PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA by cut12826

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									QUADERNI PER LA PROGETTAZIONE




PROGETTAZIONE
FOTOVOLTAICA
IN CONTO ENERGIA
Norme, tecniche ed esempi applicativi.
Aggiornato alla circolare dell’Agenzia
delle Entrate 22 febbraio 2008, n. 61/E
e alla Delibera 280/07
in vigore dal 1° gennaio 2008
Contiene il software Preventer-FV Lite
che consente la preventivazione rapida degli impianti
fotovoltaici e la stampa della relazione tecnica

II edizione




di
MAURO MORONI
GABRIELE NITRATI
                                                                                                       per la progettazione
                                                                                                                 QUADERNI
RINGRAZIAMENTI


Questo libro nasce dall’esigenza di creare uno strumento che in letteratura ancora non è pre-
sente, che sia di supporto alla progettazione e che sia chiaro nei contenuti, utile per il pro-
gettista, per l’installatore e per lo studente alle prime armi nel mondo dell’energia.
Per fare questo gli autori si sono avvalsi della collaborazione di diversi soggetti, presi dal
mondo della tecnica, dello studio e della grafica, al fine di ottenere un prodotto di qualità,
fruibile da tutti, con contenuti chiari ed esaustivi.


Per questo ci sentiamo di ringraziare:
- I nostri genitori, per averci permesso di scrivere questo volume
- Aristide Puliti, per il supporto che ci ha sempre dato
- Fabiano Di Odoardo per aver curato la parte grafica


Ringraziamo altresì Massimiliano Fusella, Davide Micheli, Lucio Monterubbiano, Cesare
Mancini Romano, Fabrizio Onofri, Matteo Piccinini, Massimo Cesaroni, Samuele Bianchetti,
Leonardo “Damergy” Bonfitto e Costanzo Di Perna per il contributo indispensabile alla ste-
sura del volume.


                                                                     A tutti un grazie di cuore.




                                                                                                   3
INDICE GENERALE




                                                                                                      per la progettazione
                                                                                                                QUADERNI
      Introduzione ......................................................................... 11




CAPITOLO 1

LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA ............................................... 15


1.1   La radiazione solare .............................................................. 15
   1.1.1    Componenti della radiazione solare al suolo .................... 19
1.2   L’effetto fotovoltaico ............................................................... 23
   1.2.1    Semiconduttori intrinseci ................................................. 23
   1.2.2    Semiconduttori estrinseci................................................. 26
   1.2.3     Giunzioni a semiconduttore ............................................ 27
   1.2.4    Assorbimento della radiazione luminosa........................... 29
1.3   Le celle fotovoltaiche .............................................................. 31
   1.3.1    Meccanismi di perdita di rendimento ............................... 35
   1.3.2     Fattori di inefficienza delle celle solari.............................. 36
   1.3.3    Celle fotovoltaiche in silicio cristallino .............................. 40
   1.3.4    Celle fotovoltaiche in film sottile....................................... 43
   1.3.5     Confronto tra tecnologie a film sottile ............................... 47
1.4   Moduli fotovoltaici ................................................................. 48
   1.4.1    Moduli in silicio cristallino............................................... 48


                                                                                                  5
        1.4.2     Moduli a film sottile ........................................................ 50
        1.4.3     Scatola di giunzione....................................................... 51
        1.4.4     Parametri caratteristici dei moduli fotovoltaici .................... 54
        1.4.5     Collegamento elettrico tra moduli..................................... 56
        1.4.6     Prove sui moduli............................................................. 57
    1.5    Il campo fotovoltaico ..............................................................59
        1.5.1     Disposizione dei pannelli ................................................ 60
        1.5.2     Ombreggiamento reciproco tra schiere............................. 61
        1.5.3     Orientamento ed inclinazione dei pannelli ........................ 62
        1.5.4     Strutture di sostegno ....................................................... 62




    CAPITOLO 2

    PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI ...................67


    2.1    Classificazione ......................................................................67
    2.2    Impianti fotovoltaici grid-connected ..........................................69
    2.3    Configurazione elettrica del generatore ....................................70
    2.4    Gruppi di conversione (o inverter) ............................................72
    2.5    Configurazione del sistema di conversione ...............................75
    2.6    Installazione del convertitore ...................................................77
    2.7    Classificazione dei sistemi elettrici ...........................................79
    2.8    Interfaccia con la rete elettrica .................................................81
        2.8.1     Criteri di allacciamento alla rete BT.................................. 85
        2.8.2     Criteri di allacciamento alla rete MT................................. 87
    2.9    Criteri di protezione nella sezione in alternata ..........................89
    2.10 Criteri di protezione nella sezione in continua ...........................90
    2.11 Criteri di sicurezza elettrica ....................................................92
    2.12 Protezione dai contatti indiretti negli impianti FV .......................94


6   PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
2.13 Protezioni contro i fulmini ..................................................... 103

2.14 Protezioni da sovratensione .................................................. 105

2.15 Impianto di terra e masse metalliche ...................................... 108




                                                                                                     per la progettazione
                                                                                                               QUADERNI
2.16 Criteri di dimensionamento ................................................... 110

2.17 Verifica tecnico funzionale ................................................... 125

2.18 Gestione e manutenzione ..................................................... 129




CAPITOLO 3

MECCANISMO DI FINANZIAMENTO
IN CONTO ENERGIA .................................................................. 133


3.1    Il mercato del fotovoltaico .................................................... 133

3.2    Il programma 10.000 tetti fotovoltaici .................................... 137

3.3    Il primo conto energia .......................................................... 141

3.4    Il nuovo conto energia ......................................................... 148

3.5    Fotovoltaico per nuovi edifici:
       200W per ogni unità abitativa ............................................. 161

3.6    Iter per la richiesta di connessione alla rete ............................ 161

3.7    Tassazione ........................................................................ 175




CAPITOLO 4

ESEMPI DI PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA ........................ 181


4.1    Tetto fotovoltaico 3,6kWp in conto energia ............................ 181

4.2    Copertura fotovoltaica 25,2kWp in conto energia .................. 198


                                                                                                 7
    APPENDICE A

    METODO DI VALUTAZIONE RAPIDA
    DI MODULI FOTOVOLTAICI .......................................................217




    APPENDICE B

    Il FOTOVOLTAICO NELLE APPLICAZIONI SPAZIALI ..................219


    B.1    Sintesi ................................................................................219

    B.2    Trasporto spaziale e costi .....................................................220

       B.2.1      Efficienza e riduzione di costi
                  delle celle fotovoltaiche al silicio.................................... 221

    B.3    Applicazioni delle celle solari nello spazio .............................222

       B.3.1      Specifiche tecniche dei pannelli solari
                  della Stazione Spaziale Internazionale (ISS).................... 224

       B.3.2      Conseguenze delle Radiazioni solari
                  sui pannelli fotovoltaici ................................................. 225

       B.3.3      Conseguenze dell’ossigeno atomico
                  sui polimeri utilizzati nei pannelli fotovoltaici
                  dei satelliti su orbita bassa (Low Earth Orbit) ................... 225

    B.4    Pannelli fotovoltaici gonfiabili ................................................226

       B.4.1      Esempio applicativo sul satellite ST4 .............................. 226

    B.5    Applicazione dei pannelli fotovoltaici
           nella implementazione di una futura base lunare .....................227

       B.5.1      Potenza elettrica media generate
                  su ogni LEMB dai pannelli solari fotovoltaici.................... 229

       B.5.2      Assemblaggio finale della base lunare .......................... 231

    B.6    Bibliografia .........................................................................231


8   PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
APPENDICE C

GUIDA ALLA RICHIESTA DEGLI INCENTIVI E ALL’UTILIZZO




                                                                                                          per la progettazione
                                                                                                                    QUADERNI
DEL PORTALE WEB (REV. 2.0 del 23/1/08) .............................. 233


Incentivazione degli impianti fotovoltaici
con il nuovo conto energia
(D.M. 19.02.2007, Delibera AEEG n. 90/07) ................................ 233
C.1     Generalità .......................................................................... 233
   C.1.1      Requisiti minimi per l’utilizzo dell’applicazione Web ....... 233
   C.1.2       Finalità ....................................................................... 233
   C.1.3      Campo di applicazione................................................ 234
   C.1.4      Documenti di riferimento............................................... 234
   C.1.5       Norme generali per le comunicazioni al GSE.................. 234
C.2     Quadro sintetico delle comunicazioni
        fra Soggetto Responsabile dell’impianto e GSE ....................... 235
C.3     Come richiedere gli incentivi ................................................ 235
   C.3.1       Utilizzo del portale Web .............................................. 236
      C.3.1.1 La fase di registrazione ..............................................236
      C.3.1.2 L’accesso al portale come utente registrato ...................237
      C.3.1.3 Inserimento della richiesta per un nuovo impianto .........238
      C.3.1.4 Modifica dati anagrafici ............................................242
      C.3.1.5 Segnalazione Guasti- Furti .........................................242
   C.3.2      Invio della documentazione
              per la richiesta degli incentivi........................................ 245
   C.3.3       La Documentazione da allegare .................................... 245
   C.3.4       Richiesta del premio per impianti fotovoltaici abbinati
               ad un uso efficiente dell’energia.................................... 249
   C.3.5       La Documentazione da allegare
               per la richiesta del premio ............................................ 254
C.4     Convenzione per il riconoscimento delle tariffe incentivanti ...... 255
   C.4.1       Cambio Titolarità......................................................... 257


                                                                                                      9
     C.5   Documentazione da conservare a cura
           del Soggetto Responsabile dell’impianto .................................258




     APPENDICE D

     PREVENTERFV LITE 1.0 - MANUALE D'USO ............................263


     D.1   Guida all’installazione .........................................................263
     D.2   Guida alla compilazione ......................................................268




           Glossario Tecnico ................................................................279


           Bibliografia .........................................................................285




10   PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
INTRODUZIONE




                                                                                           per la progettazione
                                                                                                     QUADERNI
    Gli ultimi anni sono stati caratterizzati da un considerevole aumento
dell’attenzione mondiale sul riscaldamento globale, sempre più concordemen-
te attribuito all’influenza dell’uomo nell’alterazione del clima. Anche l’ultimo
G8, svoltosi in Germania sulle coste del Mar Baltico, ha dato leggeri segni di
interesse, rimandando però la soluzione ai cambiamenti climatici ai nostri pro-
nipoti, nel 2050. L’Unione Europea, dal canto suo, vede l’anno 2020 come
quello nel quale il 20% di tutta l’energia in Europa sarà prodotta da fonte rin-
novabile. Questo forte segnale della politica comunitaria ha posto l’attenzione
sul modo attuale e futuro di convertire l’energia, ed ha posto serie basi per la
riconversione energetica del sistema energetico europeo.
    Per quel che concerne l’Italia, il 2007 è stato caratterizzato dall’introduzio-
ne di diversi strumenti legislativi ed economico-finanziari, atti ad iniziare il
cammino verso gli obiettivi previsti dal protocollo di Kyoto. Molta attenzione è
stata posta al miglioramento dell’efficienza energetica in ambito civile, con
l’uscita del Decreto Legislativo 29/12/06, n. 311, in vigore dal 2/2/07, che
contiene le disposizioni correttive ed integrative al decreto legislativo del 19
agosto 2005, n. 192, recante l’attuazione della direttiva 2002/91/CE, relati-
va al rendimento energetico nell’edilizia.
   In aggiunta a questo, nello stesso periodo sono anche state emanate le
modalità per l’ottenimento delle detrazioni fiscali del 55% relative agli inter-
venti di ristrutturazione energetica di edifici ed impianti, nonché l’introduzione
del meccanismo dello scambio sul posto anche per la cogenerazione (fino a
200kWe), l’incentivazione al solare termodinamico, ed infine il nuovo Conto
Energia, per l’incentivazione del fotovoltaico.
    L’ENEA, nel suo Rapporto “Energia e Ambiente 2006”, affronta il proble-
ma del cambiamento climatico individuando la strategia per garantire la sicu-
rezza energetica del Paese e la sua competitività economica nell’ottica della
salvaguardia dell’ambiente, dando una rilevante importanza al miglioramento
tecnologico del sistema energetico.
Nella fattispecie, l’ENEA individua tre strategie:
1) un massiccio ricorso all’efficienza energetica negli usi finali, con un diffuso
   impiego di tecnologie a basso consumo nel civile, nell’industria e nei tra-
   sporti;


                                                                                      11
     2) un’incisiva promozione delle fonti rinnovabili per la produzione di energia
        elettrica e per gli usi termici nel settore civile e per il ricorso a biocarburanti
        nel settore dei trasporti;

     3) nel lungo periodo (dopo il 2020) la diversificazione del mix di combustibili
        per la generazione termoelettrica, anche mediante un maggiore ricorso al
        carbone, reso ambientalmente sostenibile con l’impiego delle tecnologie
        per il sequestro e il confinamento del CO2.

         In particolare, in merito al punto 1, il riscaldamento domestico costituisce
     quasi l’70% dei consumi finali. In questo settore le tecnologie efficienti per l’edi-
     ficio e l’impianto (isolamenti termici, ventilazione meccanica controllata con
     recupero di calore, doppi e tripli vetri con gas inerti, caldaie a condensazione,
     pompe di calore geotermiche…), possono produrre effetti significativi già nel
     breve-medio periodo, consentendo una riduzione della domanda nel lungo
     periodo compresa tra il 16 e il 23%.

         Per quanto concerne l’utilizzo di fonti rinnovabili, dopo una prima fase di
     forte impulso alla diffusione delle tecnologie già oggi disponibili sul mercato
     (eolico, biomassa, solare termodinamico, solare termico e fotovoltaico), si pre-
     vede l’utilizzo generalizzato ed economico di una seconda generazione delle
     rinnovabili, frutto della ricerca e dello sviluppo tecnologico.

         Gli investimenti nella ricerca energetica dovranno essere sempre più consi-
     stenti, e saranno concentrati soprattutto in quelle tecnologie che a parità di pre-
     stazioni energetiche ed ambientali, meglio si integreranno nel territorio e
     nell’architettura. La rincorsa alla diminuzione di CO2 può essere, per l’Italia e
     in particolare per l’industria italiana, un ottimo trampolino di lancio per lo svi-
     luppo di tecnologie a basso impatto ambientale, per il miglioramento dell’effi-
     cienza energetica in tutto il bacino del Mediterraneo, per aumentare la
     sicurezza di approvvigionamento ed l’indipendenza dalle fonti convenzionali.

         Questo libro nasce con l’intenzione di fornire a progettisti, operatori del set-
     tore e studenti, gli strumenti operativi per progettare ed eseguire impianti foto-
     voltaici a regola d’arte. Attraverso un’analisi preliminare della tecnica
     fotovoltaica, il testo si sviluppa nella spiegazione delle varie problematiche
     relative agli impianti, tenendo in considerazione la normativa tecnica di riferi-
     mento, la gestione delle pratiche per l’accesso alle tariffe incentivanti e la
     manutenzione degli impianti. Molto importante è la presenza di esempi, che
     illustrano tramite calcoli ed illustrazioni, la scelta di tutti i componenti
     dell’impianto e la metodologia per eseguire una corretta analisi costi-benefici
     in conto energia. Allegato al volume è il software Preventer-FV Lite, di ESFERA


12   PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
Energia, che consente la preventivazione rapida di impianti fotovoltaici che
desiderano accedere al nuovo “Conto Energia”. Dopo un dimensionamento
della taglia dell’impianto, il software calcola la produzione energetica annua
attesa (secondo UNI 10349), e guida l’operatore alla compilazione dello stu-




                                                                                                        per la progettazione
                                                                                                                  QUADERNI
dio di fattibilità, eliminando tutte le scelte non conformi alla normativa. La ver-
s i o n e P R O d e l p r o g r a m m a P r e v e n t e r - F V, i n v e n d i t a s u l s i t o
www.esferaenergia.it, contiene invece numerosi plus, che seguono il progetti-
sta nel dimensionamento totale dell’impianto e nella compilazione della modu-
listica necessaria per l’accesso alle tariffe incentivanti.


                                                                        Ing. Mauro Moroni
                                                                      Ing. Gabriele Nitrati




                                                                                                   13
CAPITOLO 1




                                                                                          per la progettazione
                                                                                                    QUADERNI
LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA

1.1 La radiazione solare

Grazie alle reazioni nucleari che avvengono all’interno del suo nucleo, il Sole
rappresenta una fonte energetica vitale per il nostro pianeta. L’immensa quan-
tità di energia irradiata sotto forma di onde elettromagnetiche, rende chiaro
come questa stella possa essere considerata con buona approssimazione un
corpo nero (radiatore integrale) alla temperatura superficiale media di circa
5780 K.

All’interno del Sole, mediante le reazioni di fusione termonucleare, ogni
secondo 600 milioni di tonnellate di idrogeno si trasformano in 595,5 milioni
di tonnellate di elio e la restante parte di 4,5 milioni di tonnellate di idrogeno
(pari allo 0,75%), si trasforma direttamente in energia secondo l’equazione di
Einstein E=mc².

L’energia così generata è pari a circa 405.000 miliardi di TJ, una quantità di
energia impensabile a livello terrestre. Tutta la straordinaria potenza della
nostra stella è dovuta alla conversione in energia di questa infinitesima, per il
Sole, quantità di materia, paragonabile approssimativamente alla massa di un
piccolo gruppo di montagne sulla terra.

Il flusso di energia radiante che incide in un’area unitaria perpendicolare ai
raggi all’esterno dell’atmosfera terrestre è definito costante solare, e risulta
pari a 1367 W/m2. Il valore di questa costante può essere calcolato a partire
dalla potenza irradiata dal sole (L):

                                  ⎡ erg ⎤             ⎡10 −7 J ⎤
      L = 4π Rs2σ Ts4 ≅ 3,9 ⋅1033 ⎢       ≅ 3,9 ⋅1033 ⎢        ⎥ = 3,9 ⋅10 [W ]
                                                                          26

                                  ⎣ s ⎥ ⎦             ⎣   s ⎦

Considerando la distanza D=1AU tra Terra e Sole (dove 1 Astronomic Unit cor-
risponde a circa 150.000.000 Km), abbiamo che il flusso di energia traspor-


                                                                                     15
                      tato Φ, comunemente denominato costante solare, risulta pari a:

                                  L     ⎛R ⎞
                                              2
                                                      ⎧
                                                      ⎪
                                                                        2
                                                                         ⎫
                                                                  ⎛ AU ⎞ ⎪ ⎡ erg ⎤
                       Φ Sun =        = ⎜ s ⎟ σ Ts4 ≅ ⎨1.366 ⋅106 ⎜    ⎟ ⎬ ⎢          ≅ 1371 ± 5 [W/m 2 ]
                                 4πD ⎝ D ⎠            ⎪           ⎝ D ⎠ ⎪ ⎣ s ⋅ cm ⎥
                                    2                                             2
                                                      ⎩                  ⎭          ⎦

                           dove:

                           σ = 5,67x10-8 W/(m2 K4) (costante Stefan-Boltzmann);

                           D = 1 AU distanza media Terra-Sole ≅1,496x1011[m];

                           L = luminosità solare 3,9x1026 [W];

                           Rs = raggi solari = 6,958x108 [m];
                           T = temperatura corpo nero [5780K].


                                                                                 Variando la distanza
        Figura 1.1                                                               tra Sole e Terra nel
       Alterazione                                                               corso dell’anno
 dell’irradiazione
solare in funzione                                                               (±3%) in virtù di un
    delle macchie                                                                orbita ellittica, ed
             solari
                                                                                 essendo noto come
                                                                                 l’attività periodica
                                                                                 delle macchie solari
                                                                                 produca alterazioni
                                                                                 del valore dell’ener-
                      gia emessa dal sole (vedi figura 1.1), è chiaro come tale parametro rappresenti
                      in realtà un valore medio di potenza specifica.
                      Se consideriamo che annualmente circa 1,51·10 17 kWh raggiungono la
                      superficie terrestre e che il fabbisogno energetico primario mondiale annuo nel
                      2006 è stato stimato in 5,39·1013 kWh di petrolio, 2,7·1013 kWh di gas,
                      3,1·1013 kWh di carbone, 8,47·1012 kWh di energia nucleare e 1,65·1013 per
                      valorizzazione rifiuti e rinnovabili, otteniamo che il sole potrebbe dare circa
                      1100 volte l’energia di cui necessitiamo.
                      Considerando invece il consumo elettrico italiano del 2006 pari a 337 TWh e
                      la superficie dell’Italia, pari a 301.338 km², abbiamo che potenzialmente
                      l’energia ricevibile e trasformabile da impianti fotovoltaici in Italia (con le
                      attuali tecnologie), ammonterebbe a 31.650 TWh, pari a circa 94 volte il fab-
                      bisogno energetico elettrico della nostra nazione. Ovviamente non tutto il “Bel
                      Paese” potrebbe e dovrebbe essere ricoperto di moduli ma, in considerazione
                      dell’aumento dell’efficienza di questi, degli enormi risparmi energetici che si
                      potrebbero avere con un uso razionale ed intelligente dell’energia, nonché con


                 16   PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
il miglioramento delle tecnologie per lo sfruttamento di altre risorse rinnovabili
(eolico, biomasse e biogas, solare termodinamico e geotermico), si potrebbero
avere risultati insperati anche con una ricopertura di un solo cinquecentesimo
del territorio. L’enorme quantità di energia solare che arriva sul suolo terrestre




                                                                                          per la progettazione
                                                                                                    QUADERNI
ha però lo svantaggio di essere poco concentrata e di subire alterazioni
durante il suo percorso verso la Terra.
Tornando a parlare di flusso
di energia radiante, un para-
metro che tende ad inglobare
tutti gli effetti che l’atmosfera
esercita sulla radiazione
solare è quello della massa
d’aria relativa (air mass, AM)
che corrisponde alla lun-
ghezza relativa del percorso
della radiazione diretta attra-
                                                                                      Figura 1.2
verso l’atmosfera.                                                                    Definizione
A livello internazionale, per distinguere le condizioni in cui può operare un         di massa d’aria
                                                                                      relativa
convertitore solare, si sono definite con AM0 (air mass 0) la curva corrispon-
dente alla radiazione solare misurata al di fuori dell’atmosfera terrestre e con
AM1 (massa d’aria unitaria) la composizione spettrale che si riscontra a livello
del mare quando lo spessore di atmosfera standard è attraversato dai raggi
solari in direzione perpendicolare alla superficie terrestre.
Al livello del mare la massa d’aria relativa può essere calcolata con la formula
approssimata:
                                           1
                                  AM =
                                         senα


                                                                                      Figura 1.3
                                                                                      Spettro della
                                                                                      radiazione solare
                                                                                      AM0 e AM1




                                                                                     17
     L’effetto dell’atmosfera, espresso in massa d’aria, sullo spettro solare è
     mostrato in figura 1.3.
     Durante il percorso verso la superficie terrestre, non tutta l’energia solare pre-
     sente all’esterno dell’atmosfera riesce a raggiungere la Terra.
     Ciò è dovuto ad una molteplicità di fenomeni fisici che si originano nei diversi
     strati dell’atmosfera stessa, quali riflessione diffusa, rifrazione e assorbimento,
     i quali causano la presenza di vere e proprie buche a determinati intervalli di
     lunghezza d’onda nei diagrammi di densità spettrale.
     La diffusione (scattering), uno dei fenomeni più rilevanti, è il risultato degli urti tra
     fotoni e molecole d’acqua, aria e pulviscolo atmosferico, mentre l’assorbimento è
     dovuto principalmente all’ozono, al vapore d’acqua e all’anidride carbonica.
     Nella pratica impiantistica di progettazione di sistemi fotovoltaici, il valore di
     massima radiazione al suolo viene assunto pari a 1000 W/m2, mentre si con-
     sidera come radiazione solare di riferimento per le prove in laboratorio dei
     componenti fotovoltaici quella relativa alla curva AM1,5 così come prescritto
     dalla norma CEI EN 60904-3.
     La misura della radiazione solare su un piano inclinato, si effettua con diversi
     tipi di strumenti di seguito indicati.

     Piranometro
     Strumento basato su un sensore a termopila, normalmente utilizzato per misu-
     rare l’irraggiamento solare su un piano di captazione nei sistemi di monitorag-
     gio e nelle prove di laboratorio (CEI EN 60904-3).

     Piranometro con banda ombreggiante
     Piranometro per la misura dell’irradiazione diffusa; è fornito di un dispositivo
     supplementare che fa da schermo all’irradiazione diretta.

     Pireliometro
     Piranometro che misura l’irradiazione diretta; esso presenta una apertura
     ridotta e riceve i raggi del sole mediante un tubo allungato.

     Solarimetro
     Strumento utilizzato per la misura dell’irraggiamento sul piano di captazione,
     basato su sensori al silicio. E’ usualmente utilizzato nel monitoraggio si sistemi
     fotovoltaici. E’ spesso preferito al Piranometro perché rispetto a questo ha un
     costo più contenuto e il vantaggio di non richiedere frequenti calibrazioni.
     La misura si effettua normalmente in W/m2 e tipicamente i valori massimi di
     potenza specifica riscontrati durante una bella giornata estiva, in Italia,
     variano dai 900 a 1100 W/m2.


18   PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
   1.1.1         Componenti della radiazione solare al suolo

Prima di addentrarci in una descrizione del calcolo delle componenti della
radiazione solare, vale la pena definire alcune grandezze fondamentali per la




                                                                                         per la progettazione
                                                                                                   QUADERNI
progettazione di sistemi solari.


Definiamo:

Altezza (o altitudine) solare (γs)

Angolo tra la direzione dei raggi solari ed il piano orizzontale.

Angolo di incidenza (θ)

Angolo tra la normale (retta perpendicolare) alla superficie e la direzione dei
raggi solari.

Angolo di azimuth solare (αs)

Angolo tra la direzione Sud e la proiezione della direzione del Sole sul piano
orizzontale.

Angolo di azimuth di una superficie (α)
Angolo tra la direzione Sud e la proiezione della normale alla superficie con-
siderata sul piano orizzontale.

Angolo di inclinazione o di tilt (β)
Angolo di inclinazione rispetto all’orizzontale della superficie considerata.

Declinazione solare (δ)

Angolo che la direzione dei raggi solari forma a mezzogiorno, sul meridiano
considerato, col piano equatoriale.

Latitudine (Φ)
Fissato un punto sulla Terra, angolo che la normale (perpendicolare) alla
superficie passante per il punto forma con il piano equatoriale; la latitudine si
dice Nord se il punto considerato è sull’emisfero settentrionale, Sud se è
sull’emisfero meridionale.
I principali angoli prima definiti sono rappresentati in figura 1.4.


                                                                                    19
 Figura 1.4
Grandezze
angolari di
  interesse




              La radiazione solare globale al suolo intercettata da una superficie inclinata di
              un angolo β rispetto all’orizzonte, comunemente denominato angolo di tilt, e
              la cui normale è orientata di un angolo θ rispetto alla direzione dei raggi sola-
              ri, detto angolo di incidenza, viene distinta in diverse componenti.
              La principale, in termini di importanza, è sicuramente la radiazione diretta,
              costituita dai raggi che non subiscono assorbimenti e riflessioni ma che rag-
              giungono direttamente la superficie inclinata. La relazione matematica che for-
              nisce il valore di tale componente è la seguente:
                                                 B = GB −ORTO × cos θ

                  dove

                  GB-ORTO è la radiazione sul piano ortogonale alla direzione dei raggi. Tale para-
                   metro può essere valutato in maniera empirica tramite modelli di calcolo mate-
                   matici (es: modello di Hottel) o tramite misure sperimentali eseguibili con l’ausilio
                   di un solarimetro.


              Il valore analitico del cosθ, dipende invece da diversi parametri, come decli-
              nazione (δ), angolo orario (ω), latitudine del sito (Φ), inclinazione e orienta-
              mento dei moduli, in virtù del fatto che la posizione del sole è diversa in ciascun
              momento dell’anno ed è funzione della posizione del punto di osservazione
              sulla terra. L’espressione generale di cosθ è la seguente:

                               cosθ = senδ (senΦ cosβ - cosΦ senβ cosα) +
                                 + cosδ cosω (cosΦ cosβ+ senΦ senβ cosα) +
                                           + (cosδ senβ senα senω)
                  dove

                  la declinazione δ nel giorno n dell’anno e l’angolo orario ω, sono dati dalle se-
                  guenti relazioni:


         20   PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
                           δ = 23,5 sen [360(284+n)/365]
                           ω = 15 (ts-12)
     dove




                                                                                                   per la progettazione
                                                                                                             QUADERNI
     ts è l’ora solare compresa tra 0 e 24.


La seconda componente è la radiazione diffusa, dovuta a fenomeni di scatte-
ring che variano al variare dell’angolo di incidenza della radiazione sulla
superficie terrestre. Per questa componente la relazione matematica è la
seguente:
                                D = GD −ORIZZ × (1 + cos β ) / 2

     dove

     GD-ORIZZ è la radiazione diffusa sul piano orizzontale.


Facendo riferimento alla progettazione fotovoltaica, tali componenti potrebbe-
ro però risultare insufficienti.
Esiste infatti una terza componente da prendere in considerazione, che tiene
conto delle riflessioni al suolo della radiazione luminosa. Questa componente,
comunemente denominata di albedo, è in grado di contribuire in modo effi-
cace alla conversione fotovoltaica e può essere calcolata nel modo seguente:
                        R = (GB −ORIZZ + GD −ORIZZ ) × ρ × (1 − cos β ) / 2

     dove

     GB-ORIZZ è la radiazione diretta sul piano orizzontale e ρ è la riflettanza del suolo,
    compresa tra 0 e 1.


Il valore di riflettanza dipende ovviamente dal tipo di suolo a cui si fa riferi-
mento e la tabella seguente fornisce dei dati di albedo indicativi per alcune
tipologie di superfici.

Tab. 1.1 - Valori di albedo per varie superfici
            SUPERFICIE                  ALBEDO                     SUPERFICIE      ALBEDO
Neve                                      0,75        Cemento                        0,22
Specchio d’acqua                          0,07        Fogliemorte                    0,3
Terreni di varia natura, argilla         0,14         Erba secca                     0,3
Strade in terre scure                    0,04         Erba secca                     0,26


                                                                                              21
                    Tab. 1.1 (segue) - Valori di albedo per varie superfici
                               SUPERFICIE             ALBEDO                  SUPERFICIE           ALBEDO
                    Boschi di conifere in inverno      0,07      Tetti con bitume e pietrisco       0,13
                    Boschi in autunno                  0,26      Superfici in pietra                0,2
                    Campi con messi, piante            0,26      Mattoni, intonaci scuri            0,27
                    Asfalto consumato                  0,1       Mattoni chiari, intonaci chiari    0,6



                    In definitiva, la radiazione complessiva sulla superficie sarà data dalla somma
                    delle tre componenti:
                                                     G = B+D+R

                                                                              Per una trattazione specifi-
      Figura 1.5                                                              ca e dettagliata sull’argo-
     Componenti                                                               mento si rimanda tuttavia
della radiazione
                                                                              a testi specifici in materia
           solare
                                                                              [3].
                                                                          Per quanto riguarda la
                                                                          radiazione diretta e dif-
                                                                          fusa, ai fini della progetta-
                                                                          zione fotovoltaica è prassi
                                                                          comune utilizzare valori di
                                                                          radiazione solare giorna-
                                                                          lieri o medie mensile sul
                    piano orizzontale espressi in kWh/m    2 giorno, tabulati per diverse località e

                    resi disponibili dalla norma UNI 10349 (Dati climatici) e UNI 8477 (Valuta-
                    zione dell’energia raggiante ricevuta).
                    Altre pubblicazioni, come “l’Atlante Europeo della Radiazione Solare” e “La
                    radiazione solare globale al suolo in Italia” edito dall’ENEA, forniscono
                    mappe isoradiative e valori di radiazione solare sia per superfici orizzontali,
                    sia per superfici disposte con vari angoli di inclinazione ed orientazione.
                    Siti internet specifici, come il sito del centro di ricerche di Ispra
                    http://re.jrc.ec.europa.eu/solarec/index.htm o il sito dell’ENEA
                    http://erg7118.casaccia.enea.it, offrono valori di radiazione solare sul piano
                    orizzontale tramite pubblicazioni gratuite.
                    A partire dai valori di radiazione solare sul piano orizzontale, sulla base di
                    metodi di calcolo matematici, sono stati sviluppati diversi software che consen-
                    tono una rapida determinazione dell’irraggiamento solare incidente su una
                    superficie variamente inclinata ed orientata.


               22   PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
1.2 L’effetto fotovoltaico

Parlare di tecnologia fotovoltaica senza toccare la fisica dei semiconduttori
risulta alquanto arduo e limitativo. In questo paragrafo verrà illustrato il com-




                                                                                            per la progettazione
                                                                                                      QUADERNI
portamento elettrico di questi materiali, definendone le caratteristiche, le tipo-
logie e le applicazioni tipiche.



   1.2.1         Semiconduttori intrinseci
Il punto di partenza nella descrizione fisica di un solido cristallino, è quello di
definire i livelli energetici che possono assumere gli elettroni al suo interno.
Infatti anche se lontano dal nostro modo di percepire le cose, la natura si mani-
festa ai nostri occhi in maniera discontinua per il fatto che gli elettroni presenti
all’interno di una struttura cristallina sono raggruppati in bande di energia.
Le uniche zone dove è possibile trovare elettroni sono:
  la “banda di valenza”, caratterizzata da livelli energetici che gli elettroni
  assumono nell’orbita più esterna degli atomi che formano il solido (banda
  energetica Ev); in questo caso tali elettroni sono denominati elettroni di
  valenza;
  la “banda di conduzione”, che raggruppa i livelli energetici della cosiddetta
  nube elettronica responsabile del fenomeno della conduzione (banda ener-
  getica Ec); in questo caso tali elettroni sono denominati elettroni di condu-
  zione.

Tra queste due bande vi è poi una regione proibita in cui non vi sono livelli
energetici permessi agli elettroni. La larghezza della banda proibita, detta
energy gap, è una caratteristica molto importante del semiconduttore e si
denota di solito con Eg.1 Il suo valore energetico è pari alla differenza tra
l’energia della banda di conduzione e l’energia della banda di valenza:

                                          Eg = Ec – Ev
La distribuzione degli elettroni e il loro modo di interagire fra le varie bande
di energia consentite, determina le caratteristiche elettriche del materiale.
Gli elettroni di valenza sono legati ai singoli atomi del reticolo, vibrano nelle
posizioni di equilibrio, ma non possono contribuire alla conduzione. Gli elet-
troni che occupano i livelli energetici della banda di conduzione, essendo


  1.   Il valore di Eg per i materiali semiconduttori è dell’ordine di 1÷1,5eV.


                                                                                       23
                invece liberi di muoversi in presenza di un campo elettrico possono contribuire
                alla generazione di un flusso di cariche elettriche.
                A seconda del valore dell’energy gap, distinguiamo:
                  materiali isolanti;
                  materiali semiconduttori;
                  materiali conduttori;
                  materiali superconduttori.

                Il valore di Eg varia in base alla temperatura del materiale e di conseguenza
                in funzione della temperatura dell’ambiente di operatività.
                Come è possibile osservare dalla figura 1.6, gli elementi conduttori hanno la
                caratteristica di avere una banda proibita molto limitata e, in certi casi, le
                bande energeticamente possibili si sovrappongono. Già a temperatura
                ambiente, numerosi elettroni occupano la banda di conduzione.
                Gli elementi isolanti al contrario, hanno una banda proibita molto larga (4÷5
                eV, fino anche a 10 eV) che, a temperatura ambiente, non permette l’esistenza
                di elettroni in banda di conduzione.


  Figura 1.6
    Struttura
    a bande
dei materiali




                I materiali semiconduttori invece rappresentano una via intermedia, dato che
                la distanza tra le due bande è maggiore rispetto al caso dei conduttori, ma
                minore rispetto agli isolanti.
                Questa vicinanza tra le bande rende dunque possibile che un elettrone, con
                un’opportuna quantità di energia, salti con una certa facilità al livello energe-
                tico superiore, dove è poi libero di muoversi sotto l’azione di un eventuale
                campo elettrico applicato. La lacuna, cioè il posto vuoto lasciato nella banda
                di valenza dall’elettrone passato alla banda di conduzione, può essere consi-
                derata a tutti gli effetti una carica positiva, partecipando in modo rilevante al
                meccanismo di creazione della corrente elettrica.


           24   PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
Quando è presente una lacuna è probabile che un elettrone di valenza di un
atomo contiguo, lasci il suo legame covalente 2 e vada a riempirla. Così
facendo darà luogo ad un’altra lacuna spostata di un passo atomico rispetto
a quella iniziale e così via.




                                                                                                           per la progettazione
                                                                                                                     QUADERNI
Risulta chiaro dunque, come le cariche che partecipano al fenomeno della con-
duzione elettrica siano gli elettroni nella banda di conduzione e le lacune nella
banda di valenza. In questo caso la concentrazione delle cariche negative è
pari alla concentrazione delle cariche positive ed è detta concentrazione di
portatori intrinseci ni.
Nei semiconduttori intrinseci, cioè assolutamente puri, le coppie elet-
trone-lacuna si formano solo fornendo l’energia necessaria a rompere i
legami; in termini di teoria delle bande, l’energia richiesta corrisponde al salto
energetico Eg. Secondo questo modello, a basse temperature gli elettroni di
valenza rimangono aggrappati agli atomi di appartenenza e il semiconduttore
si comporta essenzialmente come un isolante, dal momento che anche in pre-
senza di un campo elettrico esterno, che vincola gli elettroni nel loro movi-
mento, non ci sono portatori di carica in banda di conduzione.
All’aumentare della temperatura, l’energia termica produce le rotture del
legame covalente consentendo ad un numero equivalente di elettroni di agi-
tarsi nella struttura cristallina. Questi elettroni “energizzati”, avendo acquisito
un’energia superiore ad Eg passano dalla banda di valenza alla banda di con-
duzione. Questo processo si intensifica man mano che si va ad incrementare
la temperatura.
Sperimentalmente si osserva che la concentrazione di portatori intrinseci ni
aumenta molto rapidamente con l’aumentare della temperatura e che per una
data temperatura, ni diminuisce molto rapidamente al crescere della banda
proibita.
La dipendenza della concentrazione di portatori intrinseci dalla Eg e dalla tem-
peratura è espressa dalla seguente relazione:

                                    ni ∝ exp (–Eg/2kT)
     dove:

     k = 1,38 10-23 J/K è la costante di Boltzmann;

     T è la temperatura assoluta.


  2. Un legame covalente si instaura quando una o più coppie di elettroni vengono messe in
  comune fra due atomi. Ciò avviene per una ragione ben precisa: gli atomi tendono al minor
  dispendio energetico possibile ottenibile con la stabilità della loro configurazione elettronica.
  L’assenza di un elettrone in un legame covalente si dice lacuna.


                                                                                                      25
                      1.2.2      Semiconduttori estrinseci
                   Le proprietà elettroniche dei semiconduttori sono notevolmente modificate
                   quando, nella struttura cristallina, vengono introdotte delle impurità o droganti
                   mediante tecniche di diffusione termica e impiantazione ionica. Nell’industria
                   elettronica e conseguentemente in quella fotovoltaica, l’introduzione di queste
                   piccole quantità consente di modificare le proprietà elettriche del semicondut-
                   tore, rendendole idonee al tipo di applicazione richiesta.
                   Aggiungendo al semiconduttore delle impurità ad hoc, si può aumentare il
                   numero degli elettroni in banda di conduzione o di lacune in banda di
                   valenza. Un semiconduttore con questo tipo di impurità in posizione reticolare
                   e cioè tale da sostituire un atomo nella struttura cristallina del semiconduttore
                   puro, si dice drogato od estrinseco.
                   Ciò vuol dire che, ad esempio, al posto di un certo numero di atomi tetravalenti
                   di silicio (Si) o germanio (Ge), vengono inseriti altrettanti atomi pentavalenti
                   (come fosforo o arsenico) o trivalenti (come boro o alluminio).
                   Prendendo in considerazione il materiale semiconduttore più utilizzato nella
                   tecnologia fotovoltaico, il silicio, abbiamo che i suoi cristalli sono abitualmente
                   drogati con materiali quali fosforo e boro. In figura 1.7 si può notare come il
                   fosforo inserito nel reticolo cristallino, apporti un elettrone in più mentre il boro
                   un elettrone in meno.


    Figura 1.7
         Effetto
delle impurità
introdotte nel
       cristallo
(Fonte: EERE)




                   Sulla base del numero di elettroni di valenza degli atomi introdotti, il drogag-
                   gio può essere di tipo “n” o di tipo “p”.
                   Il drogaggio con il boro consente di ottenere una struttura di tipo “p”, con
                   eccesso di lacune; il drogaggio con il fosforo consente di ottenere una struttura
                   di tipo “n”, con eccesso di elettroni.
                   Gli atomi di fosforo, appartenenti al quinto gruppo del sistema periodico degli
                   elementi, sono detti donatori, mentre gli atomi di boro, appartenenti invece al
                   terzo gruppo sono detti accettori.


              26   PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
Tab. 1.2 – Confronto tra silicio di tipo p e silicio di tipo n
                             TIPO P (POSITIVO)                   TIPO n (NEGATIVO)
Droganti                        Gruppo III                          Gruppo V




                                                                                            per la progettazione
                                                                                                      QUADERNI
                                 (Boro)                             (Fosforo)
Legami                      Eccesso di lacune                Eccesso di elettroni
Portatori maggiori               Lacune                              Elettroni
Portatori minoritari             Elettroni                           Lacune




   1.2.3       Giunzioni a semiconduttore
La conversione della radiazione solare in energia elettrica, avviene attraverso
l’effetto indotto da un flusso luminoso incidente su una regione di carica spa-
ziale, in cui la presenza di un campo elettrico consente di separare le cariche
prodotte.
Tale regione può instaurarsi nelle seguenti strutture:
- omogiunzioni o giunzioni p-n;
- strutture metallo-semiconduttore;
- strutture metallo-isolante-semiconduttore (MIS);
- eterogiunzioni ottenute accoppiando due semiconduttori dissimili.


Le giunzioni p-n sono comunemente usate come diodi: interruttori elettronici
che permettono un flusso di corrente in una direzione ma non in quella oppo-
sta. Questo risultato può essere ottenuto incrementando o riducendo l’estensio-
ne dello strato non conduttivo (la zona svuotata) grazie agli effetti della
polarizzazione inversa e della polarizzazione diretta, dove il termine polariz-
zazione indica l’applicazione di una tensione elettrica alla giunzione p-n. La
tensione esterna influenza la dimensione del diodo, richiamando un maggiore
o minore numero di portatori; a seconda della densità di portatori disponibili,
e quindi del tipo di semiconduttore scelto e del tipo di drogaggio con il quale
è stato prodotto, sarà possibile variare con un ulteriore grado di libertà l’esten-
sione della regione di svuotamento. Per giunzione p-n si intende un dispositivo
in cui si realizza, tra un semiconduttore drogato di tipo “p” ed uno drogato di
tipo “n”, un contatto che garantisce la continuità cristallina.
Una volta realizzato il contatto, per effetto dell’agitazione termica, gli elettroni
maggioritari della zona “n” tendono a diffondere nella zona “p”, e in modo
analogo le lacune nella zona “p” tendono a diffondere verso la zona “n”,


                                                                                       27
                     lasciando dietro di loro ioni negativi negli atomi accettori e ioni positivi negli
                     atomi donatori. Sono queste cariche fisse che fanno assumere alle due parti
                     costituenti la giunzione un potenziale diverso con la conseguente nascita di un
                     campo elettrico E.
                                                                                 L’equilibrio si rag-
                                                                                 giunge nel momento
       Figura 1.8
  Giunzione PN                                                                   in cui il campo elet-
                                                                                 trico generato è in
                                                                                 grado di opporsi al
                                                                                 moto di diffusione
                                                                                 delle cariche, dando
                                                                                 origine ad un bilan-
                                                                                 cio sui due movi-
                     menti di carica contrapposti dovuti ai portatori maggioritari (elettroni nella
                     zona “n” e lacune nella zona “p”) e minoritari (elettroni nella zona “p” e
                     lacune nella zona “n”), come indicato in figura 1.8.
                     La regione di carica spaziale rappresenta dunque l’ostacolo fisico che le cari-
                     che elettriche devono superare per dar origine al fenomeno della conduzione.
                     Applicando un opportuna tensione esterna alla giunzione è possibile far in
                     modo che tale regione aumenti o diminuisca.
                     In definitiva, si possono individuare 3 diverse situazioni in funzione della ten-
                     sione applicata ai capi della giunzione:
                       Equilibrio (V=0); non viene riscontrato passaggio di corrente in virtù di una
                       condizione di equilibrio.
                       Polarizzazione diretta (V>0); la barriera di potenziale si riduce e il diodo
                       passa in conduzione.
                       Polarizzazione inversa (V<0); la barriera di potenziale aumenta e il diodo
                       passa in interdizione.


       Figura 1.9
Giunzione PN in
 polarizzazione
inversa (sinistra)
    e in polariz-
 zazione diretta
         (destra)




                28   PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
In termini matematici la caratteristica I-V di un diodo è data dalla seguente
equazione:

                                   I = I0 [exp(qV/ kT)-1]




                                                                                        per la progettazione
                                                                                                  QUADERNI
    dove:
    I è l’intensità di corrente;
    V è la tensione;

    k = 1,38 10-23 J/K è la costante di Boltzmann;

    q = -1,6 × 10-19 è la carica di un elettrone;
    T è la temperatura assoluta.


A questo punto occorrerebbe chiedersi il perché, una cella fotovoltaica, essen-
do un diodo esposto alla luce solare a circuito aperto (V=0), sia invece in gra-
do di generare corrente elettrica. Nei prossimi paragrafi cercheremo di
spiegarlo.



   1.2.4       Assorbimento della radiazione luminosa
In una giornata con cielo limpido, ogni centimetro quadrato della superficie
terrestre è colpito ogni secondo da 4.4x1017 fotoni.
Solo alcuni di questi fotoni, quelli con energia superiore all’energy gap del
semiconduttore, possono generare una coppia elettrone-lacuna ed essere
“convertiti” in energia elettrica dalla cella solare.



                                                                                    Figura 1.10
                                                                                    Assorbimento
                                                                                    tipico di alcuni
                                                                                    semiconduttori




                                                                                   29
     Il valore di energia di un fotone, cioè del pacchetto elementare di energia lumi-
     nosa, è definito dall’espressione:

                                           E=h×ν
         dove:

         h è la costante di Planck (h=6,626·10-34 J s);

         ν è la frequenza


     Poiché la frequenza è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda λ, si
     ha che il valore energetico del fotone diminuisce al crescere di λ, con la con-
     seguenza che ogni semiconduttore può convertire solo una parte dello spettro
     solare.

     Vale la pena sottolineare che una parte dell’energia del fotone viene persa nel
     processo di assorbimento: tutte le coppie elettrone-lacuna che vengono gene-
     rate, hanno in pratica energia superiore all’energy gap e tale eccesso energe-
     tico conduce inevitabilmente ad una dissipazione di calore con conseguente
     riscaldamento del materiale. Questo rappresenta uno dei meccanismi di per-
     dita fondamentali in una cella solare.
     Trascurando le perdite, si può fare una stima approssimativa dell’entità di cor-
     rente elettrica che può essere prodotta:

                                           IL = q N A
         dove:

         N è il numero di fotoni avente energia superiore all’energy gap;

         A è l’area superficiale del semiconduttore esposto alla luce;

         q = -1,6 × 10-19 è la carica dell’elettrone.


     Per quanto riguarda la tensione che può generare una cella solare, si può dare
     un valore limite superiore pari a:

                                           V = Eg / q
     Sebbene la tensione effettivamente raggiunta nella pratica sia considerevol-
     mente più bassa di questo limite teorico, l’espressione di cui sopra mostra chia-
     ramente che semiconduttori con banda proibita più ampia producono in
     genere una tensione più elevata.


30   PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
1.3 Le celle fotovoltaiche

L’elemento cardine dei dispositivi che convertono la radiazione luminosa in
elettricità è la cella fotovoltaica.




                                                                                              per la progettazione
                                                                                                        QUADERNI
Nel paragrafo precedente si è cercato di chiarire il processo fisico che porta
alla generazione di corrente elettrica attraverso una giunzione p-n “al buio”.
Che cosa succede però se la giunzione viene investita dalla radiazione solare?
In condizioni di irraggiamento il comportamento della cella cambia.
Quando la cella viene illuminata, la radiazione luminosa libera in tutto il cri-
stallo delle coppie di portatori (elettrone-lacuna) che, sospinte dal campo elet-
trico creato dalla giunzione, danno luogo ad un flusso di cariche. Gli elettroni
generati nella zona P raggiungono la zona N (carica positivamente) mentre le
lacune generate nella zona N migrano verso la regione P (carica negativa-
mente).
In pratica ci si riconduce al caso di una giunzione p-n dove, pur non appli-
cando nessuna tensione (V=0), l’effetto dei fotoni è quello di ridurre la barriera
di potenziale, in maniera del tutto analoga al caso in cui venisse applicato un
generatore che polarizzi direttamente la giunzione stessa.
Da un punto di vista circuitale, l’effetto fotovoltaico può essere schematizzato
da un generatore di corrente IL in parallelo ad una giunzione p-n (diodo), dove
la corrente risultante è fornita dalla relazione:

                         I = I L − I D = I L − I 0 (exp(qV / KT ) − 1)
Considerando poi i contributi parassiti introdotti dalle connessioni elettriche (sche-
matizzati della resistenza Rs) e dai fenomeni ohmici causati dalla non idealità del
diodo (rappresentati dalla resistenza Rsh), il circuito equivalente risultante può
essere schematizzato nel modo seguente:


                                                                                         Figura 1.11
                                                                                         Rappresentazione
                                                                                         circuitale
                                                                                         di una cella FV




La curva caratteristica I-V della cella assume quindi un andamento traslato
rispetto alla curva del diodo di una quantità pari a IL, come rappresentato nella
figura seguente.


                                                                                         31
       Figura 1.12
         Curva I-V
         della cella
       fotovoltaica




                        Il ribaltamento della curva I/V è frutto della diversa conversione di segno tra i
                        dispositivi utilizzatori (diodi) e i dispositivi generatori (celle FV).
                        Attraverso un circuito di test, costituito da una lampada ad alogenuri metallici
                        in grado di simulare l’intero spettro solare, è possibile ricavare la curva carat-
                        teristica della cella fotovoltaica collegando ai suoi morsetti un resistore di resi-
                        stenza variabile da zero (corto circuito) fino a infinito (circuito aperto).
                                                               In questo modo sarà possibile misurare per
                                                               ogni condizione di resistenza un valore di
       Figura 1.13
       Circuito test                                           tensione e di corrente, che riportati in un
                                                               piano cartesiano I-V, consentiranno di trac-
                                                               ciare sperimentalmente la caratteristica I-V
                                                               del generatore fotovoltaico.
                                                               Tale caratteristica può essere suddivisa in
                                                               tre tratti principali:

                           Tratto AB: dove la cella si comporta in maniera simile ad un generatore ide-
                           ale di corrente.

                           Tratto CD: dove la cella si comporta in maniera simile ad un generatore ide-
                           ale di tensione.

                           Tratto BC: è il cosiddetto “ginocchio della curva” ed è la tipica zona di fun-
                           zionamento del generatore fotovoltaico.



       Figura 1.14
Tratti caratteristici
   della curva I-V




                   32   PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA
La corrente IL è la stessa corrente che circolerebbe qualora la cella fotovoltaica
fosse chiusa su di un corto circuito e pertanto viene anche denominata corrente
di corto circuito ISC (short circuit).
La tensione che invece si manifesta ai morsetti della cella in assenza di carico




                                                                                          per la progettazione
                                                                                                    QUADERNI
(o con carico di elevata impedenza), è indicata con VOC ed è detta tensione a
circuito aperto (open circuit).
Scegliendo un carico opportuno è quindi possibile far operare la cella nelle
condizioni di massimo trasferimento di potenza (PMAX) e cioè in un punto del
ginocchio della curva che massimizza il prodotto tra la tensione (VM) e la cor-
rente in uscita (IM).
A livello internazionale, per garantire delle condizioni di prova normalizzate
per tutti i moduli fotovoltaici sono state definite dalla norma IEC EN 60904-3
le cosiddette Standard Test Condiction (STC):

   Radiazione solare: 1000 W/m2

   Temperatura cella: 25 °C

   Spettro: AM1,5

   Vento: 0 m/s

Altro parametro molto importante è la Nominal Operative Cell Temperature
(NOCT), che fornisce la temperatura nominale di lavoro di una cella inserita
all’interno di un modulo posto nelle seguenti condizioni ambientali:

  Radiazione solare: 800 W/m2

  Temperatura ambiente: 20 °C

  Velocità dell’aria sul vetro del modulo: 1 m/s

  Modulo funzionante a vuoto

Tale valore oscilla normalmente tra i 40 e i 50°C, ma può risultare anche più
elevato.
Noto il significato di condizione standard è ora possibile definire alcuni para-
metri caratteristici della cella che, come vedremo, potranno successivamente
essere estesi ai moduli fotovoltaici.

Potenza di Picco (PP)
E’ la massima potenza (PM) generata in condizioni STC dalla cella e viene indi-
cata con l’unità di misura “Wp” (Watt di picco).


                                                                                     33
                       Rendimento (η)

                       E’ determinato dal rapporto tra la potenza di picco erogabile dalla cella e
                       quella della radiazione solare incidente3:

                                                                            PP
                                                                  η=
                                                                        I STC ⋅ A

                       Fill Factor (FF)

                       Il fattore di riempimento rappresenta il rapporto tra la potenza massima estrai-
                       bile dalla cella PM = VM⋅IM e il prodotto tra i valori massimi di corrente (ISC) e di
                       tensione (VOC) in condizioni STC.
                                                                              PM
                                                                FF =
                                                                          I SC ⋅ VOC
                       Da un punto di vista geometrico, facendo riferimento alla caratteristica I-V, il
                       FF rappresenta il grado di inscrizione del rettangolo con lati VM e IM, all’interno
                       del rettangolo con lati ISC e VOC.
                       Nelle celle classiche in silicio cristallino, il FF assume un range di valori com-
                       presi tra 0,7 – 0,8.
                       Nelle celle in silicio amorfo invece, un curva caratteristica più schiacciata vin-
                       cola il FF ad assumere valori più bassi (tipicamente 0,4-0,5).


      Figura 1.15
        Confronto
         tra curve
   caratteristiche
    di un modulo
          in silicio
      cristallino e
       un modulo
in silicio amorfo




                       Tale parametro fornisce in oltre una indicazione sull’efficienza della cella: più
                       è elevato, maggiore è l’efficienza della cella (modulo) e minore sarà la super-
                       ficie necessaria per l’installazione di una determinata potenza.


                         3.   L’area della cella in m2 è indicato con la lettera A.


                  34   PROGETTAZIONE FOTOVOLTAICA IN CONTO ENERGIA

								
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