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Sviluppo di modelli circuitali di cella fotovoltaica

La produzione di moduli fotovoltaici al silicio cristallino è stata negli ultimi anni di gran lunga inferiore rispetto alle reali capacità produttive. Questo fenomeno, dovuto al problema di fornitura di silicio di grado elettronico sempre più costoso, ha portato alla necessità di allontanarsi dalla prima generazione di celle fotovoltaiche.
Gran parte del settore fotovoltaico oggi è focalizzato invece sulla ricerca di tecnologie più efficienti in termini di costi per energia generata. Gran parte dello studio sulle celle solari è infatti per ottimizzare al meglio il rendimento della cella, cercando in tutti i modi di identificare ed eliminare, o quanto meno ridurre, quelli che sono i meccanismi di perdita che inevitabilmente caratterizzano in modo diverso ogni tecnologia fotovoltaica.
Ora si può contare su celle multigiunzione in arseniuro di gallio, capaci di sfruttare un più ampio spettro della luce, fabbricate in film sottili molto flessibili o con applicazioni a concentrazione solare, raggiungendo efficienze fin’ora inimmaginabili. Celle solari organiche (OSC), basate su molecole o polimeri coniugati, sicure dal punto di vista ambientale, flessibili, leggere, adatte ad applicazioni a basso costo. Celle fotovoltaiche elettrochimiche (Dye Sensitized Solar cell - DSSc) che funzionano come le foglie degli alberi, accumulano energia esattamente come avviene per la fotosintesi clorofilliana.
Purtroppo, il valore ancora basso di efficienza di conversione energetica per le celle organiche e le celle DSSc e il costo ancora alto delle multigiunzione, si rivela essere un ostacolo ancora da superare. Il problema principale per le celle organiche e le DSSc deriva da meccanismi di perdita, come ricombinazione di carica e bassa mobilità, con una conseguente ridotta estrazione di foto-corrente agli elettrodi e bassa efficienza di conversione di potenza.
Per questo motivo, il miglioramento dell’efficienza di conversione è una delle caratteristiche più importanti, sulle quali la ricerca in materia di celle solari sta attualmente focalizzando l’attenzione. Tutto ciò è garantito solo da una accurata procedura di studio e sperimentazione il cui elemento cardine rimane fondamentalmente l’uso di un adeguato modello circuitale equivalente.
La determinazione dei modelli circuitali per le celle solari risulta pertanto essere di grande importanza per caratterizzare, simulare e poter così progredire tecnologicamente nelle diverse tipologie di celle fotovoltaiche. Lo studio riportato in questo lavoro di tesi, concerne tutto nella modellizzazione circuitale di ogni tipologia di cella fotovoltaica e nella simulazione e caratterizzazione di funzionamento, implementando tale modello in calcolatori ed elaborando nuovi e più complessi circuiti equivalenti, a seconda del grado di approfondimento e tipologia di studio. Le indagini a partire dalla semplice caratterizzazione del comportamento tensione corrente, fino ad arrivare all’uso di metodi più complessi come il metodo della spettroscopia d'impedenza, hanno permesso di ottimizzare il funzionamento nelle diverse tipologie di celle solari, ponendo oggi più che mai questa fonte di energia ad un livello di reale concorrente nella produzione energetica globale.
Ognuna di queste famiglie tecnologiche ha delle varianti, in certi casi anche sostanziali, nella modellizzazione circuitale, basti pensare ad un modello circuitale che possa modellare i fenomeni di conduzione di dispersione in una cella foto elettrochimica. Al circuito standard va infatti applicato in tal caso un nuovo significato fisico ed elementi nuovi andranno ad aggiungersi a quelli già ampiamente usati nelle normali modellizzazioni.
Lo sviluppo di nuovi e più potenti simulatori capaci di implementare modelli circuitali sempre più accurati, ha permesso un grande balzo in avanti verso una più efficiente gestione dell’intero sistema fotovoltaico ed un approccio preziosissimo per ogni evoluzione tecnologica e strutturale. Caratterizzazioni e simulazioni nella ricerca anche di una modellizzazione ottimale per meglio intervenire su fattori interni ed esterni come l’inseguimento del punto di massima potenza, l’ombreggiatura parziale o eventuali guasti che possono interessare il singolo pannello e compromettere l’efficienza dell’intero array fotovoltaico.

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5 INTRODUZIONE La terminologia “sviluppo sostenibile” può essere intesa come capacità di vivere, produrre e consumare in modo che si possano soddisfare i bisogni del presente, senza compromettere le esigenze delle future generazioni. Il concetto di sviluppo sostenibile è diventato ampiamente accettato a seguito della relazione della Commissione Mondiale sull'Ambiente e lo Sviluppo (1987). La Commissione è stata istituita dalle Nazioni Unite perché l'entità e le irregolarità dello sviluppo economico e la crescita della popolazione sono state e sono tutt’ora causa di una pressione senza precedenti sulle terre, le acque e le altre risorse naturali del nostro pianeta. Alcune di queste pressioni sono abbastanza gravi da minacciare la sopravvivenza stessa di alcune popolazioni e, a più lungo termine, portare a catastrofi globali. Nel corso del 21° secolo, si avranno ulteriori aumenti dei consumi mondiali di energia per la crescente industrializzazione e la domanda di paesi invia di sviluppo. I combustibili fossili, seppur in quantità significativa, non sono di recente sfruttamento e quindi le scorte presenti sono in ultima analisi limitate. Il tipo dominante di combustibile fossile, in termini di massa, è il carbone, con petrolio e gas in dimensioni molto minori. La durata di risorse petrolifere e di gas è di pochi decenni, mentre per il carbone è di qualche secolo. Ciò significa che i modelli attuali di consumo di energia, sempre più in crescita, non sono sostenibili nel lungo periodo. Un’altra limitazione per l'utilizzo di combustibili fossili (e ciò vale indirettamente anche per l'energia nucleare) sono le emissioni di CO 2 . Le emissioni prodotte dalla combustione di combustibili fossili hanno incrementato in maniera significativa la concentrazione di CO 2 nell'atmosfera, con gravi conseguenze sul riscaldamento globale. Pertanto, per questi motivi è fondamentale incentivare lo sviluppo di energie rinnovabili, perché sono molto più compatibili con uno sviluppo sostenibile rispetto a quanto lo siano i combustibili fossili ed il nucleare. Tali conclusioni sono ulteriormente supportate in economia se la totalità dei costi esterni di entrambi i carburanti più usati, petrolio e carbone, siano comprensivi del costo dei danni da emissione. Quest’ultima analisi in particolare porta a considerare le energie rinnovabili, compreso l'uso efficiente di tali energie, una strada più conveniente per la società rispetto all'uso tradizionale di fonti fossili e del nucleare. Dello stesso parere è l'Unione Europea: il 9 marzo 2007 l' UE ha garantito che entro il 2020 utilizzerà per il 20% del suo fabbisogno energetico complessivo, fonti rinnovabili di energia. Attualmente, i paesi industrializzati generano la maggior parte della loro energia elettrica in grandi strutture centralizzate , come le centrali elettriche a carbone, reattori nucleari, idroelettrici

Tesi di Laurea

Facoltà: Ingegneria

Autore: Rodolfo Miggiano Contatta »

Composta da 158 pagine.

 

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