Febbraio 2012

No 1 - Febbraio 2012
Società Svizzera per l’energia solare Ticino
IL FOTOVOLTAICO
A CONCENTRAZIONE
INTRODUZIONE di Andrea Coratelli
L’articolo che segue riprende la serie di pubblicazioni riguardanti le prospettive di sviluppo delle tecnologie solari avanzate per
la produzione di energia elettrica. Dopo la concentrazione solare
termica della ticinese Airlight Energy di Biasca (v. n° 10 di ottobre
2011), qui ne presentiamo un altro tipo, altrettanto promettente e
affascinante, quella fotovoltaica sviluppata dalla Pirelli di Milano.
La Concentrazione Fotovoltaica HCPV (High Concentration PhotoVoltaics) consiste nel raccogliere la massima superficie di irraggiamento solare, facendola convergere sulla superficie di piccole celle
fotovoltaiche con prestazioni particolarmente elevate. Dal punto
di vista ottico, la concentrazione si può ottenere con concentratori
costituiti da specchi con diverse geometrie, piani, paraboloidi o con
superfici curve (ad es. Airlight Energy), qui invece si usano pannelli
trasparenti conformati a lente di Fresnel che riflettono la luce all’interno di alloggiamenti (housing) che ospitano gruppi di celle su cui
converge la luce concentrata oltre 500 volte. Ogni pannello è quindi
un’unità a sé stante replicata in gruppi, che vengono poi installati
sugli Inseguitori Solari.
In particolare, Pirelli ha sviluppato un prototipo ad alta concentrazione, utilizzando celle fotovoltaiche ad altissima efficienza. Si
distingue dagli altri produttori per la semplicità costruttiva e per
la particolare efficacia del sistema ottico. Anche il sistema di inseguimento che, come descritto in seguito, assicura che le lenti siano
sempre perpendicolari rispetto alla radiazione solare, è realizzato
con una geometria originale, che assicura una valida resistenza ai
venti anche forti, problema particolarmente importante per i danni
che quest’ultimo provoca nei campi fotovoltaici.
Il sistema è sottoposto a test indipendenti presso l’ENEA di
Portici (NA) da circa un anno; l’articolo mostra i risultati ottenuti da
una tecnologia innovativa che, pur a livello di prototipo, continua
a presentare performance rilevanti. Sostanzialmente essa è pronta
per l’industrializzazione ma attualmente in attesa, considerato
che l’Azienda è oggi maggiormente focalizzata sul business degli
pneumatici.
Società Svizzera per l’energia solare / Ticino / Febbraio 2012
ANALISI DELLE PRESTAZIONI ENERGETICHE
DI UN SISTEMA FOTOVOLTAICO
INNOVATIVO AD ALTA CONCENTRAZIONE (HCPV)
C. Cancro, R. Fucci, G. Graditi, C. Privato
ENEA - Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile
Centro Ricerche di Portici - 80055 Portici (NA) - Italia; tel: +390817723100; fax: +390817723344
V. Boffa, D. Garbelli, G. Grassano, F. Ricci
Pirelli Labs S.p.A. - Viale Piero Alberto Pirelli n. 25 - 20126 Milano, Italia
P. Anguera, M. Busquets, D. Martinez, A. Sugranes
Pirelli Iniciativas Tecnologicas - Avinguda Pirelli S/N, 08240 Manresa, Spagna
ABSTRACT: Nell’ambito della collaborazione tra ENEA e Pirelli, è stato installato presso il Centro di ricerca
ENEA di Portici (Napoli) un sistema innovativo prototipale ad alta concentrazione fotovoltaica HCPV (High
Concentration PhotoVoltaics) sviluppato da Pirelli. L’impianto comprende un inseguitore solare biassiale dotato
di 40 moduli. L’intero sistema è stato studiato con l’obiettivo di minimizzare i costi industriali, i moduli sono stati progettati per essere assemblati mediante processo automatico ed i componenti sono stati sviluppati per essere
prodotti con tecnologie analoghe al settore automotive. Il sistema ottico garantisce ottime prestazioni in termini
di efficienza, uniformità della distribuzione della densità di potenza sulla cella e tolleranza al disallineamento
rispetto ai raggi solari; risulta inoltre robusto in termini di tolleranze di montaggio. Il fattore di concentrazione
geometrica è pari a 576. Ogni modulo comprende 48 celle fotovoltaiche a tripla giunzione, ed è diviso in due
sotto-moduli per ottimizzare il funzionamento del sistema. L’efficienza del modulo prototipale raggiunge il
28%; l’angolo di accettanza è 1,2°. La sua potenza nominale per condizioni standard è 167Wp. I moduli installati sull’inseguitore solare sono collegati in modo da formare 4 sezioni elettriche differenti per assicurare un alto
grado di versatilità in fase di studio. La potenza nominale del sistema è di 6,7 kWp; il suo angolo di accettanza è
circa 0,8° e l’efficienza in DC raggiunge il 25%. Nel presente lavoro, sono illustrati e discussi i risultati dell’attività sperimentale condotta sul campo dall’ENEA.
1 DESCRIZIONE DEL SISTEMA
Presso il Centro Ricerche ENEA di Portici, alla fine di
ottobre 2010, è stato installato un sistema fotovoltaico
prototipale completo (figura 1) sviluppato da Pirelli
con un’innovativa tecnologia HCPV. Il sistema di
potenza nominale pari a 6,7 kWp è composto essenzialmente da 40 moduli fotovoltaici a concentrazione
ed un sistema di inseguimento dedicato. I moduli sono
collegati elettricamente in quattro serie da 10 moduli,
disposti in 4 colonne; il sistema è diviso in due sottosistemi, ognuno dei quali è collegato alla rete elettrica locale a bassa tensione mediante un inverter PVI6000-OUTD AURORA. Il sistema di acquisizione
dati è stato dotato di diversi strumenti di misura quali
piranometro, pireliometro, termocoppie, per monitorare i parametri funzionali e meteorologici.
Una delle peculiarità del design Fresnel-Kohler è la
buona uniformità della potenza concentrata sulla cella
solare, che previene la formazione di punti caldi come
accade tipicamente sul fuoco di una lente Fresnel. Per
verificare tale caratteristica, sono state effettuate misure della distribuzione di densità, illustrata Figura 1,
di potenza spaziale della luce concentrata sulla cella
solare, per mezzo di una telecamera CCD.
2 MODULO HCPV
Il modulo è realizzato con un housing in acciaio imbutito, con dissipatori in alluminio, semplici ed a basso
costo che consentono di dissipare il calore in modo
efficiente, portando la differenza massima di temperatura della cella rispetto all’ambiente, a meno di 30°C.
Dal punto di vista elettrico il modulo, costituito da
48 unità fotovoltaiche, è diviso in due sotto-moduli,
ognuno dei quali composto da due stringhe collegate in parallelo; ciascuna stringa è formata da 12 celle
collegate in serie, ottimizzando così le prestazioni del
sistema, altrimenti limitate dall’ombreggiamento tra
moduli. Ciascuna unità fotovoltaica comprende un
ricevitore solare ed un sistema ottico tipo FresnelKohler [1]. I ricevitori solari, con celle fotovoltaiche
III-V a multi giunzione di 25mm2, sono stati forniti
da Emcore. L’efficienza tipica misurata del sistema
ottico è di circa l’80%, mentre l’angolo di accettanza
è maggiore di 1,0° (tenendo conto dell’apertura angolare della radiazione solare).
Figura 1: Distribuzione della densità di potenza
sulla cella a multigiunzione
2.1 Prestazioni elettriche
I moduli installati sul sistema sono stati caratterizzati
dall’ENEA, in condizioni outdoor, con lo scopo di valutarne le prestazioni elettriche.
Figura 2: Curva I-V di un sotto-modulo Pirelli
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Un carico elettronico con tensione variabile è stato
collegato alle stringhe dei singoli moduli e ad ogni
valore di tensione è stata acquisita la corrente generata, insieme ai valori di radiazione solare diretta sul
parquet. Tali dati sono stati elaborati al fine di ottenere la curva IV (corrente-tensione) del modulo ed i
suoi principali parametri funzionali. Nella Figura 2 è
riportata la caratteristica IV per uno dei sottomoduli
(metà modulo) sottoposti a test.
design è stato effettuato secondo Eurocodes, lo standard richiesto per la costruzione civile in Europa, e nel
rispetto delle normative tecniche di settore vigenti in
Italia [4]. La velocità del vento di riferimento scelta è
28m/s; in tal modo l’installazione del tracker è possibile in quasi tutte le regioni soleggiate d’Europa.
Tutti i valori misurati sono stati normalizzati con un valore di DNI (Direct Normal Intensity) pari a 850W/m2;
non è stata introdotta alcuna condizione standard per
la temperatura di lavoro della cella. I principali risultati ottenuti per i sotto-moduli (metà modulo, con 24
celle) sono:
- L’efficienza elettrica è compresa tra 25% e il 28%, con un valore medio di 26,2%;
- La potenza di picco varia tra 74W e 82W, il valore medio è di 77,2W.
- Il Fill Factor (fattore di riempimento) è compreso tra 80% e 84%.
Figura 4: Sistema HCPV Pirelli installato presso il
Centro Ricerche ENEA di Portici
La Figura 3 mostra la distribuzione statistica di efficienza dei moduli.
4 TEST DEL SISTEMA
Occorre sottolineare che le potenze di picco, che mostrano andamento analogo, variano in un intervallo
del 6,5% rispetto al valore medio, evidenziando l’affidabilità del processo di produzione.
Figura 3: Distribuzione statistica
dell’efficienza dei moduli
I test sono stati eseguiti per la prima volta all’inizio di
aprile 2011 e successivamente sono stati ripetuti alla
fine di luglio per verificare l’affidabilità del sistema
durante i primi mesi di operatività. Dal confronto tra
i dati sperimentali ottenuti nel corso delle due campagne di misura, non è stato rivelato alcun cambiamento
rilevante nei parametri elettrici.
2.2 Misura dell’angolo di accettanza.
L’angolo di accettanza del modulo Pirelli è stato misurato in condizione out-door, montando lo stesso su
un tracker ENEA di 4m2 con accuratezza di inseguimento pari a ± 0,02°. Il metodo utilizzato [2, 3] si basa
sulla ipotesi che l’efficienza ottica del modulo, nelle
stesse condizioni di irraggiamento, è direttamente
proporzionale alla corrente di corto circuito prodotta.
L’accettanza angolare del modulo, considerata come
l’angolo di disallineamento tra la radiazione solare
e la perpendicolare al parquet di lenti che determina
perdite ottiche del 10%, è circa di 1,2°.
Il sistema Pirelli è in fase di test presso il Centro Ricerche ENEA di Portici dal febbraio 2011. Un’unità
di acquisizione dati registra ogni 5 minuti i parametri
di funzionamento dell’impianto insieme ai dati meteorologici, con in particolare l’irraggiamento, la velocità del vento e la temperatura di lavoro del modulo
misurata su quattro punti differenti del dissipatore di
calore.
4.1 Test del sistema
Il comportamento delle stringhe è stato analizzato in
termini di prestazioni energetiche e di accettanza angolare ed è riportato in dettaglio in [3].
La figura 5 riporta l’energia prodotta in DC dalle
quattro stringhe e il valore di DNI durante una tipica giornata soleggiata. Le curve mostrano una buona
uniformità di comportamento delle stringhe durante la
giornata: il valore medio della differenza tra il massimo ed il minimo della potenza in DC durante il giorno
è di circa il 4%. Il valore medio giornaliero di efficienza elettrica delle stringhe è circa del 25%.
3 L’INSEGUITORE SOLARE
L’inseguitore solare Pirelli (vedi Fig.4) è di tipo biassiale ed è stato appositamente sviluppato per ospitare
dei moduli HCPV, orientandoli nella direzione del
sole con la precisione richiesta dall’applicazione.
Esso è costituito dai vari elementi strutturali, come
ampiamente descritto in [3], studiati per ottenere la
massima semplicità costruttiva.
La struttura è dotata di un sistema di controllo basato
su logica di loop aperto/chiuso. La prima si basa su un
calcolo continuo della posizione del sole, la seconda
è ottenuta per mezzo di uno specifico algoritmo che
permette di orientare i moduli in modo che la produzione di energia del sistema sia massimizzata. Il
Figura 5: Produzione giornaliera di potenza in DC
delle stringhe
L’andamento della potenza AC e l’efficienza di conversione DC/AC sono riportati in Figura 6. Si può notare come le perdite dovute al sistema di conversione
dell’energia DC/AC siano molto basse, con un valore
medio pari a 1,5%.
L’efficienza del sistema diminuisce durante le ore centrali del giorno a causa dell’aumento della temperatura di lavoro delle celle.
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5 CONCLUSIONI
Figura 6: Prestazioni giornaliere del sistema
Tuttavia grazie sia al buon comportamento del sistema
di dissipazione termica (la più alta temperatura di cella
registrata è inferiore a 50°C) sia al basso coefficiente
di degrado termico della cella utilizzata (-0,04%/°C),
la perdita massima causata da tale effetto è circa l’1%
rispetto alla condizione nominale. Il valore globale
medio di efficienza di conversione è del 24,6%, la potenza massima AC normalizzata a 850W/m2 DNI è
di 5600 W.
4.2 Analisi termiche
Il sistema prototipale ad alta concentrazione fotovoltaica HCPV realizzato da Pirelli ed i suoi principali
componenti sono stati testati dall’ENEA durante il suo
primo anno di operatività. Il sistema ottico abbiamo
visto, è caratterizzato da una buona efficienza (80%),
da un’uniformità molto elevata della radiazione concentrata sulla cella solare e da un’elevata accettanza
del sistema ottico (1,2°). Questo consente di utilizzare
un tracker con accuratezza di inseguimento non troppo
spinta, con una conseguente semplificazione di costruzione e riduzione dei costi di installazione.
La campagna sperimentale effettuata sui moduli ha
mostrato valori di efficienza elevati (fino al 28%) ed
una bassa variazione della loro potenza di picco rispetto al valore medio grazie ad una buona affidabilità del
processo produttivo.
Sono state inoltre misurate le prestazioni delle stringhe ottenendo un efficienza DC pari al 25% ed un angolo di accettanza compreso tra 0,8° e 1,0° (Figura
9). La differenza tra i suddetti valori e l’accettanza del
modulo è dovuta al piccolo disallineamento tra i moduli che si è verificato durante la fase di assemblaggio
del sistema.
Il comportamento termico dei moduli Pirelli in condizioni operative è stato analizzato posizionando quattro
termocoppie sui dissipatori di calore (in corrispondenza delle celle, come indicato nella Figura 7).
Figura 7:
Posizione delle termocoppie sul retro dei moduli
Figura 9:
Accettanza angolare del modulo Pirelli
La Figura 8 riporta l’andamento della temperatura
giornaliera, misurata dalle termocoppie, in funzione
sia della radiazione globale sul piano di tracking che
della temperatura esterna.
Il comportamento termico del modulo è eccellente ed
è previsto un aumento massimo della temperatura di
lavoro della cella solare di 25°C rispetto alla temperatura ambiente, in condizioni di elevato irraggiamento
solare e bassa velocità del vento.
Il rendimento medio del sistema di conversione DC/
AC è elevato ed è pari al 98,5%; l’efficienza globale
del sistema è 24,6%.
La campagna sperimentale sarà prolungata nei mesi
successivi al fine di effettuare un’analisi delle prestazioni di sistema di medio-lungo termine, nonché valutare eventuali up-grade da apportare per un’ottimizzazione spinta delle performance energetiche dei singoli
componenti e dell’intero sistema.
Figura 8: Andamento termico del sistema
È importante sottolineare come la differenza tra le
misure effettuate e la temperatura ambiente non sia
superiore a 20°C. Supponendo che la temperatura
delle celle sia di 5°C superiore alla temperatura del
dissipatore e considerando una temperatura ambiente
massima di 40°C, la temperatura operativa massima
della cella dovrebbe essere di circa 65°C. Tale valore
è pienamente compatibile con le specifiche delle celle
fornite dal produttore (temperatura massima operativa
di 100°).
6 BIBLIOGRAFIA
1] Benítez P. et al, “High performance Fresnel-based photovoltaic concentrator”, Energy Express, 2010 Optical Society
of America.
[2] C. Cancro et al, “Comparison between two different s.o.e.
geometrical shapes to increase the PhoCUS C-module energy performances”, proc. 21th EPVSEC, Dresda, Germania,
4-8 Settembre 2006.
[3] C. Cancro et al, “Performances of an Innovative HCPV
System”, proc. 26th EU PVSEC, Amburgo, Germany, 5-9
Settembre 2011.
[4] NTC 2008 “Norme tecniche per le Costruzioni”, Decreto
Ministeriale Italiano del 14 Gennaio 2008.