Analisi dei parametri del circuito equivalente di un generatore fotovoltaico
La conoscenza dei parametri del circuito equivalente di un generatore fotovoltaico (PV) permette di studiare e simulare le sue prestazioni in qualsiasi condizione atmosferica. Molti lavori in letteratura presentano procedure che determinano questi valori a partire da dati sperimentali. Il miglior compromesso tra semplicità ed elevata accuratezza è il circuito equivalente che include cinque parametri: tuttavia, essi sono generalmente forniti per condizioni atmosferiche specifiche.
Inoltre, questi parametri sono influenzati dall’irradianza incidente e dalla temperatura del modulo, ma la loro dipendenza da queste grandezze ambientali è studiata solo per alcuni di questi parametri. In letteratura, alcuni lavori propongono procedure per quantificare la dipendenza dei parametri dalle condizioni atmosferiche: tuttavia, risultati quantitativi a sostegno di tali procedure non sono presenti e i coefficienti più importanti delle equazioni proposte non sono forniti. Pertanto, l’energia fotovoltaica generata in qualsiasi condizione meteorologica non può essere prevista utilizzando i valori dei parametri del circuito equivalente.
La prima parte di questa attività di ricerca sviluppa una metodologia innovativa per determinare i valori dei parametri del circuito equivalente utilizzando campagne sperimentali a lungo termine effettuate su moduli di diversa potenza nominale e tecnologia. Inoltre, la loro dipendenza dalle condizioni atmosferiche è determinata al fine di prevedere l’energia generata dai moduli FV durante la campagna sperimentale.
In seguito, la seconda parte di tale attività si propone l’obiettivo di utilizzare le conoscenze acquisite per sviluppare un sistema di diagnosi innovativo (hardware e software) al fine di verificare in tempo reale lo stato di salute di impianti fotovoltaici attraverso i parametri di circuiti equivalenti. Dapprima, viene sottoposta a campagna sperimentale una selezione di moduli fotovoltaici che saranno diversi per tecnologia, efficienza e potenza nominale, utilizzando un innovativo sistema di acquisizione dati automatico sviluppato ad hoc. Tale dispositivo deve soddisfare una serie di requisiti: dovrà essere portatile, caratterizzato da bassa incertezza ed elevata risoluzione, e dovrà poter emulare il funzionamento di inverter commerciali connessi alla rete. In particolare, viene sviluppato un software integrabile in tali inverter che eseguirà le seguenti operazioni. In primo luogo, determina i parametri di circuiti equivalenti a partire dalle misure sperimentali attraverso metodi numerici propriamente selezionati.
Contestualmente, il software utilizza il modello sviluppato nella prima parte dell’attività per stimare i parametri dei circuiti equivalenti utilizzati nelle condizioni di misura. Tali parametri, di riferimento, corrispondono a moduli privi di difetti e sono confrontati con i valori determinati dalle misure sperimentali.
In caso di scostamenti elevati, e, dunque, di possibili difetti o guasti nell’impianto, l’operatore di impianto sarà avvertito tempestivamente e il software fornirà la parte di impianto affetta da tale problema ed una prima ipotesi sul tipo di difetto/guasto.
Analisi di elettroluminescenza
I test di elettroluminescenza sono una tipologia di analisi largamente utilizzata nell’ambito dello studio del degrado dei sistemi fotovoltaici. L’elettroluminescenza (EL) è una tecnica veloce e non distruttiva, ovvero non comporta alcuna forma di danneggiamento per i moduli da analizzare e non altera in alcun modo le prestazioni elettriche dei componenti, in grado di fornire informazioni sullo stato di salute delle celle fotovoltaiche. Essa garantisce un’elevata precisione nel rilevamento di difetti e guasti più comuni nelle celle che possono verificarsi durante la loro intera vita e consente di individuare le cause delle perdite di performance di un determinato modulo o impianto individuato sulla caratterista corrente-tensione. Ad esempio, le immagini EL possono mostrare degradazioni di vario genere come microcrack, rotture e persino disomogeneità nella struttura cristallina delle celle di silicio non rilevabili dall’occhio umano.
La luminescenza è un fenomeno fisico che prevede l’emissione di fotoni di luce da parte di atomi eccitati da cause diverse dall’aumento di temperatura. L’elettroluminescenza si basa sull’analisi della luminescenza, in termini di intensità e di distribuzione spaziale, emessa da atomi sottoposti ad un potenziale elettrico in polarizzazione diretta. La prova di elettroluminescenza viene eseguita operando in maniera inversa rispetto all’ordinario funzionamento di un modulo fotovoltaico. Il test, ottenuto come processo inverso dell’effetto fotovoltaico, consiste nell’applicare una tensione in modo da indurre un flusso di corrente nel modulo fotovoltaico. Tale flusso eccita gli elettroni del silicio della giunzione p-n i quali, passando dalla banda di valenza a quella di conduzione, liberano un fotone nella lunghezza d’onda dell’infrarosso. Il segnale di luminescenza dal silicio cristallino infatti varia da circa 950 nm a 1350 nm e il picco, corrispondente al bandgap, è di 1150 nm.
I fotoni emessi possono essere captati da apposite fotocamere aventi dei sensori in grado di rilevare la luce Near-Infrared (NIR – 0.75÷1.4 μm), dunque ottenere immagini EL. I sensori delle fotocamere utilizzate per effettuare test EL possono essere realizzati, principalmente, con due diversi tipi di semiconduttori: Arseniuro di indio gallio (InGaAs) e Sensori al silicio (CCD/CMOS).
Tipicamente, l’imaging EL viene condotto in un ambiente di laboratorio in cui il pannello solare può essere nascosto alla luce solare, che influisce negativamente sulla cattura delle immagini EL, attraverso l’uso di costose apparecchiature. La figura seguente mostra un possibile schema di acquisizione in laboratorio di immagini EL:
Il test EL permette di individuare i difetti delle celle solari che creano un calo nella produzione dell’impianto. Nelle immagini EL, le zone intatte e perfettamente funzionanti della cella possono essere facilmente individuate perché visibilmente differenti dalle zone danneggiate o elettricamente isolate, le quali appaiono nere o con una tonalità di grigio molto scura a causa della loro più bassa luminescenza.
m-Si con Potential Induced Degradation (PID)
p-Si con crepe a causa di camminamento
I difetti nelle celle dei moduli fotovoltaici riscontrabili tramite la prova di elettroluminescenza possono essere categorizzati a seconda di quando tali difetti si manifestano:
- Difetti creatisi durante la fase di produzione delle celle fotovoltaiche
- Difetti creatisi durante la fase di assemblaggio dei moduli fotovoltaici
- Difetti creatisi durante la fase di trasporto ed installazione
- Difetti creatisi a causa di agenti atmosferici successivi all’installazione
Affidabilità degli impianti fotovoltaici
work in progress
Monitoraggio smart degli impianti fotovoltaici
work in progress