Alunno: Vincenzo Pasquini   -         Anno Scolastico:2010/2011

Impianto Fotovoltaico

Principali componenti e principio di funzionamento

III - Tipologie di celle

Come detto le celle sono la base dell’impianto fotovoltaico,dove avviene la conversione dall’energia solare a quella elettrica. Queste celle sono principalmente composte di silicio opportunamente “drogato” e questa scelta è dovuta al fatto che il silicio è presente in quantità praticamente illimitate. Le tecniche con cui si realizzano i moduli fotovoltaici sono principalmente due :moduli cristallini,moduli a film sottile.

Moduli cristallini:

-Silicio monocristallino,in cui ogni cella fotovoltaica è realizzata a partire da un wafer la cui struttura cristallina è omogenea. Questi wafer di spessore che varia dai 250 ai 350 µm, si ottengono da un lingotto di monocristallo (di silicio) grazie ad una speciale sega a filo. Le celle fotovoltaiche che utilizzano questa tecnica si presentano come quadrati di lato dagli 8 ai 10 cm. Il rendimento di conversione di tale tecnica si aggira attorno al 13%.

-Silicio policristallino,in cui il wafer non possiede una struttura cristallina omogenea. L’affinamento del processo produttivo delle celle in silicio policristallino ci permette di realizzare celle con prestazioni elettriche di poco inferiori rispetto a quelle in silicio monocristallino. Le celle in silicio policristallino si presentano come quadrati di lato che varia dai 12 ai 15 cm. Il rendimento di conversione di tale tecnica si aggira attorno all’ 11%.

Moduli a film sottile:

-Silicio amorfo,in cui gli atomi di silicio vengono disposti chimicamente in forma amorfa cioè strutturalmente disorganizzata sulla superficie di sostegno;la bassa quantità di silicio utilizzato in questa tecnica di costruzione attesta l’economicità della tecnologia anche se i moduli in questione mostrano un efficienza rispetto ai valori nominali minore delle altre tecnologie.

-Tellururo e solfuro di cadmio microcristallino,sono applicati su supporti metallici per spray-coating,cioè praticamente spruzzati;queste tecnologie presentano un basso costo di produzione dovuto alle proprietà dei semiconduttori utilizzati anche se l’alta tossicità del cadmio e il basso rendimento rappresentano un grande svantaggio di tali moduli.

-Arsenurio di gallio,lega che presenta un’altissima efficienza grazie alle caratteristiche del materiale. L’altissimo costo di produzione confina ad applicazioni di nicchia tale tecnologia.

Tutte le tecniche di moduli a film sottile possiedono un rendimento di conversione che si attesta intorno al 6,5%.

Costruttivamente le celle fotovoltaiche vengono inserite tra due strati di acetato di vinile (EVA) e chiuse tra due superfici di materiale isolante a bassa dilatazione termica come il vetro temperato che fungono da protezione meccanica;le celle fotovoltaiche sono connesse tra loro tramite una rete di materiale conduttore,atto a convogliare gli elettroni,in modo da formare serie e paralleli elettrici. Il “sandwich” ottenuto viene fissato su un supporto di alluminio che fungerà da sostegno ed orientatore dei pannelli ottenuti.

Stratificazione della cella fotovoltaica

Collegamenti elettrici

Come detto le celle vengono collegate elettricamente tramite un circuito di materiale conduttore in modo da ottenere dei moduli per aumentare i valori di tensione e corrente prodotti che per ogni singola cella sono molto bassi. Per avere tensioni più alte,più moduli vengono collegati in serie per formare una stringa mentre per aumentare i valori di corrente (e quindi di potenza) le stringhe vengono collegate in parallelo per formare un generatore fotovoltaico o campo fotovoltaico. Infine,dal punto di vista meccanico,i moduli vengono raggruppati in pannelli. Le celle si presentano con due o quattro terminali (dipendente se la serie tra le celle fotovoltaiche sia intera o mezza). Esse hanno una curva caratteristica identica a quella di una singola cella con valori proporzionali alla quantità di celle poste in serie.

Circuito equivalente di più celle fotovoltaiche

collegate in serie

Un problema che può nascere dalle celle fotovoltaiche è costituito dalla natura delle celle stesse,che hanno lo stesso comportamento di un diodo polarizzato direttamente;infatti se anche una sola cella viene oscurata completamente,il suo comportamento cambia divenendo quello di un diodo polarizzato inversamente bloccando così la produzione energetica dell’intero modulo,se invece oscurata solo parzialmente la produzione di corrente del modulo risulterebbe pari a quella di una celle presa singolarmente. Se poi si oscura una cella fotovoltaica mantenendo le terminazioni in corto circuito o ad una tensione molto bassa,si verifica il fenomeno detto hot-spot. In questo fenomeno la cella oscurata si trova ad essere come un diodo polarizzato inversamente avente tensione uguale o molto simile a quelle del resto delle celle collegate tra loro in serie e quindi corre il rischio di entrare in conduzione inversa e di dover quindi dissipare tutta la potenza prodotta dal resto delle celle provocando un aumento di temperatura localizzata (appunto hot-spot) che anche con bassi valori di radiazione solare porterebbe la distruzione della cella per sovratemperatura. Per risolvere questo problema,in molti moduli presenti in commercio nelle morsettiera di terminazione sono montati dei diodi di by-pass con lo scopo di cortocircuitare e quindi isolare il modulo in caso di avaria. Per ottenere i valori di tensione e corrente nominali quindi,più moduli vengono collegati in serie ottenendo le stringhe che a loro volta vengono collegata tra loro in parallelo per aumentare il valore di corrente prodotta.

Schema di collegamento di stringhe fotovoltaiche

in parallelo

Nello schema sopra indicato,si possono notare i diodi di by-pass (collegati in parallelo ad ogni singola stringa) e i diodi di blocco (collegati in serie ad ogni stringa),il cui scopo è impedire i ricircoli di corrente all’interno delle singole stringhe dovuto ad eventuali squilibri di tensione.

IV - Tipologie di impianti