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IL SOLE COME FONTE DI ENERGIA: IMPIANTI FOTOVOLTAICI

1. bene considerare il range di temperatura e umidit di esercizio e Prestazioni elettriche verificare che la massima corrente in ingresso dal generatore e la massima in uscita dal carico non eccedano la portata del dispositivo e valutare l autoconsumo nelle varie situazioni di funzionamento e Sicurezza e protezioni sarebbe preferibile che il regolatore fosse in grado di interrompere l alimentazione del carico in caso di corto circuito e che offrisse la protezione da inversione di polarit della batteria generatore all atto del cablaggio e Controllo dei parametri di regolazione indispensabile la compensazione delle soglie di gestione della carica con la temperatura mentre utile che il regolatore abbia gi implementate la gestione della carica di pi tipi di batterie 49 6 2 4 Convertitore statico E molto importante la scelta della tensione nominale in relazione agli aspetti di sicurezza e a quelli di efficienza del sistema In genere i sistemi fotovoltaici per l alimentazione di utenze isolate hanno tensioni nominali in corrente continua standardizzate 12 24 48 110 in quanto i carichi utilizzatori sul mercato sono disponibili per queste tensioni Gli inverter collegati alla rete hanno tensioni in ingresso decisamente superiori a quelli di servizio isolato per ridurre la corrente associata sia per poter lavorare con tensioni pi vicine a quelle di rete Le tensioni sono comunque sempre dell ordine delle centinai
2. in grado di produrre l energia elettrica necessaria a coprire la domanda di elettricit come succede ad esempio nelle ore di buio o in inverno la rete elettrica fornisce l energia richiesta all utenza Nel caso in cui invece il sistema fotovoltaico produca energia elettrica in quantit superiore a quella richiesta dall utente il surplus pu essere trasferito alla rete elettrica nazionale es Conto Energia o accumulato per un futuro utilizzo Per poter utilizzare a livello domestico l energia elettrica prodotta dagli impianti collegati alla rete elettrica un inverter trasforma la corrente continua prodotta dal sistema fotovoltaico in 38 corrente alternata cio dello stesso tipo di quella distribuita a livello nazionale Nei sistemi fotovoltaici connessi alla rete non c bisogno di batterie perch la rete di distribuzione sopperisce alla fornitura di energia elettrica nei momenti di indisponibilit della radiazione solare evidente che in questo tipo di impianto in cui la rete elettrica garantisce la fornitura di energia all utenza ci deve essere una rete di interscambio in cui il flusso di energia non va solo da rete a utente ma anche da utente verso la rete in caso di surplus energetico Solitamente l istallazione degli impianti fotovoltaici grid connected avviene in quelle zone dove la produzione di energia elettrica nel modo tradizionale troppo onerosa oppure dove ha un alto impatto ambientale Un esempio di
3. L1 N Pd A a n Hp fc SU v Rete 2 TAAR ESA UA L3 N Impianto utilizzatore Lum p LL DE IT ES aa Le stesse osservazioni trovano validita per i sistemi collegati alla rete i quali utilizzano la conversione centralizzata senza la funzione di regolazione della carica e senza il nodo di batteria per i sistemi con conversione di stringa i cavi di cablaggio delle stringhe entrano direttamente nel convertitore senza bisogno di nessun quadro in continua Funzioni e componenti ll quadro di parallelo sia per impianti isolati che per quelli collegati a rete dovra essere realizzato per assolvere le funzioni di 54 e connessione e parallelo di un certo numero di stringhe in ingresso realizzata con l uso di morsetti sezionabili e protezione delle stringhe con diodi di blocco o fusibili montati su una basetta isolata disperdente e protezione delle stringhe da sovratensioni indotte attraverso l uso di scaricatori tra ciascun polo e la terra e controllo dell isolamento autoalimentato per i sistemi isolati o alimentato da rete nei sistemi collegati alla rete negli impianti di piccola taglia possibile integrare alcune funzioni aggiuntive 1 regolazione della carica delle batterie 2 collegamento con la batteria utilizzando un interruttore portafusibili perch la condizione di guasto peggiore per il sistema di accumulo rappresentata da un cortocircuito ai morsetti che sarebbe accompagna
4. Universit degli studi di Padova SCUOLA DI INGEGNERIA DIPARTIMENTO DI TECNICA E GESTIONE DEI SISTEMI INDUSTRIALI Corso di laurea in Ingegneria Meccanica e Meccatronica Curriculum Meccatronica IL SOLE COME FONTE DI ENERGIA IMPIANTI FOTOVOLTAICI RELATORI e Chiar mo Prof MIRTO MOZZON e Chiar mo Prof AUGUSTO TASSAN Laureando DAVIDE CASTAGNA Anno accademico 2013 2014 INDICE INTRODUZIONE iaia p 1 CAPITOLO 1 ENERGIA SOLARE NIAPBO GANA ANNA NN p 3 1 2 La radiazione Solare ci p 4 CAPITOLO 2 EFFETTO FOTOVOLTAICO 2 1 Semiconduttori ING IA KANA RA p 9 2 2 Giunzione PN lillo p 11 2 3 Conversione fotovoltaica rrrrriiiiiiiee p 12 CAPITOLO 3 CELLE FOTOVOLTAICHE 3 1 Funzionamento GAGANA RA p 14 3 2 Tipologie di celle ANC a p 17 3 2 1 Celle fotovoltaiche in silicio monocristallino e policristallino p 17 3 2 2 Celle fotovoltaiche a film sottile di 2 generazione p 19 3 2 3 Celle fotovoltaiche di 3 generazione titti p 22 CAPITOLO 4 MODULI FOTOVOLTAICI 4 1 Tecnologia costruttiva rr p 26 4 1 1 Struttura modulo in silicio cristallino iiii p 26 4 1 2 Struttura modulo a film sottile ii p 28 4 2 Collegamenti elettrici ri p 29 4 21 Collegamenti tra celle mirurici ian aa p 29 4 2 2 Cassetta di terminazione rien p
5. In considerazione del fatto che si tratta di un semi conduttore il tellururo di cadmio utilizzato per lo pi per la produzione di celle solari ha infatti caratteristiche simili all arseniuro di gallio un altro semi conduttore inorganico e al silicio ma 23 con costi decisamente ridotti Cadmio e tellurio sono infatti considerati materiali di scarto derivanti dall estrazione di minerali non ferrosi e la quantit di materiale utilizzato 100 volte inferiore La cella solare in composta da 4 parti 1 Il contatto frontale diverse possibilit di ossidi 2 Il materiale finestra Solfuro di Cadmio che rappresenta la parte N della giunzione 3 Il materiale assorbitore la parte P della giunzione 4 il contatto posteriore un metallo tipo il rame I costi contenuti hanno ovviamente determinato per questo tipo di pannelli fotovoltaici un bacino di utenza molto vasto A questo si aggiungono del resto almeno altri fattori e Le celle solari al tellururo di cadmio hanno una migliore capacit di assorbire la luce rispetto a quelli al silicio ad esempio si comportano meglio anche in condizioni di scarsa luminosit mente in condizioni normali rispondono meglio all esposizione diretta alla luce del sole e alle temperature elevate e tempi di realizzazione dei pannelli una volta opportunamente ottimizzati e automatizzati si riducono a un minuto a modulo e Il tellururo di cadmio opportunamente trattato
6. fa ricorso all uso di batterie ed accumulatori Quando poi necessario far assumere ala tensione disponibile verso l utenza un valore costante si utilizzano opportuni regolatori di tensione e circuiti di tipo chopper Se necessario disporre di energia elettrica sotto forma di corrente alternata a 230 monofase o 400 trifase con caratteristiche del tutto analoghe alle forniture in bassa tensione esercite dalle societ distributrici di energia elettrica l utilizzo di convertitori statici o inverter una strada obbligata moderni inverter hanno altre importanti funzioni quali protezioni dai carichi e o della rete elettrica a valle del dispositivo MPPT Maximum Power Point Tracker In alcuni casi provvedono ad effettuare il parallelo delle stringhe fotovoltaiche e ad acquisire dati di funzionamento gestendone la trasmissione verso un computer di controllo Le prestazioni i componenti impiegati e la taglia dei sistemi fotovoltaici dipendono dalle specifiche applicazioni ma in genere possono essere raggruppabili in due macro categorie gli impianti isolati dalla rete detti stand alone o off grid e gli impianti collegati alla rete elettrica detti grid connected 5 2 Impianti collegati alla rete Gli impianti grid connected chiamati in italiano impianti connessi alla rete sono una tipologia di impianti fotovoltaici collegati in modo stabile alla rete elettrica In questa tipologia di impianto quando il generatore fotovoltaico non
7. risulta massimo Il rapporto tra e prodotto dalla corrente di cortocircuito e dalla tensione a vuoto viene detto ffill factor o fattore di riempimento della cella Quest ultimo assume valori che si aggirano intorno a 0 75 0 80 Il fill factor anche un parametro di giudizio sul rendimento della cella elevati valori di esso sono solitamente indicatori di migliori prestazioni la corrente di cortocircuito risulta di poco superiore alla corrente al punto di massima potenza ne segue la evidente difficolt nell uso di un dispositivo elettromeccanico di interruzione automatica della corrente che proprio per limitato valore di risulterebbe pi comodo che utile CORRENTE TENSIONE Al aumentare della temperatura la curva tensione corrente della cella fotovoltaica si modifica facendo registrare una diminuzione della tensione a vuoto in ragione di circa 2 3 e congiuntamente un aumento della corrente di cortocircuito pari a circa lo 0 2 Queste variazioni possono essere prese come riferimento nell intervallo di temperatura 0 60 I due fenomeni bench di segno opposto si traducono in pratica in una diminuzione della potenza resa al punto di massima potenza valutabile intorno al 6 7 per ogni aumento di 10 della temperatura delle celle 3 2 Tipologie di celle La maggior parte delle celle fotovoltaiche attualmente in commercio costituita da 20 semiconduttori in silicio La ragione di questa scelta principal
8. 30 4 2 3 Campo fotovoltalc0 ae rara p 30 4 3 Collegamenti meccanici 1rrrrrrieeiiiiiiiiinee p 32 CAPITOLO 5 TIPOLOGIE IMPIANTI FOTOVOLTAICI 5 1 Impianti fotovoltaici ri p 34 5 2 Impianti collegati alla rete rr p 35 5 3 Impianti isolati dalla rete nnna p 36 5 4 Elementi impianto n0 nnNNNNKKKKKKAK KANAN KG p 37 DAT Inverer ia rana ata p 37 a BAN CC AA AP p 38 5 4 3 Regolatore di carica c ca p 39 CAPITOLO 6 PROGETTO ELETTRICO IMPIANTO FOTOVOLTAICO 6 1 Disposizione dell impianto ri p 40 6 2 Scelta dei componenti r kanaan kanaan KNA aaa p 42 6 21 Moduli fotovoltaleh ein p 42 6 2 2 Sistemi di ACCUMUIO aaa ita p 44 6 2 3 Regolatori di Garlasco ilari p 45 6 2 4 Convertitore Statico maana a AA nnna p 46 6 3 Protezioni elettriche rr p 48 6 3 1Diodi di blocco e diodi di by pass nananananananaaanaaaanaan p 48 6 3 2 Quadri elettrici INC air p 50 6 3 3 Quadri elettrici IN C a indica p 52 6 4 Gavi e collegamentl corraini p 53 6 4 1 Cablaggio dal generatore fino ai quadri di parallelo p 53 6 4 2 Cablaggi in partenza dai quadri di parallelo stringhe p 54 6 5 Verifiche di progetto elettrico
9. L effetto fotovoltaico noto fin dal 1839 dalle esperienze del fisico francese Edmond Becquerel 1820 1891 che present alla Accademia delle Scienze di Parigi la sua Memoria sugli effetti elettrici prodotti sotto l influenza dei raggi solari scoperta avvenuta casualmente mentre effettuava delle esperienze su una cella elettrolitica quindi contenente una soluzione liquida in cui erano immersi due elettrodi di platino Si deve aspettare il 1876 Smith Adams e Day per avere una simile esperienza ripetuta con dispositivi allo stato solido in questo caso il selenio ma l idea di sfruttare l effetto fotovoltaico quale fonte energetica non ebbe modo di svilupparsi finch non si pot operare con materiali che avessero un miglior rendimento Solo nel 1954 si giunger ad avere la prima cella solare commerciale in silicio ad opera di Person Fuller e Chapin realizzata all interno dei laboratori Bell L Aeronautica e l Esercito statunitensi seguirono molto da vicino lo sviluppo di questo progetto Entrambi ritenevano che il fotovoltaico potesse costituire la fonte energetica ideale per un progetto top secret i satelliti artificiali orbitanti attorno alla Terra Grazie a un assidua crociata condotta da Hans Ziegler del corpo del Genio Trasmissioni dell esercito statunitense la Marina Militare install sui satelliti un sistema energetico a due sorgenti batterie chimiche e celle solari al silicio sul satellite Vanguard mentre le batterie si
10. a film sottile nel nostro Paese possono fare insorgere degli allarmismi a livello locale che anche se ingiustificati sono comunque in grado di pregiudicare o comunque ritardare il progetto Si dovranno fare dei confronti sulle tecnologie da utilizzare e in base all utilizzo si sceglier il modulo fotovoltaico pi corretto attualmente la scelta tra una tecnologia e l altra trova soluzione dalle risposte a degli interrogativi ad esempio il progetto prevede criteri di integrazione architettonica del generatore fotovoltaico esistono vincoli di superficie nella posa dei moduli in relazione alla potenza da installare Infatti se il sistema da progettare prevede l obbligo di seguire criteri si integrazione architettonica dei moduli e non esistono vincoli sull occupazione della superficie di posa la soluzione di utilizzo di moduli in silicio amorfo pu essere presa in considerazione al contrario in impianti fotovoltaici di grande potenza posati a terra la soluzione amorfa non risulta economicamente conveniente Un altra considerazione importante sta nel fatto che durante la fase progettuale per i moduli fotovoltaici richiesta oltre la conoscenza sia delle loro caratteristiche tecniche che dei dati commerciali il loro prezzo di acquisto In genere piccole quantit di moduli fotovoltaici sono vendute dai distributori sulla base del costo unitario per modulo il quale funzione della potenza nominale questo sistema di acquist
11. accettori di elettroni lo iodio agisce da donatore di elettroni e il colorante funziona come una pompa fotochimica nella fotosintesi questi tre ruoli sono svolti rispettivamente dal biossido di carbonio dall acqua e dalla clorofilla e Un ottimo vantaggio che ha questa tipologia di celle quello di produrre elettricit anche se non c radiazione diretta e quindi anche con giornate nuvolose Di contro per ha dei difetti non indifferenti a partire dalla sensibilit alla temperatura del liquido elettrolita che rischia di congelare o fuoriuscire ad alte temperature In ogni caso va a bloccare il funzionamento teorico della cella Il fotovoltaico organico risulta quindi flessibile leggero e potenzialmente meno costoso delle tradizionali celle al silicio Lo svantaggio principale del fotovoltaico organico resta ancora nei coefficienti di conversione in energia elettrica ancora bassi rispetto al silicio Uno studio in Georgia USA tuttavia sta cominciando ad alzare le prestazioni arrivando ad aumentare l efficienza di circa 3 4 con segnale che potrebbero arrivare al 5 nel prossimo futuro 28 Sebbene le celle solari organiche non siano cos efficienti le loro caratteristiche come flessibilit peso robustezza costo li rende sempre pi attraenti al mercato Le celle organiche possono essere facilmente applicate e incorporate in altri materiali come tessuto e plastiche per coperture e l ideale resta la loro applicazione nei pi
12. acciaio inox con bullone composto da vite dado e rosetta dentata da posizionare lato cornice del modulo in modo da scalfire la superficie anodizzata della cornice stessa La presenza della cornice in alluminio anodizzato facilita le operazioni di montaggio specialmente quando si utilizzano strutture in acciaio zincato forate in quanto rende possibile l utilizzo dei fori gi presenti sul bordo della cornice stessa o in alternativa permette di praticarne altri a seconda delle esigenze Dal punto di vista meccanico la cornice permette di distribuire meglio gli sforzi sul bordo del vetro del modulo riducendo la possibilit che possano insorgere rotture o crepe conseguenti a manovre errate ad esempio un eccessivo serraglio di un dado pu avere al massimo come conseguenza il danneggiamento della cornice in quel punto Sempre pi spesso soprattutto per ragioni estetiche vengono utilizzati moduli fotovoltaici senza cornice i quali indubbiamente consentono di realizzare strutture pi snelle e gradevoli che valorizzano la scelta fotovoltaica inserendola in modo armonico nel contesto architettonico esistente Per la realizzazione di facciate fotovoltaiche si ricorre a profili di alluminio estruso nei quali vengono alloggiati come se fossero dei normali vetri di tamponamento per edifici a facciata continua ed inserendo come per un normale vetro tra profilo di alluminio e modulo un sottile strato di gomma Qualunque sia il tipo di aggancio c
13. avverr quando il potenziale applicato positivo lato P_negativo lato N sia in grado di annullare il potenziale elettrico interno al contrario se viene applicato un potenziale negativo negativo sul lato P e positivo sul lato N avremo che il potenziale elettrico interno si somma con quello esterno non consentendo il passaggio della corrente 2 3 Conversione fotovoltaica Il potenziale elettrico all interno della giunzione P N unitamente alla radiazione luminosa che investe il cristallo sono alla base della generazione di corrente nella cella fotovoltaica Consideriamo quindi una giunzione colpita da un flusso luminoso come in figura 9 semiconduttore tipon carico semiconduttore tipo p L energia associata a tale flusso in grado di liberare un certo numero di coppie elettroni lacuna negli atomi di silicio che intercettano i fotoni con energia sufficiente Tale energia dipende unicamente dalla frequenza della radiazione sulla base della 16 relazione in cui rappresenta la frequenza e h la costante di Planck Le coppie cariche cos generate risentono del potenziale elettrico interno alla giunzione e si muovono di conseguenza per cui gli elettroni generati nella giunzione P sono attirati verso N mentre le lacune generate nella giunzione N sono attirate verso P La cella fotovoltaica si comporta come un generatore con il polo positivo su P e quello negativo sulla giunzione N Tra frequenza e lunghezza d onda esiste
14. e propri concertatori domestici Celle di Gratzel Come funzionamento completamente diversa da una cella fotovoltaica in silicio infatti la separazione delle cariche elettroni e lacune e l assorbimento della luce sono adesso due cose distinte 1 Assorbimento della luce Funziona per effetto di un colorante chimicamente legato alla superficie di uno strato di particelle di biossido di titanio interconnesse tra loro e depositate su un vetro trasparente e conduttore queste particelle vengono chiamate anche nanocristalli 2 Separazione Quando il tutto viene colpito dalla luce accade che un elettrone si stacca dal colorante e va al biossido di titanio che a sua volta lo trasporta fino all elettrodo vetro conduttore Nel frattempo la buca che si viene a creare nel colorante viene trasferita fino all altro elettrodo grazie ad un composto mediatore In pratica il composto mediatore si ossida cedendo cos un elettrone che trasporta poi la buca Esaminando il principio di funzionamento di questa cella i processi che vengono messi in atto ricordano molto la fotosintesi clorofilliana e questo paragone fornisce un concreto esempio dell importanza della relazione tra principi chimici e fisici Nella fotosintesi le piante fissano l energia della luce solare in legami chimici presenti in molecole organiche complesse i carboidrati che assunti e bruciati da piante e animali rilasciano nell atmosfera biossido di carbonio compl
15. elettrico sia conforme alle relative Norme sia scelto correttamente ed installato in modo conforme alle prescrizioni normative e che non siano presenti danni visibili che possano compromettere la sicurezza e che le distanza delle barriere e delle altre misure di protezione siano state rispettate e che visia la presenza di adeguati dispositivi di sezionamento e di interruzione e che vi sia l identificazione dei conduttori di neutro e di protezione l identificazione dei comandi e delle protezioni dei collegamenti dei conduttori Verifica dei Cavi e dei Conduttori Per i cavi ed i conduttori si deve controllare che il dimensionamento sia fatto in base alle portate indicate nelle tabelle CEI UNEL e che siano dotati dei contrassegni di identificazione ove prescritti e siano adatti al tipo di posa Verifica della continuit elettrica e delle connessioni tra i moduli fotovoltaici Verifica della messa a terra di masse e scaricatori Verifica della resistenza di isolamento dei circuiti elettrici dalle masse controllando che siano rispettati i valori previsti dalla Norma CEl 64 8 Si deve eseguire con l impiego di uno strumento adeguato e la misura si effettua in corrente continua L apparecchio di prova deve fornire determinati valori di tensione riportati in tabelle quando eroga una determinata corrente La misura deve essere effettuata tra l impianto collegando insieme tutti i conduttori attivi ed il circuito di terra r
16. impianti connessi alla rete quello dei sistemi fotovoltaici integrati negli edifici e nelle abitazioni soprattutto grazie al Conto Energia Altro tipo di applicazione quello della realizzazione di grandi centrali di generazione elettrica Wang CELLE SOLARI QUADRO INVERTER was Av ELETTIGO CONTATORI ENY RETE ELETTRICA mga ile I 5 3 Impianti isolati dalla rete Gli impianti fotovoltaici stand alone per generare energia elettrica sono particolarmente indicati dove non sia possibile installare un impianto fotovoltaico connesso alla rete Esempi di tale applicazione possono essere e rifugi alpini o cascine in zone remote e pompe ad acqua e telefoni di emergenza e sistemi per barche o veicoli da diporto camper furgoni Poich i moduli fotovoltaici per loro stessa natura possono produrre energia elettrica solo durante il giorno necessario pertanto immagazzinare l energia elettrica necessaria per la notte o da utilizzare durante un giorno nuvoloso sistemi di immagazzinamento di energia 39 elettrica principalmente in uso sono batterie al piombo ricaricabili grazie alla loro capacit di immagazzinamento con alta efficienza a basso e ad alto voltaggio di input L impianto fotovoltaico stand alone fornisce alla batteria una tensione d uscita nella maggior parte dei casi di 12 o 24 volt in corrente continua Per fornire energia a dispositivi che funzionano a corrente alternata si utilizza un Inverter So
17. infinito poich la giunzione sparirebbe ma durer fintantoch il potenziale elettrico generato dallo spostamento di cariche non diventa tale da controbilanciare il moto di diffusione In particolare si forma un sottile strato neutro chiamato regione di svuotamento depletion 15 layer laddove un drogaggio di tipo P si abbina ad un drogaggio di tipo N semiconduttori drogati sia di tipo N che di tipo P sono conduttori tanto migliori quanto pi elevato il drogaggio mentre la regione di svuotamento ha le propriet di un isolante Le giunzioni P N sono comunemente usate come diodi dispositivi elettronici che permettono un flusso di corrente in una direzione ma non in quella opposta ma nello stesso tempo costituiscono anche una cella fotovoltaica Questo risultato pu essere ottenuto incrementando o riducendo l estensione dello strato non conduttivo la zona svuotata grazie agli effetti della polarizzazione inversa e di quella diretta dove il termine polarizzazione indica l applicazione di una tensione elettrica alla giunzione La tensione esterna infatti ne influenza la dimensione richiamando un maggiore o minore numero di portatori a seconda della densit di portatori disponibili e quindi del tipo di semiconduttore scelto e del tipo di drogaggio con il quale stato prodotto sar possibile variare con un ulteriore grado di libert l estensione della regione di svuotamento Si osserva che il passaggio di corrente elettrica
18. l efficienza delle protezioni di interfaccia Batteria di accumulatori 66 Tramite un controllo puramente visivo verranno identificati se presenti danneggiamenti meccanici dei vasi di contenimento deterioramento delle piastre intorpidimento dell acido e riscaldamenti localizzati per resistenze di contatto elevate sulle sbarre conduttrici tra elementi e controllo del livello di elettrolito Si effettuer un controllo densit e tensioni tese allidentificazione di un significativo campione di elementi verificando per ognuno con apposito densimetro l uniformit delle misure di densit dell elettrolito e con un multimetro l uniformit delle tensioni Infine verr fatto un rabbocco dell acqua distillata Convertitore statico Le diverse tipologie di convertitori utilizzabili nei sistemi fotovoltaici hanno diversi schemi elettrici e risulta indispensabile una personalizzazione per qualsiasi intervento anche solo ispettivo consigliabile attenersi alle indicazioni contenute nel Manuale d uso e manutenzione che accompagna la macchina Le operazioni di manutenzione preventiva sono limitate ad una ispezione visiva mirata ad identificare danneggiamenti meccanici dell armadio di contenimento infiltrazioni di acqua formazione di condensa eventuale deterioramento dei componenti contenuti controllo della corretta indicazione degli strumenti di misura eventualmente presenti e sostituzione dei filtri sui condotti di ventilaz
19. la relazione Utilizzando come semiconduttore il silicio l energia necessaria a liberare una coppia elettrone lacuna corrisponde ad una lunghezza massima radiazione luminosa 1 15 Tuttavia al diminuire della lunghezza d onda ai fotoni risulta associata un energia sempre maggiore ma in eccesso rispetto a quella richiesta La parte eccedente costituisce un surplus che va inevitabilmente perduto ossia trasformato in calore CAPITOLO 3 17 Celle fotovoltaiche 3 1 Funzionamento Come descritto precedentemente la conversione della radiazione solare in una corrente di elettroni avviene nella cella fotovoltaica Il dispositivo costituito da una sottile fetta di materiale semiconduttore molto spesso silicio opportunamente trattata Tale trattamento caratterizzato da diversi processi chimici tra i quali si hanno i cosiddetti drogaggi Inserendo nella struttura cristallina del silicio delle impurit cio atomi di boro e fosforo si genera un campo elettrico e si rendono anche disponibili le cariche necessarie alla formazione della corrente elettrica Questa si crea quando la cella le cui due facce sono collegate ad un utilizzatore esposta alla luce L energia che si pu poi sfruttare dipende dalle caratteristiche del materiale di cui costituita la cella l efficienza di conversione percentuale di energia contenuta nelle radiazioni solari che viene trasformata in energia elettrica disponibile ai morsetti per cell
20. parte alta La copertura dei diodi di blocco e delle sbarre di parallelo positive e negative viene fatta con un pannello in materiale plastico indeformabile trasparente sul quale si riportano le sigle dei diodi e le polarit corrispondenti 6 3 3 Quadri elettrici in c a Per quanto riguarda gli impianti isolati la realizzazione di un quadro in alternata ha significato solo se si prevede la misura dell energia prodotta attraverso un contatore viceversa sar sufficiente un normale quadro di distribuzione utenze Quando prevista una distribuzione in corrente alternata dell energia prodotta dal sistema fotovoltaico come una usuale fornitura di rete il convertitore non pu essere trasportabile ma deve essere posizionato fisso 6 4 Cavi e collegamenti 56 6 4 1 Cablaggio dal generatore fino ai quadri di parallelo I moduli fotovoltaici oggigiorno sono in gran parte dotati di due spezzoni di filo che fuoriescono dalla scatola di giunzione all estremit dei quali sono presenti i connettori ad innesto rapido maschio femmina Poich gli spezzoni di cavo aggiuntivi devono essere intestati almeno sul lato moduli con dei connettori identici a quelli gi presenti assolutamente necessario che l applicazione di tali connettori sia effettuata seguendo le indicazioni del fabbricante I cavi che trovano pi impiego almeno fino ai quadri di parallelo sono quelli adatti per impieghi solari spesso marchiati Solar i quali risultano prodot
21. solare globale orizzontale si effettua mediante uno strumento detto pirometro o pi comunemente solarimetro Lo strumento misura l energia associata alle componenti verticali della radiazione incidente nellunita di tempo ed sensibile alle frequenze visibili della radiazione solare ed al vicino infrarosso L intensit della radiazione globale o potenza specifica espressa in Tipicamente i valori di potenza specifica orizzontale possono arrivare in Italia al livello del mare durante una bella giornata estiva di sole a 900 1100 Inclinando poi lo strumento ad un angolo fisso rispetto al piano orizzontale possibile misurare la radiazione solare globale su un piano inclinato che risulta uno dei dati fondamentali per la progettazione solare CAPITOLO 2 12 Effetto fotovoltaico 2 1 Semiconduttori La conversione alla radiazione solare in energia elettrica avviene sfruttando l effetto indotto da un flusso luminoso che investe un materiale semiconduttore per esempio il silicio quando quest ultimo incorpora su un lato atomi di drogante di tipo P e sull altro atomi di drogante d tipo N Consideriamo il reticolo cristallino del silicio in Figura 6 nel quale ciascun atomo circondato da altri quattro e nel quale ognuno di essi mette in comune uno dei suoi quattro elettroni di valenza appartenenti alle orbite pi esterne In questo modo gli possibile completare l ottetto esterno e rendere quindi stabile la configurazione n
22. 8 Dispensa del corso Elettronica analogica tenuta dal prof Buso S Groppi F Zuccaro C Impianti solari fotovoltaici a norme CEI editoriale delfino 2005 Richard C Jaeger e Travis N Blalock Microelettronica McGraw HILL 2009 Rota S Elettricit dal Sole Guida all impiego nei piccoli impianti dei pannelli fotovoltaici e generatori eolici Sandit libri 2005 Sitografia 69 blog crit research it digilander libero it http astrolink mclink it sole htm http it wikipedia org http solar360 it http tuririolo altervista org www 100ambiente it www 3sun com www ac ilsestante it www albanesi it www appuntidigitali it www bericacavi com www bluearea eu www bnrgreenenergy it www caspi it www comune villafrancapiemonte to it www dbenergy it www edilportale com www elca srl com www enerpoint it www enersafe it www expoclima net www fotovoltaicosulweb it www fotovoltaicosulweb it www ideegreen it www ipersolar it www marconi galletti it www newstechnology eu www nihilscio it www pannellisolari name www sapere it www siallerinnovabili it www solaiocompound isolamentotermico it www solaretermodinamico com 70 www solaridea fotovoltaico it www ste pignotti com www strumentazioneelettronica it www test italy com www vivoscuola it 71
23. a di volt arrivano anche a 500 600 In tutti i casi in fase di progetto occorre stabilire valori minimi e massimi delle tensioni in uscita dal generatore fotovoltaico nelle condizioni operative limite previste e vedere se questi possono essere compatibili con le caratteristiche in ingresso dell inverter Date queste osservazioni il progettista in base al tipo di impianto fotovoltaico dovr fare delle considerazioni differenti Perci distinguiamo due casi 1 Considerazioni impianto collegato alla rete e Accoppiamento con il generatore La tensione di ingresso del convertitore costituita da una finestra con valore di tensione minima e massima all interno della quale generalmente garantito anche l inseguimento del punto di massima potenza del generatore fotovoltaico Occorre accoppiare questa finestra con la finestra di possibile funzionamento del generatore fotovoltaico alle condizioni di esercizio e Inseguimento della massima potenza generatori fotovoltaici in silicio amorfo che sono caratterizzati da una caratteristica piuttosto piatta possono mettere in difficolt i dispositivi di inseguimento del punto di massima potenza e Potenza nominale nei data sheet si trovano diverse indicazioni relative alla potenza della macchina La potenza massima consigliata ovvero la max potenza del generatore che possibile accoppiare riferita alle condizioni di STC e la potenza massima in continua che indica la massima potenza in ingres
24. a quella massima disponibile orizzontale 2 considerare la possibilit di disporre il generatore fotovoltaico su pi file Adottando la prima soluzione avremo un esposizione maggiore al vento quindi un impatto non solo sulla geometria delle strutture di sostegno ma anche sul calcolo dei profili metallici e delle fondazioni Con la seconda soluzione si introducono invece ombreggianti reciproci che penalizzano la produzione elettrica ma ottengono un effetto di schermatura dall azione del vento per le file interne La scelta di disporre il generatore fotovoltaico su pi file merita qualche ulteriore osservazione L ombreggiamento totale risulta essere la somma degli ombreggiamenti durante tutto l arco dell anno ora per ora Questo dato pu essere stimato solo con simulazione di appositi software che tengono conto del movimento del disco solare rispetto alle superfici captanti disposte su pi file Il problema si traduce in sensibili perdite di potenza dell impianto spesso maggiori di quelle calcolabili attraverso il semplice rapporto tra l area ombreggiata e la superficie totale Quantificare la perdita energetica non per niente semplice perch bisogna tenere conto che dipende sia dalla geometria dell intera fila sia dalla disposizione meccanica del modulo 44 sulla fila infine sia da come sono elettricamente cablati i moduli per formare le stringhe Si pu osservare che i moduli installati con il lato maggiore in posizion
25. accomandata per quanto praticamente possibile la misura della resistenza d isolamento tra i conduttori attivi Durante la misura gli apparecchi utilizzatori devono essere disinseriti valori minimi ammessi sono quelli previsti dalla Norma CEI 64 8 Prove funzionali sul sistema di conversione statica con riferimento al manuale di uso e manutenzione nelle diverse condizioni di potenza accensione spegnimento mancanza di rete del distributore 62 Verifica tecnico funzionale dell impianto La verifica tecnico funzionale di un impianto fotovoltaico richiede la valutazione e della continuit elettrica e connessione tra i moduli e della messa a terra di masse e scaricatori e del corretto funzionamento dell impianto fotovoltaico nelle diverse condizioni di potenza generata e nelle varie modalit previste dal gruppo di conversione accensione spegnimento mancanza rete etc e dell isolamento dei circuiti elettrici dalla masse La procedura di verifica tecnico funzionale di un impianto fotovoltaico prevede l impiego di una sonda piranometro Figura29 o con una cella campione si provvede a rilevare il valore 63 dell irraggiamento captati dalla superficie per ciascuna stringa e si proceder alla verifica delle seguenti condizioni dove potenza in misurata all uscita del generatore fotovoltaico con precisione migliore del somma delle potenze in di targa dei moduli installati del generatore fo
26. al livello del mare Alle latitudini europee comunque spesso necessario far riferimento a spettri di radiazione ancora pi attenuati rispetto all AM1 AM1 5 AM2 o anche maggiori a seconda dei casi per tenere conto del percorso di attraversamento della radiazione dell atmosfera dovuto alla pi o meno pronunciata deviazione dei raggi solari rispetto lo zenit Viceversa se ci si trovasse in quota a latitudini tropicali lo spettro AM1 potrebbe in alcuni casi risultare eccessivamente attenuato rispetto alla radiazione realmente incidente AM P Po sec 0 0 ZENITH ANGLE ZENITH 10 In Figura 4 visibile la rappresentazione geometrica dei percorsi di attraversamento dell atmosfera da parte della radiazione solare nelle tre differenti condizioni AM1 AM1 5 e AM2 Si tratta di una rappresentazione semplificata in quanto l atmosfera terrestre non omogenea sia come densit che come composizione e inoltre non si tiene conto della rifrazione sulla radiazione solare dovuta ai diversi componenti facenti parte della massa gassosa La curvatura della superficie terrestre non costituisce invece un problema perch lo spessore medio dell atmosfera molto inferiore al raggio medio del nostro Pianeta La curva AMO corrisponde alla radiazione solare misurata al di fuori della atmosfera terrestre risulta invece essere assai simile allo spettro di emissione di un corpo nero portato alla temperatura di 5760 Tuttavia al fine di s
27. an p 55 6 5 1 Coordinamento tra conduttori e dispositivi di protezione p 55 6 5 2 Istallazione dei conduttori 21srrrrrarrrereneneeaae zii nnne p 56 CAPITOLO 7 COLLAUDO E MANUTENZIONE PREVENTIVA 7 8620 TUe Co PEA AA AA p 57 7 2 Manutenzione preventiva iii p 61 CONCLUSIONE ui ama AKA GANA GAAN p 64 BIBLIOGRAFIA lella eolie p 65 SI OGRAFIA nici iii p 66 INTRODUZIONE Oggi la produzione di energia elettrica una delle cause principali dell inquinamento atmosferico Produrre elettricit continuando ad utilizzare fonti fossili tradizionali significa inquinare l aria l acqua e la terra Invece la grande opportunit offerta dalle rinnovabili consente di produrre energia elettrica in maniera pulita riducendo gli impatti delle attivit e contribuendo a tutelare l ambiente Sole vento e biomasse hanno il vantaggio di essere abbondanti largamente disponibili e al contrario dei combustibili fossili non si esauriscono Oggi i progressi tecnologici hanno contribuito ad elevare l affidabilit di infrastrutture e impianti rendendo la produzione rinnovabile ed estremamente sicura Diversi sono i punti di forza delle energie rinnovabili che possono contribuire a smuovere la coscienza collettiva nell ottica di uno sviluppo sostenibile In questo elaborato verr analizzata l energia fotovoltaica come essa viene prodotta e la progettazione elettrica di un impianto
28. ccoli dispositivi elettronici come cellulari palmari tutti quei dispositivi che richiedono poca energia ma di grande utilizzo Potrebbe finire il tempo in cui si girava il mondo senza il petrolio ma si portava con se un enorme carrello fotovoltaico in silicio per generare energia La societ Konarka ha sviluppato la tecnologia Power Plastic che permette addirittura di stampare questi fogli fotovoltaici con un semplice click scegliendo le forme e la tipologia del foglio fotovoltaico che si vuole Il grosso vantaggio dei materiali fotovoltaici organici risiede nel fatto che questi possono essere depositati su larghe aree e a costi molto ridotti sia in soluzione liquida come veri e propri inchiostri o paste o attraverso semplici processi di evaporazione possibile quindi usare metodi tipici dell industria della stampa e applicarli nel campo del solare organico riducendo cos gli alti costi di materiale e di processo tipici dell industria dei semiconduttori convenzionali cristallini Sunlight D Waveguide Fluorescence Emission EN Solar Cells CAPITOLO 4 Moduli fotovoltaici 4 1 Tecnologia costruttiva La gran parte dei moduli fotovoltaici in commercio per uso di impianti di potenza costituita 29 da moduli in silicio cristallino il rimanente valutabile in circa il 10 coperto invece dalla tecnologia a film sottile In realt il mercato della tecnologia a film sottile pi vasto se si i
29. cie delle celle evidente che un inverter in grado di restare agganciato a questo punto otterr sempre la massima potenza disponibile in qualsiasi condizione Ci sono svariate tecniche di realizzazione della funzione MPPT che si differenziano per prestazioni dinamiche tempo di assestamento e accuratezza Sebbene la precisione dell MPPT sia estremamente importante il tempo di assestamento lo in taluni casi ancor pi Mentre tutti i produttori di inverter riescono ad ottenere grande precisione sull MPPT tipicamente tra il 99 99 6 della massima disponibile solo in pochi riescono ad unire precisione a velocit infatti nelle giornate con nuvolosit variabile che si verificano sbalzi di potenza solare ampi e repentini molto comune rilevare variazioni da 100 a 1000 1200 in meno di 2 secondi In queste condizioni che sono molto frequenti un inverter con tempi di assestamento minori di 5 secondi riesce a produrre fino al 5 10 di energia in pi di uno lento Un altra caratteristica importante di un inverter fotovoltaico l interfaccia di rete Questa funzione generalmente integrata nella macchina deve rispondere ai requisiti imposti dalle normative dei diversi enti di erogazione di energia elettrica In Italia ENEL ha rilasciato la normativa CE1 021 attualmente giunta all edizione 2 Questa normativa prevede una serie di misure di sicurezza tali da evitare l immissione di energia nella rete elettrica qualora i parametr
30. cristallino con back contacts e infine pu avere origine da substrato di silicio monocristallino con deposizione in silicio amorfo Altre varianti possono riguardare le dimensioni la forma delle celle la loro spaziatura e il colore I moduli fotovoltaici possono inoltre essere di varie forme e dimensioni con o senza cornice a singolo o doppio vetro e con scatola di derivazione posizionata in modi differenti Da non sottovalutare inoltre la qualit delle celle che contribuiscono a qualificare il progetto 45 anche se alcune caratteristiche quali ad esempio il grado di purezza del silicio utilizzato non siano sempre verificabili film sottili sfruttano materiali e tecnologie totalmente differenti rispetto al silicio cristallino Si tratta di deposizioni con spessori di pochi micron su superfici di vetro o materiale plastico questa caratteristica rende questa tecnologia generalmente pi versatile tanto che i moduli realizzati in materiali amorfi quali il silicio possono essere di tipo flessibile ed adattarsi quindi facilmente a superfici non piane I moduli in tellurio di cadmio CdTe sono attualmente pi competitive rispetto al silicio cristallino anche se le maggiori superfici richieste dovute alla minore efficienza e l affidabilit di lungo periodo ancora poco certa in molti casi riducono e vanificano tale competitivit iniziale C da tenere conto che la presenza di metalli pesanti in alcune tipologie di moduli fotovoltaici
31. derebbero a comportarsi come carichi In alternativa ai diodi di blocco si potrebbero usare dei fusibili o interruttori di massima corrente Rispetto ai diodi i fusibili hanno il vantaggio di non introdurre cadute di tensione e impediscono alla corrente sui moduli di superare il valore limite Gli svantaggi principali consistono nell impossibilit di autoripristino nella scelta di un particolare calibro in un largo intervallo di temperatura di esercizio e non effettuano la protezione della scarica della batteria sul campo fotovoltaico nelle ore notturne Negli impianti isolati la pratica progettuale pertanto orientata nell adozione sistematica dei diodi di by pass e dei diodi di blocco posti in serie ad ogni stringa 6 3 2 Quadri elettrici in c c La sezione in corrente continua di un impianto fotovoltaico composta dal generatore fotovoltaico e dal sistema di accumulo quest ultimo presente nel caso di impianto per 53 servizio isolato Quando il generatore di piccola potenza cio composto da poche stringhe il sistema fa capo ad un solo quadro che assolve le funzioni principali di parallelo delle stringhe di regolazione della carica e di nodo per la batteria Quando il numero di stringhe consistente si preferisce disporre di un primo livello di quadri dedicati al parallelo parziale di gruppi di stringhe e poi di un quadro generale per il parallelo finale e la regolazione Quadro di Quadro c a sottocampo inverter
32. do la normativa CEI 64 8 4 le protezioni delle condutture contro i sovraccarichi devono rispondere alle seguenti due condizioni in cui corrente di impiego del circuito portata in regime permanente della conduttura corrente nominale del dispositivo di protezione corrente che assicura l effettivo funzionamento del dispositivo di protezione La parte di corrente in continua del sistema non prevede la protezione contro i sovraccarichi in quanto la massima corrente erogabile dal campo fotovoltaico nel massimo punto di potenza approssimative alla massima corrente che il campo in grado di erogare E quindi condizione sufficiente la verifica di dove corrisponde alla corrente e alla portata in regime permanente della conduttanza Pensando agli impianti collegati a rete per la sezione occorre innanzitutto calcolare la verificandone la prima condizione la seconda condizione risulta verificata usando interruttori magnetotermici commerciali nei quali la corrente convenzionale di funzionamento Cortocircuito Per la parte di circuito in corrente continua la protezione contro il cortocircuito assicurata dalla caratteristica di generazione tensione corrente dei moduli fotovoltaici che limita la corrente di cortocircuito ad un valore noto e di poco superiore alla corrente massima erogabile al punto di funzionamento a massima potenza Per gli impianti collegati a rete nelle varie sezioni in alternata occorre proteggere le con
33. dri elettrici e Batteria di accumulatori se presenti e Convertitore statico e Collegamenti elettrici Moduli fotovoltaici La manutenzione preventiva sui singoli moduli fotovoltaici non richiede la messa fuori servizio dell impianto in quanto consiste in primo luogo di un ispezione visiva tesa all identificazione dei danneggiamenti ai vetri anteriori deterioramento del materiale usato per l isolamento interno dei moduli microscariche per perdita di isolamento ed eccessiva sporcizia del vetro Verr effettuato un controllo alla cassetta di terminazione mirata a trovare eventuali deformazioni di essa la formazione di umidit all interno lo stato dei contatti elettrici delle polarit positive e negative lo stato dei diodi di by pass il corretto serraggio dei morsetti di intestazione dei cavi di collegamento delle stringhe e l integrit della siliconatura dei passacavi Infine verr fatto un lavaggio esempio in Figura 30 dei moduli negli impianti in cui le perdite per sporcamento possono contribuire al decadimento delle prestazioni Per evidenti motivi ambientali non si usano detergenti possibile invece usare acqua a tre livelli di purezza in relazione alla sporcizia Normalmente si prevedono due lavaggi all anno da concentrare nel periodo asciutto 65 Stringhe fotovoltaiche La manutenzione preventiva sulle stringhe viene effettuata nel quadro elettrico in continua e anch esso non richiede la messa fuo
34. drogaggio con atomi di fosforo Infine si applica un sottile strato antiriflesso e si realizzano per serigrafia i contatti elettrici anteriori griglia metallica e posteriori superficie continua metallica Silicio monocristallino Silicio policristallino Le celle fotovoltaiche in silicio policristallino hanno un efficienza che va dal 12 al 14 quindi un po pi basso rispetto le celle in silicio monocristallino In proporzione anche il costo risulta per pi basso Si realizzano riciclando componenti elettronici scartati ossia il cosiddetto scraps di silicio il quale viene rifuso per ottenere una composizione cristallina compatta Questi scarti di silicio vengono fusi all interno di un crogiolo in modo da creare un composto omogeneo che poi viene raffreddato in modo tale da generare una cristallizzazione che si sviluppa in verticale Si ottiene cos un pane di circa 150 200 che poi viene tagliato verticalmente in lingotti di forma parallelepipeda Con un altro taglio questa volta orizzontale si ricavano delle fette di spessore simile ai wafer del monocristallo Anche in questo caso i wafer vengono puliti con un attacco in soda e poi drogati con il fosforo per la realizzazione delle giunzioni P N si applica un sottile strato antiriflesso e si realizzano per serigrafia o elettrodeposizione i contatti elettrici anteriori griglia metallica e posteriori superficie continua metallica 22 3 2 2 Celle fotovoltaiche a
35. dutture dalle correnti di cortocircuito di ritorno dalla rete di collegamento Bisogna quindi verificare la condizione sull energia passante ricorrendo alla curva caratteristica del dispositivo di protezione scelto le sezioni di cavo adottate e le correnti di cortocircuito nel punto di consegna dell energia Cadute di tensione Essendo il sistema elettrico di generazione e non di utilizzazione la verifica delle cadute di tensione sui conduttori non richiesta al fine della valutazione di confronto con la tensione ammessa dalla natura del carico elettrico ma solo come parametro indicativo delle perdite di 59 potenza 6 5 2 Istallazione dei conduttori Tipo di posa in funzione dei conduttori utilizzati Per la verifica della corretta scelta del tipo di posa dei cavi di cablaggio ci si pu riferire alle norme CEI 64 8 5 che riportano i criteri per la scelta ed installazione dei componenti elettrici Ad esempio la norma sulla scelta dei conduttori e dei cavi in funzione dei tipi di posa suggerisce la possibilit di posa fissa dei cavi di cablaggio unipolari con guaina o la posa di cavi di cablaggio multicolori con guaina in condutture protettive di forma circolare Messa in opera delle condutture La stessa norma suggerisce la corretta scelta del tipo di messa in opera delle condutture protettive in relazione all ubicazione delle stesse Per le condutture protettive di forma circolare contemplata ad esempio la messa in o
36. e Le protezioni elettriche di un impianto fotovoltaico possono essere raggruppate in due categorie quelle convenzionali relative ai componenti come le batterie di accumulatori quadro elettrico convertitore statico e quelle relative al generatore fotovoltaico 6 3 1Diodi di blocco e diodi di by pass Pu capitare frequentemente che una singola cella fotovoltaica sia ombreggiata parzialmente o totalmente Il dispositivo non si trova pi a funzionare come generatore ma come un carico trovandosi a dovere dissipare potenze che danno origine a riscaldamenti localizzati o ad un valore di tensione inversa in grado di provocare la rottura del dispositivo La massima potenza dissipabile dal dispositivo dipende dal tipo e dalla tecnologia costruttiva ed un dato che si riesce a conoscere solo sperimentalmente oppure applicando modelli matematici Qualora la cella fosse ombreggiata il limite massimo potrebbe essere oltre alla potenza anche la massima corrente ammissibile sui contatti 30 40 La tensione inversa di una cella che quindi pu provocare danni irreversibili si aggira generalmente intorno ai 10 30 secondo il tipo di tecnologia costruttiva Dal punto di vista delle protezioni la maggior parte dei moduli fotovoltaici commerciali sono gi dotati di protezioni adeguate consistenti in diodi di by pass posti in antiparallelo ai moduli cos da escludere il modulo contenente la cella contropolarizzata Oltre i diodi di by pass possiamo utilizzar
37. e altri sistemi nella protezione dei moduli da polarizzazione inversa i collegamenti elettrici equipotenziali effettuati fra le diverse stringhe in parallelo impediscono che la tensione su una cella contropolarizzata superi il valore limite I collegamenti equipotenziali comportano un indubbia maggiore complessit di cablaggio 52 TE rato da pi stringhe ha una tensione a circuito aperto pi bassa della tensione di lavoro delle altre stringhe in mancanza di adeguate protezioni la corrente di queste ultime tenderebbe a riversarsi sulla stringa a tensione minore Anche se vi differenza fra le tensioni delle stringhe connesse in parallelo non sempre questo comporta un inversione della corrente nei moduli della stringa a tensione inferiore infatti se la tensione a vuoto della stringa con tensione pi bassa maggiore della tensione di lavoro delle altre stringhe non si avr inversione del flusso di corrente ma solo una diminuzione della corrente erogata dalla stringa svantaggiata La protezione in questo consiste in un diodo di blocco posto in serie alla polarit positiva di ogni stringa esso ha la funzione di impedire il ritorno di corrente fra i diodi pi utilizzati vi sono i diodi del tipo Schottky che sono caratterizzati da una bassa caduta diretta con conseguenti basse perdite Il diodo di blocco serve anche ad evitare che la batteria si scarichi sul generatore fotovoltaico nelle ore notturne quando i moduli non illuminati ten
38. e celle presentano un elevata efficienza con una superficie captante piccola Altre applicazioni riguardano l alimentazione di impianti di pompaggio acqua o l uso combinato con sistemi solari termici La cella ottenuta immergendo per pochi millimetri un seme monocristallino di silicio in un crogiolo in cui vi silicio puro fuso Gli atomi di silicio fuso a contatto con il seme monocristallino introdotto si orientano secondo il reticolo atomico della struttura del silicio Il silicio fuso viene mantenuto ad una temperatura leggermente superiore a quella di fusione A questo punto si procede molto lentamente a sollevare il seme monocristallino estraendolo dal crogiolo Il silicio fuso aderente al seme si solidifica molto rapidamente conservando la struttura monocristallina del seme Mediante un controllo rigoroso della temperatura del materiale fuso dell atmosfera nella camera e della velocit di estrazione ed evitando ogni tipo di vibrazione possibile ottenere dei lingotti omogenei di forma cilindrica con un diametro di circa 13 20 e lunghezza che pu raggiungere i 200 21 Il passo successivo consiste nel drogare la cella con atomi di boro Il fuso viene poi tagliato mediante un disco diamantato in sottili fettine chiamate wafer con spessore di circa 250 350 le quali costituiranno il supporto substrato wafer vengono poi puliti mediante un attacco di soda Si realizzano poi le giunzioni P N dopo aver effettuato il
39. e commerciali al silicio in genere compresa tra il 13 e il 20 mentre realizzazioni speciali di laboratorio hanno raggiunto valori del 32 5 In pratica la tipica cella fotovoltaica ha uno spessore complessivo compreso tra 0 25 e 0 35 ed costituita da silicio mono o multicristallino Essa generalmente di forma quadrata misura solitamente 125x125 e produce con un irraggiamento di 1 ad una temperatura di 25 una corrente compresa tra i 3 e i 4 e una tensione di circa 0 5 con una potenza corrispondente di 2 Poich la potenza di una cella fotovoltaica varia al variare della sua temperatura e della radiazione per poter fare dei confronti sono state definite delle condizioni standard alle quali fa riferimento il cosiddetto watt di picco relativo alla potenza fornita dalla cella alla temperatura di 25 sotto una radiazione di 1 000 e in condizioni di AM1 5 Il rendimento delle celle fotovoltaiche in silicio non seguono un andamento teorico in quanto intervengono delle inefficienze tra le quali e non tutti i fotoni incidenti sulla cella fotovoltaica penetrano all interno alcuni vengono riflessi e altri intercettati dall elettrodo frontale e alcune coppie elettrone lacuna si ricombinano prima che queste possano essere separate dal campo elettrico interno alla giunzione dipendono dal grado di purezza del silicio e parte dell energia potenziale delle coppie elettrone lacuna che vengono separate risulta inefficace ai fini della con
40. e costituita principalmente da idrogeno circa il 74 della sua massa il 92 1 del suo volume ed elio circa il 24 25 della massa il 7 8 del volume cui si aggiungono altri elementi pi pesanti presenti in tracce Esso ha una temperatura superficiale di 5 777 5 504 caratteristica che le conferisce un colore bianco estremamente intenso e cromaticamente freddo che per spesso pu apparire giallognolo a causa dello scattering dell atmosfera terrestre e in ragione dell elevazione dell astro sull orizzonte il Sole come la maggior parte delle stelle nella sequenza principale ovvero in una lunga fase di equilibrio stabile in cui l astro fonde nel proprio nucleo l idrogeno in elio Tale processo genera ogni secondo una grande quantit di energia equivalente a emessa nello spazio sotto forma di radiazioni elettromagnetiche radiazioni solari flusso di particelle vento solare e neutrini La radiazione solare emessa fondamentalmente come luce visibile ed infrarossi consente la vita sulla Terra fornendo l energia necessaria ad attivare i principali meccanismi che ne stanno alla base Il Sole possiede una struttura interna ben definita la quale non tuttavia direttamente osservabile a causa dell opacit alla radiazione elettromagnetica degli strati interni della stella Il raggio del Sole la distanza tra il suo centro e il limite della fotosfera strato al di sopra del quale i gas sono abbastanza freddi o rarefatti da consent
41. e prende il nome di Energy gap che nel silicio vale circa 1 12 a temperatura ambiente questa energia pu essergli fornita sotto forma di energia fotoelettrica o termica Quando ci si verifica l elettrone passando alla banda di conduzione libero di muoversi nel reticolo fino alla sua ricombinazione esattamente come nei metalli sN NN NXXXXXN Banda di conduzione E IDIDISSSSION KWASY Banda di conduzione E wnn CB occ A Banda di conduzione S E E AG ITA MALAS N Yo 4 Banda di valenza 7 E 7777777777777777 LLALLILEZIZIA RA A Banda di valenza E a namng VIDDDDD PD DDDI PIA PED EN ISOLANTI SEMICONDUTTORI METALLI materiali semiconduttori come il silicio sono caratterizzati quindi dall avere le bande di conduzione e valenza separate tuttavia ogni elettrone che passa dalla banda di valenza alla banda di conduzione lascia dietro di se una lacuna la quale in grado di muoversi sotto l effetto di un campo elettrico comportandosi come una carica positiva In conclusione in un reticolo di un cristallo semiconduttore la conduzione elettrica pu avvenire a seguito del movimento di elettroni e lacune rispettivamente in banda di conduzione e banda di valenza Per migliorare le propriet elettriche di un semiconduttore vengono effettuate delle operazioni di drogaggio ovvero l inserimento di atomi differenti nel reticolo cristallino questa operazione non pu essere effettuata oltre una certa mi
42. e verticale soffriranno le ombre N S in quanto gli effetti dell ombra che li raggiunge non saranno mitigati dall innesco dei diodi di by pass Viceversa moduli installati in posizione orizzontale landscape soffriranno le ombre E O ma non quelle N S in quanto i diodi di by pass potranno intervenire a protezione Il criterio pratico da adottare quando si sceglie l architettura del sistema dipende dal tipo di impianto e se si sta progettando un impianto stand alone che deve garantire servizi elettrici tutto l anno si dovr tendere a ridurre il pi possibile gli ombreggiamenti al fine di non penalizzare eccessivamente la gi ridotta produzione invernale e se viceversa l impianto no rappresenta l unica fonte di energia elettrica disponibile come nel caso di tetti fotovoltaici possibile orientarsi verso soluzioni pi compatte e se si tratta di grandi impianti di produzioni la valutazione dovr essere fatta in maniera scrupolosa e con l ausilio di simulazioni molto accurate 6 2 Scelta dei componenti 6 2 1 Moduli fotovoltaici AI giorno d oggi sono disponibili moduli fotovoltaici realizzati con tecnologie differenti ma che in prima analisi possibile suddividerli in due gruppi silicio cristallino e film sottile I moduli in silicio cristallino possono utilizzare diversi tipi di celle e che possono avere origine da wafer di silicio monocristallino wafer di tipo policristallino wafer di silicio mono
43. ella realt essendo lo spazio 3D avremo una forma tetraedrica anzich la quadrata utilizzata per la rappresentazione sul piano Gli elettroni appartenenti alle orbite pi interne sono invece fortemente legati al nucleo e pertanto non entrano in gioco nei legami con gli altri atomi e nella conduzione elettrica Si legame covalente a a ra e e o DOL DOL ni fa f 191 191 19 elettroni di valenza LI I i 18y Ma RYE i e 19 pai 19 Lei va TOL do 4 e a In un cristallo di questo tipo detto intrinseco gli elettroni vincolati nei legami covalenti con gli altri atomi si trovano tutti nello stesso livello energetico che appartiene alla banda di valenza e a meno che non intervengano fattori esterni non dispongono dell energia sufficiente per passare alla banda di conduzione La formazione delle bande di valenza e di conduzione derivano dal fenomeno quantistico enunciato da Pauli che prende il nome di Principio di esclusione Secondo questo principio due elettroni non possono avere il medesimo set di numeri quantici Tuttavia in un reticolo l effetto della vicinanza di un gran numero di atomi uguali fa si che 13 dalla struttura a livelli si passi ad una struttura a bande di energia nella quale l elettrone libero di occupare un qualsiasi livello energetico all interno della stessa banda Un elettrone per passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione ha bisogno di una certa quantit di energia ch
44. ergia non utilizzata e la fornisce in caso di poca radiazione solare 5 4 3 Regolatore di carica Le centraline elettroniche sono regolatori di carica utilizzabili solo per impianti stand alone Le centraline coordinano in modo ottimale il generatore solare e l accumulatore e ottimizzano il flusso di energia 42 Servono in sostanza per il monitoraggio dell impianto fotovoltaico Gli strumenti indicatori sono importanti perch l utenza impara ad adattare il prelievo di corrente all offerta disponibile in modo da prolungare sensibilmente l autonomia del sistema Per valutare il funzionamento di un impianto fotovoltaico sono sufficienti un amperometro e un voltmetro all entrata un voltmetro per la tensione di batteria e un amperometro per la corrente di scarica Se la temperatura del locale batterie non tra i 15 e i 25 necessaria una compensazione della tensione finale di carica corretta con una valore compreso tra 3 e 6 per ogni di aumento della temperatura CAPITOLO 6 Progetto elettrico impianto fotovoltaico Analizzeremo come si procede nella progettazione elettrica di un impianto fotovoltaico si proceder seguendo un tipico percorso progettuale che prevede la scelta dei componenti principali moduli e convertitori la scelta dei quadri elettrici con la rispettiva componentistica di protezione i cablaggi idonei fra componenti e per finire le verifiche del sistema elettrico secondo la normativa vigente Comincere
45. erna dell atmosfera terrestre in realt oscilla principalmente a causa della variazione periodica della distanza Terra Sole Infatti la Terra ruota attorno al Sole compiendo un moto detto di rivoluzione e allo stesso tempo ruota su se stessa Il moto di rivoluzione fa si che la Terra descriva attorno al Sole un orbita ellittica e di conseguenza la distanza tra i due corpi celesti varia periodicamente nel corso dell anno punti estremi di quest orbita sono afelio e perielio Il range di oscillazione della costante solare del 3 con un valore massimo in inverno e un valore minimo in estate Assomiglia tanto ad una contraddizione il fatto che fa caldo quando siamo pi distanti dal Sole ma tutto dipende dall incidenza dei raggi solari che sono pi gravose per noi proprio nei mesi di giugno e luglio 9 Quando parliamo di costante solare dobbiamo sempre immaginarci un valore medio riferito al di sopra dell atmosfera terrestre Infatti l energia disponibile sul suolo della Terra o al livello del mare minore a causa dell assorbimento e riflessione che la radiazione subisce attraversando l atmosfera 3 1380 Ip t W m 1360 1340 1320 Per tenere conto dei fenomeni di assorbimento stata definita a livello internazionale la massa d aria unitaria AM1 Air Mass 1 intesa come lo spessore di atmosfera standard attraversato dai raggi solari in direzione perpendicolare alla superficie terrestre e misurato
46. esaurirono dopo una settimana circa le celle solari funzionarono per anni Le sperimentazioni vennero quindi portate avanti per tale scopo e solo verso la met degli anni settanta si inizi a rivolgere l attenzione verso utilizzi terrestri Oggi la ricerca volta soprattutto all abbassamento dei costi di produzione ed al miglioramento dei rendimenti dei sistemi fotovoltaici Esistono varie tipologie di fotovoltaico in questa trattazione cercheremo di fare una rapida panoramica sul funzionamento della cella e sull attuale situazione tecnologica delle principali applicazioni In primo luogo introdurremo i concetti fisici e chimici su cui si basano tutte le tecnologie fotovoltaiche giungendo alla presentazione di una struttura schematica di cella solare e del suo modello elettrico teorico In seguito presenteremo le principali tipologie di celle i materiali utilizzati e la loro struttura dando breve spazio anche ai diversi tipi di processi di fabbricazione Successivamente illustreremo le principali parti che compongono un sistema fotovoltaico approfondendo il progetto elettrico di un impianto dando particolare attenzione alle scelte di layout e alle scelte dei componenti dai pannelli fotovoltaici al tipo di cablaggio Per concludere si effettuer una panoramica sul tipo di collaudo di questi impianti e la rispettiva manutenzione preventiva CAPITOLO 1 Energia solare 1 1 Il Sole Il Sole una stella di dimensioni medio piccol
47. etando quel ciclo reversibile e rinnovabile che sta alla base della 2I vita sulla terra Tornando alla cella di Graetzel abbiamo detto che usa un colorante organico analogo alla clorofilla per assorbire la luce e poi produrre elettroni e pi strati per aiutare l assorbimento e la raccolta degli elettroni Di seguito vengono riportati i passaggi per poterla realizzare in laboratorio Su un vetrino conduttore bisogna disporre le particelle nanometriche di lasciando poi il tutto ad asciugare e in seguito messo in forno ad elevate temperature per rendere stabile la pasta La superficie risultante sar porosa e questo serve per poi avere pi superficie atta ad assorbire la luce solare Uno strato di molecole di colorante viene quindi legato a ciascuna particella di immergendovi il vetrino Possono essere utilizzati tutti quei coloranti che posseggono i giusti gruppi chimici per legarsi al Il dispositivo viene infine completato gocciolando una soluzione elettrolitica che penetra all interno dei pori dell ossido Lo spessore risulta cos fine che tutti gli elettroni prodotti dal colorante vengono immediatamente raccolti dal Gli elettroni perduti dalle molecole di colorante vengono velocemente rimpiazzati dal mediatore lo ione iodio presente nella soluzione elettrolitica il quale riceve a sua volta elettroni dal contro elettrodo Le reazioni coinvolte nel processo sono e Le particelle interconnesse di biossido di titanio agiscono da
48. ettrosaldate alle facce superiori e inferiori delle celle stesse essendo le celle fotovoltaiche dei diodi semiconduttori il loro collegamento in serie si traduce in un circuito equivalente come in Figura19 notiamo che qualora una cella venisse oscurata quest ultima cesserebbe di comportarsi da generatore funzionando quindi come un diodo polarizzato inversamente questo comporterebbe il blocco della corrente generata azzerando cos l energia prodotta da tutta la catena ossia dal modulo E D BY P aa AO AO AS AG n b Nel caso che una cella fosse parzialmente oscurata la corrente che attraversa il modulo risulta pari a quella che tale cella produrrebbe se presa singolarmente E importante osservare che se in una serie costituita da molte celle ne viene ombreggiata una e nel contempo le terminazioni sono mantenute in cortocircuito o da una tensione molto bassa si pu verificare il fenomeno detto hot spot La cella oscurata si trova polarizzata inversamente con una tensione molto vicina alla tensione a vuoto di tutta la serie formata dalle celle rimanenti ed esposta quindi al pericolo di entrare in conduzione inversa La cella si troverebbe a dovere dissipare la potenza generata dalle rimanenti celle del modulo provocando un aumento di temperatura localizzato hot spot che pu portare anche con modesti valori di radiazione solare alla distruzione della cella per sovratemperatura Per ovviare a questi problemi mo
49. fettuarsi al termine dei lavori di installazione e termina con il rilascio di una dichiarazione certificante l esito delle verifiche effettuate Prima di eseguire le verifiche tecnico funzionali consigliabile verificare a che vi siano condizioni di irraggiamento stabili in modo da rendere stabili le misure effettuate b che vi sia una radiazione di almeno 600 allineando il sensore di radiazione al piano dei moduli c che nonsi stiano effettuando le verifiche nelle ore pi calde d che non si stiano effettuando le verifiche in presenza di giornate afose in quanto la presenza di umidit nell aria determina un aumento della componente diffusa aumento che a sua volta comporta un rendimento del campo pi basso e che i moduli siano puliti E una procedura che deve essere effettuata da tecnici con provata esperienza Le fasi principali di un collaudo riguardano Esame Visivo Acquisito il progetto e verificato che l installatore abbia rilasciato la dichiarazione di conformit ai sensi della Legge 46 90 DM37 08 l esame visivo deve accertare 61 e che l impianto sia conforme al progetto che i moduli siano posati correttamente che la carpenteria sia saldamente ancorata e che siano state prese tutte le precauzioni per evitare infiltrazioni d acqua e che l impianto sia stato realizzato nel rispetto delle prescrizioni delle Norme in generale e delle Norme specifiche di riferimento per l impianto installato e che il materiale
50. film sottile di 2 generazione Celle fotovoltaiche in silicio amorfo Un alternativa alla tecnologia del silicio cristallino rappresentata dal silicio amorfo La produzione di silicio amorfo si realizza mediante un processo di deposizione di uno strato di 1 2 disilicio cristallino su di una superficie di vetro o plastica Non si dovrebbe parlare pi di celle in quanto possono essere ricoperte superfici anche consistenti in modo continuo Questo tipo di tecnologia presenta un efficienza inferiore rispetto a quella del cristallino che va dal 5 al 6 8 Nel caso del silicio amorfo il rendimento subisce gi nei primi anni un calo di resa di circa il 20 per poi stabilizzarsi negli anni successivi AI contrario il silicio cristallino subisce un periodico abbassamento delle prestazioni di circa l 1 annuo Esistono per alcuni aspetti interessanti nell applicazione del silicio amorfo in sistemi fotovoltaici Ad esempio il fatto che lo spessore di silicio depositato sia molto ridotto permette un grande risparmio sul materiale inoltre possibile riciclare il materiale di scarto della tecnologia cristallina Questo si traduce in termini di costi molto competitivi Tuttavia il processo produttivo non ha ancora raggiunto una diffusione su vasta scala tale da permettere risultati economici interessanti Celle fotovoltaiche al telloruro di cadmio Il tellururo di cadmio uncomposto chimico cristallinoe stabile formato da Cadmio e Tellurio
51. he si intende utilizzare per i moduli senza cornice occorre evitare accuratamente di utilizzare silicone esposto direttamente alla luce del sole in quanto l azione dei raggi solari libera micro particelle di materiale che si posano sulla superficie esposta del modulo formando un sottile strato inattaccabile dall acqua ma poroso per le particelle di sporcizia col risultato di ridurre le prestazioni e creare un effetto sporco 36 CAPITOLO 5 Tipologie impianti fotovoltaici 5 1 Impianti fotovoltaici La tecnologia fotovoltaica consente la conversione diretta dell energia solare in energia elettrica La conversione avviene per mezzo di celle fotovoltaiche che devono essere collegate elettricamente tra loro andando a formare i moduli che dovranno essere esposti correttamente nella direzione del disco solare per raccogliere la maggiore quantit di 37 radiazione solare nell anno I moduli fotovoltaici possono essere usati sia singolarmente un modulo da 36 celle pu caricare una batteria da 12V che collegati tra loro in serie e parallelo cos da formare stringhe e campi fotovoltaici L energia prodotta da un generatore fotovoltaico viene solo raramente utilizzata direttamente dalle utenze elettriche collegate In genere invece tra produzione e utenza sono interposti dei dispositivi e circuiti con funzioni elettriche ben precise Per compensare l aleatoriet della fonte solare rispetto alle richieste di un carico elettrico si
52. i di questa siano fuori dai limiti di accettabilit 5 4 2 Batterie Di solito per impianti stand alone vengono usate batterie stazionarie che risultano essere molto efficienti ed avere una elevata durata di vita Possono raggiungere capacit molto elevate anche 5000 evitando cosi di porre in parallelo pi batterie Solitamente tali accumulatore sono realizzate al piombo e possono essere di due tipi e con elettrolita liquido usate pi frequentemente perch caratterizzate da lunga durata 10 15 anni Sono penalizzate da un assidua manutenzione periodica e con elettrolita gelatinoso non necessitano di manutenzione ma presentano un costo elevato e da una durata nettamente inferiori alle precedenti Tali batterie sono preferite solo in particolari applicazioni dove la manutenzione risulta pressoch impossibile ripetitori posizionati su alture in luoghi remoti o in deserti Il mercato attualmente offre le batterie al Nichel Cadmio le quali per hanno un auto scarica 41 maggiore di quelle al piombo acido e contengono Cadmio che risulta un potenziale contaminante dell ambiente Oltre a Nichel Cadmio ci sono anche quelle a ioni di litio ma risultano ancora adesso molto costose L accumulatore sicuramente la parte dell impianto pi costosa All interno della batteria avvengono delle reazioni che porteranno ad un processo di carica e uno di scarica riferimento a batterie piombo acido Processo di carica e scarica per mez
53. ili nel tempo ed i pi interessanti come rapporto prestazioni prezzo In impianti che necessitano di ridottissima manutenzione pu essere utilizzata una analoga tecnologia Pb acido a vaso chiuso ermetico con elettrolita in gel Ormai tutti i costruttori di un certo rilievo hanno a catalogo un prodotto specifico per impianti a fonte rinnovabile del tipo Pb acido con piastra positiva tubolare e piastra negativa grigliata con materia attiva riportata Si dovranno tenere conto di alcuni dati caratteristici necessari in fase progettuale e Tipo accumulatore al Pb acido a vaso aperto fornito gi con elettrolito o in carica secca con elettrolito a parte in fusti e Composizione delle piastre consigliabile il tipo con piastra negativa a griglia ad ossido riportato e positiva tubolare armata con antimonio con tenore lt 2 e Tensione nominale elemento per impianti di una certa potenza pi di 100 200 si fa uso di elementi a 2 se abbiamo potenza molto bassa elementi da 6 12 il dato utile per la redazione del manuale di manutenzione al fine di determinare quanti elementi saranno soggetti a manutenzione e Capacit C10 25 insieme al numero di elementi la capacit definisce anche l ingombro del parco batterie dell impianto e Tensione finale di scarica a 10h in genere arriva a 1 85 il dato utile per garantire al regolatore di carica lo stacco tempestivo del carico per evitare scariche troppo profonde Peso specifico dell elettrol
54. ione Collegamenti elettrici La manutenzione non necessita di fuori servizio dell impianto in quanto per i soli cavi a vista basta un ispezione visiva che servir a trovare danneggiamenti quali bruciature abrasioni deterioramento isolante variazioni di colorazione del materiale usato per l isolamento e fissaggio saldo nei punti di ancoraggio CONCLUSIONE 67 Il mercato del fotovoltaico in continua crescita e negli ultimi anni in Italia il numero e la potenza degli impianti fotovoltaici sono aumentati a ritmi molto sostenuti questo grazie anche alla possibilit introdotta dal Conto Energia di ricevere incentivi per l installazione di impianti permanentemente connessi alla rete L obiettivo di potenza installata stimato dai legislatori era inizialmente di 8 entro il 2020 in Italia II nostro Paese ha superato per tutte le aspettative creando un volume di mercato stimato dal GSE di 5 8 di impianti installati solo nel 2010 Solo 2 3 gigawatt sono stati per connessi alla rete Per il 2011 si prospettava un ammontare di installazioni tra i 3 e i 5 Le previsioni sono state superate con la connessione di 9 3 di impianti fotovoltaici risultanti in parte da installazioni non connesse a fine 2010 La ragione di questa inusuale concentrazione deriva dall adozione di un decreto che ha permesso agli impianti installati entro la fine del 2010 ma non connessi di beneficiare degli incentivi pi vantaggiosi del 2010 Il decreto conosc
55. ire l irraggiamento di un significativo quantitativo di energia luminosa perci lo strato meglio visibile ad occhio nudo La struttura interna del Sole come quella delle altre stelle appare costituita da involucri concentrici ogni strato possiede caratteristiche e condizioni fisiche ben precise che lo differenziano dal successivo Gli strati sono dal centro verso l esterno 7 e Il nucleo e La zona radioattiva e La zona convettiva e La fotosfera L atmosfera divisa a sua volta in o Cromosfera o Zona di transizione o Corona Zona di transizione 8500 km Vento solare Cromosfera 1500 km Fotosfera 500 km Corona solare 1 2 La radiazione solare Il Sole analogamente alle altre stelle una sfera di gas ad altissima temperatura plasma solare la cui materia tenuta unita dalla forza di attrazione gravitazionale La produzione di energia avviene nella regione centrale nucleo avente un diametro dell ordine di 0 2 volte quello dell intero globo solare e una densit pari a 160 La compressione qui esercitata dal peso degli strati sovrastanti 220 miliardi di atmosfere innalza il livello termico del gas interno fino a 15 20 milioni di gradi Kelvin temperatura alla quale i nuclei di idrogeno protoni hanno energie cinetiche superiori a quelle della reciproca repulsione elettrostatica e alla quale si innescano di conseguenza le reazioni nucleari di fusione La radiazione elettromagnetica emessa a tu
56. it di produzione Mentre per i piccoli impianti la scarsa uniformit di prestazioni porta con se inefficienze tollerabili quando la potenza cresce bene considerare l opportunit di suddividere la fornitura dei moduli secondo classi di corrente a seconda della maggiore o minore uniformit di prestazioni Ogni modulo prodotto viene testato in fabbrica dal costruttore ed i dati caratteristici in termini di prestazioni elettriche sono raccolti in uno sticker applicato sul retro del modulo La norma CEl 50380 prescrive le informazioni minime che devono essere presenti sui fogli informativi e sulle targhe applicate ai moduli fotovoltaici 47 Buw PHOTOVOLTAIC MODULE SYM 90 HP ELECTRICAL SPECIFICATIONS under standard test condition 1000W m2 irradiance 25 C cell temperature AM1 5 spectrum Maximum Power Pmax Wp Maximum Power Voltage Vpmax 18 40 V Maximum Power Current Ipmax 4 90 A Open Circuit Voltage Voc 21 60 V Short Circuit Current Isc 5 3BA Maximum system voltage 600 V Power Tollerance 5 Yo Limited output guarantee 25 years Dimensions 1208 x 553 x 35 1 mm Weight 9 2 kg Made in Italy WARNING ELECTRICAL HAZARD SUNERGY sas Via Teofilo c da Macr Martano LE info sunergysas it www sunergysas it 6 2 2 Sistemi di accumulo sistemi di accumulo che vengono generalmente utilizzati nelle applicazioni di potenza sono quelli piombo acido a vaso aperto che risultano essere anche quelli pi affidab
57. ito in genere in climi temperati si richiede 1 25 a 20 48 e Caratteristiche vaso si da la preferenza a vasi trasparenti con indicazione dei livelli minimo e massimo che permettono di valutare lo stato delle piastre ed agevolano le operazioni di rabbocco e Collegamento tra elementi sono possibili tre soluzioni sbarre in piombo massiccio rame stagnato o conduttori flessibili isolati La soluzione flessibile permette teoricamente di poter disporre gli elementi senza troppi vincoli di distanza tra gli uni e gli altri 6 2 3 Regolatori di carica Per quanto riguarda i regolatori di carica possiamo trovarne di due tipi sia tipi di regolazione ON OFF che quelli pi moderni con regolazione PWM Si consiglia al progettista di puntare molto sull affidabilit del prodotto scelto troppe volte si sono visti impianti realizzati con cura ma non funzionanti per un lungo tempo per colpa di un guasto alla centralina di controllo della carica Il mercato dei regolatori di carica il pi fiorente in marche e modelli anche per la loro relativa facilit di progettazione Le principali cause di malfunzionamento che in questi componenti molto spesso corrispondono ad impossibili riparazioni sono dovute a stress termici ed elettrici Il progettista perci dovr tenere conto di determinate caratteristiche del regolatore di carica e Condizioni ambientali di funzionamento se le condizioni di installazione del regolatore di carica fossero gravose
58. iuto con il nome Salva Alcoa ha permesso a 3 5 di impianti di beneficiare di queste speciali condizioni All inizio del 2011 il 3 Conto Energia ha registrato 1 5 di nuovi impianti connessi l4 Conto Energia entrato in vigore i primi di giugno 2011 e nonostante le ristrette condizioni e la riduzione degli incentivi ha permesso la connessione di quasi 4 in soli sette mesi L attuale situazione del mercato fotovoltaico in Italia caratterizzata dalla presenza di pi di 520 000 impianti sparsi su tutto il territorio nazionale con una particolare concentrazione nelle regioni di Lombardia Emilia Romagna e Triveneto Nello specifico il numero degli impianti attualmente in esercizio con il 5 Conto Energia sono 526 463 per una potenza corrispondente di 17 080 255 Numeri significativi che sottolineano quanto il mercato sia cambiato rivolgendosi principalmente al residenziale La tecnologia fotovoltaica era inizialmente poco efficiente e competitiva ma grazie alla ricerca svolta e allo sviluppo che hanno permesso di abbattere i costi e di migliorare i rendimenti degli impianti tale tecnologia ora diventata estremamente attraente come fonte non tradizionale di energia Infine possiamo osservare che ricorrere a energie alternative e rinnovabili significa ridurre la dipendenza economica nei confronti dei combustibili fossili con conseguente miglioramento della vivibilit e della sostenibilit ambientale Bibliografia 6
59. lare che trasforma la corrente continua fornita dal generatore fotovoltaico in corrente alternata Uno degli aspetti pi importanti da tenere in considerazione per il dimensionamento dell impianto fotovoltaico stand alone la capacit di erogazione di energia elettrica durante il giorno rapportata al fabbisogno A WI naal a akot al gt CELLE SOLARI ATA V REGOLATORE DI CARICA UTENZA ACCUMULATORI 5 4 Elementi impianto 5 4 1 Inverter Si tratta di un tipo particolare di inverter progettato espressamente per convertire l energia elettrica sotto forma di corrente continua prodotta da modulo fotovoltaico in corrente alternata da immettere direttamente nella rete elettrica Queste macchine estendono la funzione base di un inverter generico con funzioni estremamente sofisticate e all avanguardia mediante l impiego di particolari sistemi di controllo software e hardware che consentono di estrarre dai pannelli solari la massima potenza disponibile in qualsiasi condizione meteorologica Questa funzione prende il nome di MPPT un acronimo di origine inglese che sta per Maximum Power Point Tracker 40 I moduli fotovoltaici infatti hanno una curva caratteristica tale che esiste un punto di lavoro ottimale detto appunto Maximum Power Point dove possibile estrarre la massima potenza disponibile Questo punto della caratteristica varia continuamente in funzione del livello di radiazione solare che colpisce la superfi
60. lti moduli commerciali hanno montato nella morsettiera della cassetta di terminazione dei diodi detti di by pass proprio allo scopo di cortocircuitare e quindi isolare il singolo modulo in caso di malfunzionamento 33 4 2 2 Cassetta di terminazione La cassetta di terminazione un contenitore a tenuta stagna costruito normalmente in materiale plastico fissato sul retro di un modulo fotovoltaico e contenente la morsettiera per il collegamento elettrico e i diodi di by pass Essa si presenta come un contenitore plastico di colore nero con altezza di qualche centimetro e dimensioni di circa 10x15 incollato al retro del modulo e dotato di coperchio con viti guarnizione di tenuta lungo il coperchio e con speciali connettori stagni che permettono un un collegamento pi veloce tra i moduli stessi All interno si trova la morsettiera che rende possibile le due polarit ogni costruttore adotta tuttavia soluzioni personalizzate In alcuni casi la cassetta di terminazione viene sostituita da spezzoni di cavo isolato che hanno i terminali collegati alle bandelle ed annegati in una resina speciale che garantisce sia un franco collegamento che una buona resistenza meccanica In questi casi le bandelle non escono dal retro del modulo ma in corrispondenza del bordo del vetro Questa soluzione non prevede diodi by pass e pertanto qualora il progettista ne valuti l effettiva necessit occorre predisporre opportuni cablaggi esterni da disegnare ca
61. mente dovuta al fatto che il silicio a differenza di altri elementi semiconduttori disponibile sul nostro pianeta in quantit pressoch illimitata e oltretutto largamente utilizzato dall industria elettronica che con la rapidissima espansione degli ultimi decenni ha agevolato lo sviluppo di attuali metodi di raffinazione lavorazione e drogaggio Inoltre gli scarti della lavorazione dei componenti elettronici possono essere riciclati dall industria fotovoltaica che tollera maggiori concentrazioni di impurit 3 2 1 Celle fotovoltaiche in silicio monocristallino e policristallino Le celle fotovoltaiche in silicio monocristallino hanno un grado di purezza pi elevato rispetto alle celle in policristallino ed hanno un efficienza maggiore che va dal 14 al 18 ed per questo che risultano pi costose Inoltre il silicio monocristallino utilizzato anche nell industria elettronica come precedentemente detto e questa circostanza ne fa lievitare ulteriormente il prezzo Generalmente le celle fotovoltaiche hanno forma circolare con diametro di 10 12 cm o ottagonale ed uno spessore che varia tra i 0 2 0 3 sono di colore blu scuro e uniforme Hanno un affidabilit garantita dalle aziende produttrici per oltre 25 anni anche se la loro vita media pu superare anche i 30 anni Le principali applicazioni riguardano gli impianti fotovoltaici isolati stand alone in particolare in condizioni climatiche poco favorevoli in quanto l
62. mo a parlare del layout d impianto anche se non farebbe strettamente parte del progetto elettrico poich da esso discendono molte peculiarit che hanno forte influenza su tale progetto 6 1 Disposizione dell impianto 43 Nella progettazione della disposizione dei componenti del sistema nel sito di installazione non esistono regole generali poich questo aspetto deve essere valutato volta per volta In generale il posizionamento dell accumulo e delle apparecchiature elettriche preferibile in un locale interno rispetto ad una zona esterna Dopo avere fatto delle scelte di layout progettuali sarebbe utile verificare alcune condizioni e accertarsi che le condizioni ambientali controllabili non abbiano un influenza negativa sulle prestazioni o la durata dei componenti del sistema e accertarsi che le condizioni di sicurezza elettrica e di operativit durante le manutenzioni siano scrupolosamente seguite e considerare se il layout scelto consentir al sistema di essere armonizzato con l ambiente in cui si inserisce con un minimo impatto visivo In merito alla scelta della disposizione del generatore fotovoltaico che risulta la parte pi ingombrante dell impianto bisogna tenere conto che si affronteranno dei problemi nel caso le potenze diventino importanti poich sar difficile disporre tutti i pannelli su una sola fila perci si dovr ricorrere a diverse soluzioni 1 aumentare la dimensione in altezza del piano lasciando inalterat
63. ncludono le micro applicazioni del fotovoltaico come l alimentazione delle calcolatrici orologi gadget solari dove solo l amorfo pu essere utilizzato per via di facilit con cui si riescono a costruire celle di bassissima potenza flessibili e di peso estremamente contenuto Si osservato che le celle di silicio cristallino sono di fatto delle fette i semiconduttore opportunamente drogato con spessore di qualche centinaio di micron e dimensioni quadrate di 12 21 di lato L assemblaggio di pi celle una a fianco all altra con i relativi collegamenti elettrici fino a formare il modulo fotovoltaico non pu che avvenire posando le celle su un supporto rigido il vetro anteriore a causa della fragilit dei sottili cristalli impiegati i quali non sono in grado di assorbire sforzi meccanici o deformazioni senza danni Le celle a film sottile amorfo CIS sono invece formate per deposizione di una miscela di gas possono cos essere utilizzati differenti tipi di supporti sia per formare moduli rigidi che moduli flessibili arrivando a realizzare prodotti leggeri e deformabili utili specialmente per l alimentazione di carichi mobili 4 1 1 Struttura modulo in silicio cristallino I moduli in silicio mono o poli cristallini sono costruttivamente simili e prevedono che ogni cella fotovoltaica sia cablata in superficie con una griglia di materiale conduttore che ne canalizzi gli elettroni Ogni cella viene connessa alle altre mediante nast
64. nella progettazione la macchina deve essere dimensionata per il carico previsto Alla massima potenza assorbita prevista si associa il valore di potenza continuativa del convertitore Autoconsumo un basso autoconsumo risulta fra i parametri di merito dei convertitori per servizio isolato moderni inverter sono spesso dotati di un dispositivo tarabile denominato sensore di carico in grado di fermare la generazione dell onda di tensione in assenza di un carico elettrico Protezioni elettriche oltre alle usuali protezioni da normativa anche nei convertitori per servizio isolato servir la presenza di un rilevatore di dispersioni a terra e di scaricatori di sovratensione indotte sia lato continua che lato alternata necessaria inoltre un efficace protezione contro i cortocircuiti i sovraccarichi e differenziale Dimensionamento termico meccanico Se di piccola taglia i convertitori per servizio isolato sono spesso soggetti a sollecitazioni meccaniche che lo shelter dovr essere in grado di assorbire senza danni Una maggiore attenzione deve essere data alla scelta delle migliori soluzioni costruttive di ancoraggio dell elettronica e dei principali componenti Andr poi verificata l idoneit delle soluzioni adottate per lo scambio del calore dell inverter da mettere comunque in relazione al codice IP dichiarato che dovr essere compatibile con le condizioni operative di esercizio della macchina 6 3 Protezioni elettrich
65. ntro cui scorre dell acqua impedendo alla stessa di fluire Analogamente avviene con le cariche generate dalle celle fotovoltaiche dei diversi moduli fotovoltaici se un ombra appare su un modulo gli elettroni provenienti dai moduli esposti al sole trovano la strada bloccata e non possono arrivare a destinazione 4 3 Collegamenti meccanici Un efficace montaggio meccanico dei moduli fotovoltaici sulla struttura di sostegno spesso una condizione indispensabile per la buona riuscita del progetto Le regole da seguire dipendono dalla tipologia dell impianto che si ha in mente di realizzare tuttavia possibile tenere conto alcuni criteri generali e moduli fotovoltaici devono essere ben vincolati alla struttura che li sostiene in un numero di punti sufficiente da evitare eccessivi sforzi localizzati e devono esserci sufficienti spazi tra i moduli cos da permettere eventuali 35 assestamenti della struttura e consentire le dilatazioni termiche e moduli una volta installati devono essere facilmente ispezionabili e sostituibili e a prescindere da considerazioni di natura energetica i moduli fotovoltaici dovrebbero essere montati con una inclinazione di almeno 10 cos da ridurre il ristagno dello sporco sulle superfici e favorire l azione di lavaggio conseguente alle precipitazioni atmosferiche e se il collegamento alle strutture e realizzato mediante bulloni tradizionali deve essere utilizzata bulloneria in
66. o non esiste una regola fissa per la loro realizzazione i costruttori tendono a ricopiare la forma degli elementi di fabbricazione edili esistenti cos da facilitare la sostituzione totale o parziale di questi ultimi con componenti fotovoltaici Ad esempio sono state realizzate tegole fotovoltaiche di tipo marsigliese ed a coppo e anche tegole canadesi Non si tratta di singole tegole di piccole dimensioni ma di strisce gi formate in tegole preaccostate si presentano costituite da una striscia plastica di supporto sulla quale viene applicato in evidenza il materiale attivo 4 2 Collegamenti elettrici 4 2 1 Collegamenti tra celle I moduli fotovoltaici in silicio cristallino contengono un certo numero di celle collegate elettricamente tra loro cos da formare un unico componente Nei moduli commerciali le celle fotovoltaiche sono collegate in serie in alcuni casi i costruttori rendono disponibili anche met serie in maniera tale da rendere pi flessibile 32 l utilizzo di questi tipi di moduli poich a met celle corrisponde met tensione nominale moduli fotovoltaici si configurano esternamente come componenti a due terminali o a quattro se sono previste due sezioni aventi una curva caratteristica di generazione tensione corrente con andamento identico alle celle che lo compongono con valori di tensioni proporzionali al numero di celle in serie Il collegamento avviene facendo uso di sottili bandelle metalliche el
67. o per non tutela il piccolo cliente in quanto non sempre possibile verificare se le prestazioni dei componenti corrispondano a quanto dichiarato dal costruttore 46 Nel caso di vendita di grandi potenze centinaia di pu essere utile procedere all acquisto a watt di picco richiedendo al fornitore il valore medio stimato sulla fornitura alle condizioni STC Standard Test Conditions e la sua tolleranza che insieme alla densit di potenza pu dare indicazione anche a livello qualitativo della fornitura Elenchiamo quindi alcune caratteristiche che il progettista deve considerare necessari alla progettazione del sistema e potenza tipica del modulo espressa in e presenza o assenza dei diodi di by pass e tensione al punto di massima potenza a STC e tensione massima di esercizio del modulo e tensione a vuoto a STC e corrente di corto circuito e corrente nominale a STC e dimensioni esterne ed altezza alla cornice e layout delle forature della cornice se presente e tipi di connettori e sezione dei cavi precablati o in mancanza misura dei passacavi e vincoli sull installazione dei moduli e modalit di imballo e forma di garanzia e vita utile stimata e certificazioni Osserviamo che come per tutti i prodotti frutto in un processo industriale anche per i moduli fotovoltaici la distribuzione statistica delle prestazioni elettriche assimilabile ad una curva gaussiana individua la maggiore o minore uniform
68. pera con montaggio sporgente tipico dei percorsi in esterno Stipamento dei cavi nelle condutture Per un corretto stipamento dei cavi la norma consiglia che all interno dei tubi e dei canali utilizzati si debba verificare che il diametro interno sia maggiore o uguale a 1 3 volte il diametro del cerchio circoscritto al fascio di cavi con un minimo di 10 per i canali aventi sezione diversa dalla circolare si consiglia un rapporto tra sezione stessa e l area della sezione retta occupata dai cavi non inferiore a 2 CAPITOLO 7 Collaudo e manutenzione preventiva 60 7 1 Collaudo Una volta terminata la fase d installazione dell impianto bisogna effettuare il collaudo dello stesso per verificarne il corretto funzionamento Il certificato di collaudo dell impianto fotovoltaico un documento obbligatorio per poter accedere alle tariffe incentivanti del conto energia Il collaudo un atto tecnico amministrativo che si colloca alla fine dell installazione dell impianto stesso Serve innanzitutto a salvaguardare gli interessi del committente perch una mancata produzione di energia a causa di un guasto significherebbe una minor resa dell impianto stesso in termini economici Il collaudo rappresenta una delle attivit pi importanti nella fase di realizzazione dell impianto in quanto un accurata ispezione del lavoro svolto permette di rilevare eventuali difetti La fase di collaudo prevede verifiche tecniche funzionali da ef
69. ri servizio dell impianto Verranno effettuati dei controlli delle grandezze elettriche con l ausilio di un normale multimetro si controller l uniformit delle tensioni a vuoto e delle correnti di funzionamento per ciascuna delle stringhe che fanno parte dell impianto risultano accettabili scostamenti fino al 5 Qualora il progetto abbia previsto il monitoraggio delle stringhe le grandezze elettriche si possono leggere facilmente dal sistema di acquisizione dei dati di esercizio Struttura di sostegno sufficiente assicurarsi che le connessioni meccaniche bullonate pi sollecitate risultino ben serrate e che l azione del vento non abbia piegato o modificato la geometria dei profili e che lo strato di zincatura sia ancora uniforme senza macchie di ruggine Quadri elettrici Non comporta operazioni di fuori servizio dell impianto e consiste innanzitutto nell ispezione visiva del quadro fatta per identificare danneggiamenti dell armadio e dei componenti contenuti al suo interno e della corretta indicazione degli strumenti di misura eventualmente presenti sul quadro di fronte Si effettua un controllo delle protezioni elettriche per verificare l integrit degli eventuali diodi di blocco e l efficienza degli scaricatori di tensione si controllano inoltre i cablaggi elettrici Infine si terr un controllo elettrico per controllare la funzionalit e l alimentazione del rel di isolamento installato se il generatore flottante e
70. rini metallici in modo da formare opportuni serie e paralleli elettrici La necessit di silicio molto puro attraverso procedure di purificazione dell ossido di silicio silice presente in natura eleva il costo della cella fotovoltaica Il modulo fotovoltaico in silicio costituito da un sandwich di materie prime detto laminato e dai materiali accessori atti a rendere usabile il laminato Il laminato viene preparato con i seguenti materiali 1 Vetro i moduli costruiti in Italia abitualmente usano vetro da 4 mm di spessore 2 Etilene vinil acetato EVA 3 Celle mono o policristalline 4 EVA composto elastico utilizzato nei moduli fotovoltaici a protezione delle celle fotovoltaiche 5 Backsheet o Tedlar copertura di fondo 30 Il vetro viene usato come base su cui viene steso un sottile foglio di EVA Al di sopra dell EVA vengono posizionate le celle rivolte con il lato fotosensibile verso il basso viene steso un altro foglio di EVA e quindi un foglio di materiale plastico isolante PET o similare oppure un altra lastra di vetro Il vetro a basso contenuto di ferro per garantire una maggiore trasparenza ai raggi solari ed temperato Un vetro di questo tipo lascia passare circa il 91 5 dell irraggiamento ricevuto Il sandwich realizzato in questo modo viene inviato al laminatore o forno Questa una macchina nella quale dopo esser stato creato il vuoto in pochi minuti una piastra posta a contatto viene riscalda
71. si rivela particolarmente stabile durante l arco di alcuni decenni Il tempo di ritorno energetico inoltre pi breve rispetto a quello di altre tecnologie fotovoltaiche e Infine tra queste anche quello con l impronta di carbonio pi bassa Stando a questi vantaggi non sorprende che colossi del mondo del fotovoltaico si dimostrino particolarmente interessati a questo particolare settore implementandone notevolmente la ricerca Cos l americana First Solar leader nella progettazione e realizzazione di moduli e pannelli solari ha annunciato di aver realizzato in laboratorio celle solari al tellururo di cadmio con un efficienza del 20 4 Celle fotovoltaiche calcopiritiche tipo CIS e CIGS La nomenclatura calcopirite deriva dal materiale che genericamente indica composti chimici del tipo ma che di per se non ha alcuna propriet fotovoltaica Una qualsiasi combinazione degli elementi A Rame Argento Oro 24 B alluminio Gallio Indio C zolfo selenio telloruro da origine ad un composto che presenta un effetto fotovoltaico Attualmente le combinazioni pi interessanti sono la base CIS e la mista CIGS Nel corso del 2008 al NREL stato sviluppato un film sottile CIGS al 19 9 di efficienza che rappresenta il valore record registrato su una cella di piccole dimensioni La struttura di una cella calcopirite consiste in un multistrati elementi deposti su un substrato che pu essere rigido o flessibile La stru
72. sione di isolamento che pi elevata rispetto a quella per la posa fuori terra La posa interrata dei cavi in tubo deve essere effettuata ad una profondit di almeno 50 anche se il tubo di tipo pesante e deve essere presente una protezione meccanica supplementare Non richiesta una profondit minima di posa e la protezione meccanica supplementare se i cavi sono posti entro un tubo protettivo in grado di resistere ai normali attrezzi da scavo ad esempio un idoneo tubo metallico Anche per i condotti interrati in calcestruzzo non richiesta una profondit minima di posa L isolamento dei cavi rispetto alla corrente continua pari a 1 5 volte il valore indicato per la corrente alternata cavi Solar per i quali comunque raccomandato l utilizzo come i cavi di stringa hanno invece un proprio livello di tensione di isolamento specificato dal costruttore La norma CEl 20 91 di recente pubblicazione considera i cavi per utilizzi fotovoltaici di tensione non superiore a 1500 in corrente continua Per la portata massima dei cavi multicolori cos come dei cavi isolati in PVC si rimanda alle tabelle fornite dai costruttori o alla diffusa manualistica sull argomento Ulteriori fattori di riduzione della portata massima per i cavi sono rappresentati dalla temperatura ambiente e dalle condizioni di posa in fascio 6 5 Verifiche di progetto elettrico 58 6 5 1 Coordinamento tra conduttori e dispositivi di protezione Sovraccarico Secon
73. so per caso 4 2 3 Campo fotovoltaico Il campo fotovoltaico costituito da un insieme di moduli fotovoltaici collegati in serie e in parallelo tra di loro In caso di collegamento in serie dei moduli la corrente totale del modulo si adegua a quella del modulo che genera meno corrente mentre la tensione globale data dalla somma delle tensioni dei singoli moduli fotovoltaici Un insieme di pannelli solari fotovoltaici collegati in serie costituisce la cosiddetta stringa Mettendo in parallelo pi stringhe di moduli avremo che la corrente totale del campo fotovoltaico data dalla somma della corrente in uscita da ogni stringa La tensione globale del sistema fotovoltaico invece equivalente alla tensione generata da una singola stringa La potenza nominale totale dell impianto fotovoltaico pari alla somma della potenza nominale di ogni singolo modulo La riduzione della potenza erogata causata da un ombreggiamento parziale del campo fotovoltaico pu essere non proporzionale alla porzione di superficie in ombra ma molto superiore Occorre prestare quindi molta attenzione ai collegamenti se ad esempio di fronte al campo fotovoltaico si ha un palo bisogner fare in modo che l effetto dell ombra si 34 senta su una sola stringa e non vada ad intercettare pi serie di pannelli fotovoltaici compromettendo quindi il corretto funzionamento di tutto l impianto E come se si stringesse con una mano una canna e
74. so ed circa il 20 in meno della potenza massima consigliata e Presenza del trasformatore Realizzando prodotti senza trasformatore con uno stadio di chopper sulla continua prima del ponte di conversione consente di aumentare di qualche punto il rendimento senza per riuscire a diminuire i costi a causa di un pi generoso dimensionamento dei filtri 50 51 Mancando il trasformatore indispensabile l adozione di un dispositivo che non permetta l iniezione di componenti continue in rete ed esso deve essere certificato da un laboratorio accreditato In alternativa al tradizionale trasformatore a 50 sono disponibili inverter con trasformatore in alta frequenza essi offrono alcuni vantaggi tra cui il peso spesso contenuto rispetto al tradizionale 50 minori fluttuazioni di tensione e di corrente in corrispondenza del parallelo e del distacco costo praticamente uguale Protezioni elettriche occorre sincerarsi che il convertitore abbia a bordo un rilevatore di dispersioni a terra quando il generatore fotovoltaico flottante inoltre gli inverter sono dotati delle protezioni elettriche suggerite dalla normativa 2 Considerazioni impianti isolati dalla rete Accoppiamento con il generatore Controllare che le soglie di regolazione della carica quindi di tensione di batteria siano compatibili con quelle in ingresso al convertitore Potenza nominale La scelta della potenza del convertitore rappresenta un punto molto importante
75. sura al fine di non interferire troppo con la geometria del cristallo Il drogaggio sar di tipo P se verranno introdotti degli atomi accettori es Boro ovvero creeranno all interno del reticolo un eccesso di lacune al contrario con un drogaggio di tipo N es Fosforo all interno del reticolo di creer un eccesso di elettroni La conduzione elettrica dei due tipi di cristallo sostanzialmente differente mentre nel silicio 14 P la conduzione avviene per effetto dello spostamento delle lacune nella banda di valenza nel silicio di tipo N il moto delle cariche dovuto all eccesso di elettroni passati in banda di conduzione Poich a temperatura ambiente tutti questi elettroni possono essere considerati gi presenti nella banda di conduzione possiamo dire che tutti gli atomi donatori concorrono alla conduzione elettrica in modo analogo a quanto avviene nei metalli 2 2 Giunzione P N Se poniamo a contatto due cristalli di silicio uno di tipo P e uno di tipo N otteniamo una giunzione di tipo P N La giunzione P N possiede alcune interessanti propriet che vengono sfruttate nell elettronica moderna Per diffusione le lacune presenti nel cristallo di tipo P tenderanno a spostarsi in quello di tipo N mentre gli elettroni tenderanno a diffondere nel materiale di tipo P regione awra regione neutra drogaggio p Densit di carica E Campo elettrico Tensione Tuttavia questo fenomeno non continua all
76. ta fino a 145 per circa dieci minuti in modo da favorire la polimerizzazione dell EVA Trascorso questo tempo il prodotto finito viene estratto ed inviato alle lavorazioni successive avendo raggiunto le caratteristiche richieste dalla sua installazione Se la laminazione viene eseguita correttamente il laminato in grado di resistere alle intemperie per almeno 25 30 anni Tutte le lavorazioni successive hanno lo scopo principale di rendere pi comodo e pratico il suo utilizzo incrementando in realt di poco la resistenza nel tempo 1 TELAIO 1 2 LASTRA DI VETRO z 3 3 3e5 EVA 4 CELLE 5 6 FOGLIO POSTERIORE 5 7 SCATOLA DI GIUNZIONE 7 4 1 2 Struttura modulo a film sottile A differenza del modulo cristallino in questo caso manca lo strato di EVA superiore in quanto le celle sono depositate direttamente su substrato II modulo in amorfo ha un aspetto molto gradevole in quanto si presenta come una superficie di colore uniforme marrone con riflessi rossastri questa caratteristica lo ha reso particolarmente gradito a architetti e designer E proprio per rafforzare questa peculiarit che negli ultimi anni si sono cercate pi efficaci 31 soluzioni per eliminare l uso della classica cassetta di terminazione sul retro a favore di soluzioni di miglior gusto estetico Sono state sperimentate soluzioni dedicate all integrazione architettonica con gli elementi tipici dell edilizia civile Dal punto di vista costruttiv
77. tabilire delle condizioni di prova standard in laboratorio per i componenti fotovoltaici la norma CEI EN 60904 3 CEI 82 3 considera la curva AM 1 5 come radiazione solare standard di riferimento Nelle norme come nella pratica impiantistica di progettazione il valore di massima radiazione al suolo viene assunto pari a 1000 Il valore di radiazione solare globale che giunge sul suolo terrestre distinto in tre componenti e Diretta La radiazione diretta colpisce una qualsiasi superficie con un determinato angolo di incidenza Questa risulta essere addirittura dieci volte maggiore della radiazione diffusa quando il Sole esattamente sulla verticale e Diffusa Quella diffusa invece incide su tale superficie con vari angoli Anche se in minima quantit contribuisce lo stesso al funzionamento dei pannelli fotovoltaici basti pensare ai giorni nuvolosi dove addirittura la diffusa supera di intensit la diretta Possiamo avere un caso in cui i contributi delle due radiazioni citate sono uguali e questo avviene solamente quando il Sole vicino all orizzonte e Riflessa pannelli fotovoltaici possono ricevere anche il contributo della radiazione riflessa dal terreno qualsiasi specchi d acqua o pareti di edifici vicini In particolare questo contributo viene chiamato Albedo e deve essere valutato con attenzione 11 riflessa radiazione diretta Radiazione riflessa radiazione diffusa La misura della radiazione
78. ti da numerosi fabbricanti Si tratta di cavi unipolari con guaina adatti per posa esterna resistono a tensioni continue di valore elevato e ai raggi UV Bench rispettino le norme di prodotto sui cavi non hanno per una marchiatura codificata in quanto ai materiali non associata una sigla specifica Rispetto al cavo HO7RN F o HO7RNS8 F i cavi Solar hanno il vantaggio di resistere a temperature pi elevate cavi Solar sono disponibili con qualsiasi sezione normalizzata ma per il cablaggio delle stringhe si utilizzano praticamente solo il 2 5 il4 e il6 Se la posa dei cavi esterna il cablaggio effettuato senza l utilizzo di tubi o canali sia per evitare oggettive difficolt di montaggio sia per evitare la possibilit di ristagni d acqua Qualora si decida di far scorrere i cavi nelle scanalature presenti negli elementi delle strutture di sostegno importante accertarsi che non si verifichino ristagni d acqua in corrispondenza dei connettori anche se questi sono protetti IPX7 o IPX8 57 6 4 2 Cablaggi in partenza dai quadri di parallelo stringhe Negli impianti realizzati su edifici e costruzioni la posa di questi cavi spesso in passerella tubo o canale mentre per gli impianti a terra si adotta quasi sempre la posa interrata del tubo o cunicolo Il primo caso non pone problemi particolari mentre nel secondo importante che il tipo di cavo adottato sia adatto alla posa interrata anche per quanto riguarda la ten
79. to da correnti elevatissime e potenzialmente distruttive per entrambe le tipologie di impianto in genere si prevedono per completezza le seguenti misure e misura della tensione e della corrente predisponendo un partitore di tensione ed uno shunt e misura dell energia in corrente continua in uscita dal generatore fotovoltaico con un wattorametro Spesso la realizzazione di sistemi fotovoltaici fruisce di supporti finanziari da parte di programmi di sviluppo delle fonti rinnovabili a livello regionale statale o comunitario che richiedono il monitoraggio delle prestazioni del sistema durante l esercizio con trasmissione trimestrale dei dati JRC Joint Research Center di Ispra sono esclusi i piccoli impianti per servizio isolato a causa dell alto costo dell equipaggiamento di misura Le linee guida per la misura e l elaborazione dei dati sono date dalla norma CEI EN 61724 Caratteristiche costruttive L armadio contenitore deve essere progettato con materiale dimensioni e grado di 55 protezione idoneo al luogo di installazione Mentre la sua installazione all interno di un locale non crea particolari problemi per il posizionamento in un luogo esterno si dovranno tenere conto di e utilizzare un materiale non deperibile e stabile all azione dei raggi UV e un dimensionamento teoricamente compatibile con il calore dissipato all interno e la temperatura di esercizio in condizioni gravose e un grado di protezione dell invol
80. tovoltaico potenza nominale irraggiamento in misurato sul piano dei moduli con precisione migliore del deve essere irragiamento in condizioni standard il cui valore di riferimento 1000 potenza attiva in misurata all uscita del convertitore con precisione superiore al migliore del perdite termiche del generatore fotovoltaico mentre tutte le altre perdite del generatore stesso ottiche resistive caduta sui diodi difetti di accoppiamento sono tipicamente assunte pari all 8 Tale condizione deve essere verificata per della potenza di targa del gruppo di conversione della corrente continua in corrente alternata Alla fine se tutte le prove hanno avuto esito positivo il collaudatore provvede a rilasciare il certificato di collaudo 7 2 Manutenzione preventiva Le attivit di manutenzione preventiva sono consigliate con cadenza al minimo annuale semestrale se si tratta di impianti per servizio isolato e comprendono una serie di ispezioni e controlli 64 La maggior parte delle verifiche possono essere fatte anche da personale non esperto in tecnologie fotovoltaiche purch addestrato ad operare su circuiti elettrici applicando le norme di sicurezza e comunque non senza aver preso visione del Manuale d uso e manutenzione scritto dal progettista e consegnato al cliente controlli verranno effettuati sui vari componenti tra i quali e Moduli fotovoltaici e Stringhe fotovoltaiche e Strutture di sostegno e Qua
81. tte le lunghezze d onda dello spettro dalle onde radio ai raggi gamma con un massimo di intensit nella banda visibile Secondo il cosiddetto Modello Solare Standard il meccanismo attraverso il quale il Sole produce energia quello della fusione termonucleare Le principali reazioni termonucleari che avvengono all interno del Sole sono del tipo protone protone che alle temperature relativamente basse che esistono all interno del Sole sono pi efficienti delle reazioni del ciclo del carbonio che invece sostengono le stelle pi massicce Deuterio p n Neutrone la a ummm bp Energia Fusione ang E Trizio p 2n lio He processi di fusione che avvengono all interno del Sole producono una quantit immensa di energia che viene trasferita alla Terra sotto forma di onde elettromagnetiche di lunghezza compresa tra 0 2 e 3 tale energia si manifesta sotto forma di un flusso continuo di fotoni ogni fotone che raggiunge la Terra ha la stessa energia che possedeva in partenza dal Sole La potenza disponibile decresce via via che aumenta la distanza dal Sole e dopo aver percorso i circa 150 milioni di che separano la Terra dal Sole assume un valore molto pi ridotto di poco superiore ad 1 35 Questo valore prende il nome di COSTANTE SOLARE e pi precisamente da assumere pari a 1 367 La costante solare da intendersi come un valore medio di riferimento perch la potenza che raggiunge la fascia est
82. ttura della cella ricalca quella di tipo prima descritta e Il contatto frontale trasparente tipicamente un ossido es e la giunzione creata depositando un strato di materiale semiconduttore in genere e l assorbitore il composto calcopirite selezionato e il contatto posteriore non trasparente in genere molibdeno Transparent ZnO Al 0 3 0 4 um front contact ZnO 0 1 um CdS 0 05 um Cul In Ga Se 1 5 2 5 um Mo 0 3 0 4 um Glass substrate 3 2 3 Celle fotovoltaiche di 3 generazione La tecnologia e giunta alla 3 generazione di sviluppo mirato alla semplificazione del processo produttivo ed alla sua economicita Con la terza generazione entrano in scena i materiali a base chimico organica permettendo di sfruttare i vantaggi della sintesi organica legati alla disponibilita di materiale per uso fotovoltaico in grandi quantita e con processi di produzione gia collaudati ed efficienti in altri ambiti 25 Tra gli esempi principali di questo nuovo filone di sviluppo tecnologico troviamo le celle organiche e le celle Gratzel Celle organiche OPV organic photovoltaic Nelle celle organiche OPV tutti i materiali attivi sono di base organica che hanno gi trovato incredibile applicazione in altri settori tra cui i cristalli liquidi LED organici che hanno animato il mercato dell elettronica di massa come il caso degli schermi piatti per TV monitor e cellulari Mentre nelle celle tradizionali le tre f
83. ucro adatto alle condizioni di posa quadri con protezione sovradimensionata es IP65 indica protezione totale contro polvere e contro getti d acqua potenti consentono all umidit interna di condensare nelle ore pi fredde portando cos un possibile danneggiamento dei componenti elettronici L inconveniente si pu superare lasciando respirare il quadro predisponendo dei fori di drenaggio di diametro contenuto sulla base inferiore che risulta la meno esposta alla pioggia Il quadro deve essere provvisto di una o pi targhe marcate in maniera indelebile e poste all esterno in modo da essere visibili e leggibili anche dopo l installazione recanti le informazioni richieste dalla CEI EN 60439 1 inoltre buona regola corredare il quadro di una cartella protetta applicata all interno della controporta contenente lo schema planimetrico di disposizione dei componenti lo schema multifilare elettrico e lo schema funzionale e di morsettiera Molto importante inoltre la disposizione dei componenti qualora il posizionamento del quadro sia in esterno gli ingressi e le uscite dei cavi di cablaggio dal quadro sono realizzati nella base inferiore con fori adatti ai raccordi o ai passacavi che vanno scelti di diametro compatibile con il diametro esterno dei cavi di cablaggio Nella parte bassa del quadro trovano spazio le morsettiere e gli scaricatori di sovratensione in quanto i diodi di blocco bene siano montati su dissipatore e disposti nella
84. unzioni di assorbimento della luce generazione delle cariche di trasporto degli elettroni sono coperte da un solo materiale il silicio nelle celle organiche troviamo una coppia di materiali con funzioni separate ed ottimizzate per assolvere le funzioni in modo analogo a quanto succede nella clorofilla La prima cella organica risale a 1986 ed aveva un efficienza dell 1 Attualmente le migliori prestazioni si aggirano intorno al 6 Le celle organiche possono essere realizzate in forma di film sottili flessibili di ottimo rapporto energia peso ed hanno il vantaggio di essere riciclabili al 100 Una volta raggiunta la maturit tecnologica un uso adatto potrebbe essere quello di integrazione in semitrasparenza nelle superfici vetrate degli edifici integrate nelle carrozzerie delle automobili o addirittura nei vestiti Concentratori solari a luminescenza Esistono materiali in grado di emettere luce grazie a fenomeni fisici completamente diversi dall aumento della temperatura sono materiali in grado di assorbire un livello di energia restituendola in forma di fotoni ad energia inferiore luminescenza Secondo la natura dell energia eccitante si hanno diversi tipi di luminescenza e chemiluminescenza causata da reazioni chimiche come avviene per le lucciole e elettroluminescenza causata da un campo elettrico come i LED e fotoluminescenza quando c una conversione dell energia ad energia pi bassa visibile come negli evidenziatori fl
85. uorescenza Su questo ultimo effetto si basano i concentratori solari a luminescenza composti in genere di tre lastre rettangolari di vetro o materiale polimerico colorato con tinte fluorescenti che agiscono da diffusore parte dello spettro della luce incidente viene assorbito e rimesso concentrato all interno della lastra A seconda della geometria della lastra e dal suo indice di rifrazione la lastra agisce guidando una parte della luce incidente verso i bordi dove possibile porre le celle fotovoltaiche riducendo cos la quantit di materiale 26 Nei concentratori a luminescenza il rapporto di concentrazione si misura nel rapporto tra la superficie ricevente a quella dei bordi Al Centro Europeo di Ispra Varese sono state raggiunte su prototipi di LSC efficienze del 7 su un concentratore costituito da una lastra di 5x5x0 5 di polimetilacrilato PMMA con 4 celle all Arseniuro di Gallio Gli aspetti interessanti di questa tecnologia sono legati alla ridotta quantit di materiale attivo fotovoltaico necessario al basso costo della lastra guida ma soprattutto il fatto che riescano a lavorare anche con la parte di radiazione diffusa non sfruttabile dai concertatori tradizionali e non necessitano di accoppiare a sistemi di inseguimento L utilizzo migliore potr essere quindi dove la parte diffusa della radiazione solare risulta importante nord Europa ed in sostituzione dei vetri in posa verticale cos visti come dei veri
86. versione in energia elettrica e viene persa 18 dal circuito equivalente della cella in Figura 10 si nota l esistenza della resistenza dovuta principalmente alla particolare realizzazione dell elettrodo superiore della cella che deve mediare tra l esigenza di realizzare un buon contatto ed oscurare il meno possibile la superfice della cella esposta alla luce la resistenza detta resistenza di shunt un parametro chiave nelle prestazioni della cella in condizioni di debole irraggiamento tipiche delle aree europee di esposizione Il suo valore molto importante in quanto condiziona pesantemente l efficienza del modulo in cui la cella viene inserita Recenti studi hanno dimostrato che resistenze di shunt inferiori a 20 30 sono responsabili di perdite di energia captata del 10 e che un mix di celle a varie resistenze di shunt tipicamente moduli con celle poco selezionate sono governate dalla cella a pi bassa Purtroppo questo dato cos importante conosciuto solo dai costruttori di celle e moduli fotovoltaici e non viene evidenziato all acquirente Rs Inoltre dalla caratteristica elettrica di una cella fotovoltaica di silicio cristallino riportata in Figura 11 si pu osservare che 19 la condizione di lavoro ottimale della cella rappresentata dal punto della caratteristica di generazione tensione corrente in corrispondenza del quale il prodotto che esprime la potenza elettrica ottenibile a parit di altre condizioni
87. zo di una trasformazione chimica Leggendo la reazione da destra a sinistra si ottiene la reazione di carica mentre da sinistra a destra si ottiene la scarica Questa reazione reversibile rimane tale fino a quando il solfato di piombo che si forma nel processo di scarica e che si deposita sugli elettrodi non raggiunge livelli tali da impedire la sua successiva trasformazione in acido solforico e ossido di piombo Nel caso in cui questo si verifichi la batteria perderebbe la propria capacit di accumulare energia e risulterebbe irrimediabilmente deteriorata Quando invece nella batteria la carica risulta essere in prossimit del suo valore massimo si verifica il fenomeno della gassificazione L energia fornita dall esterno non si traduce in un accumulo ulteriore bens causa l elettrolisi dell acqua formando ossigeno O sul polo positivo e idrogeno H su quello negativo secondo 2 2 la reazione Questo fenomeno si verifica anche durante il processo di carica e deve essere tenuto sotto controllo poich tende ad autosostenersi con l aumentare della temperatura e negli accumulatori a vaso aperto provoca la veloce diminuzione dell acqua presente negli elementi quest ultima dovr poi essere ripristinata E importante ricordare che tutto quello che stato citato prima si riferisce a sistemi fotovoltaici per zone isolate Per quanto riguarda invece sistemi grid connected la figura dell accumulatore la fa la rete elettrica che assorbe l en

IL SOLE COME FONTE DI ENERGIA: IMPIANTI FOTOVOLTAICI

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