INTRODUZIONE AL
FOTOVOLTAICO
Luigi Gozzi
E-mail: [email protected]
CORSO DI INTRODUZIONE
AL FOTOVOLTAICO
Nozioni di base
L’energia inesauribile
Il potenziale del sole
Il sole é una stella di forma pseudosferica, composta da idrogeno e elio, con un
diametro di circa 1’391’000 km ed è situata a 149’598’000 km dalla terra. La
temperatura al suo interno raggiunge i 107 °K.
Il sole è una fonte di energia ancora poco utilizzata, ma con un grande potenziale.
Ogni giorno arrivano sulla terra 970.000 miliardi di kWh. Un metodo per poter
recuperare questa preziosa energia sono i moduli fotovoltaici.
FOTOVOLTAICO
Un primo sguardo
Luce e Calore
Le radiazioni emesse dal sole sotto forma di luce
e calore possono essere utilizzate.
- La luce può essere trasformata direttamente in
elettricità per mezzo di pannelli fotovoltaici
sfruttando le proprietà di materiali semiconduttori
come il silicio.
- Il calore può essere utilizzato per il
riscaldamento dell’ acqua per mezzo di pannelli
solari.
La parte di energia solare che riesce a
raggiungere la terra in un’ora equivale al
consumo energetico di tutto il mondo di un
anno.
FOTOVOLTAICO
Com’è costruito un
modulo fotovoltaico
Un primo sguardo
Il componente base di un modulo fotovoltaico è la cella
Cella
Modulo
Diverse celle
assemblate
Stringa
Diversi moduli
collegati
Campo
Diverse stringhe
collegate
FOTOVOLTAICO
Com’è costruito un
modulo fotovoltaico
Un primo sguardo
cella
modulo
Il silicio dopo l’ossigeno è l’elemento più abbondante sulla terra.
FOTOVOLTAICO
Un primo sguardo
Com’è costruito un
modulo fotovoltaico
Un’immagine di un modulo in film sottile.
In alcuni tipi di modulo non esiste il concetto
di cella che infatti non la si può individuare.
Questo perché il modulo viene realizzato
‘spruzzando’ del composto di silicio sulla
superficie del pannello.
Si parte quindi dal concetto di modulo.
FOTOVOLTAICO
Un primo sguardo
Tipologie di moduli
fotovoltaici
Sono 3 le tipologie di moduli fotovoltaici più utilizzate:
Silicio mono cristallino
Famiglia
Cristallino
Silicio poli cristallino
Silicio amorfo, CIS, CdTe
Famiglia
Film sottile
FOTOVOLTAICO
Un primo sguardo
Vantaggi e svantaggi
delle due famiglie
Famiglia
- Dimensioni più contenute
Cristallino - Efficienza 12-16%*
- Sensibili alle ombre
- Dimensioni più ingombranti
Famiglia
Film sottile - Efficienza 6-9%*
- Non sensibili alle ombre (produce anche
con cielo nuvoloso)
- Non richiede inclinazione dei pannelli
- Meno influenzati dalla temperatura
- Usufruisce di più ore di luce (produce prima
al mattino e termina più tardi la sera)
- Ritorno dell’investimento più veloce
* in condizioni particolari di misurazione
FOTOVOLTAICO
Un primo sguardo
Sistemi connessi alla rete
elettrica
Schema di un impianto fotovoltaico collegato alla rete
L’energia prodotta attraverso i pannelli è autoconsumata o immessa nella rete elettrica.
È possibile riprendere in un secondo momento
l’energia prodotta e non auto-consumata.
FOTOVOLTAICO
Un primo sguardo
Vita e garanzia dei
moduli
La vita media dei moduli fotovoltaici è dai 25 ai
30 anni con una diminuzione delle
prestazioni energetiche inferiore al 20% .
La garanzia dei fornitori sul rendimento
(efficienza) arriva a coprire fino ai 25 anni.
CORSO DI INTRODUZIONE
AL FOTOVOLTAICO
Nozioni di base
I moduli cristallini
Tipologia delle celle cristalline
Le celle che compongono i moduli fotovoltaici cristallino sono chiamate “wafer”.
La cella in silicio monocristallino è realizzata a partire da un wafer la cui struttura
cristallina è omogenea (monocristallo). Per ottenere una struttura semiconduttrice
omogenea occorre aver estratto il silicio da sabbia di quarzo e averlo purificato, tramite
un processo di cristallizzazione, fino ad ottenere silicio puro al 99,999%. In questo modo
si creano i ben conosciuti “lingotti” di silicio. Il lingotto di silicio verrà successivamente
squadrato e tagliato in wafer di 0,25-0,35 mm di spessore per ottenere la forma classica
della cella fotovoltaica.
La cella in silicio policristallino non è strutturalmente omogenea ma organizzata in grani
localmente ordinati (policristallo). Questa particolare composizione è dovuta al fatto che
le barre di silicio sono composte da resti di silicio puro. Gli scarti vengono compressi e
modellati fino ad ottenere una barra quadrata delle dimensioni classiche.
CORSO DI INTRODUZIONE
AL FOTOVOLTAICO
Nozioni di base
I moduli thin film
Tipologia delle celle amorfe
A causa dell’elevato costo, della maturità della tecnologia e per ridurre la quantità di silicio
utilizzato, la maggior parte dei produttori di moduli FV sta sviluppando la tecnologia a film
sottile.
Questa tecnologia permette di depositare un sottilissimo strato di materiale
semiconduttore direttamente su un supporto solido o flessibile (ad es. vetro, acciaio,
plastica, stoffa…). Lo spessore ridotto (1-2 micron) permette di velocizzare il processo
produttivo e di rendere insignificante il costo stesso del semiconduttore utilizzato.
Gli attuali rendimenti dei moduli cristallini (circa 12-16%) sono superiori rispetto ai moduli
a film sottile (6-9%), ma vi sono enormi possibilità di miglioramento per questi ultimi.
CORSO DI INTRODUZIONE
AL FOTOVOLTAICO
Nozioni di base
Glossario
Efficienza
In una conversione di energia l’efficienza è il rapporto tra la potenza utile e la potenza
fornita al sistema. L’efficienza è espressa come valore compreso tra zero e uno o sotto
forma di percentuale. Un sistema con un efficienza uguale a 1 o 100% è un sistema privo
di perdite dove l’energia primaria è convertita nella sua totalità in energia secondaria.
L’efficienza di un modulo o di una cella è calcolata sulla base della misura della potenza
massima. Conoscendo il valore della potenza massima (equivale alla potenza utile), le
dimensioni del modulo in m2 e la potenza di irraggiamento (equivale alla potenza fornita
al sistema), si può calcolare l’efficienza.
La misura avviene tramite un irraggiamento costante di 1000 W/m2 come è definita dalle
norme.
CORSO DI INTRODUZIONE
AL FOTOVOLTAICO
Nozioni di base
Glossario
Tensione e corrente al punto di massima potenza
La tensione e la corrente al punto di massima potenza sono i valori che si misurano nel
momento in cui il modulo fornisce la sua potenza massima.
CORSO DI INTRODUZIONE
AL FOTOVOLTAICO
Nozioni di base
Glossario
Rendimento
Il rendimento di un’installazione fotovoltaica è la capacità di convertire l’energia solare
ricevuta in energia elettrica, ed è la parte più difficile da calcolare, perché l’irraggiamento
reale e le condizioni ambientali possono influenzare notevolmente il rendimento del
modulo.
In maniera generale i moduli cristallini hanno necessità di essere continuamente esposti
in maniera ottimale nei confronti del sole, pena un calo dell’efficienza, e di conseguenza
del rendimento.
I moduli a film sottile sono meno sensibili alla posizione relativa del sole a tal punto che si
possano installare indifferentemente in posizione verticale (facciata) o orizzontale (tetto)
senza variazioni apprezzabili dell’efficienza.
Per i moduli cristallini sono stati realizzati sistemi di intelaiatura mobile detti “inseguitori
solari” che ruotano i pannelli in modo da mantenerli costantemente esposti
perpendicolarmente rispetto al sole.
CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO
L’energia solare e la conversione fotovoltaica
Introduzione
L’irraggiamento solare
I moduli fotovoltaici convertono la luce solare
direttamente in energia elettrica. Da qui l’importanza di
capire e studiare il raggio del sole.
Al confine con l’atmosfera terrestre l’energia solare è
una costante che ha un valore medio pari a 1367 W/m2,
mentre a livello del suolo l’irraggiamento è molto
variabile.
La cartina accanto mostra l’energia a livello del suolo in
Europa.
CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO
L’energia solare e la conversione fotovoltaica
Lo spettro solare
Lo spettro solare al livello del suolo
A causa dei fenomeni di riflessione e assorbimento
l’energia del sole a livello del mare è inferiore
all’energia extra-atmosferica.
U
V
Visibil Infraros
e
so
Spettro solare
Spettro solare a livello
del mare
L’atmosfera è composta da diversi gas, che riflettono
o assorbono i raggi luminosi differentemente dalla
lunghezza d’onda. Per questo motivo lo spettro
solare non è attenuato in modo uniforme ma alcune
lunghezze d’onda sono più attenuate o addirittura
non presenti a livello del suolo.
CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO
L’energia solare e la conversione fotovoltaica
La diffusione della luce
Le tre componenti dell’irraggiamento
al suolo
-L’irraggiamento diretto: radiazione che giunge al
suolo direttamente dal sole.
-L’irraggiamento diffuso: è la radiazione che
giunge al suolo dopo essere stata riflessa e in parte
assorbita dall’atmosfera (aria, nuvole).
-L’irraggiamento per albedo: è la radiazione
riflessa dal suolo. Generalmente è la parte meno
preponderante ma in condizioni particolari come nel
caso di una superficie ghiacciata, la presenza di un
lago o del mare può essere considerevole.
CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO
L’energia solare e la conversione fotovoltaica
La fisica dei materiali
L’effetto fotovoltaico
Un modulo fotovoltaico è un dispositivo in grado di
convertire l'energia solare direttamente in energia
elettrica mediante effetto fotovoltaico.
Questo tipo di conversione è possibile grazie a 3
fenomeni fisici:
Assorbimento della luce nei materiali,
Trasferimento dell’energia dei fotoni
cariche elettriche,
Il collegamento delle cariche elettriche.
Il materiale utilizzato dovrà avere delle proprietà
ottiche e elettriche specifiche per permettere la
conversione fotovoltaica.
alle
CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO
L’energia solare e la conversione fotovoltaica
La fisica dei materiali
Interazione della luce con la materia
I raggi luminosi che incidono in un solido subiscono 3
modifiche ottiche.
- La riflessione: la luce non riesce a penetrare nel
corpo
solido ed è rinviata verso l’esterno.
- La trasmissione: La luce attraversa l’oggetto senza
subire nessuna trasformazione.
I(incidente) = A (assorbita) + T (trasmessa) + R (riflessa)
- L’assorbimento: Le luce penetra nell’oggetto e
non esce più. L’energia verrà restituita sotto
un’altra forma (ad es. calore).
Nei moduli fotovoltaici l’obiettivo è di aumentare la
quota di luce assorbita, perché è l’unica parte che verrà
trasformata in energia elettrica.
CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO
L’energia solare e la conversione fotovoltaica
L’irraggiamento
Energia utile e perdite
I materiali utilizzati nei moduli FV hanno la proprietà di
poter assorbire l’energia solare solamente in una zona
limitata dello spettro.
UV
Visibile
Vicino Infrarosso e infrarosso
Energia
dissipata
in calore
Energia
utile
Spettro solare a livello del mare
AM=1
Zona utile alla trasformazione FV
Energia non assorbita
La zona blu rappresenta l’energia
solare teoricamente convertibile in
energia elettrica. La parte rimanente è
dissipata in calore. Gli infrarossi invece
non vengono assorbiti.
CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO
L’energia solare e la conversione fotovoltaica
Principio della conversione
I fotoni
Luce di debole intensità
Se la luce non è sufficientemente
energetica si verifica un aumento della
temperatura dovuta all’eccitazione degli
elettroni.
Energia
termica
Si
Luce intensa
Si
I fotoni assorbiti trasferiscono la loro energia agli elettroni
periferici che costituiscono la materia.
Se la luce è sufficientemente energetica
permetterà agli elettroni di liberarsi
dell’attrazione del loro nucleo
CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO
L’energia solare e la conversione fotovoltaica
La giunzione
Creazione della giunzione
Le cellule fotovoltaiche sono realizzate con un
semiconduttore, principalmente il silicio. Per poter
sfruttare l’effetto fotovoltaico però non è sufficiente un
cristallo di silicio puro, ma bisogna creare una giunzione
con delle proprietà speciali.
Campo elettrico E
Mediante il drogaggio del semiconduttore è possibile
realizzare due strati distinti, uno positivo e l’altro
negativo. Avvicinando i due strati si crea una zona
intermedia neutra e il campo elettrico risultante
permetterà di allontanare definitivamente l’elettrone,
liberato dal fotone, dalla sua lacuna.
CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO
L’energia solare e la conversione fotovoltaica
Il drogaggio
Quali elementi servono
Si
L’atomo di silicio ha nell’orbitale periferico quattro
elettroni.
Il drogaggio avviene aggiungendo agli atomi di silicio
degli atomi estranei. Questi elementi hanno la
particolarità di avere nell’orbitale periferico un
elettrone in più o in meno del silicio. Il fosforo ha nel
suo orbitale periferico cinque elettroni mentre il boro
solo tre.
P
B
CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO
L’energia solare e la conversione fotovoltaica
Il drogaggio
Come avviene il drogaggio?
Lo strato negativo (n) si ottiene aggiungendo
all’interno del cristallo di silicio qualche atomo di
fosforo. Con questa procedura si ottiene uno strato di
silicio con molti elettroni liberi.
Lo strato positivo (p) si ottiene aggiungendo
all’interno del cristallo di silicio qualche atomo di
boro. Con questa procedura nel cristallo di silicio si
ottengono delle lacune libere.
CORSO DI INTRODUZIONE AL FOTOVOLTAICO
L’energia solare e la conversione fotovoltaica
Funzionamento della
giunzione
La circolazione degli elettroni
Griglia
I
Zona n
q-
E
Si
Giunzione
p+
Zona p
R
L
Le cariche liberate, per essere generatrici di energia,
devono poter circolare. Bisogna quindi estrarle dal
materiale semiconduttore e fornire loro un circuito
elettrico. Quando i fotoni interagiscono con il modulo,
si vengono a formare nella giunzione cariche positive
e negative. Le cariche poi vengono immediatamente
separate dal campo elettrico prima di potersi
ricombinare.
INTRODUZIONE AL MODULO
Pramac Luce MCPH
Moduli fotovoltaici con tecnologia
Micromorfo
Film sottile
Introduzione
MCPH
CdTe
CIS
I moduli fotovoltaici attualmente sul mercato sono basati sulla tecnologia del silicio
amorfo, ma si stanno affacciando sul mercato altri tipi di semiconduttori come il
tellururo di cadmio (CdTe), il rame-indio-selenio (CIS), o la combinazione
monocristallino - amorfo, ognuno con i suoi vantaggi e svantaggi.
I pannelli "a film sottile", sono moduli fotovoltaici che possono essere ben integrati
nelle facciate o come coperture di edifici (building integration). Offrono anche il
vantaggio di produrre elettricità ad un costo inferiore rispetto alle tradizionali celle
al silicio.
Quella dei film sottile è la tecnologia più promettente per il futuro.
INTRODUZIONE AL MODULO
Pramac Luce MCPH
Moduli fotovoltaici con tecnologia
Micromorfo
Film sottile micromorfo
Introduzione
Per aumentare il rendimento del modulo senza però
rinunciare ai vantaggi della cella amorfa, e quindi
continuare a ridurre il materiale attivo e i costi di
produzione, sono state studiate e sviluppate celle
amorfe abbinate alle microcristalline, con spessori
molto basse. Se si pone in serie a una giunzione
amorfa una giunzione microcristallina, si ottiene una
cella micromorfa.
Rispetto alle tradizionali celle fotovoltaiche al silicio, il
film sottile Micromorph costa meno e, in confronto
agli altri moduli in amorfo, è più efficiente: trasforma
infatti il 10% dell'energia solare, contro il 6% dei
moduli tradizionali.
INTRODUZIONE AL MODULO
Pramac Luce MCPH
Moduli fotovoltaici con tecnologia
Micromorfo
Film sottile micromorfo
La composizione della cella
Con la tecnologia micromorfo lo spettro utile è maggiore grazie allo strato
cristallino che ha la capacità di assorbire e convertire i fotoni appartenenti alla
zona del vicino infrarosso.
INTRODUZIONE AL MODULO
Pramac Luce MCPH
Moduli fotovoltaici con tecnologia
Micromorfo
Film sottile micromorfo
La composizione della cella
Nei moduli a film sottile lo strato assorbente pur
essendo la zona più importante ha uno spessore
assolutamente irrilevante rispetto al modulo
stesso. Lo strato di silicio cristallino ha uno
spessore di 2-3 mm mentre lo strato di silicio
amorfo è dirittura di soli 300 nm, mentre il modulo
ha uno spessore totale di 7 mm.
1 mm = 0,001mm = 0,0000001 m
300nm = 0,0003 mm =0,0000003 m
INTRODUZIONE AL MODULO
Pramac Luce MCPH
Moduli fotovoltaici con tecnologia
Micromorfo
Fabbricazione
Cella di un modulo a film sottile
L’immagine qui a fianco mostra una porzione
di 3 celle collegate in serie mediante
gli strati di ossido. La corrente prodotta
nella parte attiva (zona nera) può
circolare nello strato di
ossido inferiore
per poi passare in
quello superiore.
INTRODUZIONE AL MODULO
Pramac Luce MCPH
Moduli fotovoltaici con tecnologia
Micromorfo
Introduzione
Processo di fabbricazione
Il processo di fabbricazione è rappresentato con lo schema a blocchi seguente.
Nella prima parte si procede alla deposizione degli strati e dell’incisioni, mentre in
seguito vengono creati e testati i contatti. In fine avviene la laminazione e il
controllo delle proprietà elettriche.
Pramac S.p.A.
Loc. Il Piano
53031 Casole d’Elsa (SI)
E-mail: [email protected]
Web: www.pramac.com
PRAMAC S.p.A. 2010
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