Pag. 1 I SISTEMI FOTOVOLTAICI LA RADIAZIONE SOLARE Strumenti per la progettazione PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Leffetto fotovoltaico Celle e moduli Il generatore

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I SISTEMI FOTOVOLTAICILA RADIAZIONE SOLARE• Strumenti per la progettazionePRINCIPI DI FUNZIONAMENTO• L’effetto fotovoltaico• Celle e moduli• Il generatore fotovoltaico• Il BOSAPPLICAZIONI• Sistemi isolati• Sistemi connessi in rete

1

2

3

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1 LA RADIAZIONE SOLARERadiazione Solare l’energia elettromagnetica emessa dai

processi di fusione dell’idrogeno contenuto nel sole.Densità di Potenza radiazione solare per unità di tempo e

di superficie.• Fuori l’atmosfera terrestre la potenza incidente su di una superficie unitaria, perpendicolare ai raggi solari, assume un valore di circa 1360W/m² (variabilità del ±3% dovuta all’ellitticità dell’orbita terrestre), questo valore prende il nome di Costante Solare• Sulla superficie terrestre, a livello del mare, in condizioni meteorologiche ottimali e sole a mezzogiorno, la densità di potenza è di circa 1000W/m²

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1 LA RADIAZIONE SOLAREPer quantificare la diversa entità della radiazione, in funzione

della posizione del sole, si fa spesso riferimento al concetto di:

Air Mass ‘AM’ Rapporto tra la lunghezza del percorso effettivo dei raggi solari e la lunghezza del loro percorso più breve AM = 1 / sin(h) dove h è l’angolo di zenit;

Air Mass One ‘AM1’ condizione di AM in condizioni di atmosfera standard, valutato sulla superficie terrestre e misurato al livello del mare;

Air Mass Zero ‘AM0’ condizione di AM fuori l’atmosfera.

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1. LA RADIAZIONE SOLARE

Costante solare 1360 W/m2

Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic1300

1320

1340

1360

1380

1400 RADIAZIONE EXTRA ATMOSFERICA - [W/m2]

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1. LA RADIAZIONE SOLARE

Air Mass AM = 1/sin(h)

~ 100 km

hAM = 1/sen(h)

AM = AM1 = 1

AM = AM0 = 0

Orizzonte locale

Superficie Terrestre

Limite sup. dell'atmosfera assorbente

Angolo di zenit

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1. LA RADIAZIONE SOLARESpettro della radiazione solare

400

800

1200

1800

00,5 1,0 1,5 2,0 2,50,3 [µm]

[W/m²]

DE

NS

ITA

' SP

ET

TR

AL

E D

I PO

TE

NZ

A

LUNGHEZZA D'ONDA

RADIAZIONE VISIBILE DALL'OCCHIO UMANO

1350 W/m² (AM0)

1000 W/m² (AM1)

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1 LA RADIAZIONE SOLARELa radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre si

distingue in:(1) diretta(2) diffusa(3) riflessa

Le proporzioni di radiazione (1), (2) e (3) ricevuta da una superficie dipendono da:(a) condizioni meteorologiche(b) inclinazione della superficie(c) presenza di superfici riflettenti

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1 LA RADIAZIONE SOLAREL’intensità della radiazione solare incidente su una superficie

al suolo è influenzata dall’angolo di inclinazione della radiazione stessa: più piccolo è l’angolo che i raggi del sole formano con una superficie orizzontale maggiore è lo spessore di atmosfera che essi devono attraversare

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1 LA RADIAZIONE SOLARE

Dicembre

Giugno

Settembre / Marzo

Greenwich

Equatore

Latitudine

Longitudine

Declinazione

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1. LA RADIAZIONE SOLAREConfronto fra la radiazione solare giornaliera media incidente su

superfici con differenti angoli di inclinazione ed orientate a Sud (azimut ). Località con latitudine Nord e cielo sereno

Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic

Verticale

60°

Orizzontale

30°

30°

0

5

10

15

20

[MJ/m2/giorno]

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1. LA RADIAZIONE SOLAREAndamento della radiazione solare giornaliera media annua

al variare dell’inclinazione della superficie captante, orientata a Sud. Località con latitudine 43,68° Nord

03800

3900

4000

4100

4200

4300

10 20 30 40 50 [gradi]

[Wh/m2]

max

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1. LA RADIAZIONE SOLAREProfilo dei percorsi solari e della linea d’orizzonte

Latitudine = 41°38’ – Longitudine 14°20’

Azimut [gradi]

Dec

linaz

ione

[gra

di]

(1): 22 giugno (2): 22 mag. – 23 lug. (3): 20 apr. – 23 ago. (4): 20 mar. – 23 sett. (5): 21 feb. – 23 ott. (6): 19 gen. – 22 nov. (7): 22 dicembre

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1. LA RADIAZIONE SOLAREDati della Radiazione Solare

La radiazione solare su una superficie inclinata può essere determinata mediante:• Mappe isoradiative (generalmente non permettono di distinguere le componenti della radiazione diretta e diffusa) pubblicate da vari organismi• Valori tabellati per ciascuna località (Servizio Meteorologico Nazionale)• Metodi di calcolo sperimentali (Norme UNI 10349 – UNI 8477, metodo di Liu e Jordan, ecc.)

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1. LA RADIAZIONE SOLAREAngoli di inclinaz. e di orientaz. di una superficie

Sud

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1. LA RADIAZIONE SOLAREMetodo di calcolo sperimentale dell’irraggiamento su una

superficie orizzontale (Norma UNI 10349) (1) Noti, per le principali città, i valori della irradiazione giornaliera

media mensile [MJ/m²], sul piano orizzontale, nelle componenti diretta e diffusa si risale al valore dell’irradiazione per un generico sito:• Si identificano due località di riferimento• Si calcola il valore dell’irradiazione come media ponderale dei valori delle due località di riferimento pesate rispetto alla latitudine, secondo la relazione:

1r1r2r

1r2r1r

HHHH

1r1r

2r1r

//

H/H/H

con:

Irradiazione e latitudine rispettivamente di calcolo e delle località di riferimento

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1. LA RADIAZIONE SOLAREMetodo di calcolo sperimentale dell’irraggiamento su una superficie

comunque inclinata ed orientata (UNI 8477)

(2) Definita una superficie con una sua inclinazione ed orientazione , l’irraggiamento giornaliero medio H, su base mensile, viene espresso in rapporto R al valore corrispondente medio Hh sul piano orizzontale:

0hTh HKRHRH Essendo Hh0 il valore medio mensile dell’irraggiamento

solare orizzontale extratmosferico - valore tabellato

2

cos1

2

cos1

H

HR

H

H1R

h

db

h

d

bR

con:Valore medio mensile del rapporto tra l’irraggiamento diretto

sulla superficie e quello sull’orizzontale

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comunque inclinata ed orientata (UNI 8477)

dH

con:

Irraggiamento solare diffuso [MJ/m²] o [kWh/ m²]

hH

h

d

H

H

Irraggiamento solare globale orizzontale [MJ/m²] o [kWh/ m²] valore tabellatoFrazione diffusa del soleggiamento

Riflettanza dell’ambiente circostante [0,04 - 0,75] (relativamente a strade sterrate e neve fresca con film di ghiaccio) – valore tabellato

In mancanza di dati climatici diretti il rapporto Hd/Hh è calcolato facendo uso della correlazione con il coefficiente KT

0h

hT

H

HK Indice di soleggiamento reale

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comunque inclinata ed orientata (UNI 8477) - Calcolo di Rb

bh

bb

H

HR Indice di soleggiamento reale

Il coefficiente Rb si ricava a partire dai valori di Hb e Hbh che rappresentano rispettivamente il valore dell’irraggiamento solare diretto con e senza ostruzioni:

'cos''cosV'sen''senU'''180

TGH 0b

sensencosV

cossensencoscoscosU

cossencoscossensenT

con:

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Declinazione media mensile – angolo che la retta tracciata dal centro della terra al sole forma con il piano equatoriale – valori medi tabellati in funzione della latitudine

shsh0bh senU180

TG2H

0GCostante solare – radianza su una superficie extratmosferica perpendicolare ai raggi solari - pari a 1353 W/m2

con:

0V

coscosU

sensenT

h

h

h

Coefficienti T, U e V valutati sul piano orizzontale ( = 0)

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Angoli orari ’ e ’’ rispettivamente dell’apparire e dello scomparire del sole per la superficie esposta; essi dipendono dalla giacitura della superficie e da eventuali ostruzioni;

con: '''

s Per un piano orizzontale, in assenza di ostruzioni, gli angoli orari ’ e ’’ coincidono rispettivamente con -s e s (angolo orario del sorgere e del tramonto astronomico).

Angolo orario (tiene conto della rotazione della terra attorno al proprio asse), il suo valore ( ) può essere ricavato dall’espressione ts dove ts, compresa tra 0 e 24, è l’ora legale;

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1. LA RADIAZIONE SOLAREESEMPIO 1

Calcolo dell’energia solare annua, su base media mensile, captata da una superficie s=10m2 caratterizzata da:

• Inclinazione =50°• Azimut =10°• Assenza di fenomeni di ombreggiamento (’=-s e ’’=s) • Riflettanza =0,20

Posta in una località priva di ombreggiamenti di Cassino (lat. =41°38’)

Energia solare annua = 12

1(Irraggiamento medio mensile)· sup.

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2

cos1

2

cos1

H

HR

H

H1R mese

h

db

h

d

mese

mese

mese

mese

mese

mese

snHRE12

1mesegiornihanno

mesemesemese

mese

mese

h

d

H

HmeseTK

1H

HR

mese

mese

mese

bh

bb


Rapporto riportato nel Prospetto II della norma UNI 8477 in funzione dell’indice di soleggiamento

Valore unitario in quanto abbiamo ipotizzato l’assenza di fenomeni di ombreggiamento

mese?

?

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Calcolo dell’irraggiamento globale orizzontale giornaliero medio mensile [kWh/(m2· giorno)]:

Dall’appendice B della UNI 8477 si evincono i valori di Hh relativi a diverse località italiane. E’ possibile valutare l’irraggiamento giornaliero medio mensile per la latitudine in esame (Cassino 41°38’) interpolando i valori di due stazioni meteorologiche prossime alla lat. 41°38’

Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre41°48' 1,78 2,45 3,72 5,2 6,64 7,24 7,41 6,44 4,87 3,27 1,94 1,4741°32' 1,75 2,63 3,79 5,34 6,39 6,85 7,24 6,41 4,86 3,35 2,06 1,541°38' 1,76 2,56 3,76 5,29 6,48 7,00 7,30 6,42 4,86 3,32 2,02 1,49

Mesi

Foggia AmendolaCassino

Roma Ciampino

LatitudineLocalità

mesehH

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Calcolo dell’indice di soleggiamento reale KT:

Calcolati, per ciascun mese, i valori dell’irraggiamento Hh giornaliero medio mensile e noti dal Prospetto I i valori medi mensili dell’irraggiamento solare orizzontale extr'atmosferico Hh0 per le latitudini 41° e 42°, si ottengono per interpolazione i valori di Hh0 [kWh/(m2· giorno)] per la latitudine 41°38’

mese

mese

mese

0h

hT

H

HK

Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre42° 3,84 5,33 7,29 9,37 10,87 11,49 11,16 9,93 8,03 5,9 4,19 3,4441° 4,01 5,49 7,42 9,44 10,89 11,48 11,17 9,99 8,14 6,05 4,35 3,61

41°38' 3,95 5,43 7,37 9,41 10,88 11,48 11,17 9,97 8,10 5,99 4,29 3,55

LatitudineMesi

Calcolato l’indice KT, dal Prospetto II si evince il valore di Hdmese/ Hhmese :

Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre DicembreKT 0,45 0,47 0,51 0,56 0,60 0,61 0,65 0,64 0,60 0,55 0,47 0,42

Hd/Hh 0,44 0,42 0,39 0,34 0,3 0,29 0,25 0,26 0,3 0,35 0,42 0,47

Mesi

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snHRE12

1mesegiornihanno

mesemesemese

2

cos1

2

cos1

H

HR

H

H1R mese

h

db

h

d

mese

mese

mese

mese

mese

mese


s31HR30HR28HR31HRE dicdicnovnovfebfebgengen hhhhanno

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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO

La Conversione FotovoltaicaLa conversione diretta dell’energia solare in energia

elettrica, utilizza il fenomeno fisico dell’interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nei materiali semiconduttori, denominato Effetto Fotovoltaico

Caratteristiche elettriche di un semiconduttore

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La Conversione Fotovoltaica

Silicio

Silicio

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.

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 quattro atomi: ogni elettrone di valenza si lega con un elettrone di valenza di un altro atomo.

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Fosforo

Silicio

Elettrone debolmente legato

Donatore

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Silicio

Boro

Lacuna

Accettore

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Mat

eria

le P

Mat

eria

le N

Boro

Fosforo

Fosforo Fosforo

Silicio

Silicio

Silicio

Silicio

SilicioSilicio

Boro Boro

Giunzione

Regione disvuotamento

Boro

FosforoSilicio Silicio

SilicioSilicio

+

-Densitàdi carica

Dist

anza

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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTOLa conversione dell’energia solare in energia elettrica avviene

sfruttando l’effetto indotto da un flusso luminoso che incide su un materiale semiconduttore ‘drogato’

Ogni fotone dotato di energia sufficiente, sulla base della relazione E = h , con h costante di Plank ed lunghezza d’onda della radiazione, è in grado di liberare all’interno della giunzione P-N una coppia elettrone – lacuna.

Utilizzando come semiconduttore il silicio, l’energia minima necessaria a liberare una coppia elettrone – lacuna corrisponde ad una lunghezza d’onda massima della radiazione luminosa di 1.15m.

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400

800

1200

1800

00,5 1,0 1,5 2,0 2,50,3 [µm]

[W/m²]

DEN

SITA

' SPE

TTR

ALE

DI P

OTE

NZA

LUNGHEZZA D'ONDA

Radiazione con contenutoenergetico sufficiente a liberareuna coppia elettrone - lacuna

1350 W/m² (AM0)

1000 W/m² (AM1)

75%

Frazione dello spettro della radiazionesolare potenzialmente convertibile in energiaelettrica per un semiconduttore al silicio

1.15

Tuttavia al diminuire della lunghezza d’onda, ai fotoni risulta associata un energia sempre maggiore ed in eccesso rispetto a quella richiesta per liberare la coppia elettrone - lacuna La percentuale di energia solare

che teoricamente possibile convertire in energia elettrica non

supera il 44%

La rimanente parte, pari al

56%, è trasformato in calore

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I principali semiconduttori utilizzati sono:

• Silicio (Si)

• Germanio (Ge)

• Arseniuro di Gallio (GaAs)

• Solfuro di Cadmio (CdS)

• Solfuro di Rame (Cu2S)

• Celle a giunzione multipla (Tandem)

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IL

ID IC

RC

RS

Circuito equivalente di una cella fotovoltaicaIl rendimento delle celle fotovoltaiche in silicio, anche nelle prove di laboratorio è molto distante dal 44%, in quanto intervengono ulteriori

inefficienze:

1. Non tutti i fotoni incidenti sulla cella fotovoltaica penetrano all’interno, alcuni sono riflessi ed altri intercettati dall’elettrodo frontale (resistenza Rs)

2. Alcune coppie elett.–lacuna si ricombinano prima che queste possano essere separate dal campo elettrico interno alla giunzione (grado di purezza del Si)

3. Parte dell’energia potenziale ceduta alla cella, risulta insufficiente per liberare la coppia elettrone–lacuna (diodo)

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Caratteristica Tensione – Corrente di una Cella Solare

Punto di Massima Potenza

I

VVm

Im

Caratteristica al buioCaratteristica alla luce

Quadrante dove la cella si comporta da semplice diodo in conduzione diretta

Quadrante dove la cella passa in conduzione inversa

Quadrante dove lacella si comporta da generatore di energia elettrica

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Caratteristica Elettrica (I-V) in funzione della Temperatura

I [A]

V [V]

40°C60°C

20°C0°C

-20°C-40°C

0.53 0.57 0.60 0.64 0.68 0.72

0.75

0.50

0.25

1.00

TENSIONE A VUOTO – V0 (I=0)

CORRENTE DI CORTOCIRCUITO ICC (V=0)

0.200.00

0.00

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Caratteristica Elettrica (I-V) in funzione della Radiazione SolareI [A]

V [V]

500 W/m2

600 W/m2

700 W/m2

800 W/m2

900 W/m2

1000 W/m2

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.00.0

Caratteristica I-V di un modulo commerciale da 50Wp a 40°

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0.60 V [V]

0.75

0.50

0.25

1.00

Punto di massima potenza Pm= Vm Im

0.200.00

0.00

Caratteristica I-V di una Cella Solare ed andamento della Potenza

0.40 Vm

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

P [W]

Im

I [A]

Andamento della potenza P= V I

Caratteristica I-V

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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTOTipologie di celle fotovoltaiche

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

• Disponibilità pressoché illimitata (risorse del pianeta)• • Largo utilizzo nell’industria elettronica (processi

tecnologici di raffinazione, lavorazione e drogaggio ben affinati)

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

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Celle al silicio monocristallino• Gemmazione e crescita cristallina - Il silicio a cristallo

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

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

.

pag. 41


Tipologie di celle fotovoltaicheCelle al silicio policristallino• 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• Forma – Il semiconduttore, sotto forma di gas, è depositato in strati

dell’ordine di 10m su qualsiasi superficie (tecnica dei film sottili);• • Instabilità delle prestazioni elettriche – ?• • • Tecnica della giunzione multipla – Con il drogaggio differente di vari strati di

silicio collegati in serie si ottengono celle con diverse sensibilità allo spettro solare. Il risultato si traduce in un maggior rendimento e resa energetica;

• • • • Costi contenuti – (rispetto al silicio policristallino)

9.0

6.0

pag. 42


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

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I Sistemi FotovoltaiciIl sistema fotovoltaico è un insieme di componenti

meccanici, elettrici ed elettronici che concorrono a captare e trasformare l’energia solare disponibile, rendendola utilizzabile dall’utenza in energia elettrica.

La struttura di un sistema fotovoltaico può essere molto varia; nella sua forma più generale può essere schematizzato col seguente schema a blocchi:

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2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTOCAMPO FOTOVOLTAICO

(MODULI)

CONVOGLIAMENTO IN SERIE E PARALLELO TRA

LE CONNESSIONI DEI MODULI

CONVERSIONE C.C./C.A.

QUADRO ELETTRICO DI DISTRIBUZIONE

CARICO (RETE - UTENTI)

SISTEMA DI ORIENTAMENTO

REGOLAZIONE DI CARICA / SCARICA

BATTERIA

BATTERIA

SERVIZI AUSILIARI INTERNI

GENERATORE DI SOCCORSO

QUADRO ELETT. C.C.

CARICO IN C.C.

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I Sistemi FotovoltaiciDal punto di vista delle strutture di sostegno dei moduli, si parla di:• Sistemi ad inclinazione fissa - (struttura portante fissa)• • Sistemi ad inseguimento attivi - single/double axis tracking systems

(caratterizzati da motori passo e elettronica di controllo)• • • Sistemi ad inseguimento passivi – (principio di funzionamento basato

sulla differenza di pressione che si forma in due cilindri, contenenti ciascuno particolari sostanze es. freon e olio)

Dal punto di vista elettrico si dividono in:• Sistemi isolati o “stand alone”• • Sistemi connessi in rete “grid connected”

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CAMPO FOTOVOLTAICO INVERTER POMPA

CAMPO FOTOVOLTAICO

REGOLATORE DI CARICA

BATTERIA CARICO IN C.C.

INVERTER CARICO IN C.A.

Azionamento a frequenza variabile

• Sistema di Pompaggio

I Sistemi Fotovoltaici – Schemi a blocchi

• • Utenza Isolata

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DIESEL REGOLATORE DI CARICA

BATTERIA CARICO IN C.C.

INVERTER CARICO IN C.A.

• • • Sistema Ibrido Isolato (fotovoltaico – eolico – diesel)


GENERATORE EOLICO

CAMPO FOTOVOLTAICO

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CAMPO FOTOVOLTAICO INVERTER

UTENZA


• • • • Impianto Collegato alla Rete

QUADRO ELETTRICO DI INTERFACCIA

RETE

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Il Campo Fotovoltaico

CELLA

MODULO

Il campo fotovoltaico è un insieme di moduli fotovoltaici opportunamente collegati in serie e in parallelo in per realizzare le condizioni operative desiderate

PANNELLO

MODULO

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PANNELLO

STRINGA

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STRINGA

CAMPO


pag. 52

2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTOIl Campo Fotovoltaico

Nella fase di progettazione di un campo fotovoltaico devono essere effettuate alcune scelte che ne condizionano il funzionamento:

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

• • Scelta della tensione di esercizio• • • Scelta della strutture di sostegno• • • • Distanza minima tra le file dei pannelli per non avere

ombreggiamento

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COMBINAZIONE DI SERIE E DI PARALLELI PARALLELI DI SERIE+

-

+

-

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PARALLELI DI SERIE+

-

DIODO DI STRINGA

DIODO DI LATO

+

-

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w/L60°

Latitudine

1

2

3

4

5

6

7

10 20 30 40 50 60 70 80 90 [°]0

55°

50°

20°

40°

0°

L

w

Sud

(Minima distanza tra le file w) / (Lunghezza dei pannelli L)

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