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

1. Introduzione alla produzione di energia rinnovabile da fonte solare
   1. Radiazione solare diretta e diffusa, mappa della radiazione solare e spettri solari di riferimento.
   2. Applicazioni (impianti domestici, impianti a media ed alta potenza, centrali solari, integrazione con l’architettura).
   3. 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, efficienza quantica).
   4. Principio di funzionamento di una cella a giunzione p-n, circuito equivalente a parametri concentrati della cella solare.
   5. Meccanismi di perdita (ricombinazione, perdite ottiche e resistive), sensibilità alla temperatura delle figure di merito.
   6. Efficienza massima teorica.
2. Sistemi fotovoltaici
   1. Moduli (connessioni serie, parallelo, problemi di mismatch di corrente e tensione, diodi di bypass e blocking).
   2. Sistemi stand-alone e grid-connected.
   3. Inseguimento del punto di massima potenza (MPPT): algoritmo Perturb & Observe, metodo della conduttanza incrementale.
   4. Inverter: caratteristiche e funzionamento.
   5. Progetto e dimensionamento di massima di impianti fotovoltaici a bassa potenza ( < 10kW). Impianti mono- e multi-inverter, impianti con inverter di stringa, inverter mono- e trifase.
   6. Interfacciamento dell’impianto fotovoltaico con la rete.
3. Tecniche di caratterizzazione sperimentali
   1. Fondamenti di misure su impianti fotovoltaici.
   2. Caratterizzazione di dispositivi fotovoltaici (caratteristica I-V dark, caratteristica illuminata, estrazione delle figure di merito e della resistenza serie/shunt, misura della efficienza quantica, fotoluminescenza).
4. Modellazione di sistemi e dispositivi fotovoltaici
   1. Introduzione al simulatore circuitale SPICE.
   2. Simulazione mediante SPICE di una cella solare e di un modulo fotovoltaico.
   3. Simulazione mediante SPICE di convertitori DC/DC (boost e buck converter).
   4. Introduzione al simulatore Simulink.

Esercitazioni in laboratorio:

1. Simulazione mediante SPICE di celle solari, moduli e campi fotovoltaici. Casi ideali e non ideali (ombreggiamento, mismatch corrente e tensione).
2. Simulazione mediante SPICE di convertitori DC/DC (boost e buck converter).
3. Simulazione mediante Matlab/Simulink di campi fotovoltaici, convertitori DC/DC e DC/AC e sistemi di inseguimento del punto di massima potenza (MPPT).
4. Realizzazione di convertitori DC-DC boost per piccole potenze con controllo PWM e monitoraggio mediante microcontrollore.

Testi/Bibliografia

[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 di domande ed esercizi sugli argomenti del corso. Viene inoltre discussa una relazione scritta obbligatoria inerente tutte le esercitazioni svolte in laboratorio da presentare all’esame. 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.

Strumenti a supporto della didattica

Programma di simulazione circuitale SPICE

Piattaforma di calcolo Matlab/Simulink

Setup di misura sperimentale

Schede a microcontrollore

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Mauro Zanuccoli