Principi e Componenti dei Sistemi Fotovoltaici: Dalle Celle ai Moduli Solari

Incorporazione di una Cella Solare

La cella solare è formata da un wafer di materiali semiconduttori, come il silicio, su cui avviene la diffusione del boro (impurità trivalente, regione P) e di un sottile strato di fosforo (impurità pentavalente, regione N) per ottenere una giunzione PN.

Per migliorare il rendimento della cella, il lato che riceve la luce solare subisce un trattamento superficiale per ridurre i riflessi. Su questa superficie è presente una maglia metallica che offre una buona connessione elettrica, esponendo al contempo la massima superficie ricevente possibile. Questo si ottiene con piste metalliche a pettine molto fini, con larghezze di 20-150 µm. La griglia descritta costituisce il polo negativo della cella, mentre la metallizzazione del terminale positivo è realizzata sul retro.

La cella è completata depositando uno strato antiriflesso sulla parte frontale, che facilita l'assorbimento dei fotoni.

Tipi di Celle Fotovoltaiche

A. Breve Storia della Cella Solare

La prima cella solare fu sviluppata nel 1883 da Charles Fritts, utilizzando un campione di semiconduttore al selenio ricoperto d'oro. Nel 1946 fu prodotta la prima parte della cella fotovoltaica. Nel 1954, presso i Bell Labs, fu scoperta la sensibilità alla luce dei semiconduttori drogati con impurità. Dalla fine degli anni '50, la corsa allo spazio influenzò significativamente lo sviluppo delle celle solari per fornire energia ai satelliti. Nel 1970 fu realizzata la prima cella in arseniuro di gallio (GaAs), materiale che dominò la costruzione negli anni '80, prima di essere affiancato dalle celle in silicio.

B. Tipi di Celle Solari Comuni

Sul mercato e nei laboratori di ricerca sono disponibili celle e moduli solari di vario tipo. I più comuni sono:

• Celle in Silicio Monocristallino (Si): Efficienza o prestazioni dal 15% al 18%.
• Celle in Silicio Policristallino: Il loro rendimento è tra il 13% e il 16%. Questi valori sono in aumento di anno in anno.
• Celle in Silicio Amorfo (a-Si): La sua efficienza è del 6-9%.
• Celle al Gallio (Arseniuro di Gallio, GaAs): Rendimento tipico del 25%.

Perdite e Prestazioni delle Celle Fotovoltaiche

Le perdite di efficienza sono dovute a diversi fattori:

• Perdite per energia dei fotoni troppo bassa: L'energia dei fotoni è troppo bassa per rompere il legame e generare una coppia elettrone-lacuna (circa il 22% di perdita di energia).
• Perdite per energia dei fotoni troppo alta: L'energia dei fotoni è troppo alta rispetto all'energia necessaria per rompere il legame nel silicio (circa il 30% di perdita di energia).
• Perdite per ricombinazione: Perdite dovute alla ricombinazione di elettroni e lacune.
• Perdite per riflessione e ombreggiamento: Riflessione dell'8,5% della radiazione solare e perdite causate dall'ombreggiamento dovuto al collegamento elettrico (griglia).
• Perdite per resistenza: Perdita di tensione della cella a causa della resistenza (circa il 20% di perdita).

Parametri Caratteristici di una Cella Fotovoltaica

La curva Tensione-Corrente (curva IV) definisce il comportamento della cella fotovoltaica. I parametri principali sono:

• I_cc (Corrente di Corto Circuito): La corrente massima erogata quando la tensione è zero.
• V_oc (Tensione a Circuito Aperto): La tensione massima erogata quando la corrente è zero. Il suo valore si aggira intorno a 0,5 V.
• P_max (Potenza di Picco): È la potenza elettrica massima che la cella può fornire ed è definita dal punto di massima potenza sulla curva IV.

Le misurazioni tipiche sono riferite a condizioni standard (ad esempio, radiazione di 100 mW/cm²).

Il funzionamento di una cella solare dipende da due fattori principali:

1. La tensione ai capi di una giunzione PN o cella varia in funzione della temperatura.
2. La corrente fornita da una cella solare a un circuito esterno è proporzionale all'intensità della radiazione e alla superficie della cella.

Moduli Fotovoltaici

I moduli fotovoltaici sono costituiti da un insieme di celle solari (tipicamente tra 36 e 96) raggruppate e interconnesse. In alcuni casi, può esserci un collegamento in parallelo di gruppi di celle collegate in serie. È fondamentale che l'insieme delle celle sia protetto contro gli agenti atmosferici. L'insieme di celle solari raggruppate e protette costituisce il modulo fotovoltaico.

Struttura di un Modulo Fotovoltaico

Un modulo fotovoltaico è composto dai seguenti elementi:

1. Copertura Frontale: Solitamente vetro temperato di circa 4 mm di spessore.
2. Incapsulamento (Encapsulation): La maggior parte dei moduli utilizza Etilene Vinil Acetato (EVA) per sigillare le celle.
3. Copertura Posteriore (Backsheet): Utilizza uno strato di fluoruro di polivinile (PVF) o materiali equivalenti.
4. Telaio (Frame): La maggior parte dei produttori utilizza alluminio anodizzato, che fornisce rigidità e resistenza al modulo.
5. Scatola di Giunzione (Junction Box): Si trova sul retro del modulo ed è costituita da una scatola con protezione contro l'acqua e la polvere, realizzata in materiale plastico resistente alle alte temperature.
6. Celle e Connessioni: Il collegamento delle celle di un modulo fotovoltaico è realizzato con strisce di metallo saldate o incorporate nella griglia per il collegamento elettrico con la faccia anteriore di ogni cella.

Caratteristiche e Parametri dei Moduli Fotovoltaici

Un modulo fotovoltaico è costituito da più celle solari interconnesse. Il suo funzionamento è definito dalla curva IV (Tensione-Corrente).

Punto di Massima Potenza (MPP)

Il punto di massima potenza sulla curva IV è stabilito dalla resistenza del collegamento e dal carico. La potenza fornita dal modulo solare dipende dall'irradiazione.

Corrente

La corrente erogata da un modulo fotovoltaico è proporzionale all'intensità della radiazione e non può superare il valore della corrente di corto circuito (I_cc).

Effetto della Temperatura

La temperatura influenza significativamente le caratteristiche del modulo:

1. Tensione a Circuito Aperto (V_oc): Diminuisce con l'aumentare della temperatura.
2. Corrente di Corto Circuito (I_cc): Aumenta leggermente con l'aumentare della temperatura.
3. Potenza del Modulo (P_max): Diminuisce con l'aumentare della temperatura.

Potenza Nominale e Tolleranza di Produzione

I produttori classificano e identificano i moduli fotovoltaici in base alla loro potenza massima o Potenza di Picco (P_max), che è la potenza che il modulo può generare nel punto di massima potenza (MPP) della curva IV.

Esistono tolleranze sui parametri caratteristici di ogni modulo. Inoltre, nel corso della vita utile di un modulo fotovoltaico, stimata intorno ai 25 anni, si verifica una riduzione della potenza generata a causa dell'invecchiamento (degradazione).

I produttori indicano nelle schede tecniche la garanzia di potenza, tipicamente assicurando il 90% della potenza nominale durante i primi 10 anni e l'80% della potenza nominale per 25 anni.

Effetto Hot Spot

Se in un modulo fotovoltaico con celle collegate in serie si verifica l'ombreggiamento di una cella, questa tende a funzionare come un carico dissipativo, provocando il surriscaldamento localizzato della cella stessa. Questo fenomeno è chiamato Hot Spot.

Per evitare il rischio di danni irreversibili causati da questo riscaldamento localizzato, vengono utilizzati diodi di bypass, collegati in parallelo a gruppi di celle in serie.

Collegamento dei Moduli Fotovoltaici

La corrente e la tensione di un singolo modulo fotovoltaico non sempre soddisfano i requisiti di un impianto. Per raggiungere i valori appropriati, è necessario raggruppare i moduli. Il collegamento in serie aumenta la tensione, mentre il collegamento in parallelo aumenta l'intensità (corrente).

L'insieme di tutti i moduli di un sistema è chiamato Generatore Fotovoltaico.

Collegamento dei Moduli in Serie

Si effettua collegando il polo positivo di un modulo con il polo negativo del modulo successivo.

Caratteristiche:

• L'intensità di corrente del generatore (I_G) è uguale a quella di un singolo modulo (I_M).
• La tensione del generatore (V_G) è data dalla tensione di un modulo (V_M) moltiplicata per il numero di moduli in serie (N_s).

Formule:

I_G = I_M

V_G = N_s × V_M

Collegamento dei Moduli in Parallelo

Si effettua collegando il terminale positivo (+) di tutti i moduli per formare il terminale positivo del generatore e collegando il terminale negativo (-) di tutti i moduli per formare il terminale negativo del generatore.

Caratteristiche:

• L'intensità di corrente del generatore (I_G) è data dalla corrente di un modulo (I_M) moltiplicata per il numero di moduli in parallelo (N_p).
• La tensione del generatore (V_G) è uguale alla tensione di un singolo modulo (V_M).

Formule:

I_G = N_p × I_M

V_G = V_M