Diapositiva 1

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Facoltà di Architettura
FONTI DELL’ENERGIA ELETTRICA
25 FEBBRAIO
2011le fonti energetiche possono essere:
A seconda
delle origini
• Fonti non rinnovabili: sono esauribili, a disposizione in quantità limitata. In
questa categoria rientrano il carbone, il petrolio, il gas naturale, etc.
• Fonti rinnovabili: sono a disposizione in quantità illimitata. In questa categoria
rientrano il sole, l’acqua, il vento, il calore della Terra, le maree, le biomasse, etc.
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
FOTOVOLTAICO
Energia elettrica dalla radiazione solare
La tecnologia fotovoltaica permette di trasformare direttamente in energia elettrica
la luce associata alla radiazione solare. Essa sfrutta le proprietà dei materiali
semiconduttori, come il silicio, che opportunamente trattati, sono in grado di
generare elettricità una volta colpiti dalla radiazione solare (quindi senza alcun uso
di combustibili).
Laboratorio di Costruzioni
Modulo di Impianti
Facoltà di Architettura
Radiazione
Solare
25 FEBBRAIO
2011
Energia elettromagnetica emessa dai
processi di fusione dell’idrogeno con l’elio
contenuti nel sole.
Nel nucleo si produce, per effetto della
reazione di fusione, una temperatura
stimata tra 16 e 40 milioni di gradi;
attraverso una serie di processi radiativi e
convettivi avviene il trasferimento del calore
alla superficie dove avviene l’irraggiamento
verso lo spazio.
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
La temperatura della superficie si porta
allora ad un valore di circa 5780 K, tale da
fare sorgere un equilibrio tra l’energia che la
superficie stessa riceve dal nucleo e quella
che emette verso gli spazi siderali.
Laboratorio di Costruzioni
Modulo di Impianti
Facoltà di Architettura
Fuori
l’atmosfera terrestre
la potenza incidente su di una superficie unitaria,
25 FEBBRAIO
2011
perpendicolare ai raggi solari, assume un valore di circa 1.360W/m², questo
valore prende il nome di Costante Solare
ca il 40% della radiazione viene
assorbita o riflessa dalle nubi ed il
15% viene assorbita dall'atmosfera
stessa. Arriva al suolo, quindi, circa il
45% della radiazione.
Densità di Potenza  radiazione
solare per unità di tempo e di
superficie.
Sulla superficie terrestre, a livello del
mare, in condizioni meteorologiche
ottimali e sole a mezzogiorno, la
densità di potenza è di circa
1000W/m²
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
Laboratorio di Costruzioni
Modulo di Impianti
Facoltà di Architettura
25radiazione
FEBBRAIO
2011
La
solare
che raggiunge la superficie terrestre si distingue in:
(1)diretta
(2)diffusa
(3)riflessa
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Modulo di Impianti
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25 FEBBRAIO 2011
Un parametro importante della radiazione solare è rappresentato dall'intensità
misurata con due grandezze fisiche:
- l'insolazione, ovvero l'energia media giornaliera (kWh/m2giorno)
- l'irraggiamento, cioè la potenza istantanea su superficie orizzontale (kW/m2).
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
La produzione di energia a partire da quella solare è funzione del carattere
periodico della fonte.
Infatti la rotazione terrestre determina i cicli stagionali e giornalieri che
caratterizzano la presenza di radiazione solare e la relativa intensità (posizione
della Terra rispetto al Sole - stagione ed ora del giorno).
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Modulo di Impianti
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25 FEBBRAIO 2011
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
Laboratorio di Costruzioni
Modulo di Impianti
Facoltà di Architettura
Per progettare i sistemi che sfruttano la radiazione solare per la generazione di
25 FEBBRAIO
energia
termica che2011
elettrica, occorre quantificare la potenzialità di captazione della
radiazione solare.
I parametri da individuare e valutare per la progettazione dei sistemi ad energia
solare sono:
- Caratteristiche tecniche dei sistemi
- Parametri ambientali.
LABORATORIO
DI
COSTRUZIONI
Parametri ambientali:
-i parametri astronomici e geografici:
le stagioni e le ore sono caratterizzanti della diversa inclinazione dell’asse terrestre,
mentre la latitudine e la longitudine sono caratterizzanti della rotazione.
Questi fattori combinandosi determinano la diversa inclinazione di incidenza dei
raggi solari sulla superficie terrestre che in estate è prossima alla direzione verticale
mentre in inverno è prossima alla direzione dell'orizzonte;
- i parametri atmosferici: descrivono le condizioni meteorologiche che caratterizzano
l'area interessata dall'istallazione e sono necessari per quantificare la radiazione
diretta che investe le superfici captanti e le temperature.
Laboratorio di Costruzioni
Modulo di Impianti
Facoltà di Architettura
Condizioni ottimali di inclinazione e orientamento della superficie captante
25 FEBBRAIO 2011
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
Laboratorio di Costruzioni
Modulo di Impianti
Facoltà di Architettura
Condizioni ottimali di inclinazione e orientamento della superficie captante
FEBBRAIO
ln 25
linea
generale,2011
le applicazioni di piccole e medie dimensioni, che
caratterizzano il settore dell'edilizia, utilizzano superfici captanti con struttura
fissa.
Pertanto, ai fini della progettazione, i parametri da considerare per determinare
le migliori condizioni di captazione della radiazione solare in relazione al sito e
all'edificio su cui insiste l'impianto, sono:
- l’angolo di tilt, ossia l'inclinazione della superficie captante (angolo indicato con
b);
- l'azimuth, ossia l’orientamento della superficie captante ponendo lo 0 nel sud
geografico dell’emisfero settentrionale (angolo indicato con g);
- l’albedo, ossia la capacità di riflessione di una superficie in funzione del
materiale e del colore (coefficiente di riflessione)
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
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Modulo di Impianti
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Angolo
azimutale g2011
:
25 FEBBRAIO
è l’angolo orizzontale tra il piano verticale passante per il sole e la direzione del sud,
ed è positivo verso est e negativo verso ovest.
Altezza solare a:
è l’angolo verticale che la direzione collimata al
sole forma con il piano orizzontale;
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25 FEBBRAIO
Nelle
applicazioni 2011
più comuni i sistemi solari vengono utilizzati durante tutto
l'arco dell‘anno e, in questo caso, approssimativamente, si può prevedere che
l'inclinazione ottimale è la latitudine del luogo meno 10°.
L'orientamento ottimale nell'emisfero Boreale è verso sud, quindi con angolo di
azimuth g pari a 0° e per le latitudini che interessano il territorio italiano,
l'inclinazione ottimale è di 30
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
29° (Sud Italia) ai 32° (Nord Italia).
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Modulo di Impianti
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FEBBRAIO
2011
Nel25
caso
in cui invece
si prevede l'utilizzo degli impianti solari solo durante una
stagione (come le residenze estive o le attività turistiche ricettive stagionali), ad
esempio in inverno, la direzione dei raggi solari è più inclinata e la radiazione
solare è meno intensa (superficie captante maggiore).
Al contrario in estate, in cui la radiazione solare è più intensa è la direzione dei
raggi è più vicina alla verticale, con traiettoria più alta.
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
Diagramma dei percorsi solari per la determinazione delle condizioni di
soleggiamento
Laboratorio di Costruzioni
Modulo di Impianti
Tecnica del Controllo Ambientale
Diagramma dei percorsi solari
Questo diagramma è così costituito:
 il cerchio esterno rappresenta l’orizzonte;
 i cerchi interni rappresentano i vari valori
dell’altezza solare α, che sono egualmente
spaziate l’una dall’altra;
 le linee radiali indicano l’azimut γ,
diagrammate a passi di 10°;
 le linee intersecanti i percorsi solari per le
varie date indicate, rappresentano l’ora locale
vera.
Tecnica del Controllo Ambientale
Determinazione delle ore di soleggiamento
Si orienta il diagramma
polare dei percorsi solari
relativo alla latitudine del
luogo in esame, secondo
la direzione Nord della
pianta dell’edificio;
Tecnica del Controllo Ambientale
Determinazione delle ore di
soleggiamento
dal centro del
diagramma si traccia
una retta parallela alla
proiezione sul piano
orizzontale del piano di
prospetto dell’edificio, e
la retta normale ad essa
uscente in direzione
Sud;
Radia
Radiazione solare su una parete in località Roma
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QUINDI:
25 FEBBRAIO 2011
L’energia solare non raggiunge la superficie terrestre in maniera costante, ma con
intensità variabile durante il giorno, da stagione a stagione, in funzione della nuvolosità,
dall’angolo d’incidenza e del coefficiente di albedo delle superfici.
La radiazione che un metro quadrato di una superficie orizzontale riceve è detta
radiazione globale ed include la radiazione diretta e quella diffusa.
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
La radiazione diretta e quella che giunge direttamente dal sole, mentre la radiazione
diffusa è quella riflessa dal cielo, dalle nuvole e da superfici riflettenti.
La radiazione diretta si ha quindi solo quando il sole è visibile.
L’Italia ha un’insolazione ottimale per l’utilizzo di tutte le tecnologie di sfruttamento della
radiazione solare. In condizioni di cielo sereno in Italia la radiazione globale può
raggiungere un’intensità di 900-1.200 W/m2. La radiazione diffusa oscilla invece tra 0 e
250-300 W/m2.
La radiazione diffusa rappresenta in Italia circa il 25% della radiazione globale. Quando il
cielo è densamente coperto o all’imbrunire, l’intensità della radiazione non supera i 50100 W/m2.
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Modulo di Impianti
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Per calcolare quanto produce un sistema fotovoltaico occorre conoscere l’irraggiamento
25 FEBBRAIO 2011
globale rappresentato nella cartina di sinistra.
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FEBBRAIO
2011 della radiazione solare possono essere diverse:
Le 25
modalità
di misurazione
- piranometri, che misurano l'intensità della radiazione solare netta;
- mappe isoradiative, che mostrano la distribuzione dell'insolazione media per
anno o per medie mensili nelle regioni;
-norme UNI 8477 parte 1, che a partire dai dati sull'orizzontale desunti dalla
norma UNI 10349, permettono di determinare la radiazione incidente;
- Atlante Europeo della Radiazione solare (commissionato dall'Unione Europea),
dove si possono consultare le tabelle con l’irraggiamento medio giornaliero in
funzione della località e dell'inclinazione della superficie captante;
- “La radiazione solare globale al suolo in ltalia", pubblicazione a cura dell'ENEA.'
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Sistemi fotovoltaici
25 FEBBRAIO
Si definisce
impianto2011
o sistema fotovoltaico un insieme di componenti
elettrici ed elettronici atti a captare e trasformare l'energia solare
disponibile in energia elettrica.
Esso è composto essenzialmente da:
• moduli o pannelli fotovoltaici, che costituiscono il generatore,
detto array fotovoltaico (diverse configurazioni );
• inverter, che trasforma la corrente continua generata dai moduli in
corrente alternata ;
• Batterie, quadri elettrici e cavi di collegamento.
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
La trasformazione o conversione di energia da solare in elettrica avviene attraverso il
fenomeno denominato effetto fotovoltaico, ovvero l'interazione della radiazione
luminosa con gli elettroni all'interno di materiali semiconduttori.
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25 FEBBRAIO 2011
Impianti fotovoltaici
La tecnologia fotovoltaica permette di
trasformare direttamente in energia elettrica la
luce associata alla radiazione solare.
Essa sfrutta le proprietà dei materiali
semiconduttori,
come
il
silicio,
che
opportunamente trattati, sono in grado di
generare elettricità una volta colpiti dalla
radiazione solare (quindi senza alcun uso di
combustibili).
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25 FEBBRAIO 2011
Impianti fotovoltaici
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Modulo di Impianti
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A differenza del solare termico, la tecnologia fotovoltaica sfrutta in modo non
25 FEBBRAIO
2011 diffuso, che permette di ottenere buone prestazioni anche
trascurabile
l'irraggiamento
con cielo nuvoloso.
ln linea generale il progetto e il dimensionamento del generatore fotovoltaico devono
considerare:
- latitudine ed irraggiamento medio annuo del sito;
- carico elettrico;
- specifiche elettriche del carico utilizzatore;
- potenza di picco;
- collegamento alla rete elettrica o a batterie;
- caratteristiche architettoniche dell'edificio (se i pannelli sono previsti su di un
edificio).
Gli impianti fotovoltaici possono essere:
- connessi alla rete elettrica di distribuzione (grid-connected) o
- direttamente a utenze isolate (stand-alone), per assicurare la disponibilità di energia
elettrica in zone isolate.
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I moduli fotovoltaici
25 FEBBRAIO 2011
La problematica che maggiormente influisce sullo sviluppo del fotovoltaico risiede nel processo
di produzione dei moduli che risulta ancora troppo costoso.
Il materiale primario che monopolizza l'attuale mercato del fotovoltaico è il silicio in diverse
forme e tecnologie che ne determinano i rendimenti e le applicazioni.
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
ll silicio è, dopo l'ossigeno, il materiale maggiormente presente sulla Terra.
Esso non esiste in forma pura ma non esiste in forma pura, solo sotto forma di Ossido di Silicio
(SiO2) o di composti contenenti il silicio Si, come la sabbia, il quarzo e l’argilla (in sabbia marina
o in materiale estratto in miniere - migliore fonte di approvvigionamento per la tecnologia
fotovoltaica).
Il silicio viene prima estratto dalle miniere e poi viene reso puro attraverso diversi processi
chimici. Esistono, tuttavia, vari gradi di purezza: per l’industria fotovoltaica il grado di purezza
stabilito deve essere 99,9% (Silicio di grado solare). Il silicio estratto ha bisogno di essere
purificato e questo è il processo più costoso nella filiera della produzione del fotovoltaico.
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Modulo di Impianti
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I moduli fotovoltaici
Si distingue
l’utilizzo del2011
silicio cristallino e l'utilizzo del silicio amorfo, materiali che presentano
25 FEBBRAIO
sostanziali differenze tanto nel processo di produzione quanto nell'applicazione e montaggio dei
moduli.
lnfatti, mentre per la tecnologia del silicio cristallino si parla di produzione di vere e proprie
celle, in quella del silicio amorfo si parla di film sottile depositato su materiali rigidi.
ln entrambi i casi le caratteristiche elettriche principali da considerare per un modulo
fotovoltaico sono:
- potenza di picco (Wp), che rappresenta la potenza erogata dal modulo in condizioni standard
(irraggiamento = 1000 W/m2; temperatura = 25° C);
- corrente nominale (A), ossia la corrente erogata dal modulo nel punto di lavoro;
-tensione nominale (V), ossia la tensione di lavoro del modulo.
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
Le diverse tipologie di moduli presenti sul mercato possono quindi classificarsi in base
al materiale che li costituisce, avendo questo un'influenza notevole sui costi e sui
rendimenti dei sistemi stessi:
- Ie celle e i moduli in silicio cristallino
- i moduli a film sottile in silicio amorfo
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Modulo di Impianti
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Celle e moduli in silicio cristallino
Sono25
rigide,
di forma 2011
quadrata con dimensioni variabili
FEBBRAIO
da 100 a 150 mm e spessore da 0,20 a 0,35 mm.
Esse costituiscono potenzialmente dei piccoli generatori, ma
la loro potenza è troppo ridotta (intorno a 1,5 Watt in
condizioni standard) ed inoltre sono molto fragili ed
elettricamente non isolate, pertanto devono essere assemblate in moduli.
Il collegamento delle celle avviene in serie ottenendo moduli che contano
generalmente 36, 64, o 72 celle.
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Le celle in silicio cristallino possono essere di tipo mono o policristallino.
-celle in silicio monocristallino
-celle in silicio policristallino
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Produzione di celle fotovoltaiche
25 FEBBRAIO 2011
Il silicio viene fuso e colato in una cilindro di cristallo, o lingotto,
di diametro di 20 cm, e alto circa un metro e pesa circa75 Kg.
Una volta freddo, il lingotto di silicio viene tagliato in dischi
molto sottili (wafer), dello spessore di 20-25 mm con struttura
omogenea, che costituiscono la base per le celle.
I wafer presentano un color argento lucido.
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
La produzione di questo tipo di celle è molto costosa, anche perché
ci sono molti scarti non riutilizzabili (25-30%).
10.000 tonnellate di silicio di grado solare equivalgono a circa 1.000 MW di celle solari
Il silicio deve essere drogato perché il silicio puro è un pessimo conduttore di corrente in
quanto non presenta elettroni di conduzione in grado di trasportare energia. Drogando il
silicio con ottimi conduttori di corrente e rendendolo impuro si forniscono gli elettroni di
conduzione necessari per la trasmissione dell’energia.
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Drogaggio
25 FEBBRAIO 2011
Le due facce del wafer vengono drogate con
atomi di fosforo e boro in modo da ottenere la
giunzione di due strati con proprietà elettriche
opposte: strato positivo P e strato negativo N.
La cella fotovoltaica è allora sostanzialmente
un diodo, cioè una giunzione tra due
semiconduttori P ed N.
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
I fotoni presenti nella radiazione luminosa
separano gli “elettroni” dagli atomi di silicio,
formando le “lacune”.
Gli elettroni sono carichi negativamente e le
lacune sono cariche positivamente; le coppie
elettrone – lacuna, create per effetto
fotoelettrico, migrano nel campo elettrico della
giunzione e generano in un circuito esterno la
corrente elettrica.
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Celle fotovoltaiche in silicio policristallino
25 FEBBRAIO 2011
Per la produzione della cella viene fatta solidificare
una massa fusa di silicio policristallino creando un cilindro,
successivamente tagliato a dischetti.
Durante la fase di solidificazione, i cristalli si dispongono
in modo casuale ed è per questo che la superficie presenta
caratteristici riflessi cangianti.
Il silicio policristallino ha una grana più grossa del silicio
monocristallino.
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
A differenza delle celle in monocristallino queste hanno una
struttura disomogenea, dovuta alle irregolarità del materiale, che
caratterizza l'aspetto delle celle con un disegno ben distinguibile.
La minor purezza della materia prima favorisce un abbattimento dei costi ma allo
stesso tempo implica un minor rendimento dei moduli in policristallino.
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25 FEBBRAIO 2011
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
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Facoltà di Architettura
Dalla cella al modulo in silicio cristallino
25 FEBBRAIO 2011
ll modulo in mono o poli-silicio cristallino è un pacchetto costituito dalle celle (mono o
policristalline) e da tutti sistemi di collegamento, protezione e irrigidimento necessari al suo
utilizzo.
Ogni cella è dotata di contatti elettrici che ne consentono il collegamento con le altre.
Quindi il modulo fotovoltaico è il componente elementare di un generatore fotovoltaico,
formato da più celle collegate tra loro in modo da ottenere valori di tensione e corrente
adatti ai comuni impieghi. Nel modulo le celle sono protette dagli agenti atmosferici da un
vetro e sul lato posteriore da materiali isolanti e plastici.
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
La superficie anteriore viene protetta con una lastra di vetro temperato con elevate
caratteristiche ottiche che oltre a proteggere il modulo dagli agenti atmosferici trattiene la
radiazione solare e riduce la riflessione.
La superficie posteriore viene protetta con uno strato plastificato per rendere il modulo
impermeabile all’ossigeno ed all’acqua e rigido.
Laboratorio di Costruzioni
Facoltà di Architettura
Moduli in silicio cristallino
25 FEBBRAIO 2011
A questo punto il pacchetto, denominato anche "sandwich“, viene sottoposto ad un
processo di laminazione sottovuoto esponendolo ad alte temperature, che favoriscono la
completa sigillatura dei componenti, escludendo le infiltrazioni d'aria.
Una scatola di connessione, saldata e sigillata nella parte posteriore del modulo, permette il
collegamento elettrico con altri moduli.
ll processo di produzione del modulo è completato con l'inserimento della cornice in
alluminio estruso anodizzato.
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
I moduli in silicio cristallino hanno una potenza che varia da 50 Wp a 150 Wp a seconda del
tipo di celle utilizzate e della loro efficienza.
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Moduli in silicio cristallino
25 FEBBRAIO 2011
Un problema legato a questo tipo di tecnologia è la diminuzione del rendimento, che può
anche azzerarsi in situazioni di ombreggiamento
- moduli in silicio monocristallino: alto rendimento, circa il 14-18% dovuto alla purezza del
materiale che ne determina anche il maggior costo e, a parità di potenza erogata, richiedono
l'occupazione di minor superficie;
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
- moduli in silicio policristallino: il rendimento globale di questo tipo di pannelli è del 12-14%
poiché, rispetto al monocristallino, si registra un decadimento dovuto alla minor purezza del
materiale. I processi di produzione meno elaborati comportano una diminuzione dei costi ma,
essendo la resa minore, a parità di potenza istallata è necessaria una superficie captante
leggermente superiore al monocristallino.
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Facoltà di Architettura
CARATTERISTCHE DEL MODULO FOTOVOLTAICO
25 FEBBRAIO 2011
Per valutare un modulo fotovoltaico occorre conoscere le sue caratteristiche e le sue prestazioni
elettriche.
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Facoltà di Architettura
POTENZA DI PICCO
25 FEBBRAIO 2011
Massima potenza elettrica che la cella fotovoltaica genera in condizioni ottimali [Wp].
Essa viene definita in base a delle condizioni standard, le quali corrispondono ad irraggiamento
di 1.000 W/m2 e ad una temperatura della cella di 25°C.
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
Laboratorio di Costruzioni
Facoltà di Architettura
POTENZA DI PICCO
25 FEBBRAIO 2011
In tali condizioni, una cella di 100 cm2 (10 cm x 10 cm) e con un’efficienza pari al 15% genera una
potenza di 1,5 W. La potenza è direttamente proporzionale alle dimensioni della cella.
Per calcolare quanti moduli occorrono per un impianto si divide il numero dei Watt richiesti per
il valore di picco del modulo scelto (Es: 1.000 Wp : 175Wp =5,71 moduli).
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
Il valore di picco è molto importante: infatti, rappresenta un impegno del costruttore che
certifica i suoi dati. I moduli dovrebbero quindi essere accompagnati da CERTIFICAZIONI, nello
specifico:
IEC 61215 per i moduli di Silicio Cristallino o IEC 61646 per i moduli a Film Sottile e la Safety
Class II.
Incidenza della tolleranza sulla potenza di picco (WP):
+/- 5% significa che un modulo da 175 Wp potrebbe avere una potenza di picco da 166,25 a
183,75 Wp;
+/- 10% significa che un modulo da 175 Wp potrebbe avere una potenza di picco da 157,50 a
192,5 Wp.
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Moduli in silicio amorfo
25 FEBBRAIO 2011
AMORFO (a-Si)
Il silicio amorfo e caratterizzato dal modo disordinato in cui gli atomi o le
molecole sono legati tra di loro. Utilizzando il silicio amorfo non si può
parlare di celle, in quanto si tratta di strati sottili di silicio amorfo applicati
su superfici più grandi delle normali celle.
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
FILM SOTTILE
Per la produzione di questi moduli, il materiale base viene vaporizzato e
lavorato allo stato gassoso, depositato su una superficie di supporto,
detta substrato, fatta da lastre di vetro o lamine di altro materiale. La
strato di silicio ha uno spessore di circa 2μ ovvero oltre 100 volte più
sottile dello strato ottenuto con celle di silicio cristallino.
Questo film sottile può essere applicato su diversi tipi di materiale, sia
trasparente che opaco (in genere viene utilizzato il vetro temperato)
dello spessore di circa 20-30 mm e pesi ridotti.
Laboratorio di Costruzioni
Facoltà di Architettura
Moduli a film sottile in silicio amorfo
25 FEBBRAIO 2011
Difetti della tecnologia dei moduli a film sottile in silicio amorfo
1. Basso rendimento (6 - 10%)
2. Nel dimensionamento dell'impianto è indispensabile tener conto di un decadimento di circa il
20% cui è soggetto il modulo nei primi due mesi di messa a regime. Questa perdita iniziale,
dichiarata dalle case produttrici, rimane poi stabile per circa 20 anni.
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
Vantaggi della tecnologia dei moduli a film sottile in silicio amorfo:
1. Considerevole riduzione dei costi
2. Elevata versatilità del prodotto finale che risolve, a volte, le problematiche dell'integrazione
architettonica degli impianti fotovoltaici
3. Minori riduzioni di efficienza in presenza di ombreggiamenti e minore influenza dalla
temperatura rispetto alle celle in silicio.
Il minor rendimento dei moduli implica un aumento considerevole delle superfici captanti
necessarie, soprattutto se confrontato con la tecnologia del silicio monocristallino ma, se non si
hanno problemi di spazio, l'istallazione risulta comunque economicamente vantaggiosa, dato
che il costo per ogni watt di elettricità prodotto è del 25-40% inferiore rispetto al
monocristallino.
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Facoltà di Architettura
25 FEBBRAIO 2011
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
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25 FEBBRAIO 2011
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
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EFFICIENZA
DI CONVERSIONE
25 FEBBRAIO
2011
L’efficienza di conversione è il rapporto percentuale tra l’energia solare raccolta dalla superficie
di un modulo fotovoltaico e la potenza di picco Wp prodotta.
Efficienza del modulo = Potenza di picco (Wp) x 100/Area del modulo m2
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
L’efficienza di un modulo determina la superficie necessaria per produrre i KWp richiesti (ad
esempio, da 7 a 8,2 m2 per avere 1 KWp se si utilizzano moduli in silicio monocristallino)
E’ inoltre opportuno sottolineare che:
se il sole è allo Zenit irradia 1.000 Watt per m2 nelle condizioni standard;
se un modulo di 1m2 avesse una potenza di picco di 1.000 Wp avrebbe così un’efficienza del
100%.
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IL GENERATORE FOTOVOLTAICO
25 FEBBRAIO
Il generatore
elettrico e2011
costituito da alcuni moduli per fornire la potenza elettrica richiesta
dall’utilizzatore. La stringa è l’insieme dei moduli collegati elettricamente in serie per ottenere la
tensione richiesta.
Quindi, collegando in serie i moduli si forma la Stringa.
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Modulo di Impianti
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IL GENERATORE FOTOVOLTAICO
25 FEBBRAIO 2011
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
Collegando in parallelo più stringhe di
moduli si forma, invece, il Generatore
Fotovoltaico.
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Modulo di Impianti
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25 FEBBRAIO
2011 in parallelo
Le stringhe
vengono collegate
ad un gruppo di conversione “inverter”
che trasforma la corrente continua
prodotta dai moduli in corrente alternata.
Il quadro di parallelo, il sistema di
conversione ed il quadro di consegna
devono essere dotati
di tutte le protezioni ai vari livelli richieste
dalle norme di sicurezza.
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
L’inverter, posto tra i moduli e la rete,
trasforma la corrente generata dai moduli
fotovoltaici da continua in alternata alla
frequenza ed alla tensione di
funzionamento della nostra rete elettrica.
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25 FEBBRAIO 2011
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Modulo di Impianti
Facoltà di Architettura
Classificazione fondamentale dei sistemi fotovoltaici
25 FEBBRAIO 2011
-Sistemi stand alone: sistemi autonomi, completamente indipendenti dalla rete, utili in caso di
utenze isolate. La configurazione del sistema prevede che i moduli fotovoltaici vengano
dimensionati in modo tale da garantire l'utilizzo diretto da parte dell'utente e che vengano
caricate delle batterie di accumulo, le quali costituiscono la riserva di energia elettrica per i
periodi in cui i moduli non producono.
Un impianto
fotovoltaico isolato è composto da:
- i moduli fotovoltaici;
- il regolatore di carica;
- l'inverter;
- il sistema di accumulo (batterie di accumulo).
ln caso di guasto, l'impianto non avrebbe
nessuna possibilità di alimentazione
alternativa ma è possibile prevedere nel
progetto l’integrazione del sistema con un
generatore alternativo ai moduli fotovoltaici,
come ad esempio un gruppo elettrogeno.
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Modulo di Impianti
Facoltà di Architettura
Sistemi stand alone
25 FEBBRAIO 2011
Regolatore di carica
È un dispositivo utilizzato per la carica
controllata di batterie a liquido elettrolita o a
gel e svolge la funzione di controllo e protezione
contro il sovraccarico e l'eccessiva
scarica degli accumulatori.
ll regolatore agisce disconnettendo
automaticamente il sistema di accumulo dal
circuito in base alle tensioni di soglia
(massima e minima) impostate.
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L’energia elettrica prodotta viene direttamente consumata dall’utente e la parte in eccedenza
viene accumulata in apposite batterie, che la renderanno disponibile nelle ore in cui manca
l’insolazione.
Le principali applicazioni per utenze isolate sono: case isolate, rifugi, baite, siti archeologici,
pompaggio dell’acqua nell’agricoltura,alimentazione di ripetitori radio, di stazioni di rilevamento,
di apparecchi nel settore delle comunicazioni, ecc.
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Inverter
Negli25
impianti
fotovoltaici
FEBBRAIO
2011del tipo stand alone l'inverter trasforma la corrente continua in
alternata a 220 V permettendo l'utilizzo diretto da parte dell'utente, ma non risulta
indispensabile se è possibile effettuare l'alimentazione direttamente in corrente continua a
bassa tensione. ln questo caso, la potenza dell'inverter viene dimensionata in base alla potenza
massima di carico a cui verrà collegato l'impianto.
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Sistemi grid connected
Interscambio
con la rete2011
elettrica.
25 FEBBRAIO
L'energia prodotta dai moduli fotovoltaici dell’utenza viene inviata alla rete elettrica nazionale
senza alcun limite.
Nei periodi in cui i moduli non sono in grado i produrre la quantità richiesta di energia il carico
viene alimentato dalla rete, garantendo la continuità del servizio di erogazione.
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Componenti principali di un impianto fotovoltaico connesso in rete:
- i moduli fotovoltaici;
- l'inverter;
- il dispositivo di interfaccia con la rete elettrica;
- ll contatore di energia bidirezionale.
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Dispositivo di interfaccia con la rete elettrica
25 FEBBRAIO 2011
È necessario per l'immissione nella rete dell'energia prodotta, in quanto garantisce che la forma
d'onda dell'energia elettrica immessa in rete abbia tutte le caratteristiche richieste.
Contatore di energia bidirezionale (solo per impianti grid connected)
È un contatore che effettua la misurazione degli scambi di energia con la rete, sia quelli relativi
all'immissione dell'energia prodotta, che quelli relativi al prelievo di energia dalla rete nei
periodi di scarsa produzione fotovoltaica.
Il bilancio tra i due flussi può implicare una spesa o un guadagno per l’utente.
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Si suddividono in due grandi categorie:
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• Impianti collegati alla rete elettrica di distribuzione in bassa tensione.
• Impianti collegati alla rete elettrica di distribuzione in media tensione
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Vantaggi di un impianto fotovoltaico
Installare
un impianto
fotovoltaico contribuisce a ridurre lo sfruttamento delle risorse
25 FEBBRAIO
2011
naturali (gas, petrolio, carbone) e riduce le emissioni dei gas responsabili dell’effetto serra
Riassumendo la tecnologia fotovoltaica :
• è affidabile, poco suscettibile a guasti e richiede pochissima manutenzione;
• produce energia elettrica direttamente dove serve;
• è modulare e facilmente espandibile;
• ha degrado di circa il 20% entro 25 anni;
• consente di sfruttare superfici non utilizzabili per altri scopi;
• consente la produzione di energia elettrica dove non esiste una rete elettrica nazionale;
• non necessita di combustibili fossili, ma solo di radiazione solare;
• non produce rumore e non consuma risorse, non immette gas inquinanti e non disperde
calore;
• riduce il consumo di energia convenzionale per il fabbisogno energetico;
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Spazio necessario per generare 1 KWp
25 FEBBRAIO 2011
La seguente tabella può essere utile per calcolare la superficie necessaria a realizzare un
impianto della potenza di 1KWp sulla base del materiale utilizzato per produrre le celle.
MATERIALE UTILIZZATO
m2 PER PRODURRE 1KWP
Monocristallino
da 7 a 9 m2
Policristallino
da 8 a 11 m2
Thin Film Tandem Cell
da 11 a 13 m2
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Si può dire che comunemente:
1KWp = circa 10m2 di Moduli Fotovoltaici
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Numero di moduli necessari per generare 1 KWp
25 FEBBRAIO 2011
Esempio:
Modulo da 185Wp
poichè 1 KW è 1.000 Watt, basta dividere per il numero di Wp:
1.000W : 185Wp = 5,4 Moduli
Per sapere esattamente quanto spazio occupano basta invece leggere nelle caratteristiche
tecniche le dimensioni del modulo normalmente espresse in mm, calcolare la superficie del
modulo e quindi moltiplicare per il numero dei moduli.
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Quanta energia produce un impianto
25 FEBBRAIO
2011 solare compresa tra i 1.350 ai 1.950 KWh/m2 all’anno e
L’Italia
ha una radiazione
corrisponde al contenuto energetico di un barile di petrolio all’anno per ogni metro
quadrato di terreno.
Il barile di petrolio corrisponde esattamente a 159 litri.
Il contenuto energetico della radiazione solare annuale varia da zona a zona.
Quanto produce mediamente un impianto fotovoltaico di 1 KWp annualmente in Italia?
Considerando esposizione a Sud, inclinazione a 30° e assenza di ombreggiamenti, la
produzione varia in base alle diverse zone d’Italia.
Nello specifico:
Nord Italia = da 1.100KWh a 1.200KWh
Centro Italia = da 1.200KWh a 1.300KWh
Sud Italia = da 1.300KWh a 1.500KWh
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Questi dati si basano su statistiche di lungo periodo. Gli impianti generalmente producono
circa i 3/4 della resa annuale nel semestre estivo ed 1/4 nel semestre invernale.
Le rese degli impianti possono aumentare o diminuire annualmente di circa il 10%.
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I Principali elementi che influenzano le prestazioni dei moduli fotovoltaici sono quattro:
25 FEBBRAIO 2011
1) IRRAGGIAMENTO;
2) TEMPERATURA;
3) INCLINAZIONE;
4) ZONE D’OMBRA.
IRRAGGIAMENTO
L’irraggiamento è la radiazione solare istantanea
Incidente sulla superficie di un oggetto.
Si misura in kW/m2. I moduli producono energia
elettrica non solo quando sono irradiati da luce diretta
ma anche quando ricevono luce diffusa o riflessa.
L’irraggiamento influisce sulla corrente, la tensione
non subisce variazioni significative.
Esistono tabelle che permettono di stimare quanti
KWh/m2 vengono irraggiati
per località (ENEA, CNR, etc.)
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TEMPERATURA
25 FEBBRAIO 2011
Le variazioni di temperatura influiscono sia sulla corrente
(Ampere) che sulla tensione (Volt).
Con l’aumentare della temperatura oltre i 25° C diminuisce
la tensione ed aumenta la corrente.
La potenza di picco è data dal prodotto di questi due elementi. Normalmente
LABORATORIO DI COSTRUZIONI
Per i moduli in silicio cristallino l’aumento della temperatura
comporta un calo della potenza di circa lo 0,5% per
ogni grado di temperatura superiore al valore di riferimento
(25° C.)
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INCLINAZIONE
25 FEBBRAIO
2011
L’ottimale
delle prestazioni
si otterrebbe con il modulo perpendicolare ai raggi soalri.
In Italia l’impianto lo si espone a Sud con un angolo che può variare da 30° a 40° in funzione
della località (latitudine).
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ZONE D’OMBRA
Occorre
evitare di collocare
25 FEBBRAIO
2011 i moduli vicino ad oggetti, piante e costruzioni che possano creare
zone di ombra, permanenti o momentanee sui moduli.
Il fenomeno degli ombreggiamenti e dinamico perché dipende dall’orientamento del sole,
perciò tale movimento può essere previsto e calcolato.
Per quanto riguarda, invece, gli ombreggiamenti occasionali come polvere, foglie, neve o
escrementi di uccelli, l ’effetto sarà tanto minore quanto più efficiente sarà il sistema di autopulizia. Normalmente lo sporco viene rimosso dall’acqua piovana in funzione dell’ angolo di
inclinazione.
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Verifica delle zone di ombreggiamento con i
Diagrammi dei percorsi solari per data latitudine.
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Inclinazione e orientamento della superficie captante
FEBBRAIO
2011 la radiazione solare nelle migliori condizioni, ovvero
La 25
soluzione
per captare
sempre perpendicolarmente rispetto alla sorgente, è quella di disporre di
superfici che, al variare della posizione del sole, seguano il suo percorso (Solar
tracking systems).
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L'inseguimento solare può essere ad asse singolo (cioè la rotazione avviene solo
sull'asse orizzontale, oppure su quello verticale) o a doppio asse, cioè la
rotazione avviene contemporaneamente sia in verticale che in orizzontale,
posizionando pertanto i pannelli in modo sempre frontale rispetto al Sole
(cambia orientamento e inclinazione).
Questo tipo di tecnologia mobile attualmente ha costi di produzione e di
gestione molto elevati e quindi trova applicazione solo in impianti di grossa
taglia, dove la notevole produzione energetica giustifica la spesa.
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Inseguimento solare. Rotazione attorno a due assi: orizzontale e verticale
25 FEBBRAIO 2011
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Inseguitore solare
ad 1 asse di rotazione
Inseguitore solare
a 2 assi di rotazione
In un inseguitore il movimento può avvenire sul solo asse verticale (inseguitori di
azimuth) oppure su quello orizzontale (inseguitori di tilt).
A seconda dei movimenti previsti si parla quindi di inseguitore biassiale o monoassiale.
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Condizioni ottimali di inclinazione e orientamento della superficie captante
25 FEBBRAIO
(Rotazione
attorno ad2011
un asse: orizzontale)
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Diminuzione di densità dell’aria verso il basso
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Il Rendimento
Il fatto
variare l’inclinazione
e/o l’orientamento dei pannelli conduce ad una maggiore
25 di
FEBBRAIO
2011
producibilità di energia elettrica.
Orientativamente, un inseguitore monoassiale comporta una maggiore produzione del 10-20%
rispetto ad un impianto fisso, a seconda del tipo di montaggio e di movimento.
Un inseguitore biassiale, invece, può permettere un incremento della producibilità del 30-40% a
seconda dei diversi modelli.
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Produzione elettrica di un impianto fotovoltaico nell’arco della giornata relativa ad un impianto
fisso e ad un impianto con inseguimento solare.
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Il costo maggiore (ca + 25%) risulta ampiamente bilanciato da una maggiore produttività (+30%).
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Watt = UNITA’ DI MISURA PER LA POTENZA
L’ Energia, che rappresenta quindi la capacità di un sistema di compiere lavoro, e pari alla
potenza erogata moltiplicata per il tempo dell’erogazione. Generalmente si misura in J (Joule),
mentre quella elettrica si misura il Wh (Wattora) ed equivale all’energia resa disponibile da un
dispositivo che eroga un Watt di potenza per un ora. L’energia di 1.000 Wh (1KWh) rappresenta
la capacità di svolgere un lavoro pari ad 1KW per la durata di 1 ora.
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