Studio comparativo
di tecnologie fotovoltaiche differenti
in condizioni realistiche
Antonio Stella
Relatore: Paolo Gambino
INTRODUZIONE
• Progetto “Minilab EnergEticaMente”
in collaborazione con
ENFASI s.c.a.r.l
- studio delle prestazioni di un
impianto fotovoltaico in
condizioni di lavoro realistiche
- confronto tra diverse tecnologie
fotovoltaiche.
“Minilab Energeticamente”
Tetto dell’Istituto di Fisica di Torino.
Linee guida e scopi dello studio
CONDIZIONI
“REALISTICHE”
CONDIZIONI
STANDARD
Posizionamento esterno
Laboratorio
Irraggiamento naturale
Irraggiamento artificiale
Valori effettivi
Valori nominali
Come variano le prestazioni in
presenza di ombreggiamenti?
Come cambia l’efficienza in funzione di
un irraggiamento variabile?
Confronto tra
tecnologie
L’effetto fotovoltaico
Materiale semiconduttore
(silicio)
Interazione di un fotone
Elettrone di valenza in
banda di conduzione
Drogaggi n e p
Creazione di un campo
elettrico (giunzione n-p)
Flusso di elettroni = corrente
Tecnologie fotovoltaiche
SILICIO CRISTALLINO
Monocristallino: unico cristallo cilindrico di silicio purissimo
alta efficienza (16-17%), longevità
alto costo di produzione, grande spreco di materiale, fragilità.
Policristallino: silicio fuso, colato in uno stampo cubico, poi tagliato
costi di produzione inferiori, minori sprechi, longevità
efficienza inferiore (15%), fragilità.
FILM SOTTILE
Sottilissimo strato di materiale semiconduttore depositato per
vaporizzazione su superficie metallica o plastica
Micromorfo: Silicio amorfo + silicio microcristallino. Eff. 12-13%
CIS: Giunzione tra CIS drogato-p e ZnO drogato-n. Eff. 11-12%
meno materiale usato, costi di produzione inferiori, flessibilità
efficienza minore, vita più breve, maggiori costi di installazione
INTRODUZIONE
Condizioni di laboratorio
STC
(Standard Testing Conditions)
• Irraggiamento 1000 W/mq
• T modulo = 25°C
• Vento = 0m/s
• Spettro solare = AM 1.5
INTRODUZIONE
Il “Minilab”
Silicio
CRISTALLINO
• 4 moduli (1mono e 3poli)
• Pnom = 900 Wp
• Sup = 6,5 mq
• Eff.nom = 13,6%
Film sottile
CIS
• 5 modulii
• Pnom = 375 Wp
• Sup = 3,6 mq
• Eff.nom = 10,4%
Film sottile
MICROMORFO
• 8 moduli ( 4 e 4 in
parallelo)
• Pnom = 960 Wp
• Sup = 11,44 mq
• Eff.nom = 8,4%
Studio della risposta dei
moduli all’ombreggiamento
Obbiettivi
Studiare come variano le prestazioni di un singolo modulo (in termini di Isc e
Voc) in funzione di un progressivo ombreggiamento della supeficie del pannello.
In particolare studiare le differenze tra:
• ombre verticali (nette e diffuse)
• ombre orizzontali (nette e diffuse)
Procedura sperimentale
• Misurazione di Isc e Voc nelle diverse “configurazioni” di ombreggiamento
tramite multimetro digitale.
• Normalizzazione dei valori sperimentali ottenuti da ciascun modulo rispetto ai
rispettivi valori nominali.
• Confronto dei valori normalizzati tra le diverse tecnologie.
Studio della risposta dei moduli all’ombreggiamento
I moduli
Caratteristiche “costruttive”
Silicio Cristallino
Film sottile CIS
Film sottile Micromorfo
Studio della risposta dei moduli all’ombreggiamento
Risultati sperimentali - ombre verticali
1.2
1.0
1.0
Voc/Voc_nom
[%]
Voc/Voc_nom
Isc/Isc_nom
Isc - ombra verticale
1.2
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.00
0.20
0.40
0.60
Sup. ombra/Sup. modulo
0.80
1.00
Voc- -ombra
ombra verticale
Voc
verticale
Micromorfo
Micromorfo
Micromorfo
Micromorfo
Micromorfo
DIFF.
Micromorfo
Ombra
DIFF.
DIFF.
CIS CIS
CIS
CIS DIFF.
CIS DIFF.
0.8
0.6
0.4
CIS Ombra DIFF.
Si cristallino
Silicio Monocristallino
0.2
Silicio Monocristallino
Si cristallino
Silicio Monocristallino
DIFF.
DIFF.
Silicio Monocristallino
0.40
0.4
0.40 0.60
0.60.60 0.800.8 0.80
1.00 1.0
Ombra DIFF.
0.0
0.00
0.0
0.20
0.2
0.20
Sup.
Sup.
ombra/Sup.
ombra/Sup.
modulo
modulo
[%] [%]
• Silicio cristallino: Isc pressochè costante fino a 2/3 della sup. ombreggiata.
Voc cala di circa il 20% con andamento quasi-lineare.
• Film sottile CIS: Isc crolla del 50% per una copertura del 25% e si azzera per
una superficie ombrreggiata del 75%.
Voc si mantiene quasi costante fino al 50% di ombra netta.
• Film sottile micromorfo: Isc crolla a 0A per ombreggiamento del 30%.
Voc cala linearmente del 15-20% per ombre del 70%.
Studio della risposta dei moduli all’ombreggiamento
Risultati sperimentali - ombre orizzontali
Voc - ombra orizzontale
1.2
1.2
Micromorfo
Micromorfo
1.0
1.0
Micromorfo
Micromorfo
Ombra
DIFF. DIFF.
CIS
CIS
Voc/Voc_nom
Isc/Isc_nom
Isc - ombra orizzontale
0.8
0.6
0.4
0.6
CIS DIFF.
CIS Ombra
0.4
Si cristallino
Silicio Monocristallino
0.2
0.2
0.0
0.00
0.8
0.20
0.40
0.60
Sup ombra/sup modulo [%]
0.80
0.0
0.00
Si cristallino
Silicio Monocristallino
Ombra DIFF.
0.20
0.20
0.40
0.40
0.60
0.60
0.80
0.80
Sup.
Sup.
ombra/Sup.
ombra/Sup.
modulo
modulo
• Silicio cristallino: ombra su 1/3 del modulo causa l’azzeramento della Isc.
La Voc cala circa del 15% per 1/3, e del 25% per 2/3 di
superficie ombreggiata.
• Film sottile CIS: Isc cala quasi linearmente con l’ombreggiamento.
Voc si mantiene pressochè costante.
• Film sottile micromorfo: Isc diminuisce quasi linearmente con l’ombreggiamento
Voc pressochè costante.
Studio della risposta dei moduli all’ombreggiamento
Conclusioni
• In generale i pannelli risentono delle ombre che “interrompono il circuito”
Moduli in silicio cristallino
Ombre ORIZZONTALI
• Caso estremo:
- ombra netta: 1/3 della supeficie ombreggiata causa l’azzeramento della
Isc e un calo del 10-15% della Voc.
- ombra diffusa: basta1/3 della superficie ombreggiata per causare un
crollo della Isc del 90%! Voc cala del 5% circa.
Moduli a film sottile (in generale)
Ombre VERTICALI
• Caso estremo:
- ombra netta: basta 1/3 - 1/2 della superficie coperta per azzerare la Isc.
- ombra diffusa: per quanto riguarda la Isc andamento analogo alle ombre
nette ma valori leggermente superiori (del 5% -10%).
• In generale il calo prestazionale non è proporzionale
alla superficie ombreggiata!
Studio dell’efficienza al variare
dell’irraggiamento
Obbiettivi
Studiare il discostarsi dell’efficienza effettiva da quella nominale in condizioni di
irraggiamento naturale variabile.
Procedura sperimentale
Eff . 
Pdc Sup.
(Vdc  I dc ) Sup.


2
m
Irraggiame nto Irraggiame nto
Pprodotta m 2
Pricevuta
• Misurazione dell’irraggiamento e delle Idc e Vdc prodotte da un’intera stringa
di moduli.
• Calcolo della potenza prodotta dalla stringa e quindi dell’efficienza.
• Normalizzazione delle efficienze di ciascuna stringa rispetto al corrispondente
valore nominale e conseguente confronto tra tecnologie.
Studio dell’efficienza al variare dell’irraggiamento
Alto irraggiamento (700-1000W/mq)
31 Agosto
– giornata
serena
31 Agosto
– giornata
serena
1.2
1.21.2
1.0
1.01.0
Eff/Eff_nom
Eff/Eff_nom
Eff/Eff_nom
29 Aprile - giornata serena
0.8
0.80.8
0.6
0.60.6
0.40.4
0.4
0.2
0.20.2
0.0
0.00.0
950950
600
700
800
900
1000
Cielo terso, giornata ventilata. Ore12.00-14.00, T=26-30°C
25 Novembre
novembre – giornata serena
1.2
1.2
Micromorfo
Micromorfo
Micromorf
o
Eff./Eff_nom
Eff./Eff_nom
0.8
0.8
CIS
CIS
CIS
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0.0
0
600
600
650
Silicio
Silicio
Silicio
cristallino
cristallino
cristallino
700
700
750
800
800850
900
900 950
970
970
980
980
990
990
1000
1000
Irraggiamento
[W/mq]
Irraggiamento
[W/mq]
Irraggiamento [W/mq]
1.0
11
960960
1000
1000
Irraggiamento
[W/mq]
Irraggiamento
[W/mq]
Cielo sereno. Ore 12.30-13.30, T=6-8°C
Cielo terso, giornata ventilata. Ore 13.00-14.00, T=25-30°C
• 29 aprile: alte prestazioni, anche
sopra i valori nominali (moduli nuovi)
• 31 agosto: eff. <20% rispetto alla
nominale. Alte temperature dei moduli.
• 25 novembre: c-Si e micromorfo
stabili su un’eff <20% rispetto alla
nominale. CIS migliora le prestazioni
rispetto all’estate grazie alle basse
temperature.
Studio dell’efficienza al variare dell’irraggiamento
Medio irraggiamento (400-700W/mq)
28 Giugno - presa dati mattutina
1.0
1
0.8
0.8
Eff./Eff_nom
Eff./Eff_nom
1 Giugno – leggera copertura
0.6
0.4
0.2
0.0
500
550
600
650
700
750
Irraggiamento [W/mq]
0.4
0.2
0
300
400
500
600
700
Irraggiamento [W/mq]
Leggera velatura. Ore11.30-12.00, T=25-28°C
Velatura chiara uniforme. Ore 9.30-10.30, T=25°C
26 Novembre – leggera copertura
• 1 giugno: leggera velatura chiara.
Buone prestazioni, i moduli non ne
risentono.
• 28 giugno: presa dati mattutina,
spettro solare spostato su rosso e
infrarosso. Grande calo prestazionale
per il micromorfo.
• 26 novembre: leggera copertura del
cielo.
1
Micromorfo
Eff./Eff_nom
0.6
0.8
0.6
CIS
0.4
Silicio
cristallino
0.2
0
300
400
500
600
700
800
Irraggiamento [W/mq]
Cielo leggermente coperto. Ore12.30-13.30, T=4-7°C
Studio dell’efficienza al variare dell’irraggiamento
Basso irraggiamento (0-400 W/mq)
2 Luglio – presa dati serale
1
0.8
0.8
Eff.Eff_nom
Eff./Eff_nom
25 Giugno – presa dati serale
1
0.6
0.4
0.2
0
0.4
0.2
0
150
200
250
300
350
Irraggiamento [W/mq]
26 Novembre – cielo coperto
1
Micromorfo
0.8
0.6
CIS
0.4
Silicio
cristallino
0.2
0
150
250
350
0
100
200
300
400
Irraggiamento [W/mq]
Cielo leggermente velato. Ore 18.30-19.00, T=30°C
Eff./Eff_nom
0.6
450
Irraggiamento [W/mq]
Cielo nuvoloso. Ore 14.00-15.30, T=4-7°C
Cielo leggermente coperto. Ore 17.00-18.00, T=28-30°C
• 25 giugno: presa dati serale, spettro
solare spostato verso il rosso. Il
micromorfo ne risente molto.
• 2 luglio: presa dati serale
• 26nov: cielo nuvoloso. In condizioni di
basso irraggiamento nella fascia centrale
della giornata (spettro solare piccato sul
blu), i moduli in c-Si hanno un crollo
prestazionale.
Studio dell’efficienza al variare dell’irraggiamento
Riassunto e conclusioni
Prestazioni più stabili nell’arco della
giornata.
Moduli in silicio cristallino
Marcato calo prestazionale con cielo
nuvoloso.
Più stabili in presenza di cielo coperto
(quindi luce diffusa)
Moduli a film sottile micromorfo
Marcato calo prestazionale mattino e
sera, con spettro solare sul rosso.
Più stabili in presenza di cielo coperto
(quindi luce diffusa)
Moduli a film sottile CIS
Apprezzabile calo prestazionale con
spettro solare spostato sul rosso.
Errori, dubbi e spunti per il futuro
• “Capitolo ombre”
Proseguire nello studio degli effetti delle ombre sul funzionamento di
un’intera stringa! (Necessario tenere conto del funzionamento
dell’inverter).
• “Capitolo irraggiamento”
Errore di valutazione iniziale: molte più variabili in gioco di quelle che
si pensassero!
Analizzare dipendenza da nuvolosità e spettro solare separatamente!
•
Necessario maggiore background di conoscenze nel campo della
fisica della materia e dell’optoelettronica.
RINGRAZIAMENTI
Grazie
a “Frenkie”, Paolino, Giacomo e Donato
per il lavoro svolto insieme, per i consigli e per
aver condiviso gioie e dolori (ma soprattutto
buono e cattivo tempo) sul tetto di Fisica.
Al prof Gambino per il “In fondo dagli errori si
impara di più” quando nulla sembrava avere un
senso.
All’Ing. Luca Nespoli per la pazienza, la
disponibilità e per i suoi “insegnamenti telefonici”.
Al Dott. W. Ferrarese, al Dott. L. Visca e al prof.
Balestra per il grande aiuto e per la costante
disponibilità.
A tutti quanti i compagni.
E al “bastone della mia vecchiaia” che (quando
non ha bastonato) mi ha sostenuto dall’inizio alla
fine di questo lavoro.