Alunno: Vincenzo Pasquini   -         Anno Scolastico:2010/2011

Impianto Fotovoltaico

Principali componenti e principio di funzionamento

II - La conversione fotovoltaica

La conversione della radiazione solare in energie elettrica avviene sfruttando l’effetto indotto da un flusso luminoso che incide su un materiale semiconduttore (principalmente silicio) opportunamente drogato. Ogni fotone sufficientemente energetico è in grado di liberare all’interno della giunzione p-n una coppia elettrone-lacuna che genera,per effetto del campo elettrico tra i due strati drogati, una differenza di potenziale.

L’energia solare che teoricamente è possibile convertire in energia elettrica si aggira intorno al 44% a causa di alcune inefficienze:

-non tutti i fotoni incidenti sulla cella penetrano,alcuni vengono riflessi e altri vengono assorbiti dall’elettrodo frontale;

-vi sono perdite dipendenti dalla purezza del silicio utilizzato per la cella;

-non tutta l’energia posseduta dalle coppie elettrone-lacuna risulta efficace ai fini della conversione in energia elettrica e viene persa.

Prestazioni di una cella fotovoltaica

Circuito equivalente

di una cella fotovoltaica

Dal circuito equivalente della cella si nota l’esistenza della resistenza serie dovuta principalmente alla creazione dell’elettrodo superiore delle cella che deve mediare tra l’esigenza di realizzare un buon contatto e oscurare il meno possibile la cella.

Curva tensione corrente

di una cella fotovoltaica

Dalla caratteristica elettrica di una cella fotovoltaica si osserva che la condizione di lavoro ottimale delle cella è rappresentata dal punto della caratteristica dove il prodotto I*V,che esprime la potenza elettrica ottenibile,risulti massimo. Il rapporto tra questa potenza elettrica (I*V) e il prodotto tra la corrente di corto circuito e la tensione a vuoto viene detto fill-factor;per un cella di silicio cristallino questo valore varia tra 0,75 e 0,80. Tale valore è anche indice della qualità della cella,infatti più è alto questo valore maggiore sarà la qualità della cella.

I valori di tensione di una cella esposta al sole si aggirano tra gli 0,5-0,7 V e come detto prima dipende dall’incidenza della radiazione luminosa. Per quanto riguarda i valori di corrente essi dipendo sia dalla superficie della cella sia dall’incidenza della radiazione solare ed è così anche per quanto riguarda la potenza (a parità di tensione) che si aggira intorno agli 1,5 W in condizioni standard. Altri parametri che incidono sulle prestazioni della cella fotovoltaica sono:

-Il rendimento dei materiali;con rendimento si intende la quantità percentuale di energia captata e trasformata rispetto all’energia totale giunta sul modulo;è quindi proporzionale al rapporto tra watt erogati e superficie occupata. Il rendimento nominale di un pannello standard si attesta intorno al 40%.

-La tolleranza di fabbricazione percentuale rispetto ai valori di targa;con tolleranza si intende un valore percentuale dichiarato dalla casa produttrice che rappresenta la qualità del pannello (tale valore varia dal 3 al 10 %,minore è il valore maggiore è la qualità del pannello).

Fig. a Fig. b

La fig. a rappresenta una simulazione di tolleranza al 3 % mentre la fig. b una con tolleranza 5%. Si nota come nella fig. a non vi sono sovrapposizioni di aree e questo denota una maggiore efficienza del pannello solare rispetto alla fig. b dove si nota una forte sovrapposizioni di aree.

-La temperatura di esercizio dei materiali,che tendono ad “affaticamento” in climi caldi (questa caratteristica pregiudica fino ad un punto percentuale il rendimento nominale).

-La composizione dello spettro di luce.

Il funzionamento di una cella fotovoltaica è ben descritto dall’equazione del diodo ideale di Shockley (relazione che mette in termini matematici un’approssimazione ideale della caratteristica tensione-corrente di un diodo a giunzione p-n).

Caratteristica

tensione-corrente

di un diodo p-n

la forma generale dell’equazione è la seguente:

dove:

-I_D è l’intensità di corrente passante nel diodo.

-V_D è la differenza di potenziale ai capi del diodo.

-I₀ è l’intensità di corrente di saturazione,fattore che dipende dalla composizione del diodo,direttamente proporzionale alla superficie della giunzione p-n.

-q è la carica elementare dell’elettrone.

-k è la costante di Boltzmann.

-T è la temperatura assoluta sulla superficie di giunzione.

-η è il coefficiente di emissione dipendente dal processo di fabbricazione.

Applicando l’equazione di Shockley al circuito equivalente della cella fotovoltaica essa diventa:

dove a differenza dell’equazione generale si hanno:

-I che è l’intensità di corrente applicato sul carico.

-I_s che è l’intensità di corrente prodotta del generatore,proporzionale all’intensità della radiazione luminosa incidente sulla cella.

-R_p che è la resistenza parallelo del modello.

III  Tipologie di celle