Composizione e principio di funzionamento dei sistemi di generazione di energia fotovoltaica
Composizione e principio di funzionamento dei sistemi di generazione di energia fotovoltaica (PV)
Un sistema di generazione di energia fotovoltaica (PV) è principalmente composto da moduli PV, un controller, un inverter, batterie e altri accessori (le batterie non sono necessarie per i sistemi connessi alla rete). A seconda del fatto che si basino o meno sulla rete elettrica pubblica, i sistemi PV sono divisi in tipi off-grid e grid-connected. I sistemi off-grid operano indipendentemente senza fare affidamento sulla rete elettrica. Sono dotati di batterie di accumulo per garantire una fornitura stabile di energia, in grado di fornire elettricità ai carichi durante la notte o in giorni prolungati di nuvole/pioggia quando la generazione solare è insufficiente.
Indipendentemente dal tipo di sistema, il principio di funzionamento rimane lo stesso: i moduli PV convertono la luce solare in corrente continua (CC), che viene poi convertita in corrente alternata (CA) da un inverter, consentendo il consumo di energia o la connessione alla rete.
1. Moduli Fotovoltaici (PV)
I moduli PV sono il componente centrale dell'intero sistema di generazione di energia. Sono realizzati combinando celle fotovoltaiche individuali, tagliate in dimensioni diverse utilizzando macchine laser o a filo. Poiché la tensione e la corrente prodotte da una singola cella solare sono molto basse, più celle vengono prima connesse in serie per ottenere una tensione più alta, poi in parallelo per aumentare la corrente. L'assemblaggio include un diodo bloccante (per prevenire il flusso inverso della corrente) ed è racchiuso in un telaio realizzato in acciaio inossidabile, alluminio o materiali non metallici. È sigillato con vetro temperato sul lato anteriore, un backsheet sul retro, riempito con gas azoto e sigillato ermeticamente. Più moduli PV connessi in serie e in parallelo formano un array PV (noto anche come array solare).
Principio di funzionamento: Quando la luce solare colpisce la giunzione p-n semiconduttrice di una cella solare, vengono generati coppie elettrone-buco. Sotto l'influenza del campo elettrico alla giunzione p-n, i buchi si spostano verso la regione p e gli elettroni verso la regione n. Quando il circuito è chiuso, scorre la corrente. La funzione principale dei moduli PV è quella di convertire l'energia solare in energia elettrica, memorizzandola nelle batterie o alimentando direttamente i carichi elettrici.
Tipi di moduli PV:
Silicio monocristallino:Efficienza ≈ 18%, fino al 24% — la più alta tra tutti i tipi di PV. Solitamente racchiusi in vetro temperato e resina impermeabile, rendendoli duraturi e a lunga durata (durata fino a 25 anni).
Silicio policristallino:Efficienza ≈ 14%. Il processo di produzione è simile a quello del silicio monocristallino, ma con efficienza inferiore, costo minore e vita utile più breve. Tuttavia, è più semplice da produrre, consuma meno energia e ha costi di produzione inferiori, portando a una diffusione ampiamente adottata.
Silicio amorfo (film sottile):Efficienza ≈ 10%. Realizzato utilizzando un processo di film sottile completamente diverso, richiede una quantità minima di silicio ed energia. Il suo principale vantaggio è una migliore performance in condizioni di scarsa luminosità.
2. Controller (Utilizzato nei sistemi off-grid)
Il controller di carica solare è un dispositivo automatico che prevenisce l'overcarica e l'overdischarge delle batterie. Dotato di un microprocessore CPU ad alta velocità e un convertitore A/D ad alta precisione, funziona come un sistema di acquisizione e controllo di dati basato su microcomputer. Può raccogliere rapidamente i dati operativi in tempo reale, monitorare lo stato del sistema e archiviare i dati storici, fornendo informazioni accurate e sufficienti per valutare la progettazione del sistema e la affidabilità dei componenti. Supporta anche la comunicazione seriale per la gestione centralizzata e il controllo remoto di più sotto-stazioni PV.
3. Inverter
L'inverter converte la corrente continua (CC) generata dai pannelli solari in corrente alternata (CA), rendendola compatibile con gli apparecchi alimentati a CA standard. L'inverter PV è un componente chiave del sistema balance-of-system (BOS) e include funzionalità speciali come il tracciamento del punto di potenza massima (MPPT) e la protezione dall'isolamento.
Tipi di inverter solari:
Inverter standalone:Utilizzato nei sistemi off-grid. L'array PV carica la batteria, e l'inverter attinge energia CC dalla batteria per alimentare i carichi CA. Molti inverter standalone includono caricatori di batteria integrati che possono ricaricare la batteria utilizzando energia CA. Questi inverter non sono connessi alla rete e non richiedono protezione dall'isolamento.
Inverter grid-tied:Rifornisce energia CA alla rete elettrica. La sua forma d'onda deve corrispondere alla fase, frequenza e tensione della rete. Si spegne automaticamente se la rete è disconnessa per motivi di sicurezza. Non fornisce energia di backup in caso di interruzione della rete.
Inverter con backup di batteria:Un inverter speciale che utilizza le batterie come fonte primaria di energia e include un caricabatterie per ricaricarle. L'eccesso di energia può essere rifornito alla rete. Durante un'interruzione della rete, può fornire energia CA ai circuiti designati e quindi include protezione dall'isolamento.
4. Batteria (Non necessaria nei sistemi connessi alla rete)
La batteria è l'unità di accumulo di energia in un sistema PV. I tipi comuni includono batterie a piombo sigillate, a piombo aperte, gel e nichel-cadmio alcaline. Le batterie a piombo sigillate e gel sono le più ampiamente utilizzate.
Principio di funzionamento: Durante il giorno, la luce solare colpisce i moduli PV, generando tensione continua e convertendo la luce in elettricità. Questa energia viene inviata al controller, che prevenisce l'overcarica, e poi memorizzata nella batteria per un uso successivo quando necessario.
