Transcript 4 Energia fotovoltaica
HOME
Proprietà fisico/chimiche del silicio
Principio fotoelettrico/fotovoltaico
Struttura della cella fotovoltaica
Tipi di celle che sfruttano l’effetto fotovoltaico
Struttura di un impianto fotovoltaico
Costi e ricavi nella realizzazione dell’impianto
Laboratorio: cella di Graetzel
INTRODUZIONE STORICA
Edmond Becquerel nel 1839 scopre l’effetto fotovoltaico.
Willoughby Smith nel 1873 scopre la fotoconducibilità del selenio.
William Grylls Adams assieme al suo allievo Day osservarono il selenio convertire la luce del sole direttamente in elettricità.
INTRODUZIONE STORICA
Nel 1879 Charles Fritts costruisce la prima cella fotovoltaica. 1953 Gerald Pearson costruì una cella solare basandosi sul silicio e non più sul selenio e negli anni 60 le celle erano in grado di alimentare apparecchi domestici con un rendimento del 6%.
INTRODUZIONE STORICA
La NASA nel 1962 impiega le celle negli esperimenti spaziali.
Fred Shurland usa il solfuro di cadmio al posto del silicio.
Dagli anni 70 la tecnologia ha continuato a progredire, scoprendo nuovi tipi di pannelli con diverse caratteristiche.
IL SILICIO: PROPRIETÀ CHIMICHE E FISICHE
● Elemento chimico con simbolo si e numero atomico 14 ● Secondo elemento per abbondanza nella crosta terrestre dopo l’ossigeno ● L’isotopo più abbondante in natura è il si a=28
PRODUZIONE SILICIO
Il silicio si prepara attraverso il riscaldamento di silice a temperature superiori a 1900˚C, dove il carbonio riduce la silice in silicio secondo l’equazione chimica:
SiO
2
+ C → Si + CO
2
METODI DI PURIFICAZIONE:
● .
Fusione a zona: (metodo fisico) le sbarre di silicio vengono riscaldate fino a quando le estremità si fondono ● Processo di siemens: (metodo chimico)
2 HSiCl 3 → Si + 2 HCl + SiCl 4
● Processo della dupont: (metodo chimico)
SiCl 4 + 2 Zn → Si + 2 ZnCl 2
EFFETTO FOTOVOLTAICO
L’effetto fotovoltaico è la conversione diretta dell’energia solare in energia elettrica.
L’energia elettrica è prodotta dall’interazione dei fotoni della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza dei materiali semiconduttori.
Se i fotoni che colpiscono la cella di silicio hanno energia uguale o maggiore a 1.08 eV l’elettrone di valenza eccitato vince le forze elettrostatiche che lo tengono vincolato al legame tra due atomi e diventa libero di spostarsi
EFFETTO FOTOVOLTAICO
Per creare un campo elettrico all’interno della cella bisogna effettuare un trattamento chiamato “drogaggio del silicio” con atomi di Boro e Fosforo Il drogaggio del silicio crea una giunzione NP che se viene collegata ad un conduttore si riesce a catturare il flusso di elettroni che va da N a P quindi fino a quando la cella è esposta alla luce c’è la produzione di corrente elettrica
EFFETTO FOTOVOLTAICO
Lo spessore dello strato N deve essere di 0.5 mm per garantire che i fotoni arrivino vicino alla giunzione NP. Lo spessore di tutta la cellula non deve superare i 250mm.
STRUTTURA DELLA CELLA FOTOVOLTAICA
CELLE AL SILICIO:
MONOCRISTALLINO: Rendimento del 15%, grazie alla regolarità della struttura cristallina del silicio POLICRISTALLINO: Rendimento del 13%, inferiore a quella monocristallina per la struttura irregolare, ma ha un tempo di produzione inferiore AMORFO : Rendimento del 6%, Detto anche film, è una sottile pellicola dai bassi costi di produzione. È applicabile su supporti economici di varie forme grazie alla sua flessibilità
ALTRI TIPI DI CELLE
ARSENIURO DI GALLIO ETEROGIUNZIONE TELLURO E SOLFURO DI CADMIO MICROCRISTALLINO CELLA DI GRAETZEL
EFFICACIA DEI PANNELLI FOTOVOLTAICI
Il rendimento delle celle fotovoltaiche commerciali varia dal 13% al 17%, ma in laboratorio si è arrivati fino al 32,5%.
La bassa efficienza dei pannelli fotovoltaici è causata da: - Riflessione - Fotoni troppo o poco energetici - Temperatura - Resistenze elettriche
L’IMPIANTO FOTOVOLTAICO:
1 2 3 4 6 5 7 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Radiazione solare Pannelli fotovoltaici Inverter Contatore impianto Contatore rete uscente Contatore rete entrante Rete a bassa tensione
CONTO ENERGIA:
Potenza nominale
Tipo di impianto fotovoltaico
Non integrato Parzialmente integrato Integrato Da 1 a 3 KWh Da 3 a 20 KWh €0,40 €0,38 €0,44 €0,42 €0,49 €0,46 Oltre i 20 KWh €0,36 €0,40 €0,44
COSTI E RICAVI DELL’IMPIANTO MEDI:
DI PICCO MASSIMO
●
Tecnologia silicio .
cristallino
●
Picco massimo .
4KW
●
Perdite: .
14% (cavi, inverter) .
+ 8% (temperatura) .
+ 3% (riflessione) .
.
.
= 25% .
●
Inclinazione moduli 35’
●
Reggio Emilia (44˚41’30’’ nord, 10˚37’56’’ est, altitudine . 64m)
Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic Produzione elettrica FV Mese Produzione mensile (kWh) Produzione giornaliera (kWh) Gen 210 6.8 Feb Mar Apr Mag 231 357 423 469 8.2 11.5 14.1 15.1 493 537 517 422 320 204 165 16.4 17.3 16.7 14.1 10.3 6.8 5.3 Media annuale Produzione annuale (kWh) 362 11.9 4347
SECONDO STUDIO DI REALIZZAZIONE:
Struttura Esposizione solare Disposizione pannelli Sito per l’inverter
PREVENTIVO COSTI DI REALIZZAZIONE:
PREVENTIVO COSTI MATERIALI PROGETTAZIONE PANNELLI FOTOVOLTAICI E INVERTER STAFFAGGI CAVI E CANALI ACCESSORI TOTALE QUANTITÀ
N=90 N=1 600m
COSTO
2 774,88€ 93 608,58€ 9 431,09€ 2 273,59€ 1 736,87€
120 807,51€ (CON IVA AL 10%)
LABORATORIO: CELLA DI GRAETZEL
LAB: PREPARAZIONE CELLA
Pasta di TiO2 Preparazione controelettrodo Stesura pasta sull’elettrodo Assemblaggio cella Riscaldamento in stufa Preparazione colorante Versare soluzione elettrolitica Immersione elettrodo nel colorante
MISURAZIONE DDP E I
Bianco No I 2 Lampone Mirtillo mV
45 20 402 288 202 143 148 15,8
µA
27 0 324 238 199 106 82.5
11,8
BIBLIOGRAFIA:
“L’energia pulita” di Pietro Menna, casa editrice Il Mulino “l’energia solare e l’idrogeno” di Aurelio C. Robotti, casa editrice Utet Manuale di progettazione Riello “La sfida del secolo” di Piero Angela e Lorenzo Pinna, casa editrice Mondadori Articoli da il Sole 24 ore Immagini e altre informazioni dal web come wikipedia e google immagini.
REALIZZATO DA:
Luca Camparini
Lorenzo Chiapponi
Mattia Giroldi