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Sistemi fotovoltaici basati sull'energia solare

Sistemi fotovoltaici basati sull'energia solare

I sistemi fotovoltaici utilizzano l'energia solare per produrre l'energia elettrica. La conversione dell'energia solare in energia elettrica viene denominata effetto fotovoltaico.

I sistemi fotovoltaici basati sull'energia solare sono la tecnologia del futuro.

L'atomo di silicio possiede 14 elettroni di cui 4 di valenza; in un cristallo di silicio puro ciascun atomo è legato in modo covalente con altri 4 atomi: ogni elettrone di valenza si lega con un altro elettrone di valenza.
Il passaggio dalla banda di valenza a quella di conduzione avviene trasmettendo all'elettrone una opportuna quantità di energia. In tale passaggio l'elettrone si lascia dietro una buca detta “ lacuna” che può venire occupata da un altro elettrone. Il movimento degli elettroni comporta così anche quello delle lacune.

La conversione dell'energia solare in energia elettrica avviene sfruttando l'effetto indotto da un flusso luminoso che incide su un materiale semiconduttore “ drogato “. Ogni fotone dotato di energia sufficiente, sulla base della relazione E = h • λ, con h costante di Plank e λ lunghezza d'onda della radiazione, è in grado di liberare all'interno della giunzione P-N una coppia elettrone lacuna. Utilizzando come semiconduttore il silicio, l'energia minima necessaria a liberare una coppia elettrone – lacuna corrisponde ad una lunghezza d'onda massima della radiazione luminosa di 1.15µm.

Tuttavia, al diminuire della lunghezza d'onda, ai fotoni risulta associata una energia sempre maggiore ed in eccesso rispetto a quella richiesta per liberare la coppia elettrone-lacuna. Ne consegue che la percentuale di energia solare che teoricamente è possibile convertire in energia elettrica non supera il 44%, il restante 56% viene convertito in calore.

I principali semiconduttori utilizzati nei sistemi fotovoltaici sono:
- Silicio (Si);
- Germanio (Ge)
- Arseniuro di Gallio (GaAs)
- Solfuro di Cadmio (CdS)
- Solfuro di Rame (Cu2S)
- Celle a giunzione multipla (Tandem)

Circuito equivalente di una cella fotovoltaica

Il rendimento delle celle fotovoltaiche in silicio, anche nelle prove di laboratorio, è molto distante dal 44% teorico in quanto intervengono ulteriori inefficienze:
1 Non tutti i fotoni incidenti sulla cella fotovoltaica penetrano all'interno, alcuni sono riflessi ed altri intercettati dall'elettrodo frontale (resistenza Rs – vedi disegno)
2 Alcune coppie elettroni-lacune si ricombinano prima che queste possano essere separate dal campo elettrico interno alla giunzione (grado di purezza del silicio)
3 Parte dell'energia potenziale ceduta alla cella risulta insufficiente per liberare la coppia elettrone – lacuna (diodo – vedi disegno)
Sotto viene riportato un circuito equivalente ad una cella fotovoltaica.

 

 

Circuito cella fotovoltaica

 

Nella figure sottostanti vengono illustrati i grafici relativi alle caratteristiche tensione corrente, alla caratteristica elettrica in funzione della temperatura, alla caratteristica elettrica in funzione della radiazione solare e alla caratteristica I-V/andamento di potenza di una cella solare.

Caratteristica tensione corrente di una cella solare

 

I-V in funzione della temperatura solare

 

I-V in funzione della radiazione solare

 

I-V cella solare potenza

Tipologie di celle fotovoltaiche

La maggior parte delle celle fotovoltaiche attualmente in commercio è costituita da semiconduttori in silicio per i seguenti motivi:

• Disponibilità pressoché illimitata (risorse del pianeta)

• • Largo utilizzo nell’industria elettronica (processi tecnologici di raffinazione,
lavorazione e drogaggio ben affinati)

• • • Possibilità di riciclare gli scarti dell’industria elettronica in quanto l’industria
fotovoltaica tollera concentrazioni di impurità tipicamente di 10-5÷10-6 (contro i valori di 10-8 ÷ 10-9 relativi all’industria elettronica)

Qui di seguito elenchiamo i vari tipi di celle al silicio attualmente in commercio.

Celle al silicio monocristallino (µ ≈ 13,5%)

• Gemmazione e crescita cristallina - Il silicio a cristallo singolo è ottenuto da un processo detto melting a partire da cristalli di silicio di elevata purezza che, una volta fusi, vengono fatti solidificare a contatto con un seme di cristallo. Il silicio solidifica nella forma di un lingotto cilindrico costituito da un unico cristallo del diametro di 13 ÷20cm e lunghezza di circa 200cm;

• • Taglio – Il lingotto viene “affettato” con particolari seghe in wafers con spessore di 250 ÷350μm (spinto sfruttamento del lingotto contro un’estrema fragilità dei wafers)

Celle al silicio policristallino (µ ≈ 9.0%)
• Forma - Il silicio policristallino è caratterizzato dalla presenza di più cristalli aggregati fra di loro con forme, dimensioni ed orientamenti differenti;

• • Costi contenuti – (rispetto al silicio monocristallino)

Celle al silicio amorfo (µ ≈ 6.0%)

• Forma – Il semiconduttore, sotto forma di gas, è depositato in strati dell’ordine di
10μm su qualsiasi superficie (tecnica dei film sottili);

• • Instabilità delle prestazioni elettriche – (Non c'è una risposta chiara al
momento)

• • • Tecnica della giunzione multipla – Con il drogaggio differente di vari strati di silicio collegati in serie si ottengono celle con diverse sensibilità allo spettro solare. Il risultato si traduce in un maggior rendimento e resa energetica;

• • • • Costi contenuti – (rispetto al silicio policristallino) La connessione elettrica fra celle fotovoltaiche è ottenuta per mezzo di due contatti metallici, uno sulla faccia esposta e l'altro su quella opposta, normalmente ottenuti per evaporazione sottovuoto di metalli a bassissima resistenza elettrica ed effettuando successivi trattamenti termici al fine di assicurarne la necessaria aderenza alla superficie della cella. Mentre la metallizzazione posteriore copre tutta la faccia, quella frontale esposta alla luce deve avere una configurazione geometrica tale da consentire un buon compromesso tra trasparenza alla radiazione incidente e massima raccolta degli elettroni liberi nel processo di conversione.

La connessione Sistemi Fotovoltaici

Un sistema fotovoltaico è costituito da molte celle fotovoltaiche tra loro collegate in
moduli o pannelli.

Ogni singola cella fotovoltaica è di piccole dimensioni e produce tipicamente una potenza, tra 1 e 3 watts e 0,5Volts, alle condizioni di test standard (STC) di 1000W/m².
Per ottenere una potenza ed un voltaggio maggiori è necessario collegare diverse celle tra di loro per formare delle unità più grandi chiamate moduli. I moduli, a loro volta, possono essere collegati per formare dei pannelli anche chiamati campi fotovoltaici, che producono la potenza richiesta dall’applicazione.

Il dimensionamento di un intero sistema fotovoltaico si chiama “bilanciamento del sistema” (BOS) attraverso il quale si studia la migliore configurazione dell’impianto in base al carico. Fanno parte integrante del bilanciamento del sistema una serie di componenti quali: regolatori di carica, inverters, batterie per immagazzinare l’elettricità,
cavi, ecc…
Il sistema fotovoltaico è quindi un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che concorrono a captare e trasformare l'energia solare disponibile, rendendola utilizzabile dall'utenza in energia elettrica.

La struttura di un sistema fotovoltaico può essere molto varia. Dal punto di vista delle strutture di sostegno dei moduli, si parla di:

• Sistemi ad inclinazione fissa - (struttura portante fissa)

• • Sistemi ad inseguimento attivi - single/double axis tracking systems (caratterizzati da motori passo e elettronica di controllo)

• • • Sistemi ad inseguimento passivi – (principio di funzionamento basato sulla differenza di pressione che si forma in due cilindri, contenenti ciascuno particolari sostanze es. freon e olio)
Dal punto di vista elettrico si dividono in:

• Sistemi isolati o “stand alone”

• • Sistemi connessi in rete “grid connected”

Il campo fotovoltaico

Il campo fotovoltaico è un insieme di moduli fotovoltaici opportunamente collegati in serie ed in parallelo per realizzare le condizioni operative desiderate. Nella fase di progettazione di un campo fotovoltaico devono essere effettuate alcune scelte che ne condizionano il funzionamento:

• Configurazione serie-parallelo dei moduli del campo (effetto di mismatch dovuto alla disomogeneità delle loro caratteristiche elettriche es.: in una serie di moduli la corrente è limitata dal modulo che eroga la corrente più bassa; in un parallelo la tensione è limitata dal modulo che eroga la tensione più bassa)

• • Scelta della tensione di esercizio

• • • Scelta della strutture di sostegno

• • • • Distanza minima tra le file dei pannelli per non avere ombreggiamento
Sotto c'è lo schema di un campo fotovoltaico.

 

Campo fotovoltaico

Repost: 14 Ott 2008

 

 

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ritratto di cabeza

energia solare

Il sole trasmette sulla terra 1367 watt/m². L'energia solare può essere utilizzata per generare calore o elettricità.

ritratto di impianti fotovoltaici

interessante calcolo.

interessante calcolo.

ritratto di @Facebook

gran kosa !!!!!! Leo Rocca

gran kosa !!!!!!

Leo Rocca @Facebook

ritratto di @Facebook

Incomprensibile come venga

Incomprensibile come venga sfruttata pochissimo in Italia rispetto p.es. alla Germania nonostante di energia dal sole ne riceviamo molta di più noi.

Gianpaolo Pedrazza @Facebook

ritratto di @Facebook

L'utilizzo dell'energia

L'utilizzo dell'energia solare potrebbe salvarci dalla penuria di energia elettrica italiana e dal grande costo per importarla dagli altri paesi Europei ed extraeuropei;
potrebbe essere la vera alternativa al nucleare;
potrebbe dare tanti posti di lavoro soprattutto ai meridionali che vivono in una terra piena di sole. Ma non c'è l'appoggio dei politici e questa grande energia solare non sarà mai utilizzata come dovrebbe!

Maria Rosa Malizia @Facebook

ritratto di @Facebook

quello che non capisco e che

quello che non capisco e che e' un'innovazione stupefacente in tutti i campi pero' non si sfrutta come fonte di energia basilare,anzi viene usata come investimento speculativo!!!!!

Enrico Maccioni @Facebook

 

 

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