Grid Connected PV system sizing

Univer Universit sità à degli degli Studi Studi di Napoli Napoli Federi Federico co II Facolt acoltà di Ingegneria

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica

Elaborato Elaborato in

Dispositivi e Sistemi Fotovoltaici Relazione delle esercitazioni e dimensionamento di un impianto fotovoltaico

A cura di:

Alessio Sellaroli M61/177

Anno Ac Accadem cademico ico 2013-2014 2013-2014

Indice 1

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2

3

1

Eser Es erci cita tazio zione ne 1

Valutazione alutazione dei paramen paramentri tri fondamen fondamentali tali della della cella cella . . . . . Analis Analisii al vari variare are della della temper temperatu atura ra . . . . . . . . . . . . . . Analis Analisii al vari variare are del del lifet lifetime ime . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analisi Analisi al variar variaree della velocità velocità di ricombinazi ricombinazione one superficiale superficiale Analis Analisii al vari variare are dello dello spessor spessoree della della cella cella . . . . . . . . . . Analisi Analisi al variar variaree della profondit profonditàà di giunzione giunzione dell’emitt dell’emitter. er. . Analis Analisii della della rispost rispostaa spettra spettrale le . . . . . . . . . . . . . . . . . Analis Analisii di di una una cella cella p-i-n p-i-n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analis Analisii al varia variare re della della temperatu temperatura ra in una cella cella P-I-N P-I-N . . . .

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4 4 6 7 9 11 11 12 14


16

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

16 17 18 19

Corren Corrente te di satura saturazio zione ne inve inversa rsa del del diodo diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Valutazi alutazione one V OC OC , FF, ed η . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analisi Analisi al variar variaree del livel livello lo di illumi illuminazione nazione . . . . . . . . . . . . . . . . . Analis Analisii al vari variare are della della temper temperatu atura ra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analisi della della dipendenza dei parametri di merito dalla Rsh, Rsh, mantenendo mantenendo fissa la Rs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Analisi della dipendenza dipendenza dei parametri parametri di merito dalla Rs, mantenendo mantenendo fissa la Rsh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7 Descri Descrizio zione ne in PSPIC PSPICE E della della serie serie di 5 celle celle . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8 Valutazi alutazione one la curva curva I-V della della serie serie delle 5 celle celle . . . . . . . . . . . . . . . 2.9 Oscuram Oscuramen ento to compl completo eto di di una una cella cella . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10 Diodo di by-pass in antiparal antiparallelo lelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.11 Analisi della caratteristica IV al variare del livello di ombreggiamento in presenza ed in assenza del diodo di by-pass by-pass . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12 Analisi del funzionamento del circuito quando ogni cella è protetta da un diodo di by-pass e per livelli di illuminazione disuniformi . . . . . . . . . . 2.13 Analisi del funzionamento del circuito quando un diodo di by-pass è posto a protezione di più celle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.14 Analisi Analisi del circuito circuito equivalen equivalente te di una cella p-i-n p-i-n . . . . . . . . . . . . . . .

20 21 21 23 23


27

3.1 Profilo Profilo clinom clinometr etrico ico . . . . 3.2 Orient Orientamen amento to . . . . . . . 3.3 3.3 Sist Sistem emaa . . . . . . . . . . 3.3. 3.3.11 Sist Sistema ema - Modul Moduloo . 3.3.2 3.3.2 Sistem Sistemaa - Inve Inverte rterr . 3.4 Calcoli Calcoli elettr elettrici ici . . . . . .

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20

24 25 25 26 27 28 28 28 30 30

3.5 3.6 3.6 3.7 3.7 3.8 3.9 4

Normal Normalize ized d producti production on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Syst System em Loss Loss Diagr Diagram am . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hour Hourly ly Graph Graph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dimensionamen Dimensionamento to del campo campo fotovoltaic fotovoltaicoo con stringhe stringhe in parallel paralleloo . System Loss Diagram Diagram:: campo fotovol fotovoltaico taico con con stringhe stringhe in in parallelo parallelo

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31 32 33 36 38 39


4.1 Simula Simulazio zione ne di una stringa stringa foto fotovo volta ltaica ica in PSIM PSIM . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2 DC/ DC/DC DC topologia topologia Boost Boost con P&O fixed fixed step - Rendime Rendiment ntoo Statico Statico . . . . . 41 4.3 DC/ DC/DC DC topologia topologia Boost Boost con P&O fixed fixed step - Rendime Rendiment ntoo Dinamico Dinamico . . . 44 5

45

Dimensi Dimensiona onamen mento to di un impian impianto to

5.1 5.2 5.2 5.3 5.4 5.4 5.5 5.5

Dimens Dimension ionamen amento to . . Orie Orient ntazi azione one . . . . . Modulo Modulo fotov fotovolt oltaic aicoo . Inv Inverte erterr . . . . . . . Simu Simula lazi zione one . . . . .

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ii

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46 47 49 51 53

Elenco delle figure 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Cella elementare realizzata realizzata in PC1D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Caratteristica Caratteristica I-V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Andamento Andamento della V OC . . . . . . . OC , I SC MAX al variare della temperatura. SC , P MAX Andamento Andamento della F F e η al variare della temperatura. . . . . . . . . . . . . Andamento Andamento della V OC OC , I SC SC , P MAX MAX al variare del lifetime. . . . . . . . . . . . Andamento Andamento della F F e η al variare del lifetime. . . . . . . . . . . . . . . . Andament Andamento o della V OC OC , I SC SC , P MAX MAX al variare della velocità di ricombinazione superficiale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.8 Andamento Andamento della F F e η al variare della velocità di ricombinazione superficiale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.9 Andamento Andamento della V OC OC , I SC SC , P MAX MAX al variare dello spessore della cella. . . . . 1.10 Andamento della F F e η al variare dello spessore della cella. . . . . . . . . 1.11 Andamento della V OC OC , I SC SC , P MAX MAX al variare della profondità di giunzione dell’emitter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.12 Internal Quantum Efficiency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.13 Cella P-I-N. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.14 Caratteristica I-V cella P-I-N. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.15 Andamento della V OC OC , I SC MAX al variare della temperatura in una cella SC , P MAX P-I-N. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.16 Andamento della F F e η al variare della temperatura in una cella P-I-N. . 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Circuito Circuito equiva equivalente lente di una cella al silicio cristallino. . . . . . . . . . . . . Caratteristica Caratteristica I-V della cella. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Caratteristica Caratteristica P-V della cella. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Caratter Car atteristic istica a I-V della cella al variare del livello di illumi il luminazione nazione.. . . . . . Confronto Confronto della V OC OC ricavata dalla simulazione con il valore trovato analiticamente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Car Caratter atteristic isticaa I-V della cella cella al variare della temper temperatur atura. a. . . . . . . . . . . 2.7 Andamento Andamento della V OC OC al variare della temperatura. . . . . . . . . . . . . . . 2.8 Car Caratter atteristic istica a I-V della cella al variare dalla Rsh, mantenendo mantenendo fissa la Rs. 2.9 Car Caratter atteristic istica a I-V della cella al variare dalla Rs, mantenendo mantenendo fissa la Rsh. 2.10 Descrizione in PSPICE della serie di 5 celle. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.11 Caratteristica I-V della serie delle 5 celle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12 Caratteristica P-V della serie delle 5 celle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.13 Massimo della caratteristica P-V della serie delle 5 celle. . . . . . . . . . . 2.14 Caratteristica I-V della serie delle 5 celle con cella oscurata. . . . . . . . . 2.15 Tensione ai capi della cella oscurata. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.16 Caratteristica I-V della serie delle 5 celle con cella oscurata By-passata. . . 2.17 Tensione ai capi del diodo di by-pass. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii

1 4 5 5 6 7 8 8 9 10 11 12 13 14 15 15 16 17 17 18 18 19 19 20 20 21 22 22 22 23 23 23 24

2.18 Caratteristica I-V della serie delle 5 celle al variare del livello di ombreggiamento (senza diodo di by-pass) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.19 Caratteristica I-V della serie delle 5 celle al variare del livello di ombreggiamento (con diodo di by-pass) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.20 Caratteristica I-V della serie delle 5 celle per livelli di illuminazione disuni formi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.21 Descrizione in PSPICE della serie di 5 celle con diodo di by-pass è posto a protezione di più celle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.22 Caratteristica I-V con diodo di by-pass è posto a protezione di più celle. . . 2.23 circuito circuito equiva equivalente lente di una cella p-i-n. p-i-n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.24 Caratteristica I-V di una cella p-i-n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

3.1 Profilo clinometrico. clinometrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Parametri del sitema. sitema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Parametri del ppannello annello fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Parametri inverter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Schema del collegamento collegamento elettrico. elettrico. . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Parametri del collegamento collegamento elettrico. elettrico. . . . . . . . . . . . . . . 3.7 Pr Prod oduzione uzione annua normalizzata normalizzata per per KWp installato. installato. . . . . . . 3.8 Diagramma delle perdite. perdite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.9 Hourly Graph Graph 21/ 21/1. 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10 Hourly Graph 21/2. 21/2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.11 Hourly Graph 21/3. 21/3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.12 Hourly Graph 21/4. 21/4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.13 Hourly Graph 21/5. 21/5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.14 Hourly Graph 21/6. 21/6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.15 Hourly Graph 21/7. 21/7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.16 Hourly Graph 21/8. 21/8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.17 Hourly Graph 21/9. 21/9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.18 Hourly Graph 21/10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.19 Hourly Graph 21/11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.20 Hourly Graph 21/12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.21 Parametri del sitema. sitema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.22 Schema del collegamento elettrico. . . . . . . . . . . . . . . . . 3.23 Diagramma delle perdite del campo fotovoltaico con stringhe in

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . parallelo.

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27 28 29 30 31 31 32 32 33 33 33 34 34 34 35 35 35 36 36 36 37 37 38

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9

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. . . . . . . . .

39 40 40 41 42 42 43 43 44

Simulazione Simulazione di una stringa stringa fotovoltaic fotovoltaica a in PSIM. . . . . . . . Paramet Par ametri ri della stringa fotovoltaic fotovoltaica a in PSIM. . . . . . . . . . Andamento Andamento della Potenza per diversi valori dell’irragiame dell’irragiamento. nto. Andamento Andamento della Potenza al variare variare dell’irragiamen dell’irragiamento. to. . . . . . DC/DC topolo topologia gia Boost con con P&O fixed fixed step. . . . . . . . . . . Simulazione statica statica con con δ duty duty cycle pari a 0.03. . . . . . . . . Calcolo della potenza con con δ duty duty cycle pari a 0.03. . . . . . . . Calcolo della potenza con con δ duty duty cycle pari a 0.01. . . . . . . . Calcolo della potenza con con δ duty duty cycle pari a 0.03. . . . . . . .

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24 24

25 26 26 26

5.1 Edificio Edificio sul quale viene effettuato effettuato il dimension dimensionament amento o dell’imp del l’impianto ianto fotovolfotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.2 Pr Prod oducibil ucibilità ità elettric elettrica a annua in Italia Italia di un impianto da 1 kWp. . . . . . . 46 5.3 Dati storici sulla producibi producibilità lità nella provincia provincia di Napoli. Napoli. . . . . . . . . . . . 47 iv

5.4 Direzione cardinale cardinale dell’edificio tramite tramite Google Google Compass. . . . . . . . 5.5 Disco di irragiamento. irragiamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6 Modulo Modulo fotovoltaic fotovoltaicoo SLK60P6L della Siliken. Siliken. . . . . . . . . . . . . . . 5.7 Modulo fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.8 Car Caratter atteristich istichee mec meccaniche caniche e termiche termiche della SLK60P6L SLK60P6L della del la Siliken. . 5.9 Car Caratter atteristich istichee dell’invert AT AT 3000 della del la Sunways. . . . . . . . . . . . 5.10 AT 3000 della Sunways. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.11 Produzione normalizzata per KWp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.12 System Loss Diagram. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

v

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48 48 49 50 51 51 52 53 54

Capitolo 1 Esercitazione 1 In questa esercitazione è stato richiesto di realizzare una cella con le seguenti caratteristiche: • Area unitaria • Spessore 250 micron • Diffusione frontale di tipo n con profondità di giunzione di 1 micron • Drogaggio di picco pari a 1018 [cm] cm] 3 • Superfice testurizzat testurizzataa con un’altezza un’altezza media di 2.5m ed un angolo di inclinazione pari a 55 • Assenza di ricombinazione superficiale sul front e sul back • Assenza di riflessione superficiale In Pc1d è stata realizzata la cella secondo le specifiche sopra elencate. −

Figura 1.1: Cella elementare realizzata in PC1D. 1

1 – Esercitazione 1

I dati ricavati dalla simulazione sono stati inseriti in uno script di matlab mostrato di seguito 1 2 3 4 5 6 7

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % E se se rc rc it it az a z io io ni ni d e l c or or so so d i D is is po po si si ti ti vi vi e S is is te te m i F ot ot ov ov ol ol ta ta ic ic i % % E s e r c i t a z i o n e 1. m % % a c ur ur a d i L u c a G a ll ll u c c i , I n g . El El et et tr tr on on ic ic a M a gi gi st st ra ra l e , M 6 1 /1 / 1 51 51 % % A l e s s i o S e l l a r o l i , I n g .E . E l e t t r o n i c a M a g i s t r a l e , M 6 1 /? /? ? ? % % s v i l u p p a t o il 3 1 /1 0 / 13 in Ma tl a b % %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

8 9 10

function ese1() cl c ; c l ea ea r a l l; l; c l o se se a l l; l;

11 12 13

batchparameter(); quantumyield();

disp ( ’ A p p l i c a ti ti v o t e r m in in a t o ’ ) ; c l e ar ar a l l; l;

14 15 16 17

en d

18 19 20

function batchparameter() c a l c ol ol i = { ’ t e m p . t xt xt ’ , ’ b u l k ta ta u . t x t ’ , ’ f rs rs . t x t ’ , ’ t h i c k ne ne s s . t x t ’ } ;

21 22

23 24 25 26 27

fo r i nd n d ex e x = 1 :l :l e n g t h( h( c a l c o l i ) batchcalc(calcoli{index}) disp ( ’ P r em em e re re u n t a st st o p er e r c o nt n t i nu n u a re re c on on g li li a l tr tr i p a ra r a m et et r i . .. .. ’ ) ; pause ; cl c ; c l o se se a l l; l; en d

en d

28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47

function quantumyield() f i l e = { ’ b t 5 . t x t ’ , ’ bt bt 7 . t x t ’ , ’ b t9 t9 . t x t ’ , ’ b t 11 11 . t x t ’ , ’ b t 13 13 . t x t ’ , ’ b t 15 15 . t x t ’ } ; cd d a t i ; cd qy ; fo r i nd nd ex ex = 1 : 6 v a l ue ue s = i m p o r td td a t a ( f i l e { i n de de x } ) ; q y . bt bt . w a v el el e ng ng h t = v a lu lu e s . da da t a (: ( : , 1 ); ); q y . b t . i nt nt ( : , i n d e x ) = v a l ue ue s . d a t a ( : , 2 ); ); q y . b t . e xt xt ( : , i n d e x ) = v a l ue ue s . d a t a ( : , 3 ); ); q y . b t . r ef ef ( : , i n d e x ) = v a l ue ue s . d a t a ( : , 4 ); ); en d f i l e = { ’ f r s 1 5 . t xt xt ’ , ’ f r s 1 55 55 . t x t ’ , ’ f r s 16 16 . t x t ’ , ’ f r s 1 56 56 . t x t ’ , ’ f r s 17 17 . t x t ’ } ; fo r i nd nd ex ex = 1 : 5 v a l ue ue s = i m p o r td td a t a ( f i l e { i n de de x } ) ; q y . fr fr s . w av a v e le l e n gh g h t = v a lu lu e s . da da t a (: ( : , 1 ); ); q y . f rs rs . i n t ( : , i n d ex ex ) = v a l u es es . d a t a ( : , 2 ) ; q y . f rs rs . e x t ( : , i n d ex ex ) = v a l u es es . d a t a ( : , 3 ) ; q y . f rs rs . r e f ( : , i n d ex ex ) = v a l u es es . d a t a ( : , 4 ) ; en d cd .. ; cd .. ;

48 49

50 51 52 53 54 55

56 57 58 59 60 61 62 63 64 65

66 67 68 69 70 71

f i g u r e( e ( ’ u n i t s ’ , ’ n o r ma ma l i z ed ed ’ , ’ o u t e r p o s i ti ti o n ’ , [ 0 0 1 1 ] ) ; se t ( 1 , ’ Na Na me m e ’ , ’ V a ri ri a zi zi o ne n e d el e l Q Y i n b a se se a l B u lk lk T au au e F rS r S ’ , . .. .. ’NumberTitle’,’off’); subplot(1,2,1); hold on ; grid ; t i t l e( e ( ’ B u l k T au au 5 - > 1 5 \ m us us ’ ) ; x l a b e l( l ( ’ W a v e l e ng ng h t [ n m ] ’ ) ; ; y l a b e l ( ’ I n t e r na na l Q u a n tu tu m E f f i c ie ie n c y [ % ] ’ ) ; plot ( q y . b t . w a ve ve l e ng ng h t , q y . b t . i nt nt ( : , 1 ) , . . . qy.bt.wavelenght ,qy.bt.int (:,2),... qy.bt.wavelenght ,qy.bt.int (:,3),... qy.bt.wavelenght ,qy.bt.int (:,4),... qy.bt.wavelenght ,qy.bt.int (:,5),... q y . bt bt . w a ve ve l en en g ht ht , q y . bt bt . i nt nt ( : , 6) 6) ); l e g e n d( d(’5us’,’7us’,’9us’,’11us’,’13us’,’15us’,’Location’, ’South’); subplot(1,2,2); hold on ; grid ; t i t l e( e ( ’ F r S 1 e 5 - > 1 e 7 c m / s ’ ); ); x l a b e l( l ( ’ W a v e l e ng ng h t [ n m ] ’ ) ; ; y l a b e l ( ’ I n t e r na na l Q u a n tu tu m E f f i c ie ie n c y [ % ] ’ ) ; plot ( q y . f r s . w a ve ve l e ng ng h t , q y . f r s . i nt nt ( : , 1 ) , . . . qy.frs.wavelenght ,qy.frs.int (:,2),... qy.frs.wavelenght ,qy.frs.int (:,3),... qy.frs.wavelenght ,qy.frs.int (:,4),... q y . fr fr s . w av av e le le n gh gh t , q y . fr fr s . in i n t ( : ,5 ,5 ) ); l e g e n d( d ( ’ 1 e 5 c m / s ’ , ’ 1 . 5 e 5 c m / s ’ , ’ 1 e6 e6 c m / s ’ , ’ 1 .5 .5 e 6 c m / s ’ , ’ 1 e7 e7 c m / s ’ , . .. .. ’Location’,’South’);

72

2


73 74 75

disp ( ’ P r em em e re re u n t a st st o p er e r c o nt n t i nu n u a re re . . . ’ ); ); pause ; cl c ; c l o se se a l l; l; en d

76 77 78 79 80 81 82 83 84 85

function batchcalc(file) cd d a t i ; v a l ue ue s = i m p o rt rt d a t a ( f i le le ) ; v a r i ab ab l e = v a l ue ue s . c o l h e a d er er s { 1 } ; b a t c hv hv a r = v a l ue ue s . d a t a ( : , 1 ); ); v o c = v a l ue ue s . d a t a ( : , 2 ); ); i s c = - v a l u es es . d a t a ( : , 3 ) ; p m a x = v a l u es es . d a t a ( : , 4 ) ; cd .. ;

86

f f = p m a x . /( /( v o c . * i s c ) ; e f f = ( p m ax ax / 0 . 1 ) * 1 0 0; 0;

87 88 89 90

91 92 93 94 95 96

f p r i n t f ( ’ C o ef e f f ic i c i en e n t i d i v a ri r i a zi z i o ni ni m ed e d i i n f u nz n z i on on e d e ll ll a % s \ n ’ ,. , . .. .. variable); disp ( s t r c a t ( ’ V o c = ’ ,n ,n u m 2 s t r( r( c o e f f ( v o c , b a t c h v a r , 0 . 6 0 4 8 ) ) ) ) ; disp ( s t r c a t ( ’ I s c = ’ ,n ,n u m 2 s t r( r( c o e f f ( i s c , b a t c h v a r , 0 . 0 3 7 5 1 ) ) ) ) ; disp ( s t r c a t ( ’ P m a x = ’ ,n ,n u m 2 s t r( r ( c o e f f ( v o c , b a t c h v ar ar , 0 . 0 1 8 8 ) ) ) ) ; disp ( s t r c a t ( ’ F F = ’ ,n ,n u m 2 s t r( r( c o e f f ( f f , b a t c h v a r , 0 . 8 2 7 ) ) ) ) ; disp ( s t r c a t ( ’ E f f i c i e n z a = ’ ,n ,n u m 2 s t r( r ( c o e f f ( e f f , b a t c h v ar ar , 1 8 . 8 ) ) ) ) ;

97 98

99 100 101 102 103 104

f i g u r e (1); se t ( 1 , ’ N a m e ’ , . . . s p r i n t f ( ’ V a ri ri a zi z i o ne n e d i V oc oc , I sc sc , P m ax ax i n f u nz nz i on o n e d e ll ll a % s ’ , .. .. . variable),’NumberTitle’,’off’) subplot(1,3,1); plot ( b a t c h v a r , v o c , ’ b ’ ) ; x l i m ( [ mi n ( b a t c h v a r ) ma x ( b a t c h v a r ) ] ) ; x l a b e l( l ( v a r i a b l e ) ; ylabel ( ’ V ’ ) ; title ( ’ V o c ’ ) ; grid ;

105 106 107 108

subplot (1,3,2); plot ( b a t c h v a r , i s c , ’ r ’ ) ; x l i m ( [ mi n ( b a t c h v a r ) ma x ( b a t c h v a r ) ] ) ; x l a b e l( l ( v a r i a b l e ) ; ylabel ( ’ A ’ ) ; title ( ’ I s c ’ ) ; grid ;

subplot(1,3,3); plot ( b a t c h v a r , p m a x , ’ g ’ ) ; x l i m ( [ mi n ( b a t c h v a r ) ma x ( b a t c h v a r ) ] ) ; x l a b e l( l ( v a r i a b l e ) ; ylabel ( ’ W ’ ) ; title ( ’ P m a x ’ ) ; grid ;

109 110 111 112 113 114 115 116 117 118

119 120 121 122 123 124

125 126 127

disp ( ’ P r em em e re re u n t a st st o p er e r p l ot ot t ar a r e i l g r af af i co co d i F F e d E f fi f i c ie i e n za za . . . ’ ) pause ; close ; f i g u r e (1); se t ( 1 , ’ N a m e ’ , . . . s p r i n t f ( ’ V a ri ri a zi z i o ne n e d i F F e d E f fi f i c ie i e n za za i n f u nz nz i on on e d e ll ll a % s ’ , .. .. . variable),’NumberTitle’,’off’) [ a x , l o s e v a r , l o s e v a r ] = p l o t y y ( b a t c h v ar ar , f f , b a t c h v a r , e f f ) ; title ( ’ V a ri ri a zi z i o ne n e d ei e i p a ra ra m et e t r i F F e d \ e ta t a ’ ) ; ; grid ; x l a b e l( l(variable); se t ( ge t ( a x ( 1) 1) , ’ Y l a b e l ’ ) , ’ S t r in in g ’ , ’ F i l l F a c to to r ’ ) se t ( ge t ( a x ( 2) 2) , ’ Y l a b e l ’ ) , ’ S t r in in g ’ , ’ E f f i c i en en z a [ % ] ’ )

en d

128 129 130 131 132

f u n c t i o n y = c o ef ef f ( A ,B ,B , r if if ) % A p a r am am e tr t r o d a v a lu l u ta t a r e , B b a s e d e ll ll a v a r i az az i on on e y = mean ( ( A ( 2 : en d ) - A ( 1 : en d - 1 ) ) . / ( ( B ( 2 :en : en d ) - B ( 1 : en d - 1 ) ) * r i f ) ) ; en d

3


1.1

Valutazione alutazione dei paramen paramentri tri fondamen fondamentali tali della cella

Figura 1.2: Caratteristica I-V.

i parametri fondamentali della cella sono: • La corrente di corto circuito I SC 37.96mA 96mA SC = 37. • La tensione di circuito aperto V OC 61V OC = 0.61V • Potenza massima erogabile dalla cella P 0192mW cella P MAX MAX = 0.0192mW • L’efficienza definita come rapporto tra la massima potenza erogabile e la potenza 2 MAX MAX incidente η incidente η = P P ( P IN = 0.192 ⇒ η = 19.2% (P IN = 1KW/m visto che viene utilizzato IN IN lo spettro AM1.5) • Il Fill Factor è definito come il rapporto tra la potenza massima erogabile dalla cella P MAX MAX = 0.82 e il prodotto I SC SC xV OC OC . ⇒ F F = I SC SC V OC OC

1.2 1.2

Anal Analis isii al var varia iare re dell della a tempera temperatu tura ra

Al variare della temperatura cambiano le proprietà del semiconduttore come ad esempio la concentrazione intrinseca η intrinseca η i . E g E g ηi (T ) T ) = N c N v exp(− KT ) = BT B T 3 exp(− KT )

Come è possibile vedere dai grafici la variazione di potenza massima erogabile della cella è dovuta sostanzialmente alla variazione della tensione di circuito aperto V oc oc , visto la variazione pressochè nulla della corrente di cortocircuito. 4


Figura 1.3: Andamento della V OC , I SC MAX al variare della temperatura. SC , P MAX

Figura 1.4: Andamento della F F e η al variare della temperatura. 5


1.3 1.3

Anal Analis isii al var varia iare re del del lif lifet etim imee

Il tempo di vita medio all’interno di un semiconduttore a bangap indiretto come il silicio è dato dalla somma di tre contributi.

1 τ bulk bulk

•

•

=

1 τ shr shr

+

1 τ auger auger

+

1 τ sup sup

τ SHR di SHR (Shockley–Hall–Read). (Shockley–Hall–Read). SHR è il tempo di vita medio ottenuto dalla teoria di SHR è associato ad un solo livello energetico di trappole generato dai difetti reticolari. nelle ipotesi di bassi livelli d’iniezione (vengono introdotti meno portatori di quanti presenti) la velocita netta di ricombinazione dipende da τ SHR SHR e della concentrazione dei minoritari. τ AUGER AUGER è un tempo di vita medio associato alle transizioni banda-banda, che per bassi drogaggi sono poco probabili ma che diventano preponderanti per alte concentrazioni 1 di drogante. τ AUGER AUGER è ineliminabile ed è pari a (C ∗ N ) τ SUP SUP è il tempo di vita medio associato alla ricombinazione superficiale; tiene conto che sono presenti discontinuità con un contatto metallico o sui bordi del semiconduttore stesso. −

•

Con l’aumento della τ bulk bulk decresce la velocita di ricombinazione e quindi la presenza di molti portatori portatori liberi alimenta alimenta la la tensione tensione di circuito circuito aperto. La corrente corrente di cortocircuit cortocircuitoo dipende dal flusso utile di fotoni quindi la sua variazione è impercettibile.

Figura 1.5: Andamento della V OC , I SC SC , P MAX MAX al variare del lifetime. 6


Figura 1.6: Andamento della F F e η al variare del lifetime.

1.4 1.4

Anal Analis isii al varia ariare re dell della a veloci elocità tà di rico ricom mbina binazi zion onee superficiale

Ci aspettiamo una graduale degradazione delle prestazioni all’aumentare di S; questo perchè se la velocità di ricombinazione fosse nulla ci sarebbe un solo gradiente di concentrazione a spingere i portatori di carica fotogenerati verso la regione di svuotamento. La presenza di questa ricombinazione crea un altro gradiente che condiziona i portatori generati ad andare verso i contatti metallici dove vengoni catturati per saturare i legami incompleti degli atomi sulle discontinuità reticolari. I fotoni a elevate lunghezze d’onda o bassissime lunghezze d’onda creano portatori che vengono raccolti dai contatti metallici piuttosto che dalla regione di svuotamento, perdendo così un aliquota di corrente. Avere una superficie ben passivata significa che praticamente tutti i portatori sono spinti ad andare verso la giunzione e non verso la superficie. L’emitter non essendo completamente ricoperto di metallo si riesce a passivare molto bene 1 , mentre per la base si usano tecniche come la BSK(Back la BSK(Back Surface Field). Field).

1

Si utilizza la tecnica di contatto localizzato nella quale c’è un drogaggio maggiore nella regione dove poggia il contatto 7


Figura 1.7: Anda Andament mento o della V OC , I SC variarre della della velo velocità cità di ric ricombin ombinaz azio ione ne SC , P MAX MAX al varia

superficiale.

Figura 1.8: Andamento della F F e η al variare della velocità di ricombinazione superficiale. 8


1.5 1.5

Anal Analis isii al var varia iare re dell dello o spessor spessoree della della cella cella

La corrente fotogenerata dipende dalle lunghezze di diffusione di emettitore e base, tuttavia tuttavia se le profondità profondità di giunzione giunzione di quest’ultime quest’ultime sono minori delle rispettive rispettive lunghezze lunghezze di diffusione, la corrente dipende fotogenerata dipende dalle profondita di giunzione.

J PH q G(Ln + L p ) con L q G(W b + W e ) con L p < W e e Ln < W b =⇒ J PH PH = qG PH = qG

Nella prima parte del grafico della I SC SC le dimensioni limitano la corrente erogata; superata la lnghezza di diffusione all’auumento di w non corrisponde un aumento di I di I SC SC . Al contrario la Voc tende a decrescere poichè aumenta il cammino libero medio, quindi meno portatori arriveranno alla giunzione, ricombinandosi prima. Per piccoli valori dello spessore della cella diventa diventa preponderante preponderante la ricombinazio ricombinazione ne superficiale. superficiale.

Figura 1.9: Andamento della V OC , I SC SC , P MAX MAX al variare dello spessore della cella. 9


Figura 1.10: Andamento della F F e η al variare dello spessore della cella.

10


1.6

Analis Analisii al vari variare are dell della a profon profondit dità à di giunz giunzion ionee deldell’emitter.

Figura 1.11: Andam Andament ento o della V OC , I SC variar are e della della prof profon ondi dità tà di giun giunzi zion one e SC , P MAX MAX al vari

dell’emitter.

Al crescere della profondità di giunzione dell’emettiter si supera la lunghezza di diffusione diffusione e sempre meno portatori portatori monoritari monoritari vengono convertiti convertiti in corrente corrente fotogenerata; fotogenerata; questo è dovuto sopratutto al tempo di vita medio delle lacune più piccolo rispetto a quello degli elettroni.

1.7 1.7

Anal Analis isii del della la rispo rispost sta a spet spettr tral alee

La risposta spettrale rappresenta per ogni l’unghezza d’onda, il rapporto tra corrente di cortocircuito e la potenza incidente relativa alla particolare lunghezza d’onda.

SR( SR (λ) =

I SC SC (λ) P IN IN (λ)

11

λ = q hc QE (λ)


Figura 1.12: Internal Quantum Efficiency.

Per la nostra analisi si è scelto di osservare la variazione della IQE al variare della τ e τ e della velocita velocita di ricombinazi ricombinazione one superficiale. superficiale. i fotoni fotoni più energetici energetici cioè a basse lunghezze lunghezze d’onda vengono assorbite in prossimità della superficie, quelli poco energetici sono assorbiti in profondità; all’aumentare di τ di τ aumenta aumenta la probabilità che gli elettroni fotogenerati possano raggiung raggiungere ere la giunzion giunzione. e. Nel grafico, grafico, infatti infatti,, è possibil possibilee vedere vedere una differen differenza za solo solo ad alte lunghezze d’onda. Nel secondocaso è possibile vedere come una buona passivazione della superficie spinge i portatori ad andare verso la giunzione e non verso la superficie; aumentando la corrente fotogenerata a parità di potenza in ingresso.

1.8 1.8

Anal Analis isii di di una una cel cella la p-ip-i-n n

Con Pc1d è stato realizzato l’analisi della cella P-I-N impostando i parametri come mostrato di seguito: 12


Figura 1.13: Cella P-I-N. 13


Come è possibile vedere dall’andamento I-V di tale cella, la pendenza nell’intorno della corrente di corto circuito è pendente rispetto alla cella di prima generazione dove si aveva un tratto orizzontale; tale differenza è dovuta alla dipendenza della corrente fotogenerata dalla tensione. tensione. Il grafico è nel secondo quadrante perchè siamo passati da una cella N-P a una cella P-I-N.

Figura 1.14: Caratteristica I-V cella P-I-N.

1.9 1.9

Anal Analis isii al varia ariare re dell della a tempe tempera ratu tura ra in una una cell cella a P-I-N

In una cella PIN oltre ai benefici portati dall’annealing nel contrastare l’effetto StaeblerWronski, l’aumento della temperatura porta un aumento della corrente dovuto sopratutto all’aumento della concetrazione intrinseca che si traduce in un aumento della corrente di saturazione I 0 ; per lo stesso motivo è possibile vedere un decremento della V OC OC . 14


Figura 1.15: Andamento della V OC , I SC MAX al variare della temperatura in una cella P-I-N. SC , P MAX

Figura 1.16: Andamento della F F e η al variare della temperatura in una cella P-I-N.

15

Capitolo 2 Esercitazione 2 Nella seconda esercitazione è stato utilizzato il simulatore circuitale PSPICE con il quale è stato realizzato il circuito equivalente di una cella al silicio cristallino.

Figura 2.1: Circuito equivalente di una cella al silicio cristallino.

Dove sono stati impostati i seguenti valori dei parametri: • Rs=1Ω • Rsh=

1kΩ • Iph=35mA • Diodo (N= 1, Rserie=0)

2.1 2.1

Corr Co rren ente te di satu satura razi zion onee inv inversa ersa del del diodo

Come richiesto nell’esercitazione si deve dimensionare la corrente di saturazione in maniera tale da avere una tensione di circuito aperto pari a 0.7.

V I = I PH 1) per er V = V OC PH − I 0 (exp nV t − 1) p OC ⇒ I PH 35mA I 0 = (exp PV H 1) = (exp35mA = 24. 24.2f A . 1) nV t

0 7

−

25mV

16

−


2.2 2.2

Valut alutaz azio ione ne V OC OC , FF, ed η

Figura 2.2: Caratteristica I-V della cella.

Figura 2.3: Caratteristica P-V della cella.

Graficamente sono stati estrapolati i seguenti paramentri: • I PH 34.95mA 95mA PH = 34. • P MAX 18.929mW 929mW MAX = 18. • V MPP 580,066mV 066mV MPP = 580, • I MPP 32.630mA 630mA MPP = 32. F F =

V MPP P MAX MPP ∗I MPP MPP MAX = (V OC = V OC OC ∗I SC SC OC ∗I SC SC ) P MAX MAX η = 1kW/m 18.929% 2 = 18.

17

0.774


2.3

Analis Analisii al vari variare are del del liv livello ello di illum illumina inazio zione ne

Variando il livello dell’illuminazione si ha una variazione lineare della corrente fotogenerata e di tipo logaritmico della tensione di circuito aperto. X 1 I SC = X I SC X 1 V OC = V = V OC + V T ln X

Figura 2.4: Caratteristica I-V della cella al variare del livello di illuminazione.

Di seguito viene confrontato la V OC OC ricavata dalla simulazione per diversi valori della I PH PH I PH PH = V T ln I 0 − 1 con il valore analitico della seguente espressione. V OC OC = V

Figura 2.5: Confronto della V OC ricavata dalla simulazione con il valore trovato analiticamente . 18


2.4 2.4

Anal Analis isii al var varia iare re dell della a tempera temperatu tura ra

Al variare della temperatura cambiano le proprietà del semiconduttore perché ne cambiano i parametri; come ad esempio la concentrazione intrinseca all’equilibrio termodinamico ha una dipendenza dalla temperatura del tipo: E g E g ni2(T ) T ) = BT B T 3 exp(− KT ) ⇒ I 0 (T ) T ) = A 0 T 3 exp(− KT ) δV OC 1 OC ⇒ = T (V (V OC OC − 3V T − V OC OC ) δT

Figura 2.6: Caratteristica I-V della cella al variare della temperatura.

Di seguito viene graficato l’andamento della tensione di circuito aperto in funzione della T

Figura 2.7: Andamento della V OC al variare della temperatura. 19


2.5 2.5

Anal Analis isii dell della a dipen dipende denz nza a dei dei para parame metr trii di meri merito to dalla Rsh, mantenendo fissa la Rs

Variando la resistenza la resistenza shunt varia shunt varia il tratto orizzontale della caratteristica.

Figura 2.8: Caratteristica I-V della cella al variare dalla Rsh, mantenendo fissa la Rs.

2.6 2.6

Anal Analis isii dell della a dipen dipende denz nza a dei dei para parame metr trii di meri merito to dalla Rs, mantenendo fissa la Rsh

Variando la resistenza la resistenza serie varia serie varia il tratto verticale della caratteristica. La resistenza serie è la somma della : • Resistenza di substrato • Resistenza di emettitore • Resistenza dei finger

Figura 2.9: Caratteristica I-V della cella al variare dalla Rs, mantenendo fissa la Rsh. 20


2.7 2.7

Desc De scri rizi zion onee in PSPI PSPICE CE del della la ser serie ie di 5 cel celle le

La descrizione della serie di 5 celle viene effettuata trascurando la resitenza serie come mostrato di seguito.

Figura 2.10: Descrizione in PSPICE della serie di 5 celle.

2.8 2.8

Valut alutaz azio ione ne la curv curva I-V della della serie serie delle delle 5 cell cellee

la corrente di cortocircuito è uguale a quella della singola cella mentre la potenza e la tensione di circuito aperto sono la somma delle singole potenze e tensioni di circuito aperto di ogni cella. 21


Figura 2.11: Caratteristica I-V della serie delle 5 celle.

Figura 2.12: Caratteristica P-V della serie delle 5 celle.

Figura 2.13: Massimo della caratteristica P-V della serie delle 5 celle.

Graficamente sono stati estrapolati i seguenti paramentri: • I PH 35mA PH = 35mA • P MAX 100.063mW 063mW MAX = 100. • V MPP 0399V MPP = 3.0399V 32.9mA • I MPP MPP = 32. F F =

V MPP P MAX MPP ∗I MPP MPP MAX = V OC ∗ I ( V OC SC SC OC OC ∗I SC SC ) P MAX MAX η = P IN = 20. 20.01% IN

22

= 0.78


2.9 2.9

Oscu Oscura rame men nto com comple pleto to di di una una cell cella a

Figura 2.14: Caratteristica I-V della serie delle 5 celle con cella oscurata.

Nel caso di una cella completamente oscurata, tale cella fà da carico puramente resistivo per le restanti celle attraverso la propria resistenza shunt.

Figura 2.15: Tensione ai capi della cella oscurata.

2.10 2.10

Diodo Diodo di di byby-pa pass ss in in anti antipa para ralle llelo lo

Inserendo un diodo di by-pass è possibile recuperare un pò di potenza, infatti i 35mA invece di passare attraverso la resistenza shunt, passano attraverso il diodo che è polarizzato direttamente. Aumentando la tensione il diodo di by-pass inizia a spegnersi e il modulo ritrova come carico la resitenza shunt della cella oscurata.

Figura 2.16: Caratteristica I-V della serie delle 5 celle con cella oscurata By-passata. 23


Figura 2.17: Tensione ai capi del diodo di by-pass.

2.11 2.11

Analis Analisii della della caratt caratteri eristi stica ca IV al al vari variare are del del livell livello o di ombreggiamento in presenza ed in assenza del diodo di by-pass

Figura 2.18: Caratteristica I-V della serie delle 5 celle al variare del livello di ombreggiamento

(senza diodo di by-pass) .

Essendo le celle in serie, la corrente viene limitata dalla cella che eroga la minor corrente. La presenza del diodo di by-pass, quando in funzione, permette il passaggio della corrente differenza tra quella erogata dalle celle illuminate e quella oscurata.

Figura 2.19: Caratteristica I-V della serie delle 5 celle al variare del livello di ombreggiamento

(con diodo di by-pass) . 24


2.12

Analisi Analisi del funzioname funzionament nto o del circuito circuito quando quando ogni cella è protetta da un diodo di by-pass e per livelli di illuminazione disuniformi

Figura 2.20: Caratteristica I-V della serie delle 5 celle per livelli di illuminazione disuniformi.

2.13 2.13

Analis Analisii del funz funzion ionam amen ento to del del circui circuito to quan quando do un diodo di by-pass è posto a protezione di più celle

Figura 2.21: Descrizione in PSPICE della serie di 5 celle con diodo di by-pass è posto a protezione

di più celle. 25


Figura 2.22: Caratteristica I-V con diodo di by-pass è posto a protezione di più celle.

2.14 2.14

Analis Analisii del circu circuito ito equi equiv valen alente di una una cella cella p-i-n p-i-n

Per realizzare un circuito equivalente della cella p-i-n è stata esplicitata la dipendenza della corrente fotogenerata dalla tensione; infatti nella cella p-i-n la corrente dipende dalle lunghezze di drift e non di diffusione.

circuito equivale equivalente nte di una cella p-i-n. Figura 2.23: circuito

Figura 2.24: Caratteristica I-V di una cella p-i-n.

26

Capitolo 3 Esercitazione 3 L’impianto oggetto della presente esercitazione è realizzato a Napoli (Na) alla latitudine di 41.01 °. La capacità dell’impianto deve essere pari a 3KWp.

3.1 3.1

Profi Profilo lo clino clinome metr tric ico o

Il profilo clinometrico impostato è stato come mostrato di seguito.

Figura 3.1: Profilo clinometrico. 27


3.2 3.2

Orie Orien ntame tamen nto

L’angolo di Tilt è stato impostato secondo la formula: β = ϕ − δ δ nel semiperiodo (15°) per con ϕ pari a 40° meno la media della declinazione solare δ nel massimizzare la produzione in estate.

3.3

Sistema

Di seguito vengono impostati i parametri del sistema.

Figura 3.2: Parametri del sitema.

3.3. 3.3.1 1

Sist Sistem ema a - Modul Modulo o

Il modulo è stato definito secondo i parametri richiesti di seguito elencati: Si decide di usare moduli in silicio policristallino da 180 Wp con le seguenti specifiche: • Pnom=180 Wp • Tol. = 2% • Vmpp = 26.45V (STC) • Impp =6.80 A (STC) • Voc= 32.35 V (STC) 28


• Isc

= 7.60 A (STC) • TK Isc =0.08%/°C • TK Pm = 0.5%/°C • Weight = 16.8Kg • Dimesnions: 1482mmx992mmx50mm • Rsh=350Ω Rsh=350Ω • Rs=0.4Ω Rs=0.4Ω • N° di celle in serie=60 • N° di diodi di bypass=2

Figura 3.3: Parametri del pannello fotovoltaico. 29


3.3. 3.3.2 2

Sist Sistem ema a - In Inver erte terr

Figura 3.4: Parametri inverter.

3.4 3.4

Calc Ca lcol olii elet elettr tric icii

Esistono due criteri di dimensionamento dei cavi: il criterio termico e il criterio della caduta di tensione, quest’ultimo verrà utilizzato di seguito. In un linea di corrente DC, è possibile scrivere:

∆V =

2I SDC SDC ρL S

in una linea attraversata da corrente alternata (AC), analogamente si può scrivere: ∆V =

2I LCA LCA ρL S

30


I SDC SDC corrente nella stringa • I LCA LCA corrente nella linea, ovvero la corrente all’uscita dell’inverter. • ρ resistività del rame • L lunghezza dei cavi • S sezione dei cavi • ∆V è la caduta di tensione sui cavi, nel caso specifico l’1% della tensione della stringa stringa •

Figura 3.5: Schema del collegamento elettrico.

Figura 3.6: Parametri del collegamento elettrico.

3.5 3.5

Norm Normal aliz ized ed produc producti tion on

Di seguito viene graficata la produzione annua per KWp installato. 31


Figura 3.7: Produzione annua normalizzata per KWp installato.

3.6 3.6

Syst System em Loss Loss Diag Diagra ram m

Figura 3.8: Diagramma delle perdite. 32


3.7 3.7

Hourly urly Gra Graph

Come richiesto vengono mostrati i diagrammi dell’energia disponibile all’inverter e dell’energia iniettata in rete il 21 di ogni mese dell’anno.

Figura 3.9: Hourly Graph 21/1.


Figura 3.11: Hourly Graph 21/3. 33













3.8

Dimens Dimension ioname amen nto del del campo campo fotov fotovoltaic oltaico o con con strinstringhe in parallelo

Nella seconda parte di questa esercitazione si vuole dimensionare il campo fotovoltaico in modo da avere due stringe in parallelo ciascuna da 10 pannelli in serie (gli stessi usati nella prima parte). 36


Figura 3.21: Parametri del sitema.

Come è possibile vedere in figura è stato scelto un inverter con 2 MPPT per ottenre il massimo da entrambe le stringhe.

Figura 3.22: Schema del collegamento elettrico. 37


3.9

System System Loss Diagram: Diagram: campo fotovo fotovoltaic ltaico o con strinstringhe in parallelo

Figura 3.23: Diagramma delle perdite del campo fotovoltaico con stringhe in parallelo.

38

Capitolo 4 Esercitazione 4

4.1

Simula Simulazio zione ne di una stri stringa nga foto fotov voltaic oltaica a in PSIM PSIM

PSIM è un simultare circuitale dove è possibile inserire delle parti di controllo (descritte in C per esempio). esempio). Tramite ramite PSIM si è simula simulato to il com comporta portamen mento to di 10 moduli in sere sere ognuno composto da 36 celle.

Figura 4.1: Simulazione di una stringa fotovoltaica in PSIM. 39


Figura 4.2: Parametri della stringa fotovoltaica in PSIM.

come rischiesto è stato determinato il massimo della curva di potenza per i valori di irraggiamento pari a 50, 100, 200, 300, 500 e 1000 W 1000 W/m /m2 mostrato di seguito.

Figura 4.3: Andamento della Potenza per diversi valori dell’irragiamento. 40


Figura 4.4: Andamento della Potenza al variare dell’irragiamento.

4.2 4.2

DC/DC DC/D C topolo topologi gia a Boost Boost con con P&O P&O fixe fixed d step step - Ren Ren-dimento Statico

In questa fase è stato analizzato un algoritmo MPPT di tipo a, per diversi valore del Duty cicle .

Figura 4.5: DC/DC topologia Boost con P&O fixed step.

Il file è diviso in due parti; in rosso abbiamo la parte circuitale composta da un boost converter, in rosso invece la parte logica che implementa il MPPT. Per la verifica dell’algori dell’algoritmo tmo abbiamo ricavato ricavato il rendiment rendimentoo statico, statico, che è pari al rapporto tra la potenza in ingresso al DC-DC fratto la potenza fornita dalla stringa. 41


η =

P IN IN P PV PV

Nella prima simulazione è stato impostato il valore del δ duty duty cycle a 0.03 e si è arrestato il processo non appena il duty cycle ha raggiunto il valore a regime.

Figura 4.6: Simulazione statica con δ duty duty cycle pari a 0.03.

Come è possibile vedere il duty cycle si assesta dopo un tempo circa pari a 2. Arrivati a regime quello che vogliamo fare è calcolare la media della potenza, per capire quanto si discosta dal punto massimo reale; maggiore sarà l’ampiezza dell’oscillazione maggiore sarà il discostamento.

Figura 4.7: Calcolo della potenza con δ duty duty cycle pari a 0.03. 42


Figura 4.8: Calcolo della potenza con δ duty duty cycle pari a 0.01.

Dalle analisi effettuate si evince di come diminuendo il δ duty duty cycle aumenta l’efficienza arrivando a valori di efficienza di circa il 99%.

4.3 4.3

DC/DC DC/D C topolo topologi gia a Boost Boost con con P&O P&O fixe fixed d step step - Ren Ren-dimento Dinamico

Nel calcolo del rendimento dinamico si effettua una variazione periodica dell’illuminazione in ingresso alla stringa. 43


Figura 4.9: Calcolo della potenza con δ duty duty cycle pari a 0.03.

Aumentando l’ampiezza dei salti del duty cycle permette di arrivare molto velocemente al valore di regime ma con un errore molto elevato, mentre viceversa usando un valore piccolo permette di avvicinarsi molto di più al valore di regime ma in un tempo maggiore.

44

Capitolo 5 Dimensionamento di un impianto In questo ultimo capitolo verrà dimensionato un impianto fotovoltaico per l’autoconsumo un palazzo a 4 piani. Il palazzo è situato a napoli e come possibile vedere in figura non sono presenti ombreggiamenti.

Figura 5.1: Edificio sul quale viene effettuato il dimensionamento dell’impianto fotovoltaico.

c’è da precisare che un impianto fotovoltaico realizzato a partire dal 6 luglio 2013 non beneficia di nessun conto energia, essendo il 5° conto energia l’ultimo incentivo al fotovoltaico. Per tale motivo non bisogna considerare il fotovoltaico come investimento finanziario ma come investimento energetico: lo si sceglie, nel caso degli impianti domestici, per risparm risparmiare iare sulla sulla bolletta bolletta e per ottimi ottimizzar zzaree i propri propri consumi. consumi. Lo scopo di questo impianto quindi è lo scambio sul posto. 45

5 – Dimensionamento di un impianto

5.1 5.1

Dime Dimens nsio iona name men nto

Volendo puntare sull’autoconsumo si tiene conto che una tipica famigia italiana ha un consumo all’incirca di 4000KWh; per dimensionare l’impianto si tiene conto della producibilità elettrica annua in Italia per ogni KWp installato.

Figura 5.2: Producibilità elettrica annua in Italia di un impianto da 1 kWp. 46


In rete rete si trov trovan anoo mo molti lti dati dati stori storici ci e stat statis isti tich chee che che forni fornisc scon onoo dati dati utili utili per il dimensionamento dell’impianto fotovoltaico.

Figura 5.3: Dati storici sulla producibilità nella provincia di Napoli.

Dalla tabella si evince che in provincia di Napoli 1KWp produce all’incirca 1300KWh; quindi per soddisfare il fabbisogno medio di una famiglia italiana si deve installare un impianto di circa 3KWp.

5.2 5.2

Orie Orien ntazi tazion onee

Attraverso Google Compass è possibile ricavarsi l’angolo che la direzione cardinale dell’edi dell’edifici ficioo realizz realizzaa con la direzio direzione ne Nord. Come Come è possibil possibilee vedere vedere in figura figura si ha un angolo di 158° rispetto la direzione Nord e quindi di -22 ° rispetto la direzione Sud. 47


Figura 5.4: Direzione cardinale dell’edificio tramite Google Compass.

Attraverso il Disco di irragiamento è possibile che per azimut pari a 22° si hanno effiecenze massime per valori di β compresi compresi tra 15° e 50°.

Figura 5.5: Disco di irragiamento.

Per massimizzare la produzione sopratutto durante i mesi estivi si pone l’angolo di tilt pari alla differenza tra la latitudine e il valore medio della declinazione solare durante il semperiodo dell’anno con massima altezza del sole rispetto al piano equatoriale. β = ϕ − δ m = 30 c 30 con 23.45 on δ m = π2 23. Non essendoci ostacoli all’irraggiamento l’indagine clinometrica è stata lasciata inalterata. 48


5.3 5.3

Modul Modulo o fo foto tov volta oltaic ico o

Come modulo è stato scelto un SLK60P6L della Siliken.

Figura 5.6: Modulo fotovoltaico SLK60P6L della Siliken.

Il modulo è in Silicio policristallino con una potenza nominale di 230Wp una tensione di circuito aperto pari a 36.9V e una corrente di corto circuito di 8.28A come mostrato di seguito. 49


Figura 5.7: Modulo fotovoltaico.

Non è mostrato nel report ma dal datasheet facilmente reperibile in rete è possibile vedere dalla figura che la tensione massima di sistema è pari a 1000V, valore solito a molti moduli. 50


Figura 5.8: Caratteristiche meccaniche e termiche della SLK60P6L della Siliken.

Volendo dimensionare un circuito da 3KWp dovranno essere installati 13 (13x230Wp=2.99KW (13x230Wp=2.99KWp) p) di questi moduli1 . Il prossimo passo è decidere come collegare tra di loro questi moduli; visto che non ci sono cause di ombreggiamento e disposerli in due stringhe in parallelo comporterebbe l’utilizzo di diodi di blocco, si sceglie di disporli in serie. La tensione di circuito aperto della serie non supera la tensione massima di sistema (rispettivamente 480V e 1000V).

5.4 5.4

Invert erter

Figura 5.9: Caratteristiche dell’invert AT 3000 della Sunways.

Come inverte è stato utlizzato un AT 3000 della Sunways con le seguenti caratteristiche.

1

In realtà si può decidere anche di installarne 14 poichè non ci sono più soglie di potenza da rispettare per beneficiare beneficiare degli incentivi incentivi statali. statali. 51


Figura 5.10: AT 3000 della Sunways.

L’inverter è stato scelto a valle del calcolo della tensione minima e massima del sistema negli estremi del range critico [-10°C ; 70°C]; Il coefficiente di temperatura per questo 356%/C per 062%/C per modulo vale K V per la tensione e K I I = 0.062%/C per la corrente. V = −0.356%/C V max,stringa = V OC,stringa 540V OC,stringa(25) + K V OC,stringa/100 = 540V max,stringa (−10) = V V ∗ 35 ∗ V OC,stringa V min,stringa = V mpp,stringa 301V OC,stringa /100 = 301V min,stringa (70) = V mpp,stringa (25) − K V V ∗ 45 ∗ V OC,stringa 52


I max,stringa = I SC,stringa 10.5A SC,stringa (25) + K I SC,stringa /100 = 10. max,stringa (70) = I I ∗ 45 ∗ I SC,stringa

Tale inverter presenta una buona compatibilità con la stringa in quanto:

V min,stringa min,stringa > V min,inverter min,inverter V max,stringa max,stringa < V max,inverter max,inverter

con V min,inverter 300V min,inverter = 300V V max,inverter 600V max,inverter = 600V

5.5 5.5

Sim Simulaz ulazio ione ne

Di seguito viene mostrato la produzione normalizzata per KWp installato.

Figura 5.11: Produzione normalizzata per KWp.

e il diagramma delle perdite. 53


Figura 5.12: System Loss Diagram.

54

Grid Connected PV system sizing

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