Corso sul fotovoltaico
Autore: prof. Antonio Arminio
Posizionamento di
un pannello fotovoltaico
Caratteristiche
elettriche del generatore fotovoltaico.
Sistemi
fotovoltaici in corrente continua
Sistemi fotovoltaici
in corrente alternata
Introduzione
Il corso è rivolto a studenti dell’istituto che posseggano una discreta conoscenza dei concetti fondamentali dell’elettrotecnica.
Il presente corso costituisce un riadattamento personale di un ottimo lavoro svolto dal prof. Noviello Gaspare, docente di Fisica presso l’I.T.I.S. “Modesto Panetti” di Bari.
Per approfondimenti ed eventuali chiarimenti, si consiglia di fare riferimento al lavoro del prof. Noviello, consultabile al seguente indirizzo:
http://www.itispanetti.it/portale/fotovoltaico/fotovoltaico.htm
Presentazione
Un generatore fotovoltaico è un dispositivo in grado di convertire direttamente la luce in energia elettrica.
Prima di procedere alla descrizione di un generatore fotovoltaico, analizziamone brevemente i vantaggi e gli svantaggi.
Vantaggi:
Gli impianti fotovoltaici non necessitano di alcun combustibile, perché la loro fonte di energia è il sole.
Sono
molto semplici e robusti, in quanto non hanno parti in movimento soggette ad
usura e quindi non richiedono manutenzione.
Non
producono gas inquinanti o rumore, quindi l’impatto ambientale è nullo.
Il
loro smaltimento, una volta esaurito il compito per “ raggiunti limiti d’età”,
è relativamente semplice, perché costituiti principalmente da silicio, che è un
materiale estremamente diffuso sulla terra (si pensi alla sabbia, che è
prevalentemente ossido di silicio).
Gli
impianti sono garantiti per una ventina d’anni, ampiamente sufficienti ad
ammortizzare le spese iniziali.
Il
generatore fotovoltaico può alimentare direttamente utenze difficilmente
raggiungibili dalla comune rete di distribuzione, infatti l’energia elettrica
prodotta è sfruttata direttamente sul posto: si pensi ad esempio ai cartelli di
segnalazione autostradali o persino ai satelliti in orbita intorno alla Terra.
Svantaggi
I
costi sono ancora elevati, nonostante non vi siano particolari esigenze
riguardo al grado di purezza del silicio: si può utilizzare quello giudicato
non idoneo per la fabbricazione dei componenti elettronici a semiconduttore
(transistori, circuiti integrati etc…).
L’energia elettrica prodotta va consumata sul posto, come già detto, ma anche sul momento: in altri termini, se la richiesta di energia è prevalente nelle ore notturne, occorre studiare qualche accorgimento per immagazzinare l’energia elettrica prodotta durante le ore diurne.
Principio di funzionamento
Una cella fovoltaica trasforma l’energia luminosa proveniente dal sole in energia elettrica: ciò avviene grazie al cosiddetto effetto fotovoltaico. Cerchiamo di comprendere tale effetto, senza scendere troppo nel dettaglio: il principale materiale costituente una cella fotovoltaica è il silicio, come già accennato. Questo minerale, da un punto di vista elettrico, è un semiconduttore, cioè presenta caratteristiche di conducibilità intermedie fra quelle di un conduttore e di un isolante. Se invece consideriamo il materiale da un punto di vista chimico, ogni atomo presenta quattro elettroni di valenza. Se, però, con particolari procedimenti, introduciamo degli atomi di impurità nel materiale, parliamo di semiconduttore drogato. Gli atomi possono essere pentavalenti, come il fosforo, oppure trivalenti, come il boro. Nel primo caso, si ha un eccesso di elettroni nel semiconduttore drogato (si parla di silicio di tipo n), e nel secondo caso, di difetto di elettroni (silicio di tipo p), rispetto al materiale non drogato, chiamato intrinseco. Per comodità, anziché parlare di mancanza di un elettrone, si preferisce parlare di presenza di una cosiddetta lacuna, avente carica pari a quella di un elettrone, ma positiva anziché negativa.
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Silicio
di tipo N e silicio di tipo P |
Se mettiamo a stretto contatto un sottile strato di silicio di tipo n con uno di tipo p, si assiste ad un curioso fenomeno: le lacune presenti nella zona p migrano verso la zona n per diffusione, e contemporaneamente gli elettroni in eccesso nella zona n migrano verso la zona p. In entrambi i casi, si assiste al fenomeno della ricombinazione, cioè le cariche di segno opposto, incontrandosi, si annullano vicendevolmente. Ma allora, nei pressi della giunzione, gli atomi pentavalenti in zona n, avendo perso il loro quinto elettrone, si trasformano in ioni positivi (donatori); allo stesso tempo, gli atomi trivalenti in zona p, avendo perso la loro lacuna si trasformano in ioni negativi (accettori). Il processo di diffusione non dura all’infinito, perché la presenza di questi ioni (in posizione fissa nel reticolo cristallino) produce un campo elettrico che impedisce la ulteriore diffusione delle lacune e degli elettroni.
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La
giunzione P-N |
La luce del sole, però, turba questa situazione di equilibrio: infatti, i fotoni costituenti la radiazione solare incidente sul silicio creano, con la loro energia, delle nuove coppie lacuna elettrone: alcune di esse si ricombinano annullandosi, ma la maggior parte vengono mantenute separate dal campo elettrico che si era venuto a creare: in definitiva, se la cella fotovoltaica è connessa ad un carico, si assiste al passaggio di una corrente elettrica. Per poter innescare il processo di trasformazione da energia luminosa ad energia elettrica, i fotoni devono avere una ben precisa quantità di energia: se è troppo poca, la coppia lacuna elettrone non riesce a costituirsi; se è troppa, l’energia in eccesso si trasforma in calore e la temperatura della cella di silicio aumenta. Quindi non tutta l’energia ricevuta si trasforma in elettricità: l’efficienza di conversione, infatti, non supera il 15-17%. La cella fotovoltaica quindi si comporta, in prima approssimazione, come una batteria, cioè come un generatore di tensione continua: tale tensione è pari a circa 0.5V; essa è indipendente dalla superficie della cella e dall’intensità luminosa: invece l’intensità di corrente (e quindi la potenza) dipende fortemente da questi due parametri, ed aumenta, come è intuibile, all’aumentare della superficie e dell’intensità luminosa. Tanto per fissare le idee, una cella di silicio di forma quadrata, avente lato pari a 10 cm, e spessore pari a 1/3 di millimetro, in condizioni di pieno sole, può erogare una corrente di intensità pari a 3A; ricordando che la potenza è pari al prodotto della tensione per la corrente, tale cella fornisce una potenza di 1.5W. Collegando opportunamente in serie 36 celle fotovoltaiche e assemblandole in una robusta struttura a matrice di 4 X 6 celle, si ottiene il cosiddetto modulo fotovoltaico, caratterizzato da una tensione di circa 17V e da una corrente superiore ai 3A in condizioni ottimali di insolazione.
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Moduli
fotovoltaici |
Nota bene: le tre
immagini precedenti sono tratte dal progetto “Il sole a scuola”,
dell’ing. Salvatore Castello dell’E.N.E.A.
Posizionamento di un pannello fotovoltaico
È opportuno che la superficie del pannello sia perpendicolare al sole; non è necessario (per evitare complicazioni di carattere meccanico) che il pannello segua il percorso del sole nell’arco della giornata; un pannello fisso deve essere obbligatoriamente rivolto a sud. L’inclinazione rispetto al piano orizzontale (angolo di tilt) dipende dall’utilizzo: se si prevede di usare l’impianto solo in estate, quando il sole è molto alto sull’orizzonte, l’angolo è inferiore ai 20°; per impieghi più generali, l’angolo ottimale è di circa 30°.
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Posizionamento
di un pannello fotovoltaico |
Nozioni di elettrotecnica
Un generatore elettrico è un dispositivo in grado di convertire una forma qualsiasi di energia (per esempio meccanica, termica, chimica, eolica, solare, etc.) in energia elettrica.
Si definisce generatore di corrente un dispositivo in grado di erogare un ben preciso valore di corrente, indipendentemente dal carico collegato ai suoi morsetti.
La caratteristica corrente-tensione del generatore è rappresentata da una retta parallela all’asse delle ascisse.
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Caratteristica
di un generatore di corrente ideale |
Si definisce generatore di tensione un dispositivo in grado di mantenere un ben preciso valore di tensione ai suoi morsetti, indipendentemente dal carico collegato.
Il generatore di tensione ha quindi una caratteristica I-V costituita da una retta parallela all’asse delle ordinate.
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Caratteristica
di un generatore di tensione ideale |
I generatori reali di tensione presentano una resistenza interna, il che fa sì che la caratteristica corrente-tensione risulti inclinata rispetto ai due assi: i punti di incontro con essi si chiamano corrente di corto circuito e tensione a vuoto del generatore.
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Caratteristica
di un generatore di tensione reale |
Se colleghiamo un carico resistivo ai morsetti di un generatore reale possiamo calcolare graficamente la corrente e la tensione ai suoi capi, osservando il punto di incontro fra la caratteristica del generatore e la retta rappresentante la resistenza.
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Determinazione
grafica del punto di funzionamento di un generatore |
Caratteristiche elettriche del generatore fotovoltaico
Il generatore fotovoltaico presenta una caratteristica I-V dalla forma particolare: in un primo tratto (A-B) è schematizzabile come un generatore di corrente ideale, nell’ultimo (C-D) come un generatore di tensione ideale; i due tratti sono raccordati da un caratteristico ginocchio, in corrispondenza del quale il generatore fotovoltaico fornisce la massima potenza, rappresentata dall’area tratteggiata.
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Caratteristica
elettrica del generatore fotovoltaico |
Le prestazioni del generatore fotovoltaico dipendono da due fattori: la temperatura e l’irraggiamento; quest’ultimo rappresenta l’energia luminosa nell’unità di tempo, per ogni metro quadrato di superficie, e si rappresenta in W/m2.
La corrente erogabile dal generatore diminuisce al diminuire di esso, mentre la tensione a vuoto rimane pressoché costante.
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Caratteristiche
I-V per differenti condizioni di irraggiamento e temperatura costante |
Invece, all’aumentare della temperatura, la corrente di corto circuito non varia sensibilmente, mentre la tensione a vuoto diminuisce, come si può notare dalla figura seguente.
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Caratteristiche I-V per differenti condizioni di temperatura e irraggiamento costante |
Di solito, la potenza nominale di un pannello fotovoltaico è dichiarata in condizioni standard di irraggiamento e temperatura, e cioè rispettivamente 1000 W/m2 (condizioni di pieno sole) e 25°C. Ovviamente le condizioni di irraggiamento massimo non possono essere soddisfatte sempre, e allora si parla spesso di ore equivalenti nel corso di un anno: in altri termini, si fa finta che in un anno, in una data località, si possano avere solo periodi di pieno sole e di buio totale: ad esempio 1500 ore equivalenti in un anno, risultano pari a circa 4 ore di pieno sole e 20 di buio completo. Questo concetto di ore equivalenti è molto utile per il dimensionamento di un impianto che utilizza pannelli fotovoltaici. Ad esempio, un impianto di potenza nominale di 1600W, ottenuto collegando opportunamente 16 pannelli da 100W ciascuno, in un anno potrà erogare un’energia di:
1600W x 1500h (ore equivalenti) = 2400KWh in un anno.
Sistemi fotovoltaici in corrente continua
Come si può notare dall’esame delle seguenti caratteristiche, il collegamento diretto fra generatore ed utilizzatore non è possibile, in quanto la tensione sul carico varia al variare dell’irraggiamento.
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Carico
collegato ad un sistema fotovoltaico al variare dell’irraggiamento |
La soluzione ottimale consiste nell’impiego di una batteria, la quale riceve l’energia dal generatore fotovoltaico e la restituisce al carico. La tensione a vuoto del generatore forovoltaico è scelta in modo tale da farlo funzionare nelle condizioni di massimo trasferimento di potenza verso la batteria. Si può notare che tali condizioni ottimali si conservano al variare dell’irraggiamento.
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Caratteristiche
I-V di un generatore fotovoltaico e di una batteria ad esso collegata |
Nella figura seguente si rappresenta lo schema di principio di un impianto fotovoltaico che comprende una batteria.
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Impianto
fotovoltaico in continua |
L’impianto è provvisto di un diodo di blocco, per impedire che in condizioni di scarsa luminosità la batteria eroghi corrente verso il dispositivo fotovoltaico.
La batteria erogherà la corrente all’utilizzatore mantenendo una tensione costante ai suoi capi: la potenza necessaria deriverà dal generatore fotovoltaico, che provvederà nel frattempo anche a caricare la batteria; invece, in condizioni di scarsa luce, la potenza necessaria sarà fornita solo dalla batteria, la quale si scaricherà perdendo progressivamente la carica accumulata.
Si era detto prima che la tensione di carica della batteria non dipende dalle condizioni di irraggiamento: la tensione del pannello però varia con la temperatura, per cui, specie se le potenze in gioco superano qualche centinaio di watt, si rende necessario un sistema di regolazione, costituito da un convertitore dc/dc. Il convertitore riceve una tensione variabile al suo ingresso e ne restituisce una costante all’uscita, verso l’utilizzatore.
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Impianto fotovoltaico in continua con convertitore dc/dc |
Sistemi fotovoltaici in corrente alternata
Esistono due tipologie di sistemi in alternata, e cioè “sistemi in isola” e sistemi collegati alla rete pubblica di distribuzione. Nel funzionamento in isola, il generatore è collegato al carico tramite un convertitore dc/ac, che trasforma la tensione continua in alternata; è poi necessario l’utilizzo di batterie, per supplire al fabbisogno energetico in condizioni di irraggiamento scarso o nullo. Questo sitema è conveniente solo per utenze difficilmente raggiungibili dalla rete di distribuzione, quali rifugi alpini o ponti radio.
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Funzionamento
in isola |
Il sistema di funzionamento più utilizzato prevede invece il collegamento alla rete di distribuzione pubblica. È ovvio che non è necessario ricorrere alle batterie, in quanto in mancanza di illuminazione la potenza necessaria all’utilizzatore verrà fornita dalla rete.
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Collegamento
alla rete pubblica di distribuzione |
Esistono
due differenti modalità di collegamento dell’impianto fotovoltaico alla rete
elettrica, come si vede dalle figure seguenti:
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a) Cessione della eccedenza di produzione b) Cessione totale
della produzione |
Nel
caso a) viene ceduta alla rete la differenza fra la potenza generata
dall’impianto e quella richiesta dall’utilizzatore; naturalmente se la
differenza è positiva si ha una cessione verso la rete della eccedenza,
altrimenti è la rete che contribuisce al fabbisogno del carico.
Nel caso b) invece l’energia prodotta dal generatore è integralmente ceduta alla rete, mentre il fabbisogno del carico è integralmente assicurato dalla rete stessa.
Se la tariffa della produzione è maggiore di quella dell’assorbimento, conviene utilizzare lo schema a destra, quello relativo alla cessione totale della produzione di energia elettrica.