studio dei sistemi fotovoltaici grid-connected

Studio dei Sistemi Fotovoltaici Grid-Connected.

Docente Relatore: Prof. Giorgio Spiazzi Laureando: Piero CeccatoMatricola: 530501

Corso di laurea specialistica in Ingegneria Elettronica

A mamma Giovanna, pap Ezio, Lisa & Andrea.

Un sentito ringraziamento allIng. Franco Mela e tutta Selco Engineering s.r.l.

Indice

Presentazione dellazienda. Pag.

I

Capitolo 1 - Introduzione.1.1 LEFFETTO FOTOELETTRICO. Pag. 1

1.2 FISICA DELLA CELLA FOTOVOLTAICA... Pag. 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 Silicio Intrinseco...... Pag. Diffusione e deriva... Pag. Drogaggio dei semiconduttori..Pag. Giunzione pn Pag. Generazione di una coppia elettrone-lacuna per assorbimento di un fotone Pag. 1.2.6 La giunzione pn in polarizzazione diretta Pag.

3 3 4 7 9

13 17

1.3 TIPI DI CELLE FOTOVOLTAICHE... Pag.

21

1.4 CARATTERISTICA I-V DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA...Pag.

24

1.5 INTRODUZIONE AGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI..Pag.

33

Capitolo 2 - Analisi del mercato di inverter gridconnected 3kW.2.1 PREMESSA...Pag. 41

2.2 CARATTERISTICHE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO...Pag. 2.1.1 Parametri dingresso (Lato DC)Pag. 2.2.2 Parametri duscita (Lato AC)Pag.

46 46 47 47 48 48 50 50 50 51 60

2.2.3 Parametri di efficienza..Pag. 2.2.4 Parametri relativi alla tipologia costruttiva . Pag. 2.2.5 Caratteristiche e funzionalit di sicurezzaPag. 2.2.6 Caratteristiche meccaniche........................... Pag. 2.2.7 Ambiente...Pag. 2.2.8 Garanzia Pag.

2.3 PRODOTTI COMMERCIALI NEL RANGE 2kW 4kW. Pag. 2.3.1 Tecnologie a confronto. Pag. 2.3.2 Massima efficienza ed efficienza europea delle varie tipologie....................................................................... Pag. 2.3.3 Distribuzione delle varie tipologie Pag. 2.3.4 Stadio dingresso e MPPT.Pag. 2.3.5 Tensione dingresso al MPPT e tensione massimaPag. 2.3.6 Frequenza di funzionamento 50Hz e 60Hz........................... Pag. 2.3.7 THD (Total Harmonic Distorsion) Pag. 2.3.8 Garanzia Pag. 2.3.9 Struttura MASTER SLAVE...........................Pag. 2.3.10 Sistemi di comunicazione Pag. 2.3.11 Design... ... Pag.

63 68 69 69 69 70 70 70 71 72

Capitolo 3 - Normative.3.1 PREMESSA....... Pag. 3.2 IMPIANTI FOTOVOLTAICI IN ITALIA Pag. 3.2.1 Direttiva Enel DK 5940.. Pag. 3.2.2.1 Schema di collegamento di un impianto di produzione alla rete pubblica dellENEL... Pag. 3.2.1.2 Dispositivo Generale.. Pag. 3.2.1.3 Dispositivo di Interfaccia Pag. 3.2.1.4 Protezione di Interfaccia e taratura. Pag. 3.2.1.5 Dispositivo di Generatore... Pag. 3.2.1.6 Qualit dellenergia prodotta...Pag. 3.2.2 Normative IEC, EN, CEI per inverter fotovoltaici. Pag. 75 77 77 79 80 81 86 73 75 75

3.3 IMPIANTI FOTOVOLTAICI NEGLI STATI UNITI.. Pag. 3.3.1 Articolo NEC 690Pag. 3.3.1.1 Sistemi fotovoltaici con tensione superiore ai 600V...Pag. 3.3.2 UL1741Pag.

100 100 105 106

3.4 PANORAMICA SUGLI ALTRI PAESI........................Pag. 3.4.1 Germania. Pag. 3.4.2 Spagna. Pag. 3.4.3 Australia.. Pag.

113 113 117 118

3.5 NORMATIVE PER LA MARCATURA CE.Pag. 3.6 ELENCO RIASSUNTIVO NORME IEC, EN, CEI PER INVERTER FOTOVOLTAICI. Pag. 3.6.1 Norme Generali... Pag. 3.6.2 Normative CE..Pag. 3.6.3 Norme Stati Uniti Pag. 3.6.4 Norme per lAustralia. Pag.

119

120 120 124 130 131

Capitolo 4 Topologie elettroniche.4.1 PREMESSA... Pag. 133

4.2 TOPOLOGIE ELETTRONICHE A DOPPIO STADIO.... Pag. 4.2.1 Configurazione non isolata: Boost Full BridgePag. 4.2.1.1 Modulazione PWM bipolare... Pag. 4.2.1.2 Modulazione PWM unipolare. Pag. 4.2.2 Configurazione multistringa non isolata: Boost Half Bridge.Pag. 4.2.3 Configurazione isolata: Boost Full Bridge...........................Pag. 4.2.4 Convertitore isolata: Flyback Full Bridge.... Pag. 4.2.5 Configurazione isolata: Push Pull Inverter a corrente impressa. Pag. 4.2.6 Configurazione isolata: Full Bridge Inverter a corrente impressa............................. Pag.

141 141 146 149

151 153 154

156

160

4.3 TOPOLOGIE ELETTRONICHE PROPOSTE IN LETTERATURA.Pag. 4.3.1 Topologia GCC............................Pag. 4.3.1.1 Introduzione alla topologia GCCPag. 4.3.1.2 Principio di funzionamento del circuito GCC.Pag. 4.3.1.3 Realizzazione pratica del circuito GCC.. Pag. 4.3.1.4 Analisi del circuito GCC realizzato con chopper a due stadi...Pag. 4.3.1.5 Caratteristica Potenza-Tensione...Pag. 4.3.1.6 Conclusioni...Pag. 4.3.2 Topologia risonante multicella ... Pag. 4.3.2.1 Introduzione alla topologia Multicella. Pag. 4.3.2.2 Analisi convertitore Multicella Pag. 4.3.2.3 Forme dondaPag. 170 173 174 175 175 176 180 162 162 162 164 167

4.3.3 Topologie multilivello. ... Pag. 4.3.3.1 Premessa...Pag. 4.3.3.2 Convertitore Multilivello Half Bridge Diode Calmped (HBDC).Pag. 4.3.3.3 Convertitore Cascaded H-Bridge. Pag. 4.3.3.4 Configurazione multilivello isolata.. Pag. 4.3.3.5 Conclusioni.. Pag. 4.4 ALGORITMI MPPT.. Pag. 4.4.1 MPPT Perturbe and Observe (P&O).. Pag. 4.4.2 MPPT Incremental Conductance (ICT)...... Pag. 4.4.3 MPPT Costant Voltage (CV).. Pag. 4.4.4 MPPT Short Circuit Current (SC)........................... Pag.

184 184

184 186 187 187 188 188 192 195 197 199

ConclusioniPag. BibliografiaRiviste e testi sul settore fotovoltaico.. Pag. Normative. Pag. Testi di ElettronicaPag. Articoli IEEE sugli articoli normativi...Pag. Articoli IEEE sugli inverter fotovoltaici.. Pag. Manuali e Data SheetPag.

201 200 203 203 204 206

Presentazione dellazienda

I

Via palladio 19 35019 Onara di Tombolo(PD) Tel. +39 049 9413111 Fax. +39 049 9413311 www.selcogroup.it

Selco s.r.l. nasce nel 1979 e ben presto diventa la realt italiana pi all'avanguardia nella progettazione e industrializzazione di generatori ed impianti per saldatura ad arco e taglio al plasma per utilizzi ed applicazioni professionali. L'innovazione tecnologica, l'apertura verso il cambiamento, la continua ricerca di maggior efficienza e velocit, il lavoro e lo spirito di squadra caratterizzano la filosofia aziendale Selco. La ragione del successo riscosso da Selco su scala internazionale riassumibile in due concetti fondamentali: affidabilit totale e tecnologia all'avanguardia. Nel 2006 Selco s.r.l diventa un Gruppo di aziende controllate dalla Holding Selco Group S.p.A alla quale fanno capo 12 societ.

II


SELCO GROUP SPA

SELCO SRL

SELCO CZECH REPUBLIC S.R.O.

SELCO MANUFACTURING SRL

SELCO ENGINEERING SRL

INTECO SRL

SELCO DEUTSCHLAND

SELCO FRANCE SARL

SELCO POLAN SP. ZO.O.

OOO SELCO RU

S.C. SELCO ROMANIA S.R.L.

SELCO SOLDADURA SL

SELCO WELD LTD

SOCIETA COMMERCIALI

SOCIETA COMMERCIALI ESTERE

SOCIETA MANUFACTURING

SOCIETA DI INGEGNERIZZAZIONE


III

Lattivit di progettazione, produzione e controllo qualit di Selco Group svolta su unarea di 12800m2 fra la sede di Onara di Tombolo (PD) e Cittadella(PD).

La

progettazione

delle da

schede Selco

elettroniche

realizzata

Engineering, nel Dipartimento Ricerca & Sviluppo dove ricercatori e progettisti, con elevate competenze specialistiche, si avvalgono delle pi sofisticate e moderne tecnologie. Particolare cura ed attenzione viene posta sia nella definizione di soluzioni di design innovative, capaci di unire funzionalit e sicurezza a linee moderne, sia nella razionalizzazione e standardizzazione dei componenti. Sulla base di un' attenta analisi delle diversificate esigenze del mondo della saldatura, viene condotta una costante e metodologica attivit di ricerca e sviluppo sia di funzioni, parametri e prestazioni che meglio rispondano alle molteplici esigenze applicative, sia di soluzioni tecnologiche tali da definire prodotti sempre pi affidabili e flessibili in termini di prestazioni.

L'attivit produttiva svolta da Selco Manufacturing s.r.l una sintesi di tradizione, raffinatezza tecnologica e tecniche di produzione

all'avanguardia: le attuali linee di produzione, informatizzate, automatizzate sono ed infatti

attrezzate in funzione della massima flessibilit, con processi e metodi che consentono agli operatori di lavorare nelle migliori condizioni.

IV


Controlli rigorosi vengono effettuati in ogni fase del processo di produzione, a partire dal ricevimento delle materie prime e dei semilavorati provenienti dai fornitori. Accurati test di collaudo, statici e dinamici, vengono inoltre effettuati su ogni singolo prodotto finito prima che avvenga la fase di imballaggio.

Per Selco Group la qualit significa attribuire ai prodotti una natura che li distingua sul mercato. Questo aspetto della cultura aziendale, focalizzata sull'innovazione e sulla continua e costante ricerca di maggior efficienza ed efficacia, ha ottenuto, oltre al riscontro pratico di un crescente successo internazionale, anche un importante riconoscimento formale: la certificazione VISIO 9001. Tutti i prodotti Selco Group vengono

sottoposti ad una rigorosa procedura di collaudo finalizzata a verificarne la funzionalit in condizioni ambientali critiche, la resistenza a forti

sollecitazioni meccaniche ed il rispetto della compatibilit elettromagnetica. Selco utilizza la componentistica pi moderna ed affidabile reperibile a livello mondiale e, inoltre, progetta e sviluppa internamente diversi componenti considerati strategici per l'ottimizzazione delle funzioni e delle prestazioni del prodotto. Tutta la produzione Selco soddisfa, inoltre, le normative di prodotto IEC/EN 60974-1/-2/-3/-5 sulla sicurezza elettrica e la severa IEC/EN 60974-10 sulla compatibilit elettromagnetica; l'applicazione di queste normative permette la rispondenza del prodotto Selco alle Direttive Comunitarie ed assicura all'operatore la massima sicurezza nell'utilizzo.


V

Il Servizio di Assistenza Tecnica assicura rapidit ed efficacia di intervento: gran parte del Servizio avviene telefonicamente e tramite posta elettronica, garantendo ai

Clienti quella continuit e puntualit di supporto competente che il mercato internazionale nuovissimo si aspetta. Il

magazzino

ricambi

computerizzato assicura un'evasione rapida e puntuale delle richieste dei Clienti. Selco Group dispone di un training centre per la formazione e l'aggiornamento specialistico del

proprio staff tecnico-commerciale e di quello dei propri distributori, per consentire una sempre maggior

conoscenza del prodotto, delle sue funzioni e potenzialit, e per trasferire alla propria rete distributiva tutte le competenze tecniche necessarie ad una corretta manutenzione di tutti i prodotti della gamma. Selco Group, anche grazie a questo costante impegno nella formazione, in grado di offrire un servizio di assistenza qualificato mediante la propria capillare rete di distribuzione. Selco Group comprende, al 31-12-2006, circa 160 persone di cui 24 dislocate nelle filiali europee con mansioni tecniche commerciali.

VI


1

Capitolo 1 - Introduzione.1.1 Leffetto fotoelettrico.La prima osservazione delleffetto fotoelettrico risale al 1887 ad opera di Heinrich Hertz mentre stava cercando di dimostrare lesistenza delle onde elettromagnetiche. Questo fenomeno osservato venne comunque catalogato da Hertz come un fenomeno nuovo e misterioso. Successivamente con la teoria dei quanti Albert Einsten diede una spiegazione a tale fenomeno. Leffetto fotoelettrico consiste nellemissione di elettroni da parte di materiali, in particolare i metalli, colpiti da radiazione elettromagnetica di frequenza sufficientemente alta. In pratica si osserva che lemissione di elettroni avviene solo se la radiazione incidente caratterizzata da una frequenza maggiore di una certa frequenza di soglia 0. Gli elettroni emessi, chiamati fotoelettroni, hanno velocit e quindi energia cinetica che va da zero ad un valore massimo EMAX legato alla frequenza della radiazione incidente dalla relazione:

E MAX =

1 2 m v MAX = h (v v0 ) 2

(1.1.1)

EMAX

Fig. 1.01 - Energia cinetica massima dei fotoelettroni in funzione della frequenza della radiazione incidente.

0 chiamata Legge di Einstein dove h la costante di Planck.

2

Si osserva inoltre che lintensit degli elettroni emessi (cio il numero di elettroni emessi per unit di tempo e superficie) proporzionale allintensit della radiazione incidente, mentre la loro velocit e quindi la loro energia cinetica ne indipendente. La fisica classica ammetteva che elettroni appartenenti agli atomi superficiali del corpo irraggiato potessero essere sollecitati ad oscillare dallazione del campo elettrico variabile associato alla radiazione elettromagnetica incidente. In base a tale interpretazione, se le oscillazioni imposte allelettrone risultassero molto ampie, gli elettroni potrebbero allontanarsi tanto dal nucleo da essere espulsi dagli atomi. Come conseguenza la velocit degli elettroni espulsi dovrebbe aumentare allaumentare dellintensit del campo elettrico incidente e quindi, a parit di frequenza, allaumentare dellintensit della radiazione elettromagnetica, contrariamente a quanto si osservava in pratica. Linterpretazione delleffetto fotoelettrico fu data nel 1905 da A. Einstein. Egli suppose che nellinterazione con la materia le radiazioni elettromagnetiche si comportino come costituite da quanti di luce, chiamati fotoni, ciascuno dotato di una energia h , essendo h la costante di Planck e la frequenza della radiazione. Allaumentare dellintensit di questultima, lenergia di ogni fotone rimane invariata, mentre aumenta il numero di fotoni che attraversano lunit di superficie nellunit di tempo, cio aumenta lintensit del fascio fotonico. Nellinterazione della radiazione con la materia, un fotone, colpendo un atomo, gli pu cedere la sua energia h : se questa maggiore di quella necessaria per strappare un elettrone dallatomo, lelettrone stesso ne viene espulso ed assume energia cinetica pari alla differenza tra lenergia del fotone incidente e la propria energia di legame EG. E chiaro che leffetto fotoelettrico pu avvenire solo se lenergia del fotone incidente in valore assoluto maggiore di EG, cio se la frequenza della radiazione incidente risulta maggiore di EG/h. Da tale teoria deriva inoltre che allaumentare dellintensit della radiazione incidente, dato che aumenta il numero di fotoni incidente (rimanendo costante la loro energia), aumenta anche il numero di elettroni espulsi, senza che la loro energia cinetica ne sia influenzata, come si osserva sperimentalmente.

3

1.2 Fisica della cella fotovoltaica.1.2.1 Silicio intrinseco.

Un cristallo di silicio puro ha una struttura cristallina dove gli atomi sono legati tra loro tramite legami covalenti formati da quattro elettroni di valenza. A basse temperatura, vicine allo zero assoluto 0K, tutti i legami covalenti sono intatti e nessun elettrone libero per condurre corrente elettrica. A temperatura ambiente alcuni legami sono rotti per ionizzazione termica e sono quindi disponibili alcuni elettroni per la conduzione. Quando un legame covalente viene rotto, lelettrone abbandona latomo, lasciando cos lo stesso carico positivamente di una quantit in modulo pari alla carica dellelettrone che si allontanato. Un elettrone di un atomo vicino pu quindi essere attratto dalla carica positiva abbandonando il suo atomo dorigine. Questa azione di colmare la lacuna esistente nellatomo ionizzato crea quindi una nuova lacuna nellatomo da cui si staccato lelettrone che ha colmato la prima lacuna. Questo processo si ripete e si quindi in presenza di un flusso di carica positiva, o di lacune, che si pu muovere attraverso il cristallo e pu essere disponibile per la conduzione di corrente elettrica. La ionizzazione termica d un numero di elettroni uguale a quello delle lacune e quindi una uguale concentrazione. Allinterno del cristallo di silicio il movimento degli elettroni e delle lacune casuale e gli elettroni vanno a colmare le lacune esistenti effettuando cos una ricombinazione. In equilibrio termico la concentrazione di elettroni liberi n uguale al numero di lacune p e vale:n = p = ni

(1.2.1.1)

dove ni rappresenta la concentrazione di elettroni e lacune liberi nel silicio intrinseco ad una data temperatura. Tale concentrazione vale circa:

4

ni 2 = B T 3 e EG / (k T )

(1.2.1.2)

dove: B = parametro che dipende dal materiale = 5.4 10 31 per il silicio EG= Energy Gap = 1.12 eV per il silicio k = costante di Boltzmann = 8.62 10 5 eV/K Si noti che lenergy gap EG la minima energia necessaria per rompere un legame covalente nellatomo di silicio e generare una coppia elettrone lacuna. A temperatura ambiente ni 2 = B T 3 e EG / (k T ) = 1.5 1010 portatori / cm 31.2.2 Diffusione e Deriva.

Esistono due meccanismi secondo cui gli elettroni e le lacune possono muoversi allinterno di un cristallo di silico: la diffusione e la deriva. a) La diffusione associata al movimento casuale dovuto allagitazione termica. In un pezzo di silicio, con concentrazione uniforme di elettroni e lacune, questo movimento casuale non d luogo ad un flusso netto di carica. Se invece si realizza un pezzo di silicio con concentrazione non costante, si avr un flusso di carica dalla zona pi concentrata a quella meno concentrata con il risultato di una corrente per diffusione. Concentrazione lacune p

++++ +++ ++ + ++++ +++ ++ +

x

x

Fig. 1.02 Esempio di concentrazione non uniforme.

5

Si consideri, per esempio, la concentrazione di lacune rappresentata in figura 1.02 la quale rappresenta il profilo di lacune creato lungo lasse x. Dallesistenza di tale profilo lungo lasse x, risulta una corrente di diffusione di lacune in tale direzione con modulo proporzionale al gradiente di concentrazione in quel punto, cio:

J p = qD p

dp dx

(1.2.2.1)

dove: Jp = densit di corrente sul piano perpendicolare allasse x [A/m2] q = carica dellelettrone = 1.6 10 19 C Dp = costante di diffusione delle lacune nel silicio intrinseco= 12 cm 2 s .

Essendo il gradiente dp/dx negativo, si ha una corrente positiva nel verso delle x come doveva essere. Nel caso si consideri una corrente di diffusione di elettroni dovuta ad un gradiente di concentrazione di elettroni si ha:

J n = qDn

dn dx

(1.2.2.2)

dove: Dn = costante di diffusione degli elettroni nel silicio intrinseco = 34 cm 2 s .

Come si pu notare un gradiente di concentrazione negativo d luogo ad una corrente nel verso positivo come d convenzione. b) Laltro meccanismo di movimento delle cariche allinterno di un semiconduttore la deriva. Le cariche si muovono per deriva quando un campo elettrico E applicato al

6

pezzo di silicio. Gli elettroni e lacune sono accelerate dal campo elettrico acquisiscono una componente di velocit chiamata velocit di deriva.

e

Se un campo elettrico di valore E [V/m] applicato, le lacune si muovono in direzione di E e acquisiscono una velocit pari a: v deriva _ lacune = E p dove p la mobilit delle lacune ed espressa in m2/Vs. Per il silicio intrinseco p = 480cm 2 /Vs . (1.2.2.3)

Gli elettroni liberi si muoveranno in verso opposto al campo E e la loro velocit di deriva sar pari a: v deriva _ elettroni = E n dove n la mobilit delle lacune ed espressa in m2/Vs. Per il silicio intrinseco n = 1350cm 2 /Vs . Cos facendo si ha una densit di carica positiva q p [C/m3] che si muove lungo la direzione delle x positive con velocit v deriva _ lacune = E p . Ne segue che in un secondo la carica q p E p A [C] attraverser la sezione di area A. Dividendo per larea A si ottiene la densit di corrente causata dalla deriva delle lacune: J = q pE p (1.2.2.5) (1.2.2.4)

Con lo stesso procedimento si ricava la densit di corrente dovuta alla deriva degli elettroni e si arriva cos alla densit di corrente di deriva totale che pari a: J = q p p + n n E

(

)

(1.2.2.6)

7

In fine vale la pene citare la semplice relazione conosciuta come relazione di Einstein, che esiste tra la costante di diffusione e la mobilit.k T q

VT =

Dn

n

=

Dp

p

=

(1.2.2.7)

dove VT la tensione termica che vale circa 25mV a temperatura ambiente.1.2.3 Drogaggio dei semiconduttori.

Un cristallo di silicio intrinseco ha una concentrazione di elettroni liberi uguale alla concentrazione di lacune generate per ionizzazione termica. Queste concentrazioni, ni , sono fortemente dipendenti dalla temperatura. I semiconduttori drogati sono semiconduttori nei quali un tipo di carica predomina sullaltro. Un silicio drogato nel quale le cariche maggioritarie sono gli elettroni chiamato di tipo n, mentre un silicio drogato nel quale le cariche maggioritarie sono le lacune chiamato di tipo p. Un drogaggio di tipo n o p realizzato semplicemente introducendo degli atomi impuri in piccole quantit. Introducendo un atomo pentavalente come il fosforo al posto di un atomo di silicio, si ha che quattro dei cinque elettroni di valenza del fosforo si legano in legami covalenti con gli atomi di silicio adiacenti e un elettrone rimane libero. Il fosforo quindi un atomo donatore, in quanto dona un elettrone libero al cristallo di silicio. Cos facendo non si generano lacune libere, quindi la carica maggioritaria in un pezzo di silicio drogato con il fosforo saranno gli elettroni. Se la concentrazione di atomi donatori ND allequilibrio termico, la concentrazione di elettroni liberi nel silicio drogato di tipo n sar pari a: nn0 = N D (1.2.3.1)

In equilibrio termico, il prodotto tra la concentrazione di elettroni e lacune deve rimanere costante e pari ad ni2, pertanto si ricava che la concentrazione di lacune vale:

8

ni = n n 0 p n 0 p n 0

2

n = i ND

2

(1.2.3.2)

Essendo ni funzione della temperatura, chiaro che la concentrazione di cariche minoritarie, lacune, dipender dalla temperatura. Per produrre un semiconduttore di tipo p baster drogare il silicio con un elemento trivalente come per esempio il boro. In questo caso avendo il boro solo tre elettroni di valenza, tutti e tre gli elettroni andranno a formare legami covalenti con gli atomi di silicio adiacenti e rester una lacuna. Per questo motivo gli atomi si chiamano accettori. Se la concentrazione di atomi accettori NA, allora la concentrazione di lacune sar pari a p p0 = N A (1.2.3.3)

In equilibrio termico, il prodotto tra la concentrazione di elettroni e lacune deve rimanere costante e pari ad ni2, pertanto si ricava che la concentrazione di elettroni vale:2

ni = n p 0 p p 0 n p 0

2

n = i NA

(1.2.3.4)

Un pezzo di materiale drogato di tipo n o tipo p rimane comunque elettricamente neutro.

9

1.2.4 Giunzione pn.

Il termine di giunzione indica la superficie di separazione fra due conduttori o fra un metallo e un semiconduttore o fra due semiconduttori. In particolare la giunzione pn, la superficie di separazione fra due campioni di uno stesso semiconduttore drogato uno di tipo p e laltro di tipo n. In campo elettronico, non possibile ottenere giunzioni pn ponendo a contatto due campioni dello stesso materiale semiconduttore drogati in modo diverso, in quanto i difetti della superficie poste a contatto influenzerebbero negativamente le caratteristiche elettriche. Per questo motivo, una giunzione pn viene ottenuta drogando in modo diverso due zone contigue dello stesso campione monocristallino. Una volta ottenuta la giunzione pn in condizioni di circuito aperto si ha:ID IS

++++++ ++++++ regione p ++++++ ++++++

-

+ + +

--------------regione n ---------------

Regione di svuotamentoFig. 1.03 Giunzione pn in condizioni di circuito aperto.

a) Corrente di diffusione: essendoci una concentrazione di lacune maggiore

nella zona p rispetto alla zona n, le lacune si diffondono attraverso la giunzione dal lato drogato p al lato drogato n. Allo stesso modo, essendo la concentrazione di elettroni maggiore nella zona n rispetto alla zona p, gli elettroni diffondono attraverso la giunzione dal lato n al lato p. Queste due componenti si sommano e formano la corrente di diffusione ID.b) Regione di svuotamento: le lacune che si diffondono dal lato p al lato n, si

ricombinano velocemente con gli elettroni maggioritari del lato n e scompaiono

10

Questo processo fa si che in prossimit della giunzione alcuni elettroni liberi scompaiono dal materiale di tipo n. Cos facendo, la carica positiva non pu essere neutralizzata dagli elettroni liberi e rimane scoperta. Nei pressi della giunzione si ha quindi la presenza di una regione svuotata di elettroni e costituita quindi di carica positiva scoperta. Analogamente, gli elettroni che si diffondono dal lato n al lato p a causa della differenza di concentrazione, si ricombinano velocemente con le lacune che sono carica maggioritaria nella regione p. Cos facendo nei pressi della giunzione si crea una regione di carica negativa scoperta Nei pressi della giunzione, si ha la presenza di una regione svuotata delle cariche maggioritarie, che sul lato n sar costituita da cariche positive e sul lato p sar costituita da cariche negative, la cosiddetta regione di svuotamento. La regione di svuotamento anche chiamata regione di carica spaziale. Questa regione di carica spaziale crea nei pressi della giunzione un campo elettrico, che d quindi luogo ad una differenza di potenziale ai capi della giunzione. Questa differenza di potenziale si opporr alla diffusione delle lacune nella regione n, e alla diffusione degli elettroni nella regione p, agendo quindi come una barriera.

Fig. 1.04 Andamento del potenziale lungo un asse perpendicolare alla giunzione.

potenziale

Barriera di potenziale V0 x

11

c) Corrente di deriva ed equilibrio.

Oltre alla corrente dovuta alla diffusione delle cariche maggioritarie, esiste anche una corrente dovuta alla deriva delle cariche minoritarie attraverso la giunzione. In special modo alcune delle lacune generate termicamente nel semiconduttore di tipo n, si diffondono sul lato drogato n e raggiungono il bordo della regione di svuotamento. In corrispondenza della giunzione, il campo elettrico spinger le lacune presenti nel lato drogato n nel lato drogato p. In maniera analoga, gli elettroni generati termicamente nella regione di tipo p si diffonderanno fino a raggiungere la regione di svuotamento dove il campo elettrico le diffonder sul lato n. Queste due correnti, gli elettroni che si muovono per deriva dal lato n al lato p e lacune che si muovono dal lato n al lato p, si sommano formando la correntedi deriva IS.

In condizioni di circuito aperto, la corrente deve essere nulla, pertanto la corrente di diffusione risulta in modulo uguale alla corrente di deriva ma ovviamente con verso opposto. ID=IS (1.2.4.1)

Questa condizione di equilibrio garantita dalla barriera di potenziale V0. Infatti se per qualche ragione la corrente di diffusione aumentasse rispetto alla corrente di deriva, allora aumenterebbe la carica scoperta da entrambi i lati della giunzione pn, con conseguente allargamento delle regione di svuotamento e aumento quindi della barriera di potenziale V0, con conseguente diminuzione della corrente di diffusione. Allo stesso modo, se aumentasse la corrente di deriva IS rispetto alla corrente di diffusione, allora diminuirebbe la carica scoperta con conseguente restringimento della regione di svuotamento e diminuzione della barriera di potenziale V0, con conseguente aumento di ID fino a raggiungere lequilibrio con IS. Senza tensione esterna applicata il valore di V0 vale:

12

N N V0 = VT ln A 2 D n i

(1.2.4.2)

Infatti, imponendo a zero la somma tra la corrente di deriva degli elettroni e la corrente di diffusione degli elettroni e ricordando che E = dV si trova: dx

q n n

dn dV + qDn =0 dx dx

dV = Vj =

Dn dn k T dn = n n q n kT nn 0 ln q n p0

Vj =

kT N A N D ln q ni 2

= VT ln N A N D n2 i

(1.2.4.3)

dove NA e ND sono le concentrazioni di drogante sul lato p e sul lato n. La larghezza della regione di svuotamento vale circa:

Wdep =

2 s q

1 1 + N A ND

V0

(1.2.4.4)

dove S costante dielettrica del silicio e vale S = 11.70.

13

1.2.5 Generazione di una coppia elettrone-lacune per assorbimento di un fotone.

Lenergia di un fotone data da: hc

E = h =

[ joules]

(1.2.5.1)

dove: h la costante di Plank che vale h = 6.63 10 34 j s . c la velocit della luce c = 2.998 10 8 m / s . la frequenza della radiazione in Hz. la lunghezza donda espressa in m. Normalmente le energie a livello atomico vengono espresse in electron volt dove1eV = 1.6 10 19 J e la lunghezza donda viene espressa in micrometri [m]. Per

ricavare lenergia dei fotoni in electron volt, corrispondenti ad una radiazione avente una lunghezza donda espressa in micrometri, basta applicare la seguente relazione. 1.24 [eV ] [ m]

E=

(1.2.5.2)

Se lenergia dei fotoni eccede lenergy gap EG del semiconduttore allora il fotone sar assorbito, produrr una coppia elettrone lacuna, e lenergia in eccesso sar smaltita in calore. Se lenergia dei fotoni non eccede invece lenergy gap del semiconduttore, il fotone non sar assorbito e non produrr coppie elettroni lacune. Banda di conduzione Energy Gap EG=1.12eV Banda di valenzaFig. 1.05 - Energy gap del silicio.

14

Avendo il silicio un energy gap di 1.12eV, lenergia minima che un fotone deve avere per generare una coppia elettrone lacuna proprio 1.12eV, che corrisponde ad una radiazione di lunghezza donda pari a: 1.24 1.24 = = 1.11m E 1.12

=

(1.2.5.3)

La radiazione incidente per i sistemi fotovoltaici la radiazione solare il cui spettro il seguente:

Fig. 1.06 Andamento della densit spettrale di potenza in funzione della lunghezza donda della radiazione solare.

Il picco della densit di potenza della radiazione solare si trova circa a =0.5m. Si osservi che, pi piccola la lunghezza donda e pi alta lenergia dei fotoni incidenti, e quindi la radiazione utile incidente su un pezzo di silicio per la generazione di una coppia elettrone lacuna tutta la radiazione con lunghezza donda inferiore a =1.11m che pari a circa il 75% di tutta la densit di potenza.

15

La radiazione con lunghezza donda pi corta della necessaria porta ad avere oltre che alla liberazione di una coppia elettrone lacuna, la generazione di calore. In questo modo della totale energia utile (75% della radiazione solare) solo il 44% pu essere convertito in energia elettrica mentre il restante 56% viene trasformato in calore.

Fig. 1.07 Radiazione solare utile per la generazione di una coppia elettronelacuna per il silicio.

Una volta che una coppia elettrone lacuna stata generata per foto-assorbimento di un fotone, il campo elettrico ai capi della giunzione pn diretto dal lato n al lato p della giunzione, spinger gli elettroni sul lato drogato n e le lacune sul lato drogato p. Cos facendo gli elettroni spinti sul lato n e le lacune spinte sul lato p diventano ora cariche maggioritarie e compare quindi un aumento di tali cariche ai capi della giunzione. Questo eccesso di cariche maggioritarie appare come una differenza di potenziale ai terminali, o se un filo connette il lato p con il lato n, come una circolazione di corrente dal lato p al lato n. La corrente risulter proporzionale al numero di coppie elettrone lacune generate.

16

h

-

-

-

n

Giunzione

IPHO

p + + +

Coppia elettrone lacuna.Fig. 1.08 Verso della corrente generata dai fotoni.

Le coppie elettrone lacune generate fuori dalla giunzione, ma vicino ad esse, possono essere spinte dal campo elettrico allinterno della giunzione e risultare coppie utili alla generazione di corrente. Le coppie elettrone lacuna generate lontano dalla giunzione, si ricombinano prima di raggiungere la giunzione e non risultano quindi utili al processo di conversione. Si indichi con m il tempo di vita di una carica minoritaria, la carica per poter essere utile al processo di conversione deve raggiungere la giunzione in un tempo inferiore a m, il che corrisponde ad una lunghezza di diffusione pari a: Lm = D m m

(1.2.5.4)

Pertanto dal processo fotovoltaico di assorbimento dei fotoni, si viene a generare una corrente IPHO che se fatta circolare per un circuito esterno avr la direzione uscente dalla regione p ed entrante nella regione n.

17

1.2.6 La giunzione pn in polarizzazione diretta.

Per completare lo studio di una giunzione pn operante come cella fotovoltaica resta da analizzare il comportamento della giunzione con polarizzazione esterna applicata. Si consideri una giunzione pn polarizzata direttamente. EINT EEXT+ + +

++++++ ++++++ regione p ++++++ ++++++

-

--------------regione n ---------------

+ I

V

-

pn(xn) np(-xp) np(x) pn0 -xp xn pn(x)

Fig. 1.09 Distribuzione delle cariche minoritarie in una giunzione pn polarizzata direttamente e nellipotesi che la regione p sia fortemente drogata.

La concentrazione di cariche minoritarie ai lati della regione di svuotamento in condizione di polarizzazione diretta vale:

18

p n ( x n ) = p n 0 eV / VT = p n 0 eV (q / (k T ))

(1.2.6.1)

nota come legge della giunzione. La concentrazione delle lacune in eccesso, mostrata in figura 1.09, una funzione a decadimento esponenziale funzione della distanza data da: p n (x ) = p n0 + [ p n (xn ) pn0 ] e ( x xn ) / L p

(1.2.6.2)

dove LP una costante che determina la rapidit del decadimento esponenziale, ed chiamata lunghezza di diffusione delle lacune nella regione n. Pi piccola LP, e pi velocemente le lacune iniettate si ricombinano con gli elettroni maggioritari, dando come risultato un rapido decadimento della concentrazione delle cariche minoritarie. Infatti LP legata ad un altro parametro conosciuto con il nome di tempo di vita delle cariche minoritarie in eccesso P dalla relazione:L p = D p p

(1.2.6.3)

p diffusione lacune diffusione elettroni

n

Fig. 1.10 Verso della corrente di diffusione.

Le lacune che diffondono nella regione n, danno luogo alla corrente di lacuna, la cui densit valutata prima pu ora essere espressa nel seguente modo:

Jp = q

Dp Lp

p n 0 eV / VT 1 e

(

)

( x xn ) / L p

(1.2.6.4)

19

In x = xn la densit vale:

Jp = q

Dp Lp

p n 0 eV / VT 1

(

)

(1.2.6.5)

Analogamente per liniezione degli elettroni attraverso la giunzione nel lato p, si ricava la densit di corrente:

Jn = q

Dn n p 0 eV / VT 1 Ln

(

)

(1.2.6.6)

dove Ln la lunghezza di diffusione degli elettroni nella regione p. Essendo Jp e Jn nella stessa direzione le due componenti si sommano. Moltiplicando per larea A la corrente totale vale:

Dp Dp Dn V / VT Dn V / VT e e I = A q ni 2 1 1 = A q ni 2 + + L p N D Ln N A L p N D Ln N A

(

)

(

)

I0 che pu essere espressa come: qV I = I 0 e kT 1

(1.2.6.7)

Si noti che questa corrente ha il verso opposto della corrente generata dallassorbimento di un fotone IPHO.

20

La corrente in una cella fotovoltaica diventa pertanto esprimibile dalla seguente relazione: qV I 0 e kT 1

I PV _ CELL = I PHO

(1.2.6.8)

h n IPV_CELL

p

Fig. 1.11 Corrente nella cella PV.

Per poter quindi ottimizzare la fotocorrente bisogna: minimizzare le riflessioni dei fotoni incidenti con strati antiriflesso. minimizzare la corrente di saturazione inversa. minimizzare la perdite resistite della cella. massimizzare la lunghezza di diffusione dei portatori minoritari. massimizzare la larghezza della giunzione.

21

1.3 Tipi di celle fotovoltaiche.Il silicio un materiale adatto alla realizzazione delle celle fotovoltaiche avendo un energy gap di 1.12eV ed essendo il 75% della radiazione luminisa ad energia maggiore od uguale di tale valore. Inoltre, un materiale molto presente in natura di cui si conoscono bene, dallindustria microelettronica, i processi tecnologici di lavorazione, drogaggio e finitura. Pertanto la maggior parte di celle fotovoltaiche realizzate oggi giorno vengono realizzate in silicio. Le celle fotovoltaiche pi utilizzate al giorno doggi sono realizzate in siliciomonocristallino e sono quelle che hanno il rendimento pi elevato tra tutte le celle

disponibili in commercio . Il rendimento di una cella fotovoltaica pu essere espresso con la seguente relazione:

=

PMAX _ OUT R A

(1.3.1)

dove: PMAX_OUT la massima potenza elettrica ottenibile in uscita. R la radiazione incidente espressa in W/m2. A larea. Per le celle in silicio monocristallino, rendimenti medi sono tra il 12% e il 15%, con punte del 24%. Uno svantaggio di tale tecnologia lelevato costo di produzione del silicio puro. Con il metodo Czochralsky si produce un lingotto di silicio puro che viene poi tagliato a wafer del diametro di 10-12.5cm e dello spessore di 200m. Quindi dal processo produttivo si ottengono wafer rotondi, che devono essere ulteriormente lavorati per essere ben incastonati nella costruzione di un pannello fotovoltaico. Il taglio per dare una forma pi adatta allincapsulamento, comporta un ulteriore costo con la perdita di materiale utile. Una soluzione a tale problema pu essere lutilizzo di scarti provenienti dallindustria microelettronica. Tale industria necessita infatti delle concentrazioni di impurit pari a 10-8 - 10-9 contro i livelli di 10-5 10-6 richiesti dallindustria fotovoltaica.

22

Oltre alle celle in silicio monoscristallino, si trovano in commercio celle in siliciopolicristallino che hanno un costo di produzione inferiore alle precedenti, ma hanno un

rendimento medio pi basso compreso fra circa l 11% e il 14% con punte intorno al 15%. Oltre ad avere un costo di produzione inferiore, possibile ottenere dal processo produttivo lingotti ottogonali e quindi il taglio in wafer li rende gi adatti per linglobamento in pannelli con una utilizzazione ottimale dello spazio.

Un problema degli impianti fotovoltaici che si riscontrato e si riscontra tuttora limpatto ambientale visivo che tali impianti hanno. Lindustria architettonica, ha richiesto e richiede tuttora, pannelli fotovoltaici esteticamente pi belli e se possibile flessibili da essere utilizzati nella costruzione di edifici. Per far fronte a tali richieste, vengono realizzate celle fotovoltaiche a film sottile. Tali celle sono composte da strati di materiale semiconduttore, non sempre presente il silicio, depositati generalmente come miscela di gas su supporti a basso costo come vetro, polimero, alluminio che danno consistenza fisica alla cella. Una delle pi utilizzate celle a film sottile la cella in silicio amorfo. Lo spessore del film ottenuto di 4-5m contro i 300m delle celle in silicio cristallino con immediato beneficio di materiale attivo risparmiato. Il vantaggio quindi di ottenere pannelli fotovoltaici flessibili ed esteticamente pi gradevoli, ma il loro rendimento di molto inferiore ai pannelli fotovoltaici in silicio monocristallino. Per le celle in silicio amorfo si parla di rendimenti medi attorno al 5%-7%, con punte che non superano il 10%. Inoltre tali pannelli hanno un problema di stabilit. Dopo le prime 300-400 ore di lavoro perdono infatti circa il 10% dellefficienza dichiarata che gi bassa (effetto Staebler Wronski). Questo comporta difficolt di: a) Stabilire a priori le vere prestazioni dellimpianto realizzato e il degrado iniziale. b) Confrontare economicamente in termini di costi/prezzi dei moduli, espressi in watt, lamorfo con le altre scelte a pari potenza acquisita. Per contro il processo produttivo pu essere altamente automatizzato, con aumento di risparmio e aumento della velocit di produzione. Il prezzo commerciale resta comunque superiore proprio per laspetto estetico nonostante il processo produttivo sia pi economico.

23

Per far fronte ai bassi rendimenti delle celle a film sottile al silicio amorfo esistono celle fotovoltaiche al Cadmio- Tellurio (CdTe) che presentano un rendimento tipico del 10%. Il materiale un semiconduttore con caratteristiche vicine a quelle delle efficienti ma costose celle allarseniuro di gallio (GaAs), realizzate per le applicazioni spaziali. La tipica cella CdTe a 4 strati e 3 giunzioni. Per contro, il cadmio un elemento tossico e pertanto al termine del ciclo di vita , che seppur lungo prima o poi arriva, la cella deve essere opportunamente smaltita come rifiuto tossico con conseguente aumento dei costi. Per far fronte allutilizzo del cadmio, si sono realizzate celle CIS (Copper IndiumDiselenide). Tale tipo di cella, sviluppata per la prima volta nel 1974 nei laboratori Bell,

era assai attraente in quanto il materiale presenta una energy gap di 1eV, un ottimo coefficiente di assorbimento e un costo di preparazione notevolmente inferiore al silicio cristallino, senza lutilizzo di materiale tossico quale il cadmio e senza problemi di stabilit. Per contro, il rendimento sempre inferiore alle celle in silicio monocristallino ed arriva a valori tipici inferiori al 10%. La peculiarit che li rende attraenti il fatto di poter utilizzare substrati flessibili. Oggi giorno una tecnologia che sta avendo interesse sono le celle della famiglia III-V. Le celle fabbricate in strati di Al - In - P di superficie 1cm2 hanno ottenuto rendimenti attorno al 16% con fill factor (vedere il paragrafo successivo, FFideal=1) pari a 0.854.Tab 1.01 Tabella riassuntiva delle prestazioni delle celle fotovoltaiche.

+

Costi di produzione

Costo dei Materiali

Efficienza

Cristallino CdTe Amorfo CIS -

Amorfo Cristallino CdTe CIS

Cristallino CIS CdTe Amorfo

24

1.4 Caratteristica I-V di una cella fotovoltaica.Dalla fisica della cella fotovoltaica si ha che lequazione caratteristica I-V di una cella : qV I 0 e kT 1

I PV _ CELL = I PHO

(1.4.1)

In figura 1.12 rappresentata tale equazione.I ISC

VOC Fig. 1.12 Caratteristica I-V di una cella fotovoltaica.

V

Landamento illustrato mostra che le celle fotovoltaiche hanno un limite di tensione e un limite di corrente. Il limite di corrente dato dalla corrente di cortocircuito, ISC, che si ha quando V=0 e in tal caso vale:I SC = I PHO

(1.4.2)

Per ricavare il limite di tensione si ponga a zero la corrente I.

25

I = I PHOqV e kT

qV I 0 e kT 1 = 0 I PHO I0 kT I PHO q ln I 0

1 =

VOC =

kT I PHO + I 0 ln q I0

(1.4.3)

dove lultima approssimazione risulta valida essendo in pratica IPHO>>I0. Per dare una indicazione dei valori di potenza ottenibili da una cella fotovoltaica, si consideri che una cella fotovoltaica presenta ai suoi capi una tensione di circa 0.5V e in essa pu circolare una corrente, che dipende dalla superficie della cella, di circa 300A/m2 quando illuminata da una radiazione di 1000W/m2 alla temperatura di 25C.I [ A/m2] 300

0.6 Fig. 1.13 Esempio di caratteristica di una cella fotovoltaica.

V [V]

Tale caratteristica dipende ovviamente dalla radiazione incidente. Allaumentare della radiazione R [W/m2] incidente, aumenta la corrente prodotta e la tensione a vuoto della cella, con conseguente aumento della potenza disponibile in uscita.

26

I

R

V Fig. 1.14 Caratteristica I-V di una cella fotovoltaica al variare della radiazione incidente.

La caratteristica I-V dipende dalla temperatura a cui la cella opera.I

T TV Fig. 1.15 Caratteristica I-V di una cella fotovoltaica al variare della temperatura.

Allaumentare della temperatura, si registra una diminuzione della tensione a vuoto VOC e un aumento della corrente di cortocircuito. Valori indicativi delle variazioni sono:

27

dI SC A = 0 .1 dT CdVOC mV = 2 .2 dT C dPMAX = 0.5%C 1 dT

(1.4.4) (1.4.5) (1.4.6)

Allaumentare della temperatura, si registra pertanto una diminuzione della massima potenza estraibile dalla cella fotovoltaica. Si consideri per esempio una cella fovoltaica di A=1dm2 illuminata da una radiazione solare di 1000W/m2 . La cella produrr circa una corrente di 3A con una tensione di 0.5V per una potenza massima duscita pari a:P = V I = 0.5 3 = 1.5W

Questa comunque la massima potenza estraibile dalla cella, e per poterla estrarre, bisogna far lavorare la cella nel suo MPP (Maximum Power Point).I

Im

MPP

Vm Potenza massima estraibile dalla cella.

V

Fig. 1.16 MPP (Maximum Power Point) in una cella fotovoltaica.

28

Se la corrente nel punto di massima potenza vale Im e la tensione vale Vm allora la potenza massima vale:PMAX = Vm I m

(1.4.7)

che viene anche espressa come:PMAX = Vm I m = FF I SC VOC

(1.4.8)

dove ISC la corrente di cortocircuito, VOC la tensione a circuito aperto e FF (Fill Factor) un fattore di riempimento. Una cella con una resistenza interna elevata, ha un piccolo Fill Factor e quindi una bassa potenza massima disponibile. Un Fill Factor unitario implica una caratteristica I-V rettangolare.I

ISC

VOCFig. 1.17 - Caratteristica I-V con FF=1

V

Tipici Fill Factor vanno comunque da 0.5 a 0.82. A questo punto resta da rappresentare graficamente landamento della potenza in funzione della tensione ai capi della cella. Si esegua punto per punto il prodotto tensione corrente dalla caratteristica della cella. Landamento che si ottiene illustrato in figura 1.18.

29

P

V Fig. 1.18 Andamento della caratteristica P-V.

Allaumentare della temperatura la potenza massima disponibile in uscita diminuisce. Infatti le caratteristiche P-V al variare della temperatura diventano le seguenti:

P

TV Fig. 1.19 Andamento della caratteristica P-V al variare della temperatura.

Per ottenere una adeguata tensione duscita, le celle fotovoltaiche vengono connesse in serie in modo da formare un pannello con una tensione duscita adeguata. Tipicamente, i pannelli fotovoltaici forniscono in uscita una tensione di 12V o suoi multipli. Ovviamente la tensione di 12V dei moduli deve essere la tensione che il pannello presenta ai suoi capi in condizioni di irragiamento medio. Al massimo irragiamento tali pannelli fotovoltaici riescono a fornire anche tensioni di 16-18V.

30

Si consideri una tensione media di 0.5V per cella; un modulo da 12V verr realizzato con la connessione in serie di circa 33-36 celle elementari, con una superficie totale di circa mezzo metro quadrato, per una potenza massima di uscita che va dai 50 ai 70W. Se si desiderano potenze pi elevate, si connettono i moduli in serie e/o in parallelo a seconda della configurazione che si desidera. Nelle tabelle 1.01, 1.02 ed 1.03 sono riportate le caratteristiche di alcuni pannelli fotovoltaici commerciali.Tab. 1.02 - Esempio di Pannelli Fotovoltaici EVERGREENES-110-GL String Tecnologia Ribbon N Celle Pp Vp Ip VOC ISC Diodi bypass 72 110W 17V 6.47A 21.3V 7.48V si ES-115-GL String Ribbon 72 115W 17.1V 6.73A 21.3V 7.62V si ES-120-GL String Ribbon 72 120W 17.6V 6.82A 21.5V 7.68V si ES-170-RL String Ribbon 108 170W 25,3V 6,72A 32,4V 7,55A si ES-180-RL String Ribbon 108 180W 25,9V 6,95A 32,6V 7,78A si ES-190-RL String Ribbon 108 190W 26,7V 7,12A 32,8V 8,05A si

Tutti i dati elencati si intendono in condizioni standard: irraggiamento R=1000W/m2 e temperatura di 25C.

Legenda:

Pp = Potenza tipica duscita. Vp = Tensione duscita alla massima potenza. Ip = Corrente duscita alla massima potenza. VOC = Tensione in condizioni di circuito aperto. ISC = Corrente in condizioni di cortocircuito.

Fonte www.evergreensolar.com

31

Tab. 1.03 - Esempio di Pannelli Fotovoltaici SHARPNE - L5E2E Tecnologia N Celle Pp Vp Ip VOC ISC Efficienza Cella Efficienza modulo Diodi bypass poli 54 in serie 125W 26V 4,8A 32,3V 5,46A 14.70% 13.30% si NE - Q5E2E poli 72 in serie 165W 34.6V 4.77A 43.1V 5,46A 14,60% 12,70% si NT-175E1 mono 72 in serie 175W 35,40% 4,95A 44.4V 5,40A 16,40% 13,50% si NU - SOE3E NT - S5E3E mono 48 in serie* 180W 23,7V 7,6A 30V 8,37A 15,70% 13,70% si mono 72 in serie 185W 36,21V 5.11A 44.9V 5.75A 17,10% 14,20% si


Legenda:


Fonte www.sharp.com

32

Tab. 1.04 - Esempio di Pannelli Fotovoltaici HELIOS TECNOLOGYH1500 110W Tecnologia N Celle Pp Vp Ip VOC ISC Diodi bypass mono 36 in serie 110W 17V 6.47A 21V 7.22A si H1500 125W mono 36 in serie 125W 17V 7.36A 21V 8.20A si H1540 130W mono 40 in serie 130W 17.39V 7.48A 22.6V 8.20A si H1540 135W mono 40 in serie 135W 17.40V 7.76A 22,70V 8.45A si H1540 140W mono 40 in serie 140W 17.73V 7.90A 23V 8.65A si


Legenda:


Fonte www.heliostecnology.com

33

1.5 Introduzione agli impianti fotovoltaici.I sistemi fotovoltaici forniscono in uscita una tensione e corrente costanti, mentre i sistemi di alimentazioni da rete sono in tensione alternata monofase sinusoidale di valore efficace 230V e frequenza 50Hz. Pertanto, il sistema di alimentazione fotovoltaico necessita di essere connesso ad un dispositivo in grado di convertire la potenza elettrica continua fornita dai pannelli solari nella potenza elettrica alternata richiesta. Il dispositivo che si occupa della conversione DC/AC si chiama inverter. Esistono varie topologie di collegamento dellinverter allimpianto fotovoltaico. Una prima topologia consiste nellutilizzare uninverter centralizzato. Una serie di stringhe di

pannelli fotovoltaici vengono connesse in parallelo tra loro per fornire la potenza DC necessaria. Alluscita sar presente un unico inverter che operer la trasformazione da tensione/corrente continua in tensione/corrente alternata desiderata. Questa topologia viene utilizzata per potenze duscita superiori a 10kW e linverter ha una elevata efficienza ed un costo contenuto. Lo svantaggio di questo tipo di connessione consiste nel fatto che linverter controlla tutto il campoFig. 1.20 Inverter centralizzato per P>10kW

fotovoltaico e il suo blocco comporta il blocco dellintero sistema di alimentazione. Inoltre linverter pu ottenere dal campo fotovoltaico solamente lMPP dellintero campo e non lMPP di ogni singola stringa o ancora meglio di ogni singolo pannello.

34

Per applicazioni nel campo domestico 3kW 10kW la soluzione maggiormente utilizzata risulta

quella di collegare pi stringhe in parallelo tra loro ma ogni stringa ha il suo inverter chiamato ancheinverter di stringa.

Questa topologia ha il vantaggio di poter ottenere il punto di massima potenza MPP di ogni singola stringa e non solo lMPP dellintero campo fotovoltaico con incremento quindi delle prestazioni. Linverter di stringa sta diventando latopologia standard nei sistemi grid connected. Una alternativa a questa topologia, che ha gli

stessi vantaggi, consiste nellutilizzare un unicoFig. 1.21 Inverter di stringa per 3kW V V I < I V V

nell' MPP.

a sinistra dell' MPP.

(4.4.2.4)

a destra dell' MPP.

La direzione di perturbazione successiva, ottenuta sommando o sottraendo un valore di riferimento VINC, ricavata dal semplice confronto tra la conduttanza istantanea I/V e la conduttanza incrementale I/V. In caso di variazioni rapide delle condizioni atmosferiche lalgoritmo insegue bene il punto di massima potenza, a differenza del metodo P&O. Per, la sua implementazione richiede una capacit elaborativi superiore realizzabile con un DSP. Nelle applicazioni grid-connected questo ultimo aspetto non risulta problematico in quanto i sistemi di controllo degli stadi DC/AC vengono realizzati con DSP. Pertanto, tale algoritmo sembra preferibile al precedente. Si riporta, di seguito, il diagramma di flusso relativo al funzionamento dellalgoritmo sopra descritto.

194

START

Misurare v(n), i(n)

No

v = 0

S

S

I/V = - I/V

I = 0

S

NoI/V > - I/V

NoI > 0

S

No

No

S

VREF = VREF + VINC

VREF = VREF - VINC

VREF = VREF - VINC

VREF = VREF + VINC

RETURN

Fig. 4.60 Flow Chart dellalgoritmo ICT (Incremental Conductance)

195

4.4.3 MPPT Costant Voltage (CV).

Il metodo CV si basa sullesistenza di una relazione di proporzionalit tra la tensione a vuoto del campo fotovoltaico e la tensione nel punto di massima potenza Vm. Tale relazione espressa da: Vm = k1 VOC dove k1 ha valori compresi tra 0.71 e 0.78. Dopo una determinazione sperimentale della costante k1, fatta sul campo fotovoltaico, lalgoritmo imposta momentaneamente a zero la corrente della stringa fotovoltaica e misura la tensione a vuoto. A questo punto, il controllore MPPT imposter i parametri di controllo del convertitore DC/DC in modo che la tensione nel punto di lavoro sia il 71%-78% del valore misurato. (4.4.3.1)

START

Misurare VOC

Vm = k1 VOC

Imposto

RETURN

Fig. 4.61 Flow Chart dellalgoritmo CV (Costant Voltage)

196

Questo algoritmo non sembra idoneo ad applicazioni fotovoltaiche grid-connected. La costante k1 deve essere determinata per ogni campo fotovoltaico e il suo valore inevitabilmente cambia nel tempo. Quindi, si realizzerebbe un sistema in cui il punto di lavoro non sarebbe il punto di massima potenza, ma una sua stima con conseguente perdita di potenza utile.

197

4.4.4 MPPT Short Circuit Current (SC).

Il metodo SC si basa sul fatto che esiste una relazione di proporzionalit tra la corrente nel punto di massima potenza Im e la corrente di cortocircuito del campo fotovoltaico, ovvero: I m = k 2 I SC (4.4.4.1)

dove k2 ha valori compresi tra 0.78 e 0.92 e viene determinata con metodi sperimentali. Lalgoritmo misura la corrente di cortocircuito e imposta i parametri del convertitore in modo tale che la corrente fornita dal campo fotovoltaico sia pari a Im. Il grosso limite di questo metodo, sta nel dover rilevare la corrente di cortocircuito ISC durante il funzionamento del sistema e per questo motivo non quasi mai usato nella pratica.

START

Misurare ISC

Im = k2 ISC

Imposto

RETURN

Fig. 4.62 Flow Chart dell algoritmo SC (Short Circuit Current).

198

199

Conclusioni.Gli inverter fotovoltaici presenti attualmente in commercio sono riconducibili a tre topologie costruttive: 1) Inverter con trasformatore a frequenza di rete. 2) Inverter con trasformatore ad alta frequenza. 3) Inverter senza trasformatore. In alcuni Stati le normative impongono lisolamento galvanico o il dual grounding che si traduce nella necessit di una struttura dotata di un trasformatore disolamento. Per questo motivo, attualmente, le topologie isolate sono quelle maggiormente utilizzate. Lingresso dellinverter solitamente predisposto per collegare pi stringhe distinte, ma nella maggior parte dei casi vengono connesse in parallelo allinterno dellinverter stesso e quindi collegate ad un unico circuito MPPT, pertanto, non si in presenza di una reale gestione multistringa e gli inverter vengono cos definiti centrali. Recentemente sono stati immessi sul mercato i primi inverter multistringa realizzati con uno stadio MPPT per ogni stringa e un convertitore DC/AC che processa la totale potenza DC dingresso, aumentando quindi le prestazioni globali del sistema. Attualmente non esiste una norma di prodotto per gli inverter fotovoltaici, ma ogni Paese e ogni rete elettrica ha la propria legislazione. Un inverter deve rispettare le direttive emanate dalle compagnie elettriche del Paese nel quale viene commercializzato e attenersi a tutte le norme di apparecchiatura elettronica di potenza vigenti. In ogni caso gli enti internazionali IEEE ed IEC stanno lavorando per lemanazione di standard. Nel 2000 la IEEE ha pubblicato : Standard 929 IEEE Reccomended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) System up to 10kW e nel 2004: IEEE 1547 IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems. La IEC ha in fase di elaborazione le seguenti norme: a) IEC 61727: Characteristics of Utility Interface for Photovoltaic (PV) Systems. Aggiornamento della IEC 61727 (1995-06) Characteristic of Utility Interface. b) IEC 62109: Safety of Power Converters for Use in Photovoltaic Power Systems Part 1 General Requirements.

200

c) IEC 60364-7-712 Electrical Installations of Buildings Part 7 - 712 : Requirements for Special Installations or Locations Solar Photovoltaic (PV) Power Supply Systems.

Dalle analisi effettuate si ricava che la struttura tipica, sia per le soluzioni centrali che per quelle multistringa, una configurazione a due stadi realizzata con uno stadio DC/DC innalzatore, che svolge anche la funzione di MPPT, e uno stadio DC/AC che inietta potenza in rete nel rispetto delle normative vigenti. I due stadi sono collegati per mezzo di un bus o DC link sul quale si trova lelemento di accumulo, capacitivo o induttivo e dove la tensione del bus mantenuta costante dal sistema di controllo dellinverter. Unanalisi pi approffondita merita la configurazione GCC proposta in letteratura in quanto si presta a ridurre e/o risolvere i problemi legati allombreggiamento parziale delle stringhe, ma attualmente non risulta ancora applicata ad inverter fotovoltaici gridconnected di potenze dellordine del kW.

201

Bibliografia.Riviste e testi sul settore fotovoltaico. [1] Photovoltaic fundamentals Garry Cook, Lynn Billman and Rick Adcock.

[2]

Francesco Groppi , Carlo Zuccaio Impianti Solari a fotovoltaici a norme CEI Editoriale Delfino.

[3]

PHOTON International The Photovoltaic Magazine, April 2006.

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PHOTON International The Photovoltaic Magazine, July 2006.

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PHOTON International The Photovoltaic Magazine, October 2006.

Normative.

[6]

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[7]

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[8]

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