2. RICHIESTA DELLA COMMITTENZA: (Consiglio di Classe) STUDIO DI FATTIBILITA’ D’ IMPIANTO FOTOVOLTAICO, PER UN’IPOTETICO SITO (SOLO PARTE GENERATORE).

3. LA SCELTA DEL TEMA FOTOVOLTAICO

6. L’EFFETTO FOTOVOLTAICO (1) La conversione di energia solare in energia elettrica avviene sfruttando l’effetto indotto da un flusso luminoso che incide su una giunzione p-n di un materiale semiconduttore come il silicio. Ogni fotone dotato di energia sufficiente, sulla base della relazione E=h* ν (con h costante di Plank e ν la frequenza della radiazione incidente), è in grado di liberare all’interno della giunzione p-n una coppia elettrone lacuna.

7. In pratica, una cella fotovoltaica si comporta come una mini-batteria, in grado di erogare energia elettrica in proporzione alla radiazione solare incidente; come per le batterie le grandezze tensione e corrente sono in continua. Per avere una prima idea delle prestazioni di una cella fotovoltaica si tenga presente che: 1. la tensione elettrica per una cella esposta al sole è pari a circa 0.5 V. 2. la corrente elettrica (e quindi la potenza) risulta proporzionale sia alla superficie della cella sia alla intensità della radiazione solare. Una cella quadrata con lato di 10cm, esposta a raggi solari che la colpiscono perpendicolarmente, in condizioni di piena luce è in grado di erogare una potenza elettrica di circa 1.3W. L’EFFETTO FOTOVOLTAICO (2)

8. Utilizzando come semiconduttore il silicio, l’energia minima necessaria a liberare una coppia elettrone – lacuna corrisponde ad una lunghezza d’onda massima della radiazione luminosa di 1.15  m. L’EFFETTO FOTOVOLTAICO (3) Andamento dell'energia cinetica dei fotoni in funzione della frequenza della radiazione incidente. E=h* ν

9. La percentuale di energia solare che è teoricamente possibile convertire in energia elettrica non supera il 44% La rimanente parte, pari al 56% , è trasformato in calore Tuttavia al diminuire della lunghezza d’onda, ai fotoni risulta associata un energia sempre maggiore ed in eccesso rispetto a quella richiesta per liberare la coppia elettrone - lacuna 1,15 Utilizzando come semiconduttore il silicio, l’energia minima necessaria a liberare una coppia elettrone – lacuna corrisponde ad una lunghezza d’onda massima della radiazione luminosa di 1.15  m. L’EFFETTO FOTOVOLTAICO (4)

10. UN PO’ DI STORIA (1) 1839 : Edmond Bécquerel, a diciannove anni, scopre durante alcuni esperimenti, con celle elettrolitiche, osservando il formarsi di una d.d.p. tra due elettrodi identici di platino, uno illuminato e l’altro no. I PIONIERI (1839 – 1917)

11. 1876 : Due scienziati britannici, Adams e Day , osservano il selenio convertire la luce del sole direttamente in elettricità, senza riscaldare un fluido e senza utilizzare parti mobili. Giunzioni di selenio e suoi ossidi metallici vengono utilizzate ancor oggi per la produzione di luxmetri. UN PO’ DI STORIA (2)

12. UN PO’ DI STORIA (3) 1914 : Il rendimento delle celle al selenio si aggira intorno all’1%. Oggi, in laboratorio, le celle al silicio e altri materiali raggiungono quasi il 40%. I primi dispositivi basati sul silicio si possono osservare già nei primi anni ’40.

13. LO SVILUPPO DELLE TECNOLOGIE (2) Nel 1963 la Sharp mette in commercio i primi moduli fotovoltaici commerciali. Negli anni ’70 cominciarono ad essere sviluppate, nell’ambito delle applicazioni spaziali, celle all’Arseniuro di Gallio , le quali presero definitivamente piede nell’ ultimo decennio del secolo.

14. LO SVILUPPO DELLE TECNOLOGIE (7) In 50 anni di ricerche sul fotovoltaico, mentre questo beneficiava dell’esplosione della tecnologia microelettronica del silicio, produceva nel contempo nuove conoscenze a beneficio di quella stessa industria elettronica con cui era intimamente legato.

15. LE APPLICAZIONI (1) L’Aeronautica e l’Esercito statunitensi seguirono molto da vicino lo sviluppo della cella solare al silicio presso i laboratori Bell. Entrambi ritenevano che il fotovoltaico potesse costituire la fonte energetica ideale per un progetto top-secret: i satelliti artificiali orbitanti attorno alla Terra.

16. LE APPLICAZIONI (2) Negli anni ’80 l’ingegnere svizzero Markus Real dimostrò la validità della generazione distribuita installando moduli solari da 3 kw su 333 tetti di Zurigo. Da allora, nessuno parla più di centrali elettriche fotovoltaiche, e i vari governi sviluppano piani di incentivazione finanziaria per incoraggiare i cittadini a solarizzare i propri tetti.

17. LE APPLICAZIONI (6) L’affidabilità e la versatilità del fotovoltaico in ambiente spaziale e terrestre hanno impressionato molti addetti ai lavori nell’industria elettrica e delle telecomunicazioni. Oggi la Banca Mondiale e molti organismi internazionali ritengono che le celle solari “ abbiano un ruolo importante e sempre crescente nella fornitura di servizi elettrici nelle aree rurali dei paesi in via di sviluppo”.

18. IL FOTOVOLTAICO IN ITALIA (1) Nell’ Agosto del ’61 , in occasione della prima Conferenza Internazionale delle Nazioni Unite sulle Fonti di Energia Nuove e Rinnovabili, svoltasi a Roma, vennero presentate numerose opere sullo stato dell’arte e sulle prospettive del fotovoltaico. Dopo la crisi petrolifera del 1973 il CNR cominciò a fabbricare celle solari, vennero fondate la Solare S.p.a e la Helios Technology (già Secies).

19. IL FOTOVOLTAICO IN ITALIA (3) Negli anni ’90 l’Italia era primo posto in Europa per la potenza installata in impianti fotovoltaici ( circa 25 MW ), e nel 1993 nacque il Piano Fotovoltaico Nazionale, al quale parteciparono, tra gli altri, l’ENEA, l’ENI Eurosolare e l’Helios Technology. Attualmente è stato varato il programma “ 10.000 tetti fotovoltaici ”, il cui termine era previsto per il 31.12.2007.

20. L’ENERGIA SOLARE (1) L’energia generata dal sole si manifesta sotto forma di flusso continuo di fotoni e raggiungono la superficie della terra in circa 8 minuti. L’energia che arriva sopra l’atmosfera ( costante solare ) è pari a 1,37 KW/mq.

21. L’ENERGIA SOLARE (2) La figura riporta la mappa del mondo degli apporti solari. Le curve collegano i luoghi che ricevono la stessa quantità d’energia solare (misurata su un’area orizzontale). Si può notare che gli apporti energetici aumentano man mano che ci si sposta verso Sud. I valori annuali per i paesi dell’Europa centrale sono compresi tra 1.000 e 1.100 kWh/m 2 , mentre quelli riferiti ai paesi mediterranei variano da 1.500 e 1.950 kWh/m 2 . Valori superiori ai 2.000 kWh/m 2 vengono registrati solo in poche regioni del mondo.

22. L’ENERGIA SOLARE (2) Figura 1 – Andamento della radiazione globale in una giornata serena di aprile (esempio) Figura 2 – Andamento della radiazione globale in un giorno nuvoloso di aprile (esempio)

23. CIRCUITO EQUIVALENTE DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA 1. Non tutti i fotoni incidenti sulla cella fotovoltaica penetrano all’interno, alcuni sono riflessi ed altri intercettati dall’elettrodo frontale (resistenza R s ) 2. Alcune coppie elett.–lacuna si ricombinano prima che queste possano essere separate dal campo elettrico interno alla giunzione (grado di purezza del Si) 3. Parte dell’energia potenziale ceduta alla cella, risulta insufficiente per liberare la coppia elettrone–lacuna (diodo) I L R C Il rendimento delle celle fotovoltaiche in silicio, anche nelle prove di laboratorio è molto distante dal 44%, in quanto intervengono ulteriori inefficienze: I C R S I D

24. Caratteristica Tensione – Corrente di una cella fotovoltaica Punto di Massima Potenza I V V m I m Caratteristica in assenza di luce Caratteristica in presenza di luce Quadrante dove la cella si comporta da semplice diodo in conduzione diretta Quadrante dove la cella passa in conduzione inversa Quadrante dove la cella si comporta da generatore di energia elettrica

25. CARATTERISTICA ELETTRICA I=f(V) in funzione della radiazione solare e della temperatura

26. Un parametro molto importante nella determinazione delle caratteristiche elettriche di una cella fotovoltaica è il cosiddetto fattore di riempimento (F-F :filling factor) che viene calcolato come mostrato in figura. Da questo si ricava l’efficienza o rendimento della cella stessa. CARATTERISTICA corrente-potenza=f(V) della cella fotovoltaica Isc= corrente di corto circuito Voc= tensione a vuoto Corrente di corto circuito Tensione a vuoto

27. principali semiconduttori utilizzati sono: • Silicio (Si) • Germanio (Ge) • Arseniuro di Gallio (GaAs) • Solfuro di Cadmio (CdS) • Solfuro di Rame (Cu 2 S) • Celle a giunzione multipla (Tandem) La Conversione Fotovoltaica

28. DATI PRINCIPALI RELATIVI AL SOLE Raggio 696.500 Km Massa 2*10^33 g Densità media 1,41 g/cm3 Temperatura superficiale 5.700 °C Accelerazione di gravità alla superficie 274 m/s Distanza dalla terra 147,1÷152,1 Irraggiamento 36,4 MW/mq

29. LO STUDIO DI UN SISTEMA FOLTOVOLTAICO PUO’ ESSERE ANALIZZATO SECONDO I SEGUENTI ASPETTI: 1. LA RADIAZIONE SOLARE • Strumenti per la progettazione 2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO • Celle e moduli • Il generatore fotovoltaico 3. APPLICAZIONI • Sistemi isolati • Sistemi connessi in rete IL SISTEMA FOTOVOLTAICO

31. Radiazione Solare  l’energia elettromagnetica emessa dai processi di fusione dell’idrogeno contenuto nel sole. Densità di Potenza  radiazione solare per unità di tempo e di superficie. • Fuori l’atmosfera terrestre la potenza incidente su di una superficie unitaria, perpendicolare ai raggi solari, assume un valore di circa 1360W/m² (variabilità del ±3% dovuta all’ellitticità dell’orbita terrestre), questo valore prende il nome di Costante Solare • Sulla superficie terrestre, a livello del mare, in condizioni meteorologiche ottimali e sole a mezzogiorno, la densità di potenza è di circa 1000W/m² . LA RADIAZIONE SOLARE STRUMENTI PER LA PROGETTAZIONE

33. Andamento della radiazione solare giornaliera media annua al variare dell’inclinazione della superficie captante, orientata a Sud. Località con latitudine  43,68° Nord LA RADIAZIONE SOLARE 0 3800 3900 4000 4100 4200 4300 10 20 30 40 50 [gradi] [ Wh/m 2 ] max

34. Profilo dei percorsi solari e della linea d’orizzonte LA RADIAZIONE SOLARE

36. Air Mass  AM = 1/sin(h) LA RADIAZIONE SOLARE

37. Cambia il cono di impatto sulla superficie terrestre e il percorso all’interno dell’atmosfera. Solstizio d’estate – 21 giugno Equinozi – 21 marzo e 23 sett. Solstizio d’inverno – 21 dicembre LA RADIAZIONE SOLARE

39. 2. PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO IL SISTEMA FOTOVOLTAICO Il generatore fotovoltaico (cella,modulo,pannello,stringa e campo)

40. IL GENERATORE FOTOVOLTAICO Il campo fotovoltaico è un insieme di moduli fotovoltaici opportunamente collegati in serie e in parallelo in per realizzare le condizioni operative desiderate CELLA MODULO MODULO PANNELLO

41. Il Campo Fotovoltaico Il campo fotovoltaico è un insieme di moduli fotovoltaici opportunamente collegati in serie e in parallelo in per realizzare le condizioni operative desiderate PANNELLO STRINGA Concetti generali: -Più CELLE costituiscono un MODULO; -Più MODULI costituiscono un PANNELLO; -Più PANNELLI costituiscono una STRINGA; -Più STRINGHE costituiscono un CAMPO;

42. Il Campo Fotovoltaico STRINGA CAMPO

44. Il Campo Fotovoltaico ESEMPI DI CAMPI FOTOVOLTAICI

45. Il modulo fotovoltaico, componente base dei sistemi fotovoltaici, e' ottenuto dalla connessione elettrica di CELLE FOTOVOLTAICHE connesse in serie o in parallelo. Queste ultime sono assemblate fra uno strato superiore di vetro ed uno strato inferiore di materiale plastico (Tedlar) e racchiuse da una cornice di alluminio. I moduli fotovoltaici piu' comuni sono costituiti da 36 o 72 celle. Nella parte posteriore del modulo e' collocata una scatola di giunzione in cui vengono alloggiati i diodi di by-pass ed i contatti elettrici. Il modulo fotovoltaico ha una dimensione di circa mezzo metro quadro e produce 40-80 Watt di potenza. PARALLELO - SERIE di MODULI IL MODULO FOTOVOLTAICO

46. IL MODULO FOTOVOLTAICO CONFRONTO FRA LE TIPOLOGIE DI CRISTALLI UTILIZZATI PER LA REALIZZAZIONEDELLE CELLE Cella fotovoltaica in silicio monocristallino. Le strisce argentate sono i contatti ohmici che permettono la connessione in serie di più celle.

47. IL MODULO FOTOVOLTAICO Caratteristiche Tipiche di un Pannello Fotovoltaico FV 180: DATA SHEET DI UN MODULO FOTOVOLTAICO Pannello fotovoltaico codice: FV 180 Dimensioni : 1240x1086x38 mm Peso : 16 kgs Dimensioni delle celle : 125 x 125 mm Tipo di celle : silicio policristallino Numero di celle : 72 ( 9 righe x 8 colonne ) Potenza tipica : 180 Wp tolleranza +-3% Tensione nominale : 24 Volt Tensione con potenza massima : 36,20 Volt Intensità con potenza massima : 5 Ampere Connessioni : scatola 'grid' con 2 connettori Tyco Tensione massima del sistema : 600 Volt Diodo di protezione : 4 by-pass Tensione di circuito aperto : 44,4 Volt Intensità di cortocircuito : 5,4 Ampere Temperatura ammessa : -40 / +85 °C Umidità relativa : da 0 a 100 % Struttura esterna : cornice in Alluminio Incapsulamento : vetro temperato / tedlar Certificazioni : IEC 61215 e TUV Classe II

48. IL SISTEMA FOTOVOLTAICO La classificazione del tutto generica dei sistemi fotovoltaici si ottiene analizzando il seguente schema a cascata: 3. APPLICAZIONI Sistemi fotovoltaici terrestri aereospaziali Grid-connected Stand-alone Stand-alone

49. STAND-ALONE SISTEMI FOTOVOLTAICI TERRESTRI Gli impianti fotovoltaici autonomi ( stand alone ) vengono utilizzati prevalentemente nelle zone isolate, nelle quali non è possibile allacciarsi alla rete elettrica. Con questi tipi di impianti l'immagazzinamento dell'energia viene garantito da batterie , con la possibilità di avere corrente in tensione continua di 12, 24, 48 V e, grazie agli inverter , in corrente alternata a 110, 220, 400 V.

50. ESEMPI PRATICI SISTEMI FOTOVOLTAICI TERRESTRI BATTERIA SOLARE 110 Ah CENTRALINA A CREPUSCOLARE SLX 1010

51. GRID-CONNECTED Connessi alla rete di distribuzione Fissi Inseguimento Concentratori Generatore FV Piano I.A. P.I.A. N.I.A. SISTEMI FOTOVOLTAICI TERRESTRI

52. SISTEMI FOTOVOLTAICI TERRESTRI GRID-CONNECTED SISTEMI FISSI art. 2 D.M. 19 febbraio 2007 vengono distinte le seguenti tipologie di impianto: 1. Impianto non integrato (es. impianto al suolo) 2. Impianto parzialmente integrato (es. impianti a tetto aderenti alla superficie della copertura) 3. Impianto integrato (es. pensiline con copertura costituita da moduli fotovoltaici) La tabella riportata sintetizza il valore dell’incentivazione riconosciuta al variare della potenza e della tipologia di impianto: Potenza P (kW) Tipo Impianto Non integrato Parzialmente integrato Integrato 1 ≤ P ≤ 3 0,4 0,44 0,49 3 < P ≤ 20 0,38 0,42 0,46 P > 20 0,36 0,4 0,44

53. Le componenti principali contenute in un kit fotovoltaico sono: 1. Moduli fotovoltaici 2. Cavo elettrico unipolare, a doppio isolamento e resistenti ai raggi ultravioletti per connettere tra loro i moduli a formare delle stringhe e connettere le stringhe alla scatola di giunzione o all'inverter. 3.Scatola di giunzione che contiene le protezioni lato DC e funge da interfaccia tra le stringhe e l'inverter. 4. Le protezioni lato DC sono costituite da diodi di blocco o fusibili (1 per stringa) che impediscono l'inversione di polarità (questi non sono strettamente necessari se le stringhe non sono soggette ad ombreggiamento), varistori e/o scaricatori per la protezione da sovratensioni atmosferiche, da fusibili e sezionati DC o magnetotermici DC per la protezione da sovracorrenti e disconnessione delle stringhe. La scatola di giunzione o parte delle protezioni lato DC spesso sono contenute nell'inverter stesso. SISTEMI FOTOVOLTAICI

54. COME SI PROGETTA UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO (1) Dimensionamento Il dimensionamento di un impianto FV consiste nella determinazione complessiva del numero dei MODULI fotovoltaici, avvalendosi del rapporto fra il valore dell’enegia elettrica richiesta dall’utenza e l’energia fornita per unità di superficie.

56. INCLINAZIONE DELMODULO FOTOVOLTAICO ANGOLO DI TILT L'angolo di tilt è l'angolo d'inclinazione dei moduli fotovoltaici rispetto al suolo. Il suo valore ideale varia in funzione della latitudine: indicativamente è pari alla latitudine stessa meno 15°. Si ha una perdita di energia pari al 10-12% quando i moduli fotovoltaici sono posizionati orizzontali e una perdita del 35% quando sono posizionati verticali. SUD angolo di tilt

57. L’IMPIANTO PROCEDURE STANDARD PER REALIZZARE UN IMPIANTO 1. calcolo del fabbisogno di energia elettrica; 2. richiesta di preventivo all’installatore (si preferisca un installatore che ha sottoscritto accordi volontari di settore con Regioni e/o Province e quindi risulta abilitato alle eventuali pratiche di richiesta dei finanziamenti) (gli elenchi sono sempre disponibili sui siti web delle singole Regioni e Province) 3. stesura del progetto da parte del progettista (in genere un servizio offerto anche dai singoli installatori); 4. richiesta delle autorizzazioni comunali (eventualmente anche della Sovrintendenza) e deposito del progetto all’Ufficio Tecnico del Comune; 5. eventuale richiesta dell’incentivo in “ conto energia ” al GSE; 6. installazione e collaudo dell’impianto; 7. manutenzione annuale;

58. CONTO ENERGIA (1) La tabella di seguito sintetizza il valore dell’incentivazione riconosciuta al variare della potenza e della tipologia di impianto: Potenza P (kW) Tipo Impianto Non integrato Parzialmente integrato Integrato 1 ≤ P ≤ 3 0,4 0,44 0,49 3 < P ≤ 20 0,38 0,42 0,46 P > 20 0,36 0,4 0,44

59. Fac-simile di scheda impianto realizzato Scheda di progetto impianto così come costruito Dati generali Richiedente (Denominazione /ragione sociale/ cognome nome) Sede dell’intervento Tipo di struttura Indirizzo Località Provincia Moduli fotovoltaici Potenza nominale (W) Tensione alla massima potenza (V) Numero di stringhe Numero di moduli per stringa Costruttore Modello Inverter Potenza nominale (kVA) Costruttore Modello Numero di inverter SCHEDA D’IMPIANTO

60. MINISTERO DELLO SVILUPPO ECONOMICO DECRETO 19 febbraio 2007 Criteri e modalita' per incentivare la produzione di energia elettrica mediante conversione fotovoltaica della fonte solare, in attuazione dell'articolo 7 del decreto legislativo 29 dicembre 2003 n. 387. CONTO ENERGIA CON QUESTO DECRETO SI FISSANO NUOVI CRITERI INCENTIVANTI PER CHI REALIZZA IMPIANTI FOTOVOLTAICI.

61. IL COMMITTENTE HA FORMULARO LE SEGUENTI RICHIESTE: ANALISI DELLA FATTIBILITA’ DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO ( SOLO PER LA PARTE DI GENERAZIONE) SU UN’AREA ADIBITA A CAMPO DA BASKET ADIACENTE ALL’ISTITUTO. TALE ANALISI DOVRA’ ESSERE ACCOMPAGNATA DA UNA RELAZIONE TECNICA IN ITALIANO E PARTE IN LINGUA INGLESE E CON LA PRESENTAZIONE DI UNA BROCHURE CONTENENTE INDICAZIONI, DI SINTESI, DI QUANTO SVILUPPATO NELLA RELAZIONE. Si forniscano tutti gli elementi tecnici e normativi necessari per la realizzazione del “campo fotovoltaico” calcolando: la potenza massima di picco KWp producibile, la tensione e la corrente disponibile ai morsetti del generatore fotovoltaico e da fornire quindi, ai dispositivi posti a valle del generatore (convertitore d.c./a.c. ,batterie in c.c. ecc..). IL NOSTRO IMPIANTO

62. FINE BUON LAVORO!!!!!