaico in edilizia
Le piastrelle fotovoltaiche
(principale promotore della sperimentazione: Il Centro Ceramico Bolognese)