69776 - LABORATORIO DI DISPOSITIVI E IMPIANTI FOTOVOLTAICI

Conoscenze e abilità da conseguire

Al temine del corso lo studente è in grado di utilizzare strumenti di simulazione numerica circuitale, di applicare tali strumenti all'analisi ed al progetto di circuiti e sistemi elettronici. Conosce tecniche per effettuare misure elettriche con elevata precisione. E' in grado di realizzare il progetto di massima di impianto fotovoltaico di piccole dimensioni (fino a 10 kWp).

Contenuti

Introduzione alla produzione di energia rinnovabile da fonte solare

• Radiazione solare, mappa della radiazione solare e spettri solari di riferimento.
• Cenni di fisica dei materiali semiconduttori, materiali a bandgap diretto ed indiretto, interazione radiazione-materia, generazione ottica, meccanismi di ricombinazione, modello analitico della cella in condizioni dark ed in illuminazione, figure di merito (corrente di corto circuito, tensione circuito aperto, fattore di forma, efficienza, resistenza serie, resistenza shunt).
• Principio di funzionamento di una cella a giunzione p-n, circuito equivalente a parametri concentrati della cella solare.
• Meccanismi di perdita (ricombinazione, perdite ottiche e resistive), sensibilità alla temperatura delle figure di merito.

 Sistemi fotovoltaici

• Moduli (connessioni serie, parallelo, problemi di mismatch di corrente e tensione, diodi di bypass e blocking).
• Sistemi stand-alone e grid-connected.
• Inseguimento del punto di massima potenza (MPPT): algoritmo Perturb & Observe, metodo della conduttanza incrementale, metodo della frazione della tensione a circuito aperto, metodo della frazione della corrente di corto circuito.
• Inverter: caratteristiche e funzionamento (convertitori di potenza DC/DC: boost converter e buck converter, principio di funzionamento del convertitore DC/AC).
• Progetto e dimensionamento di massima di impianti fotovoltaici a bassa potenza.
• Impianti mono- e multi-inverter, impianti con inverter di stringa, inverter mono- e trifase.

Tecniche di caratterizzazione sperimentali

• Fondamenti di misure su impianti fotovoltaici.
• Caratterizzazione di dispositivi fotovoltaici (caratteristica dark, caratteristica illuminata, misura della efficienza quantica, fotoluminescenza)

Modellazione di sistemi e dispositivi fotovoltaici

• Introduzione al simulatore circuitale SPICE.
• Simulazione mediante SPICE di una cella solare e di un modulo fotovoltaico.
• Simulazione mediante SPICE di convertitori DC/DC (boost e buck converter).
• Introduzione al simulatore Simulink.

Esercitazioni in laboratorio:

• Simulazione mediante SPICE di celle solari, moduli e campi fotovoltaici. Casi ideali e non ideali (ombreggiamento, mismatch corrente e tensione).
• Simulazione mediante SPICE di convertitori DC/DC (boost e buck converter).
• Simulazione mediante Matlab/Simulink di campi fotovoltaici, convertitori DC/DC e DC/AC.
• Realizzazione di convertitori DC-DC boost per piccole potenze con controllo PWM e monitoraggio mediante microcontrollore.

Testi/Bibliografia

Non è necessario l'acquisto di testi specifici. Viene fornito a lezione materiale didattico aggiornato, reperibile anche tramite username e password presso Insegnamenti online - IOL. Sarà reso disponibile prima dell’inizio delle lezioni. Si consiglia di non stampare il materiale con molto anticipo rispetto alla lezione di riferimento: il docente potrebbe apportarvi delle modifiche. Alcuni libri di testo suggeriti per approfondimento degli argomenti trattati a lezione sono:

[1] Luis Castaner, Santiago Silvestre, Modelling Photovoltaic Systems Using PSpice, Wiley, 2002 (ISBN: 978-0-470-84527-1).

[2] Adolf Goetzberger, Joachim Knobloch, Bernhard Voss, Crystalline Silicon Solar Cells, John Wiley & Sons, 1998 (ISBN: 978-0-471-97144-3).

[3] Martin A. Green, Solar Cells: Operating Principles, Technology, and System Applications, Prentice-Hall series in solid state physical electronics, 1981 (ISBN-13: 978-0138222703).

Metodi didattici

Lezione in aula (30%)
Esercitazioni in laboratorio (70%)

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento avviene unicamente mediante l’esame finale, che accerta l'acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese tramite una prova orale. La prova orale consiste prevede domande ed esercizi sugli argomenti del corso. Viene inoltre discussa una relazione scritta obbligatoria inerente almeno tre esercitazioni svolte in laboratorio. La relazione va presentata in anticipo (almeno quattro giorni prima) rispetto la data dell’orale ed inviata via email (formato .pdf) al docente. La prova orale attesta le conoscenze teoriche dello studente, la padronanza dei concetti, la proprietà di linguaggio e la chiarezza espositiva. L’esito è un giudizio di idoneità.

Per sostenere la prova d'esame è necessaria l'iscrizione tramite l'applicazione web AlmaEsami, nel rispetto inderogabile delle scadenze previste.

Strumenti a supporto della didattica

Materiale didattico disponibile su Insegnamenti online – IOL (ludici delle lezioni in aula, esempio di relazione esercitazioni di laboratorio).

Esercitazioni in laboratorio e relativo materiale didattico (lucidi e progetti di esempio su Insegnamenti online – IOL). Le esercitazioni in laboratorio saranno svolte dal docente nel laboratorio di Elettronica e Telecomunicazioni LELe (Laboratorio 3.2, stanza 3003) al Campus di Cesena (Via dell’Università n. 50).

Programma di simulazione circuitale SPICE e software Matlab/Simulink (presente in laboratorio).

Setup di misura sperimentale (strumentazione da laboratorio: alimentatore da banco, oscilloscopio digitale, generatore di funzioni).

Schede a microcontrollore, basette millefori di prova, componenti elettronici forniti in laboratorio).

Si prega di consultare la pagina Internet del laboratorio didattico per ulteriori approfondimenti in merito alla dotazione hardware e software.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Mauro Zanuccoli