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Caratterizzazione sistema di moduli fotovoltaici prototipali, analisi delle cause di degrado e miglioramento dei metodi di misura

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Caratterizzazione sistema di moduli fotovoltaici prototipali, analisi delle cause di degrado e miglioramento dei metodi di misura

Il presente rapporto è incentrato sulla caratterizzazione in condizioni operative di un sistema di moduli prototipali a concentrazione realizzati nell’ambito dell’attività di Ricerca di Sistema (PAR 2014). Nel periodo di riferimento si è indagato a fondo sulle cause del degrado delle prestazioni dei moduli allo scopo di fornire indicazioni utili alla progettazione e alla fabbricazione dei moduli. E’ stata anche avviata la pre-industrializzazione del sensore di puntamento solare PSD (sviluppato e brevettato da RSE), ottenendo un prodotto che ha dimensioni e costi di produzione contenuti. E’ stato sviluppato un sistema di misura automatico dell’angolo di accettanza di un modulo CPV basato sul controllo automatico del disallineamento dei piani basculanti motorizzati installati sull’inseguitore solare. Esso è particolarmente utile per l’analisi di moduli con sistemi ottici non isotropi.

Il presente rapporto è incentrato sulla caratterizzazione in condizioni operative di un sistema di moduli prototipali a concentrazione realizzati nell’ambito dell’attività di Ricerca di Sistema (PAR 2014). Il sistema comprende 8 moduli fotovoltaici a concentrazione contenenti 32 celle solari e 4 moduli con 4 celle solari che, al momento della fabbricazione, presentavano elevate prestazioni, quali un fattore di concentrazione solare superiore a 840 soli ed efficienze massime di 31,5% e 32%, rispettivamente per i moduli a 32 e a 4 celle.

Nell’ambito del PAR 2015 è stata svolta l’attività di caratterizzazione “outdoor” di lungo periodo dei moduli fotovoltaici prototipali allo scopo di confrontarne le prestazioni e verificarne l’affidabilità nel tempo. Per un confronto accurato, al contempo è stato sviluppato un sistema di puntamento automatico dei telai basculanti, installati sull’inseguitore RSE, che permette un perfetto orientamento dei moduli. I risultati della caratterizzazione outdoor dopo un anno di prova avevano già evidenziato il degrado di alcuni moduli che avevano subito una perdita di potenza media in condizioni STC compresa tra il 14% ed il 32%.

Nel periodo di riferimento, oltre a continuare con la caratterizzazione “outdoor” dei moduli, si è indagato a fondo sulle cause del degrado delle prestazioni dei moduli allo scopo di fornire indicazioni utili alla progettazione e alla fabbricazione dei moduli. Sono stati disassemblati due moduli: il primo dopo 9 mesi ed il secondo dopo 14 mesi di esercizio. Nel primo modulo si è appurato che le ottiche primarie e secondarie non presentano degrado permanente mentre le celle hanno avuto un degrado compreso tra il 6% e il 10% dovuto al danneggiamento del loro rivestimento antiriflesso. Nel secondo modulo, viceversa, le celle non si sono degradate ma si è avuto un forte degrado delle ottiche secondarie a causa di fenomeni di ossidazione evidenziati da analisi spettroscopiche al microscopio a scansione elettronica. Per quanto concerne il danneggiamento delle celle del primo modulo si ipotizza che la causa sia il non corretto contatto termico fra la cella e il sistema di dissipazione del calore, avvalorata dalla stima dei valori di temperatura media di cella che nel periodo estivo hanno superato la soglia di 130°C. Il fenomeno non è accaduto sul secondo modulo che utilizza lo stesso sistema di dissipazione termica ma una diversa tipologia di celle.

Per quanto concerne il degrado delle ottiche secondarie del secondo modulo si è ipotizzato che la condensa formatasi nei moduli nell’autunno del 2015 abbia depositato oltre al vapore acqueo degli elementi inquinanti sulle stesse. Successivamente le elevate temperature a cui hanno operato le ottiche secondarie, specialmente durante l’estate 2016, e la presenza di queste particelle ha favorito il processo di ossidazione. Si precisa che queste ipotesi devono essere avvalorate con ulteriori analisi.

Nell’ottica della riduzione dei costi della tecnologia CPV (Concentrator PhotoVoltaic), è stata anche avviata la pre-industrializzazione del sensore di puntamento solare (PSD – Position Sensitive Detector) sviluppato e brevettato da RSE, ottenendo un prodotto che ha dimensioni e costi di produzione inferiori rispetto a quello preesistente. Sono state sviluppate procedure di precalibrazione che consentono di produrre sensori in cui le tolleranze di fabbricazione sono compensabili memorizzando dei valori di offset nella memoria interna del sensore.

Il sistema di misura automatico dell’angolo di accettanza di un modulo CPV sviluppato è basato sul controllo automatico del disallineamento dei piani basculanti motorizzati installati sull’inseguitore solare. Il sistema consente di ottenere un grafico tridimensionale della perdita di potenza in funzione degli errori di allineamento nelle componenti di azimuth ed elevazione. Esso è particolarmente utile per l’analisi di moduli con sistemi ottici non isotropi.

Infine, nell’ambito delle metodologie per la caratterizzazione dei moduli, è stata sviluppata una nuova formula per la stima della temperatura di giunzione più accurata rispetto a quelle note in letteratura, in quanto considera il contenuto spettrale della radiazione solare. Saranno necessari ulteriori sviluppi per tener conto anche dei “mismatch” elettrottici, ovvero delle non uniformità dei valori di corrente fotovoltaica generati dalle celle del modulo.

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