TEMATICHE DI RICERCA E SVILUPPI FUTURI NEL CAMPO DEI

TEMATICHE DI RICERCA E
SVILUPPI FUTURI NEL
CAMPO DEI SISTEMI
FOTOVOLTAICI
Prof. Ing. Simone Castellan
Dipartimento di Elettrotecnica, Elettronica ed Informatica,
Università di Trieste
[email protected]
SISTEMI FOTOVOLTAICI NEL MONDO
Fonte ENEA
Totale potenza installata in Italia a fine 2008
- sistemi indipendenti 13.3 MW,
- sistemi connessi alla rete 445 MW.
Potenza installata nel 2008: 338.1 MW (quasi 5 volte di più che nel 2007).
Fonte IEA – PVPS
(International Energy Agency – Photovoltaic Power Systems Programme)
SISTEMI FOTOVOLTAICI IN EUROPA
Totale potenza installata in Europa
I valori per il 2008 sono stimati
Fonte Commissione Europea
CELLE FOTOVOLTAICHE COMMERCIALI
Per la realizzazione di celle fotovoltaiche sono adatti vari materiali semiconduttori,
ma la maggior parte delle celle commerciali attuali è a base di silicio.
Le tecnologie delle celle commerciali sono di due tipologie principali:
- silicio monocristallino e policristallino in wafer (celle di 150-250 cm2 con
spessore di 0.25mm),
- film sottili (qualche µm) di diversi tipi di semiconduttori.
Fonte ENEA
(2007)
SILICIO CRISTALLINO
Tecnologia matura sia in termini di rendimento ottenibile (12-14% per i prodotti
commerciali medi) che di costi di produzione (2-2.5€/Wp),
previsti miglioramenti del rendimento (nuovi prodotti dichiarano già il 18% con
un record di laboratorio del 24.7%, ritenuto praticamente invalicabile),
prevista riduzione dei costi di produzione.
Cella in silicio monocristallino
Cella in silicio policristallino
TECNOLOGIE A FILM SOTTILE
Silicio amorfo e microcristallino (a-Si e µSi) → η = 6-9%,
Diseleniuro di Rame e Indio (CIS e CIGS nel caso di aggiunta di gallio) → η =
10-12%,
Tellururo di Cadmio (CdTe) → η = 9%.
TECNOLOGIE A FILM SOTTILE
Quota di mercato contenuta (~ 7%), ma da tutte le fonti autorevoli è considerata
come la soluzione con maggiori potenzialità per la riduzione dei prezzi (fino a valori
inferiori ad 1€/Wp).
Vantaggi rispetto al silicio cristallino:
- si impiegano materiali a basso costo (vetro, metallo, plastica) con quantità minime
di semiconduttori costosi ma con capacità di assorbimento superiori al Si cristallino;
- la produzione comporta un basso consumo di energia e ridotti scarti di
lavorazione;
- minore dipendenza del rendimento dalla temperatura e buona risposta con luce
diffusa e bassi livelli di irradianza (giornate nuvolose) ⇒ migliore resa energetica;
- possibile realizzazione di giunzioni multiple mediante sovrapposizione in serie di
più stati di materiali semiconduttori diversi ⇒ sfruttamento di intervalli diversi di
lunghezze d’onda dello spettro solare.
Svantaggi rispetto al silicio cristallino:
- confronto sfavorevole a causa della minore efficienza standard;
- problemi tecnologici e di disponibilità di alcuni materiali;
- elevati costi di investimento.
CELLE FOTOVOLTAICHE COMMERCIALI
Fonte ENEA
CELLE FOTOVOLTAICHE COMMERCIALI
Fonte ENEA
FOTOVOLTAICO A CONCENTRAZIONE
È presente sul mercato in quantità molto limitata ma è attualmente fonte di
interesse a livello mondiale da parte di importanti industrie ed istituti di ricerca.
Dimensioni estremamente ridotte del materiale fotosensibile → incidenza sul
costo non supera il 10%, contro il 25% e oltre del fotovoltaico piano ⇒ sono
vantaggiosi gli sforzi volti ad aumentare l’efficienza della conversione.
TECNOLOGIE EMERGENTI
Solo prototipi di laboratorio.
Due grandi famiglie:
• basso costo
- celle “dye sensitised”
(ispirate ai principi della
fotosintesi),
- celle organiche,
- celle ibride a base di
nanocompositi inorganicoorganico;
• alta efficienza
- dispositivi multipli posti in serie con giunzioni di materiale specifico per la
fotogenerazione in un preciso intervallo dello spettro solare,
- sistemi a concentrazione in grado di separare le diverse componenti
cromatiche della radiazione solare, inviandola a diverse celle separate
fisicamente.
SISTEMA TRADIZIONALE SEMPRE ATTUALE!
Come sfruttare
l’energia solare con
metodi antichi ma
sempre attuali!
Attenzione però ad avvicinarsi con
cautela perché si potrebbe essere
sottoposti a pericolosi shock elettrici!
PREVISIONI PER IL FUTURO
Fonte ENEA
Previsioni a breve, medio e lungo termine della ripartizione del mercato per i
diversi gruppi di tecnologie per le celle fotovoltaiche.
Nuovi concetti = tecnologie emergenti + fotovoltaico a concentrazione
SISTEMA DI CONDIZIONAMENTO DELLA POTENZA
Nei sistemi fotovoltaici connessi alla rete il sistema di
condizionamento della potenza (normalmente detto
inverter) ha il compito di trasformare in tensione
alternata la tensione continua generata dai pannelli
fotovoltaici e quindi fa da interfaccia fra generatore
fotovoltaico e rete.
FUNZIONAMENTO A MASSIMA POTENZA
Una cella fotovoltaica può operare in un punto qualsiasi della caratteristica I-V. Due
punti importanti della caratteristica sono la tensione a circuito aperto (Voc) e la
corrente di cortocircuito (Isc). I valori nominali tipici per una cella fotovoltaica sono
Voc=0.6 - 0.7 V e Isc=20 - 40 mA/cm2.
Un’altra caratteristica importante della
cella fotovoltaica è la caratteristica PV, sulla quale esiste un punto di
Impp)
in
coordinate
(Vmpp,
corrispondenza del quale si ha potenza
massima erogata dalla cella. Il punto di
funzionamento a massima potenza dei
pannelli è funzione dell’irraggiamento
solare e della temperatura delle celle
fotovoltaiche.
Il sistema di condizionamento della potenza deve produrre un’uscita che segua
ampiezza e frequenza della tensione di rete e deve ricavare il massimo della
potenza dai pannelli realizzando il cosiddetto MPPT (Maximum Power Point
Traking).
SISTEMA DI CONDIZIONAMENTO DELLA POTENZA
In questo settore alcune attuali tematiche di ricerca sono:
- implementazione di nuovi e più evoluti algoritmi di MPPT (Maximum Power
Point Traking) per il miglioramento dell’efficienza globale del sistema,
- sperimentazione di nuove tecniche “anti-islanding” volte sia ad eliminare o ridurre
al minimo la NDZ (non detection zone) che ad evitare inopportuni interventi
dell’algoritmo “anti-islanding” a causa di disturbi della rete,
- studio e sperimentazione di nuove topologie circuitali, ad es. impiegando strutture
di tipo multilivello,
- questione aperta sull’opportunità di impiegare strutture centralizzate o distribuite
per sistemi di media ed elevata potenza (A.Massi Pavan, S.Castellan, S.Quaia, S.Roitti and
G.Sulligoi, “Power electronic conditioning systems for industrial photovoltaic fields: centralized or
string inverters?”, Proc. of Int. Conference on Clean Electrical Power, Capri – Italy, 21-23 May 2007),
- miglioramento del rendimento (valori nominali
attuali del 94-96%, con punte del 98%) ad esempio
utilizzando componenti al carburo di silicio (SiC)
(rendimento del 99.3% dichiarato come risultato
sperimentale dal Fraunhofer Institut).
ESEMPI DI SISTEMI FOTOVOLTAICI TRIFASE
Schema di impianto da 20kW con sistema di
condizionamento di stringa.
L’impianto è costituito da 12 stringhe,
suddivise in 3 gruppi di 4 stringhe, ciascuno
dei quali connesso allo stadio di ingresso un
sistema di condizionamento monofase.
Ciascun sistema di condizionamento è dotato
di 4 MPPT, uno per ogni stringa.
Schema di impianto da 20kW con sistema di
condizionamento centralizzato.
L’impianto è costituito da 10 stringhe
collegate ad un invertitore trifase dotato di
un unico MPPT.
PRINCIPALI TEMATICHE DI RICERCA PRESSO
L’UNIVERSITA’ DI TRIESTE
Sviluppo di un sistema per il monitoraggio di dati elettrici e climatici relativi al
funzionamento di impianti fotovoltaici (M.Chiandone, S.Cleva, A.Massi Pavan and
G.Sulligoi, “Monitoring applications of electrical and climate data for PV systems using Linux RTAI ”,
Proc. of International Conference on Clean Electrical Power, Capri (Italy), 9-11 June 2009).
L’obiettivo è quello di equipaggiare con il sistema proposto un certo numero (fino a
5) di campi fotovoltaici installati in Provincia di Trieste. Tutti gli impianti hanno una
potenza nominale di 20kWp e diverse caratteristiche: utilizzo di inverter distribuiti e
centralizzati, condizioni di ombreggiamento di diversa natura, diverse tecnologie di
moduli fotovoltaici, differenti condizioni di orientamento, ore di sole, temperature di
funzionamento, algoritmi MPPT, ecc.
L’insieme dei campi
fotovoltaici monitorati
potrà diventare un’unica
“facility”, distribuita e
connessa in rete, per la
realizzazione di studi
comparativi nei settori
dell’ingegneria elettrica
e ambientale.
PRINCIPALI TEMATICHE DI RICERCA PRESSO
L’UNIVERSITA’ DI TRIESTE
Sviluppo di un simulatore di campo fotovoltaico per la verifica tecnologicoprestazionale di sistemi di condizionamento della potenza (A.Massi Pavan, S.Castellan
and G.Sulligoi, “An innovative photovoltaic field simulator for hardware-in-the-loop test of power
conditioning units”, Proc. of International Conference on Clean Electrical Power, Capri (Italy), 9-11 June
2009).
Il simulatore in fase di sviluppo sarà dotato di uno stadio di potenza da 20kW
controllato da un sistema di controllo del tipo HRT (Hard Real Time) implementato
in una CPU commerciale. Il simulatore permetterà di riprodurre la caratteristica
corrente-tensione di un generatore fotovoltaico in funzione del tipo di moduli
utilizzati e delle condizioni climatiche di funzionamento, che possono essere variate
sia automaticamente che manualmente per ogni modulo fotovoltaico costituente il
sistema simulato.
Il suo utilizzo permetterà di
testare le performance dei
sistemi di condizionamento
della potenza commerciali
operanti in differenti
configurazioni di
funzionamento.
PRINCIPALI TEMATICHE DI RICERCA PRESSO
L’UNIVERSITA’ DI TRIESTE
Ottimizzazione di celle fotovoltaiche a film sottile di tellururo di cadmio.
Lo scopo è quello di ottimizzare le proprietà ottiche, elettriche e microstrutturali dei
film sottili e lo sviluppo di celle su substrati flessibili.
Sviluppo di celle costituite da semiconduttori compositi nanostrutturati.
Lo scopo è quello di sviluppare un materiale a banda intermedia utilizzando processi
a basso costo. Le proprietà dei materiali a banda intermedia consentono un
assorbimento molto efficiente dello spettro solare, aumentando fortemente il
rendimento potenziale (dal 31%, limite termodinamico per un semiconduttore
comune, al 63.5%, limite termodinamico per i semiconduttori a banda intermedia).
CONCLUSIONI
Lo sviluppo dei sistemi fotovoltaici a cui si è assistito negli ultimi anni dimostra
come questa fonte di energia stia suscitando notevole e concreto interesse da parte
degli organismi di ricerca, delle istituzioni e del mondo produttivo.
Le possibilità di miglioramento e le prospettive concrete di sviluppo consentono
di considerare i sistemi fotovoltaici come un valido, anche se non risolutivo, aiuto
per affrontare i problemi energetici ed ambientali determinati dalle esigenze della
civiltà moderna.
Attenzione però a non invertire certe tendenze positive prodotte dagli scompensi
ambientali!
2010?
Grazie per l’attenzione!
Prof. Ing. Simone Castellan
Dipartimento di Elettrotecnica, Elettronica ed Informatica,
Università di Trieste
[email protected]