SOLAR ENERGY SYSTEMS
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2022/2023
- Docente
- DONATO VINCENZI
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Secondo Semestre
- SSD
- FIS/01
Obiettivi formativi
- L'obiettivo formativo del corso “Solar Energy Systems” è fornire allo studente le conoscenze sui fenomeni fisica alla base del funzionamento dei dispositivi e dei sistemi per la conversione dell’energia solare. In particolare vengono illustrati i principi di funzionamento delle celle fotovoltaiche analizzando tutti i meccanismi di perdita di questa tipologia di dispositivi: perdite per conversione quantistica, perdite ottiche, perdite elettriche, meccanismi di ricombinazione radiativa e non radiativa e individuazione del punto di massima potenza. Verranno analizzati anche dispositivi fotovoltaici di tipo tandem basati su silicio e semiconduttori composti.
Verranno presentati il software gratuito di simulazione PC1D che permettono di condurre analisi unidimensionali di dispositivi fotovoltaici PN, PIN e eterogiunzioni.
Verranno successivamente studiati sistemi fotovoltaici a concentrazione basati su lenti di Fresnel e specchi, e concentratori solari a luminescenza.
Verranno presentati i principali software di RayTracing sequenziale e non sequenziale al fine di simulare effetti dovuti alla concentrazione solare, all'effetto di auto-ombreggiamento dei pannelli solari ad inseguimento e alla propagazione di luce all'interno di concentratori solari a luminescenza.
La parte finale del corso presenterà una serie di sistemi per la conversione diretta da energia solare ad energia chimica (solar to fuel) come i sistemi fotocatalitici e basati su microrganismi fotosensibili.
Il corso terminerà con una visita didattica presso l’impianto solare a concentrazione di Ottana.
Le principali conoscenze acquisite saranno:
- Fenomeni fisici alla base del funzionamento dei dispositivi fotovoltaici.
- Limiti operativi ed efficienza massima delle varie tipologie di cella fotovoltaica.
- Meccanismi di perdita nei dispositivi fotovoltaici.
- Caratteristiche costruttive dei sistemi solari a concentrazione basati su lenti di Fresnel, specchi e su concentratori solari a luminescenza .
Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno:
- Capacità di analizzare le caratteristiche elettriche ed ottiche di un dispositivo fotovoltaico e di ricavarne i parametri fondamentali di efficienza, Voc, Isc e Fill Factor.
- Capacità di simulare le caratteristiche JV, la densità di carica e il campo elettrico all’interno di un dispositivo fotovoltaico unidimensionale.
- Capacità di analizzare i componenti di un sistema solare a concentrazione ed individuare i principali meccanismi di perdita di efficienza. Prerequisiti
- Sono richieste le conoscenze base di elettricità e magnetismo, corrente, differenza di potenziale, resistenza elettrica, densità di carica. Costituiscono una base fondamentale il concetto di funzione d’onda di Block, la formazione dell’energy gap e il concetto del livello di Fermi.
Contenuti del corso
- - La sorgente solare: caratteristiche della radiazione solare, spettro di frequenza e distribuzione angolare in funzione della lunghezza d’onda (spectral sunshape), movimento apparente del sole, metodi e algoritmi per il calcolo della radiazione solare a terra.
- Richiamo di fisica dei semiconduttori: concetto di banda energetica proibita, meccanismi di generazione e ricombinazione dei portatori di carica.
- Celle fotovoltaiche: l’effetto fotoelettrico, interazione radiazione con la materia (caso di un conduttore, di un semiconduttore e di un isolante)
- Perdite ottiche nei dispositivi fotovoltaici e metodi per la minimizzazione della riflettività (antiriflesso e filtri passa-banda)
- Perdite elettriche (resistenze serie e di shunt) e analisi delle principali cause.
- Ricerca del punto di massima potenza di un dispositivo fotovoltaico e variazione del punto di lavoro con l’irraggiamento.
- Celle fotovoltaiche multigiunzione (tandem cells)
- Simulazione unidimensionale di dispositivi fotovoltaici tramite il software PC1D
- Concentratori solari: limiti di concentrazione, concetto di accettanza angolare e massimizzazione dell’efficienza di collezione
- Concentratori solari a luminescenza: meccanismi di downshift e up-shift, tipologia di cromofori utilizzati per i concentratori a luminescenza, meccanismi di perdita, integrazione architettonica di dispositivi LSC.
- Conversione diretta di energia solare in energia chimica: sistemi fotocatalitici basati su ossidi semiconduttori, limiti di efficienza e tipologia di reazioni che si possono generare, solar reforming, utilizzo di microrganismi fotosensibili per la generazione di combustibili.
- Sistemi solari termici a concentrazione (CSP): campi di eliostati, generatori basati su cicli termodinamici, limiti teorici e limiti tecnologici. Metodi didattici
- Lezioni frontali alla lavagna con l’ausilio di videoproiettore. Visita guidata presso un impianto solare a concentrazione dotato di sistemi fotovoltaici e CSP.
Modalità di verifica dell'apprendimento
- Esame orale comprensivo di 4 domande generali (più eventuali domande di chiarimento). Ad ogni domanda generale viene attribuito un punteggio massimo di 8 punti. L'esame si ritiene superato se lo studente totalizza più di 18/30.
Testi di riferimento
- “Physics of Semiconductor Devices”, S. M. Sze and Kwok K. Ng, Wiley-Interscience, ISBN-10: 0471143235, ISBN-13: 978-0471143239
“Solar Cells: Operating Principles, Technology, and System Applications”, Martin A. Green, Prentice Hall, ISBN-10: 0138222703, ISBN-13: 978-0138222703
“Nonimaging Optics”, Roland Winston, Juan C. Minano, Pablo G. Benitez, Academic Press, ISBN-10: 0127597514, ISBN-13: 978-0127597515
PV Education CD-ROM (https://www.pveducation.org/index.php)
Winston, R., and H. Hinterberger. "Principles of Cylindrical Concentrators for Solar Energy." Solar Energy 17 (1975): 255-258.
“The Performance of Concentrated Solar Power (CSP) Systems: Analysis, Measurement and Assessment”, Peter Heller, Woodhead Publishing, ISBN-10: 0081004478, ISBN-13: 978-0081004470
Materiale didattico fornito dal docente
