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Tecnologie - Fotovoltaico
1. Principi 2. Tipologie
a) monocristallino b) policristallino c) amorfo d) film sottile e) organico f) a concentrazione
III - 0
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Quadro generale
III - 1
Solare Geotermica Gravitazionale
solare termodin.
foto- voltaico
fluidi caldi
vento maree
biomassa
osmosi salina
idro- elettrico
moto ondoso
gradienti temperat.
correnti marine
calore
luce
energia cinetica
materia
Energia naturale
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Nota di richiamo
III - 2
λ = 500 nm = 5× 10−7 m
E = hν =hc
λ= 4× 10−19 J =
4× 10−19 J
1.6× 10−19 J/eV= 2.5 eV
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Principi
4.1 2.5 1.7 1.2 1 eV
1.1 eV (soglia silicio)
III - 3
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Principi
III - 4
drogaggio p drogaggio n
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Principi
III - 5
Ponendo una parte drogata “n” vicino ad una parte drogata “p” gli elettroni si spostano dalla parte n alla parte p creando un campo elettrico e quindi una differenza di potenziale attraverso la giunzione.
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Principi
III - 6
Quando un fotone di energia sufficiente è assorbito, la sua energia viene trasferita ad un elettrone che passa dalla banda di valenza a quella di conduzione dove è libero di muoversi sotto l’azione del potenziale elettrico presente nella giunzione p-n. Anche la “buca” lasciata dall’elettrone nella banda di valenza è libera di “muoversi” in direzione opposta. L’energia in eccesso (non usata per liberare l’elettrone) viene dissipata sotto forma di energia cinetica e quindi di calore. A questa perdita di energia corrisponde la “efficienza termodinamica” (<40% per silicio accoppiato a luce solare).
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Inizio
III - 7
Gerald Pearson, Daryl Chapin, and Calvin Fuller, Bell Laboratories, 1952
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con: I0 = massima corrente inversa n = fattore di qualità (1 per un diodo ideale) q = carica elementare k = costante di Boltzmann T = temperatura assoluta
ID = I0
�exp
�qVj
nkT
�− 1
�Equazione di Shockley:
Funzionamento elettrico
III - 8
I = IL − ID − ISH con: I = corrente in uscita IL = corrente fotogenerata ID = corrente attraverso il diodo ISH = corrente di fuga (shunt current)
Circuito equivalente:
Vj = V + IRS con: Vj = caduta di potenziale attraverso il diodo e RSH V = caduta di potenziale tra i terminali di output I = corrente in uscita RS = resistenza in serie
con: RSH = resistenza di fuga
ISH =Vj
RSH
I = IL − I0
�exp
�q(V + IRS)
nkT
�− 1
�− V + IRS
RSH
.
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Massima potenza
III - 9
Aumentando R da 0 (corto circuito) ad infinito (circuito aperto) il prodotto V×I passa per un massimo (Pm) che dipende dalla configurazione della cella (al massimo circa il 50% del prodotto VOC×ISC), dove:
R I V
V=IR P=VI=I2R
ISC ≈ IL
VOC ≈ kT
qln
�ILI0
+ 1
�voltaggio a circuito aperto
corrente di corto circuito (≈corrente prodotta dalla cella)
NB: sia a circuito aperto che in corto circuito, P=0.
Fill factor: FF =Pm
VOC × ISC
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Andamento con la temperatura
III - 10
La temperatura agisce in molti modi, direttamente nell’equazione e attraverso l’aumento di I0. L’effetto netto è una diminuzione nelle prestazioni di una frazione di percento per grado.
ISC
VOC
Pm
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Tipologie
III - 11
• Silicio • monocristallino • policristallino • film sottile
• Telluro di Cadmio
• Seleniuro di Rame, Indio e Gallio
• Arseniuro di Gallio
• Dye-sensitized
• Celle a polimeri organici
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Efficienza
III - 12
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Diffusione delle diverse tipologie
III - 13
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Costruzione
III - 14
© BP, 2010
Monocristallino e policristallino
Film sottile Il silicio è depositato sul supporto e non fatto crescere come cristallo
Film sottile multijunction Diversi materiali sono sensibili a lunghezze d’onda diverse
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Inverter
III - 15
Le celle fotovoltaiche producono corrente continua a 0.6 V. Per l’utilizzo bisogna trasformare la corrente in alternata a 220 V. Principio di funzionamento:
Switch elettronici producono un’onda quadra, che è la somma di un’onda sinusoidale fondamentale e delle armoniche di ordine superiore (v. lezioni di Fisica Avanzata). Con opportuni filtri, si possono eliminare le armoniche di ordine superiore.
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Calcolo dell’energia ricavabile
III - 16
L’energia ricavabile da un sistema a celle fotovoltaiche dipende dall’insolazione e dall’angolazione delle celle rispetto al sole, integrata sull’anno. Fattori di cui tener conto: • latitudine (direzione dello zenit) • inclinazione e orientamento delle celle rispetto allo zenit • giorno dell’anno:
- inclinazione dell’asse terrestre - distanza dal sole
• ora del giorno
Referenza: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/index.htm
gennaio
luglio
kWh/h per kWp installato latitudine 45°, tetto a 30°, esposizione 15° da S verso E
kWh/giorno-kWp
a condizioni meteo ideali
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Energia ricavabile
1 kW corrisponde teoricamente a 8760 kWh/anno In realtà 1 kWp di fotovoltaico produce 1100 kWh/anno a Ravenna. Cioè è equivalente ad una centrale termoelettrica di potenza installata = 1100/8760 = 126 W In altri termini, la potenza di 18 GWp installata fino al 2013 in Italia, corrisponde a due centrali tradizionali da 1.1 GW e non a sedici centrali della stessa potenza.
III - 17
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Top Ten 2012
III - 18
Ditta Produzione (MW) Nazione Yingli 2,300 China First Solar 1,800 USA Trina 1,600 China Canadian Solar 1,550 Canada
Suntech 1,500 China (fallita nel Marzo 2013)
Sharp Solar 1,050 Japan Jinko 900 China Sunpower 850 USA Hanwha Solarone 750 China Renewable Energy Corporation 750 Norway
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Prezzi e potenza installata
III - 19
stabili dal 2002
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Prezzi
III - 20
Prezzi attuali: - pannelli: 1000 US$/kW - inverter: 700 US$/kW - batterie, supporti, allacciamento, costi finanziari: 2600 US$/kW
I pannelli costituiscono una frazione ormai piccola (≤25%) del totale.
Basato su stime di Yingli: http://cleantechnica.com/2013/03/07/plunging-cost-of-solar-pv-graphs/
A.
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Prezzi
III - 21
“Reconsidering the Economics of Photovoltaic Power” (2012) LCOE = Levelized Cost of Electricity
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Fotovoltaico a concentrazione
III - 22 Vedasi, ad esempio: http://www.slideshare.net/sustenergy/high-concentration-photovoltaics-potentials-and-challenges-presentation
Tre parametri fondamentali: • efficienza • fattore di concentrazione • tolleranza angolare (necessità di puntamento)
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Dye-sensitized solar cells
III - 23 A. Di Carlo et al.: “La rivoluzione della plastica nel settore fotovoltaico”, Il Nuovo Saggiatore, vol 26 / no 5-6 / 2010
Michael Grätzel, EPFL Losanna (CH)
Principio di funzionamento di una DSC. I diversi processi sono: (1) eccitazione del colorante (2) iniezione e (3) diffusione di elettroni in banda di conduzione del TiO2; (4): riduzione del colorante; (5): rigenerazione dell’elettrolita attraverso il contro elettrodo e lo strato catalitico; (6), (7): principali meccanismi di perdita per ricombinazione di elettroni.