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Studio di modelli per la stima della potenza generata da moduli fotovoltaici

Informazioni tesi

  Autore: Giuseppe Rosaci
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2008-09
  Università: Politecnico di Milano
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria delle telecomunicazioni
  Relatore: Sergio Brofferio
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 66

La conversione fotovoltaica consiste nella trasformazione diretta dell'energia solare in energia elettrica mediante dispositivi a stato solido (celle fotovoltaiche) basati sui semiconduttori, prodotti con metodi affini a quelli impiegati nell'industria elettronica. La tecnologia fotovoltaica appare quella che consente il più promettente sfruttamento nel lungo termine e su grande scala delle fonti rinnovabili, soprattutto in paesi come l'Italia con alti livelli di insolazione ed il cui potenziale energetico fotovoltaico ammonta a 47.000 miliardi di kWh/anno. Se ricordiamo che il fabbisogno elettrico nazionale si attesta ai 270 miliardi di kWh/anno, discende che utilizzare una piccola parte del potenziale fotovoltaico potrebbe soddisfare il fabbisogno energetico del nostro paese: appare chiaro allora che un uso pur limitato di questa tecnologia sarebbe in grado di ridurre significativamente la dipendenza energetica dalle fonti convenzionali.

L'impatto inquinante ambientale del fotovoltaico è ridotto ed è legato alla sola fase produttiva dei supporti di silicio: la costruzione dei moduli, infatti, richiede l'uso di tecnologie convenzionali poco inquinanti e la spesa di energia vale, alle latitudini meridionali, circa il 20% dell'energia prodotta nella loro vita utile.
A differenza di talune fonti rinnovabili il fotovoltaico beneficia della indipendenza del luogo di installazione rispetto alla fonte di energia: seppur in misura variabile, sulla superficie terrestre l'irraggiamento solare arriva ovunque, la fonte eolica e quella idrica sono invece limitate a porzioni specifiche del territorio, laddove tali risorse si concentrano in misura idonea ad essere sfruttata, mentre la biomassa va coltivata in siti o comunque trasportata. Da ciò discende un ulteriore pregio del FV: tali impianti sono gli unici idonei ad applicazioni di tipo locale, sono modulari e impiegabili dai milliwatt ai megawatt, e possono risolvere ovunque fabbisogni puntuali non estensivi, capaci di alimentare autonomamente utenze isolate distanti dalla rete elettrica o protette da vincoli, tipo parchi naturali, isole, etc., nonché essere integrati negli edifici di nuova costruzione, secondo la corretta filosofia costruttiva delle architetture "bioclimatiche", le sole che, per posizionamento, scelta dei materiali costruttivi, integrazione di sistemi energetici, tendono ad autoprodurre il proprio fabbisogno di energia, svincolandosi da qualunque dipendenza esterna.
A fronte dei vantaggi esposti esiste una controindicazione importante alla diffusione del fotovoltaico: il suo costo di produzione è ancora non competitivo con le tecnologie a fonte fossile o rinnovabile matura, l'installazione di impianti in cui si desiderino potenze di taglia industriale conduce ad occupazioni ingenti del territorio: tali assetti sono assai poco attuabili nel nostro Paese, sia per il palese mutamento indotto sul paesaggio (risultano inaccettabili ad alcuni le grandi superfici riflettenti), sia per la difficoltà di reperire ampi siti che siano autorizzabili e non altrimenti destinati.

Una delle prime fasi della progettazione di un impianto fotovoltaico riguarda la stima della produzione energetica (generalmente su base annua) che si vuole soddisfare. Il passo immediatamente precedente consiste dunque nel valutare la potenza prodotta. Scopo di questo lavoro è lo studio di alcuni modelli che consentano un calcolo della potenza, a partire da dati ambientali di irradiazione e temperatura, del modulo fotovoltaico sotto osservazione. Tali modelli si rivelano molto utili in quanto consentono una valutazione immediata ed un rapido confronto tra moduli prodotti con tecnologie diverse.

Il lavoro svolto è suddiviso come segue.
 Nel primo capitolo si descrive il fenomeno della radiazione solare, dalla fonte fino alla sua incidenza sui moduli fotovoltaici.
 La tecnologia di conversione fotovoltaica, ovvero il processo di generazione di energia elettrica a partire dall’energia solare, è discusso nel capitolo due.
 Nel terzo capitolo si descrivono i principali modelli per la stima della potenza e, partendo da questi, con opportune semplificazioni ed osservazioni, se ne propongono di nuovi e di più facile applicazione.
 La verifica dei modelli proposti è descritta nel quarto capitolo. Dopo una fase di studio e definizione di nuovi modelli, è stata affrontata la parte sperimentale: prove in campo con strumenti atti a valutare tutte le grandezze necessarie alla stima della potenza.

Successivamente, per una ulteriore validazione dei modelli, si è fatto uso di simulazioni numeriche delle prestazioni dei moduli. Per le prove in campo è stato utilizzato il sistema di misura comparativa per moduli fotovoltaici e due moduli costruiti con tecnologie differenti (silicio cristallino ed amorfo); il tutto è stato svolto presso il Dipartimento di Elettronica ed Informazione del Politecnico di Milano.

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4 Capitolo 1 La Radiazione Solare 1.1 Introduzione L’energia irradiata dal sole deriva dai processi di fusione dell’idrogeno e si propaga in modo isotropico nello spazio fino a raggiungere la fascia esterna dell’atmosfera terrestre con una potenza per unità di superficie pari a 1353 W/m 2 , detta Costante Solare. Poiché la distanza tra il sole e la terra varia periodicamente nel corso dell’anno (la terra percorre infatti un’orbita ellittica intorno al sole) , la costante solare rappresenta in realtà il valore medio della potenza specifica, la quale oscilla entro un intervallo del ± 3% , assumendo il valore massimo nel periodo invernale e quello minimo durante la stagione estiva. Al livello del suolo si registra un’energia specifica minore della costante solare. Ciò è causato dall’attenuazione esercitata dall’atmosfera, in cui avvengono fenomeni di assorbimento e diffusione, che modificano non solo il contenuto energetico ma anche la composizione spettrale dell’ irradiazione solare. Per tener conto dei fenomeni di assorbimento è stata definita a livello internazionale la massa d’aria unitaria AM 1, intesa come lo spessore di atmosfera standard attraversato dai raggi solari in direzione perpendicolare alla superficie terrestre e misurato al livello del mare. Al variare della latitudine è comunque necessario far riferimento a spettri di radiazione più o meno attenuati. Alle latitudini europee vengono presi come riferimento spettri più attenuati, come l’AM 1,5 e l’AM 2, o anche maggiori a seconda

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