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LA RADIAZIONE SOLARE
La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre si
distingue in:
(1)
diretta
(2)
diffusa
(3)
riflessa
Le proporzioni di radiazione (1), (2) e (3) ricevuta da una
superficie dipendono da:
(a)
condizioni meteorologiche
(b)
inclinazione della superficie
(c)
presenza di superfici riflettenti
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LA RADIAZIONE SOLARE
L’intensità della radiazione solare incidente su una superficie
al suolo è influenzata dall’angolo di inclinazione della
radiazione stessa:  più piccolo è l’angolo che i raggi del
sole formano con una superficie orizzontale  maggiore
è lo spessore di atmosfera che essi devono attraversare
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LA RADIAZIONE SOLARE
Greenwich
Giugno
Latitudine 
Declinazione d
Longitudine
Settembre / Marzo
Dicembre
Equatore
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1. LA RADIAZIONE SOLARE
Angoli di inclinaz.  e di orientaz.  di una superficie


Sud
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La Conversione Fotovoltaica
La conversione diretta dell’energia solare in energia
elettrica, utilizza il fenomeno fisico dell’interazione
della radiazione luminosa con gli elettroni di
valenza nei materiali semiconduttori, denominato
Effetto Fotovoltaico
Caratteristiche elettriche
di un semiconduttore
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La Conversione Fotovoltaica
L’atomo di silicio possiede 14
elettroni di cui 4 di valenza; in un
Silicio
cristallo di silicio puro ciascun atomo
è legato in modo covalente con altri
quattro atomi: ogni elettrone di
valenza si lega con un elettrone di
valenza di un altro atomo.
Il passaggio dalla banda di valenza a quella di conduzione
avviene trasmettendo all’elettrone una opportuna quantità di
energia. In tale passaggio l’elettrone si lascia dietro una
buca detta ‘lacuna’ che può venire occupata da un altro
elettrone. Il movimento degli elettroni comporta così anche
quello delle lacune.
Silicio
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La Conversione Fotovoltaica
Donatore
Silicio
Fosforo
Elettrone
debolmente legato
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La Conversione Fotovoltaica
Accettore
Silicio
Boro
Lacuna
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Boro
Silicio
Boro
Silicio
Boro
Silicio
Boro
Silicio
Silicio
Distanza
Materiale P
2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Densità
di carica
Giunzione
Silicio
Fosforo
-
Silicio
Materiale N
+
Fosforo
Silicio
Fosforo
Regione di
svuotamento
Silicio
Fosforo
Silicio
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La conversione dell’energia solare in energia elettrica avviene
sfruttando l’effetto indotto da un flusso luminoso che
incide su un materiale semiconduttore ‘drogato’
Ogni fotone dotato di energia sufficiente, sulla base della
relazione E = h , con h costante di Plank ed 
lunghezza d’onda della radiazione, è in grado di liberare
all’interno della giunzione P-N una coppia elettrone –
lacuna.
Utilizzando come semiconduttore il silicio, l’energia minima
necessaria a liberare una coppia elettrone – lacuna
corrisponde ad una lunghezza d’onda massima della
radiazione luminosa di 1.15m.
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
La Conversione Fotovoltaica
I principali semiconduttori utilizzati sono:
• Silicio (Si)
• Germanio (Ge)
• Arseniuro di Gallio (GaAs)
• Solfuro di Cadmio (CdS)
• Solfuro di Rame (Cu2S)
• Celle a giunzione multipla (Tandem)
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Circuito equivalente di una cella fotovoltaica
Il rendimento delle celle fotovoltaiche in silicio, anche nelle prove di
laboratorio è molto distante dal 44%, in quanto intervengono ulteriori
inefficienze:
1. Non tutti i fotoni incidenti sulla cella
fotovoltaica penetrano all’interno, alcuni
sono riflessi ed altri intercettati
dall’elettrodo frontale (resistenza Rs)
2. Alcune coppie elett.–lacuna si ricombinano
prima che queste possano essere
separate dal campo elettrico interno alla
giunzione (grado di purezza del Si)
3. Parte dell’energia potenziale ceduta alla
cella, risulta insufficiente per liberare la
coppia elettrone–lacuna (diodo)
IL
ID
RS
IC
RC
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Caratteristica Tensione – Corrente di una Cella Solare
I
Quadrante dove la cella si
comporta da semplice
diodo in conduzione diretta
Caratteristica alla luce
Caratteristica al buio
Quadrante dove
la cella passa in
conduzione
inversa
Im
Quadrante dove la
cella si comporta da
generatore di energia
elettrica
Vm
V
Punto di Massima Potenza
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Caratteristica I-V di una Cella Solare ed andamento della Potenza
I [A]
P [W]
Caratteristica I-V
1.00
0.40
Im
Punto di massima
potenza Pm= Vm Im
0.75
0.30
0.50
0.20
0.25
0.10
Andamento della
potenza P= V I
0.00
0.00
0.00
0.20
0.40
Vm
0.60
V [V]
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Tipologie di celle fotovoltaiche
La maggior parte delle celle fotovoltaiche attualmente in
commercio è costituita da semiconduttori in silicio per i
seguenti motivi:
• Disponibilità pressoché illimitata (risorse del pianeta)
• • Largo utilizzo nell’industria elettronica (processi
tecnologici di raffinazione, lavorazione e drogaggio ben
affinati)
• • • Possibilità di riciclare gli scarti dell’industria elettronica
in quanto l’industria fotovoltaica tollera concentrazioni
di impurità tipicamente di 10-5÷10-6 (contro i valori di
10-8 ÷ 10-9 relativi all’industria elettronica)
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Tipologie di celle fotovoltaiche
Celle al silicio monocristallino
•
••
  .
Gemmazione e crescita cristallina - Il silicio a cristallo
singolo è ottenuto da un processo detto melting a partire
da cristalli di silicio di elevata purezza che, una volta fusi,
vengono fatti solidificare a contatto con un seme di
cristallo. Il silicio solidifica nella forma di un lingotto
cilindrico costituito da un unico cristallo del diametro di 13
÷20cm e lunghezza di circa 200cm;
Taglio – Il lingotto viene “affettato” con particolari seghe in
wafers con spessore di 250 ÷350m (spinto sfruttamento
del lingotto contro un’estrema fragilità dei wafers)
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Tipologie di celle fotovoltaiche
Celle al silicio policristallino
•
••
  9.0
Forma - Il silicio policristallino è caratterizzato dalla presenza di più cristalli
aggregati fra di loro con forme, dimensioni ed orientamenti differenti;
Costi contenuti – (rispetto al silicio monocristallino)
Celle al silicio amorfo
  6.0
•
Forma – Il semiconduttore, sotto forma di gas, è depositato in strati
dell’ordine di 10m su qualsiasi superficie (tecnica dei film sottili);
••
Instabilità delle prestazioni elettriche – ?
• • • Tecnica della giunzione multipla – Con il drogaggio differente di vari strati di
silicio collegati in serie si ottengono celle con diverse sensibilità allo spettro
solare. Il risultato si traduce in un maggior rendimento e resa energetica;
• • • • Costi contenuti – (rispetto al silicio policristallino)
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Tipologie di celle fotovoltaiche
La connessione elettrica tra le celle fotovoltaiche è ottenuta per
mezzo di due contatti metallici, uno sulla faccia esposta e
l’altro su quella opposta, normalmente ottenuti per
evaporazione sotto vuoto di metalli a bassissima resistenza
elettrica ed effettuando successivi trattamenti termici al fine
di assicurarne la necessaria aderenza alla superficie della
cella. Mentre la metallizzazione posteriore copre tutta la
faccia, quella frontale esposta alla luce deve avere una
configurazione geometrica tale da consentire un buon
compromesso tra trasparenza alla radiazione incidente e
massima raccolta degli elettroni liberi nel processo di
conversione
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I Sistemi Fotovoltaici
Il sistema fotovoltaico è un insieme di componenti
meccanici, elettrici ed elettronici che concorrono a
captare e trasformare l’energia solare disponibile,
rendendola utilizzabile dall’utenza in energia
elettrica.
La struttura di un sistema fotovoltaico può essere molto
varia; nella sua forma più generale può essere
schematizzato col seguente schema a blocchi:
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
CAMPO FOTOVOLTAICO
(MODULI)
CONVOGLIAMENTO IN
SERIE E PARALLELO TRA
LE CONNESSIONI DEI
MODULI
CONVERSIONE C.C./C.A.
GENERATORE DI
SOCCORSO
QUADRO ELETTRICO DI
DISTRIBUZIONE
CARICO (RETE - UTENTI)
SISTEMA DI
ORIENTAMENTO
BATTERIA
REGOLAZIONE DI
CARICA / SCARICA
BATTERIA
QUADRO
ELETT. C.C.
SERVIZI AUSILIARI
INTERNI
CARICO IN
C.C.
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I Sistemi Fotovoltaici
Dal punto di vista delle strutture di sostegno dei moduli, si parla di:
•
••
Sistemi ad inclinazione fissa - (struttura portante fissa)
Sistemi ad inseguimento attivi - single/double axis tracking systems
(caratterizzati da motori passo e elettronica di controllo)
• • • Sistemi ad inseguimento passivi – (principio di funzionamento basato
sulla differenza di pressione che si forma in due cilindri, contenenti
ciascuno particolari sostanze es. freon e olio)
Dal punto di vista elettrico si dividono in:
•
••
Sistemi isolati o “stand alone”
Sistemi connessi in rete “grid connected”
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I Sistemi Fotovoltaici – Schemi a blocchi
•
Sistema di Pompaggio
CAMPO FOTOVOLTAICO
••
INVERTER
Azionamento a
frequenza variabile
POMPA
Utenza Isolata
CAMPO
FOTOVOLTAICO
REGOLATORE
DI CARICA
BATTERIA
INVERTER
CARICO IN C.A.
CARICO IN C.C.
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I Sistemi Fotovoltaici – Schemi a blocchi
•••
Sistema Ibrido Isolato (fotovoltaico – eolico – diesel)
CAMPO
FOTOVOLTAICO
GENERATORE
EOLICO
DIESEL
REGOLATORE
DI CARICA
BATTERIA
INVERTER
CARICO IN C.A.
CARICO IN C.C.
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
I Sistemi Fotovoltaici – Schemi a blocchi
• • • • Impianto Collegato alla Rete
RETE
CAMPO
FOTOVOLTAICO
INVERTER
QUADRO ELETTRICO
DI INTERFACCIA
UTENZA
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Il Campo Fotovoltaico
Il campo fotovoltaico è un insieme di moduli fotovoltaici
opportunamente collegati in serie e in parallelo in per
realizzare le condizioni operative desiderate
MODULO
CELLA
MODULO
PANNELLO
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Il Campo Fotovoltaico
PANNELLO
STRINGA
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Il Campo Fotovoltaico
CAMPO
STRINGA
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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Il Campo Fotovoltaico
Nella fase di progettazione di un campo fotovoltaico devono essere
effettuate alcune scelte che ne condizionano il funzionamento:
•
Configurazione serie-parallelo dei moduli del campo (effetto di
mismatch dovuto alla disomogeneità delle loro caratteristiche
elettriche es.:  in una serie di moduli la corrente è limitata dal
modulo che eroga la corrente più bassa;  in un parallelo la
tensione è limitata dal modulo che eroga la tensione più bassa)
• • Scelta della tensione di esercizio
• • • Scelta della strutture di sostegno
• • • • Distanza minima tra le file dei pannelli per non avere
ombreggiamento
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