WP3 - Fotovoltaico a concentrazione
Obiettivi
Questo WP, fotovoltaico a concentrazione, che utilizza celle di produzione industriale a tripla giunzione (3J), comprende due linee di sviluppo. Con la prima si intende sviluppare un dimostratore di fotovoltaico a concentrazione basato su specchi, validando la fattibilità, la convenienza economica e la riproducibilità su larga scala di sistemi a concentrazione. Con la seconda linea di sviluppo saranno avviate in parallelo misure sistematiche circa l’affidabilità sia per quanto riguarda la parte elettrica (cella e suo supporto, contatti elettrici, etc.) che quella ottica.
Task 3.1 Realizzazione di un prototipo di sistema fotovoltaico a concentrazione.
Il primo task è dedicato alla progettazione e alla realizzazione di un dimostratore di sistema fotovoltaico ad alta concentrazione basato su celle a tripla giunzione ad alta efficienza: l’efficienza delle celle in condizioni standard (temperatura cella 25°C) è circa del 40%.
Non rientra negli scopi del task lo sviluppo di queste celle, che sono ormai prodotti commerciali maturi. Queste celle fotovoltaiche a tripla giunzione hanno, rispetto al silicio, tre grandi vantaggi:
- hanno efficienza maggiore;
- permettono la concentrazione della luce solare anche fino a 1000X;
- hanno una diminuzione della efficienza per aumento della temperatura tre volte minore rispetto a quanto avvenga nel silicio (0,06 %/°C).
La figura seguente mostra come l’utilizzo di tre distine giunzioni in serie permetta l’aumento della efficienza grazie all’estenzione dell’intervallo di lunghezze d’onda convertito:
L’ottica è basata su uno specchio la cui curvatura è studiata in modo da ottenere:
- un profilo di illuminazione della cella per quanto possibile omogeneo, condizione necessaria per raggiungere una alta affidabilità del sistema e perché l’efficienza di conversione della cella dipende anche da questa uniformità;
- una elevata accettanza angolare, cioè un elevato (in questo caso + 1°) angolo di tolleranza al disallineamento: è l’angolo fino al quale la potenza erogata dal concentratore è ancora superiore al 90% della potenza erogata in condizioni di perfetto allineamento.
Realizzazione dell’ottica del concentratore:
Il concentratore è costruito mediante iniezione di materiale termoplastico in uno stampo, utilizzando la tecnologia richiesta dal settore automotive per i fanali anteriori delle auto di alta gamma: le tolleranze geometriche sono a livello di 5 centesimi di millimetro.
Il rapporto di concentrazione è di 600X, su una cella quadrata di lato 5,5 mm.
Le figure seguenti mostrano il progetto dello stampo, realizzato in collaborazione con Unitek srl, un concentratore come appare uscito dallo stampo e lo stesso dopo il processo di alluminatura necessario per renderlo riflettente.
Le parabole vengono poi completate con le celle fotovoltaiche saldate in un receiver, e montate in un modulo quadrato di 1 metro di lato.
Task 3.2 Caratterizzazione concentratori e modulo
La caratterizzazione dei moduli avviene con misure in laboratorio di:
- riflettività delle superfici;
- trasmittività vetri;
- temperatura celle fotovoltaiche e dissipatori;
- tolleranze geometriche dei concentratori;
- affidabilità.
Ulteriori prove vengono commissionate ad un laboratorio indipendente secondo la norma IEC 62108.
I moduli inoltre sono stati montati su un inseguitore biassiale e sono sotto test presso i Laboratori Nazionali di Legnaro dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.
Task 3.3 Studio di topologie e sistemi per la conversione efficiente dell’energia
La curva corrente-tensione delle celle fotovoltaiche a tripla giunzione è leggermente diversa da quella dei moduli a silicio, per questo sono in programma diverse misure con inverter tradizionali e microinverter.
Inoltre la possibilità di comporre liberamente il modulo con serie e paralleli opportuni permette di creare diverse configurazioni di corrente e tensione per trovare quelle più adatte ai vari inverter.
Vengono anche studiate varie configurazioni per l’ottimizzazione dell’energy storage.
Task 3.4 Progettazione di sistemi a concentrazione integrabili architettonicamente su grandi solai
L’utilizzo di inseguitori solari di ridotte dimensioni, soprattutto in altezza, permette l’installazione dei moduli anche su grandi solai di edifici induistriali. L’elevata modularità dei concentratori realizzati rende possibile il raggiungimento di questo obiettivo.
Task 3.5 Studio delle componenti della radiazione solare incidente una superficie generica
Questa attività si occupa della misura e della modellistica della radiazione solare incidente su piani con generica inclinazione ed orientazione. L'attività viene svolta presso Il Laboratorio di Conversione di Energia Solare (Lab. CoEnSo) del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Università degli Studi di Padova.
Perché caratterizzare la radiazione solare ? Molte banche dati di radiazione solare forniscono solamente l'irradianza globale sul piano orizzontale (Gh), tuttavia la stima dell'irradianza su un piano inclinato necessita della conoscenza delle componenti diffusa (Dh) e diretta (Bh). In particolare, la misura e la modellazione della DNI (irradianza diretta normale) è fondamentale per lo sviluppo di dispositivi a concentrazione solare.
La progettazione di dispositivi a concentrazione solare richiede stime accurate di DNI. Esistono molte procedure di previsione, ma trattandosi perlopiù di modelli empirici la loro accuratezza può dipendere in maniera importante dal sito. Inoltre, nella maggior parte dei casi, queste correlazioni sono state sviluppate utilizzando dati medi orari, pertanto la loro capacità predittiva può peggiorare quando sono utilizzati per modellare dati sub-orari, a causa della maggiore dispersione che può caratterizzare i dati di irradianza. I dati sub-orari possono essere maggiormente adatti all'indagine di sistemi ad inseguimento solare e dispositivi ad elevata velocità di risposta.
L'Italia può essere un luogo favorevole per nuovi impianti a concentrazione solare, ma i dati di DNI disponibili in letteratura sono molto limitati. Nel Lab. CoEnSo vengono effettuate misure di DNI tramite un pireliometro montato su un inseguitore. Tali misure sono utilizzate per verificare la modellistica, calcolando la DNI dai dati di irradianza globale e diffusa misurati sul piano orizzontale.
In questo modo si possono anche fornire indicazioni sul valore annuo di irradiazione diretta normale, che sono necessarie per valutare la convenienza energetica ed economica dei dispositivi a concentrazione solare.
Task 3.6 Studio di un sistema prototipo a concentrazione di piccola potenza con raffreddamento di cella tramite circuito a microcanali
Questa attività prevede lo sviluppo di un prototipo di concentratore solare fotovoltaico con rapporto di concentrazione superiore a 100, che utilizzi specchi parabolici. L’obiettivo è quello di sviluppare un dispositivo di cogenerazione nel quale il raffreddamento attivo delle celle fotovoltaiche consenta il recupero del calore.
Per il modulo fotovoltaico si utilizzano celle a giunzione multipla, che presentano una più alta efficienza rispetto alle celle in silicio e possono lavorare ad una maggiore temperatura senza una significativa riduzione di efficienza. Il controllo termico di tali celle viene effettuato tramite vaporizzazione di un fluido in scambiatori di calore a microcanali.
Il concentratore solare è stato installato nel Lab. CoEnSo del Dipartimento di Ingegneria Industriale. Ha un’altezza di 3 m e una lunghezza del fuoco pari a 2.4 m. La radiazione solare è concentrata su un ricevitore lineare, dove sono posizionati i moduli fotovoltaici.
Tramite la vaporizzazione entro minicanali, si vuole dimostrare di poter ottenere alte efficienze di conversione fotovoltaica insieme ad alta efficienza di asporto termico. In particolare, il sistema impiegato consente una temperatura di cella uniforme, alti flussi termici specifici e alta affidabilità del sistema.
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WP3 - Fotovoltaico a concentrazione Responsabile: prof. Sandro Centro University of Padua Dipartimento di Fisica "Galileo Galilei", Via Marzolo, 8 - 35131 Padova Telefono +39 049 967 7080 - Email: sandro.centro[at]pd.infn.it |
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dott. Davide Del Col University of Padua Dipartimento di Fisica Tecnica, Via Marzolo, 8 - 35131 Padova Telefono +39 827 6891 - Email: davide.delcol[at]unipd.it |
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