Home

Documento PDF - Università degli Studi di Padova

1. Modulus ISO 527 3 MPa 8 6 Nominal strain at break ISO 527 3 592415 Tensile stress at break ISO 527 3 MPa 6 Hardness Shore A DIN 53 505 65 70 Other properties Water vapor transmission rate ASTM F1249 g m day lt 52 Specific heat capacity ASTM E1269 J g C 2 600 Transparency 390 1050 nm In house method 91 93 Density g cm 0 96 CURED PROPERTIES Test method Unit caliper 460 pm Gel content Soxhlet extraction 80 93 Adhesion to glass N cm gt 80 Refraction index Nd ASTM D542 00 1 4809 0 0002 Transparency 390 1050 nm In house method 91 93 Value function of cure conditions Fig 9 1 Esempio di scheda tecnica dell EVA usato come incapsulante Come si pu vedere chiaramente non vi nemmeno un accenno a caratteristiche elettriche degne di portare tale designazione le uniche riportate infatti non forniscono alcun aiuto circa la determinazione della possibilit di un riscaldamento per perdite dielettriche 9 12 BACKSHEET MUTLISTRATO VARI Come materiale impiegato nel fondo dei moduli detto anche backsheet non vi uniformit di impiego visto che vengono utilizzati materiali singolarmente come il Poli Vinil Fluoruro PVF o pi 54 materiali laminati tra loro e composti essenzialmente da strati di Poli Etilene Tereftalato PET incollati tra loro mediante appositi adesivi Un esempio di backsheet impiegato soprattutto in passato il Tedlar della famosa DuPont per questo come per
2. Commercialmente questi materiali sono noti con nomi propri registrati ovviamente come ad esempio Elvax Tedlar Kynar o ancora Dymat e pertanto non semplice conoscerne le relative caratteristiche fisiche se non quelle previste da norme di omologazione o affini La conoscenza peraltro delle caratteristiche fisiche ed elettriche di tali materiali risulta indispensabile per non correre il rischio di progettare un sistema di riscaldamento che poi invece non riscalda nel modo voluto o non riscalda per niente 9 1 CARATTERISTICHE FISICHE ED ELETTRICHE Dal punto di vista fisico assume estrema importanza la verifica del comportamento dei materiali che si vogliono riscaldare per perdite dielettriche cercando di capire se questi assumono quindi un comportamento termoplastico ovvero termoindurente In via preventiva si quindi appurato che entrambi i materiali impiegati sono caratterizzati da un comportamento termoplastico ovvero una volta riscaldati essi tendono a rammollire potendo eventualmente essere manipolati per poi tornare ad uno stato rigido una volta raffreddati Le caratteristiche elettriche di tali materiali che interessano al fine di valutarne l effettiva possibilit di riscaldamento sono le seguenti PERMITTIVIT DIELETTRICA RELATIVA e FATTORE DI PERDITA tg Il valore della permittivit dielettrica relativa ci consente di capire se il materiale si presta bene a trasmettere il campo elettrico i
3. cercato di prendere contatti con i produttori di tale tipo di strumentazione nella speranza di poter far uso dei relativi strumenti acquistando eventualmente il prodotto necessario ovvero effettuando tali misure con uno strumento preso in visione gratuita Un esempio della strumentazione adatta al nostro scopo quella prodotta dalla Agilent divisione del gruppo HP dedicata all impiego professionale mentre la HP produce pure strumentazione tecnica ma con target diverso dagli enti di ricerca come quello universitario nel caso specifico La strumentazione alla quale si sarebbe potuto far ricorso ad esempio lo strumento Agilent E4991A RF Impedance Material Analyzer con banda di frequenza che varia tra 1 MHz e 3 GHz in grado di effettuare diverse valutazioni come descritto dal relativo data sheet 57 Impedance parameters IZI IYI Lg Ly Cs Cp R R Rp X G B D Q 87 By IF Ty Ty By Material parameters option E4991A 002 see Option E4991A 002 material measurement typical on page 17 Permittivity parameters amp tand Permeability parameters ul Hy up tand Fig 9 4 Parte del data sheet della strumentazione Agilent Come si pu vedere lo strumento brevemente descritto in grado di ottenere impiegando opportuni accessori 16453A le caratteristiche dielettriche del materiale volute ovvero la permittivit dielettrica relativa in valore complesso ed il fattore di p
4. Vi quindi una frase scritta in neretto immediatamente dopo la definizione degli impianti esclusi che merita di essere riportata cos com scritta Tuttavia le apparecchiature che non sono progettate e installate precisamente in quanto elemento di detti impianti idonee a svolgere la propria funzione anche ove non siano elementi degli impianti devono rientrare nel campo di applicazione della presente direttiva Si tratta per esempio di attrezzature di illuminazione o moduli fotovoltaici Proseguendo nella risoluzione si trovano numerosi altri riferimenti all inclusione dei moduli fotovoltaici nel campo di applicazione della direttiva nei meccanismi di incentivazione di recupero dedicate delle apparecchiature elettriche ed elettroniche in particolare si deve notare la citazione esplicita ancora una volta nell allegato I e II riportanti appunto le apparecchiature alle quali applicare la direttiva Quella appena descritta comunque pur sempre una risoluzione del Parlamento Europeo in quanto tale viene pubblicata nella gazzetta ufficiale dell Unione Europea ma non costituisce di fatto una Direttiva Comunitaria 26 Una Direttiva Comunitaria infatti un atto che il Parlamento adotta congiuntamente con il Consiglio per l assolvimento dei compiti previsti dai trattai ovvero nel caso specifico si ha la mancanza dell adozione congiunta del Consiglio Europeo Quando il Consiglio Europeo venga a ratificare il medesimo testo a
5. ovvero Waste Electrical and Electronic Equipment Rifiuti di Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche 2002 96 EC 13 va invece ad interessarsi del fine vita delle apparecchiature elettriche ed elettroniche ovvero del relativo riciclo lo scopo di questa direttiva il seguente La presente direttiva reca misure miranti in via prioritaria a prevenire la produzione di rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche RAEE ed inoltre al loro reimpiego riciclaggio e ad altre forme di recupero in modo da ridurre il volume dei rifiuti da smaltire Essa mira inoltre a migliorare il funzionamento dal punto di vista ambientale di tutti gli operatori che intervengono nel ciclo di vita delle AEE quali ad esempio produttori distributori e consumatori in particolare quegli operatori direttamente collegati al trattamento dei rifiuti delle stesse Entrambe queste direttive vanno ad interessare le apparecchiature elettriche ed elettroniche ma nell appendice IA alla direttiva RoHS che definisce le apparecchiature alle quali vengono applicate queste procedure non compaiono n singolarmente i moduli fotovoltaici n gli impianti fotovoltaici nel loro complesso Sembrerebbe quindi che tali apparati non siano oggetto di trattamenti ad hoc come avviene invece per le apparecchiature elettriche ed elettroniche in generale ad esempio gli elettrodomestici i giocattoli elettronici la strumentazione elettrica in genere A seguito della prima stesu
6. 23 in Germania 23 Germania 2000 Idraulica Geotermica Eolica Bioenergie Maree e Solare 2010 moto ondoso Fig 2 13 Produzione di energia elettrica per singola fonte rinnovabile Come si pu vedere abbastanza agevolmente la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili passata da circa 380 GWh nel 2000 a pi di 600 GWh nel 2010 con un incremento di circa il 58 abbastanza coincidente con la tendenza italiana 2 3 3 LA SITUAZIONE MONDIALE La situazione globale non si discosta di molto da quella nazionale e da quella europea si registra in generale una tendenza alla crescita nell impiego delle fonti energetiche rinnovabili bench non essendovi delle leggi cos restrittive in materia come il pacchetto energia clima 20 20 20 tale crescita risulti dettata solamente o da condizioni di opportunit o da incentivazioni strettamente locali Il solo protocollo di Kyoto infatti non prevede misure e sanzioni tali da indurre le varie Nazioni aderenti e ratificanti il trattato a mettere in atto tutte le misure auspicabili per incrementare la produzione di energia da fonti rinnovabili o comunque non inquinanti Vi sono due grafici che illustrano in maniera rapida ed efficace la situazione a livello globale il primo indica gli investimenti annui effettuati in nuova capacit produttiva di energia da fonti rinnovabili il secondo la ripartizione percentuale di nuova capacit produttiva di energia tra impianti termoelettrici classici
7. Bio Intelligence Service Study on photovoltaic panels supplementing the impact assessment for a recast of the weee directive European Commission Final Report 14 April 2011 2011 25 Sergio Lupi Appunti di Elettrotermia Padova 2005 2006 26 Allan Shawn Michael Fall Morgana Lynn Method of laminationusing radio frequency heating and pressure WO 2007 143480 A2 Dicembre 13 2007 27 Fimcutter s r l Filmback PVS 190 Scheda tecnica 2011 28 Andrea Stella Massimo Guarnieri Principi ed applicazioni di Elettrotecnica Padova Edizioni Libreria Progetto Padova 2004 29 Lupi Sergio Lezioni di Elettrotermia 2005 2006 30 Hiittinger Qinto 3013M 2007 31 Bedea kabel Specifiche tecniche RG214 32 Hiittinger PFM 3000 A 2007 20 21 22 23 101 33 EPIA Solar photovoltaic electricictyempowering the world EPIA 2011 102 16 RINGRAZIAMENTI Voglio innanzitutto ringraziare il Professor Dughiero Fabrizio per il supporto fornitomi l attenzione dedicatami e le sue idee cos innovative e cos travolgenti senza rendermene conto mi ha travolto con questa idea e mi ha trascinato nel suo team di lavoro facendomi sentire a casa mia Un ringraziamento particolare lo voglio rivolgere ad Angelo Doni sempre pressato da mille impegni riuscito comunque a seguirmi nel lavoro di tesi fornendomi suggerimenti e strumenti utili per portare a termine un progetto cos impegnati
8. TTINGER ELEKTRONIK GMBH CO Questi due elementi sono Generatore ad alta frequenza QINTO 3013 M Cavo coassiale di interconnessione RG 214 Doppio cavo in fibra ottica Adattatore di carico PFM 3000 A Questi due dispositivi formano un tutt uno dal punto di vista funzionale poich mentre il generatore come dice il termine stesso genera la tensione ad alta frequenza l adattatore di carico detto anche MATCHBOX consente il collegamento tra generatore e condensatore di lavoro creando all uscita del generatore ad alta frequenza una configurazione tale che il generatore veda un impedenza costante pari a 50 Q La matchbox indispensabile poich per far s che il generatore venga ad erogare potenza attiva assorbita da rete e convertita ad alta frequenza deve vedere alla propria porta di uscita un carico quanto pi resistivo possibile per evitare di assorbire o erogare potenza reattiva D altra parte l applicatore di campo di fatto un condensatore e come tale verrebbe ad erogare potenza reattiva di tipo capacitivo che il generatore gli dovrebbe fornire per far s che ci non avvenga si deve necessariamente introdurre alla medesima porta dalla quale viene alimentato il 81 condensatore di lavoro un carico atto ad assorbire erogare la medesima potenza reattiva ma di segno opposto assorbita dal condensatore Questa potenza reattiva pu essere messa in gioco da un carico reattivo di tipo induttivo di fatto
9. area del modulo si ha comunque una produzione specifica ovvero per metro quadrato inferiore rispetto ai moduli in silicio monocristallino Il vantaggio di montare questo tipo di moduli va ricercato quindi sul fattore prezzo non necessitando di accorgimenti complessi come nel caso del silicio monocristallino si riescono a contenere i costi di produzione riuscendo quindi a mettere sul mercato moduli a prezzo inferiore Di fatto negli ultimi anni si riscontrata un essenziale parit tra le quote di mercato suddivise tra il mono ed il policristallino si prevede invece che in futuro ci sar un incremento della quota del silicio multi cristallino pi economico e sul quale vi sono peraltro margini di miglioramento pi ampi rispetto al monocristallino 5 2 IL MODULO IN FILM SOTTILE I moduli in film sottile sono caratterizzati dal fatto che il materiale semiconduttore nel quale avviene la conversione fotovoltaica viene depositato su di un supporto che pu essere pressoch di qualsiasi natura Si possono quindi realizzare moduli in film sottile sia rigidi che flessibili a seconda che il materiale sul quale viene depositato il semiconduttore sia rigido ovvero flessibile in genere nastri e pertanto i campi di applicazione sono i pi disparati La deposizione del materiale semiconduttore avviene in spessori di pochi micrometri e pertanto i costi in termini di materiale semiconduttore si abbattono drasticamente passando di fatto da uno spesso
10. di tali configurazioni geometriche con l eventuale possibilit di scariche totali o parziali in aria Se tale fenomeno si verifica integralmente esso pu portare al cortocircuito se non altro momentaneo degli elettrodi con le relative conseguenze ovvero possibili danni alle apparecchiature connesse a monte quali il generatore ad alta frequenza e la rete di accoppiamento Se non si dovesse verificare integralmente ma solamente in modo parziale si avrebbero delle scariche in aria tra l armatura ad alta tensione e l aria per il superamento della rigidit dielettrica con le relative conseguenze ovvero effetto luminescente radiodisturbi e rumore In entrambi i casi vi sarebbe una diminuzione dell efficienza nel primo caso ovviamente l efficienza sarebbe nulla visto che il processo andrebbe immediatamente interrotto per salvaguardare le apparecchiature impiegate mentre nel secondo caso si avrebbero da mettere in conto le perdite correlate alle scariche parziali 13 1 5 RISCALDAMENTO DI UN INTERO MODULO FOTOVOLTAICO Punto finale di un lavoro completo sulla verifica sperimentale della possibilit di riscaldamento di moduli fotovoltaici da riciclare sta ovviamente nella verifica da effettuare su di un intero modulo in silicio cristallino dalle dimensioni pressoch standard ovvero di circa 1x2 m Tale prova sperimentale potr fare da cappello a tutto il lavoro svolto di ricerca simulazione e verifiche varie su diversi campioni nella speranz
11. saranno omessi per dare maggiore importanza invece a valutazioni sul piano della fattibilit tecnica di un tale processo di riscaldamento 66 Ciascuna di queste fasi verr analizzata in via generale e con qualche riferimento al caso specifico riportando le scelte operative adottate ed i motivi che hanno spinto ad impiegarle 11 1 1 DEFINIZIONE DELLA GEOMETRIA GEOMETRY La definizione della geometria consiste nel definire le forme e le dimensioni caratteristiche dell oggetto o del dominio in generale che si andr poi ad analizzare ed a risolvere nella fase di risoluzione del problema nel caso specifico Elettro Termico e pertanto prevede il disegno della geometria attraverso la definizione di punti linee e facce che si andranno in seguito a definire di quale materiale siano essi costituiti e quindi a meshare ovvero definire con elementi di forma predefinita i punti sui quali verranno calcolati i campi e le temperature La geometria pu essere disegnata direttamente nella sezione Geometry and Physics di Flux ovvero pu essere importata mediante il disegno preventivo con uno strumento di disegno CAD Computer Aided Drafting ovvero Disegno Assistito al Computer qualora la geometria fosse particolarmente complessa Se dal punto di vista del disegno pu essere invitante l importazione del file da uno strumento CAD visto che essendo specificamente studiato per disegnare esso consente appunto di disegnare in maniera pi
12. un induttanza di adeguato valore o meglio da un carico in grado di fornire di volta in volta la potenza reattiva richiesta dall applicatore di campo Un siffatto carico realizzato mediante un induttore di valore fisso raffreddato ad acqua e due condensatori di valore variabile comandati da due servomotori atti a seguire l applicatore di campo in modo da avere un impedenza di uscita sempre pari a 50 Q Il cavo coassiale in ultima analisi ma non per una minore importanza consente l interconnessione tra le due apparecchiature di fatto non realizzabile mediante conduttori classici vista l elevata frequenza della tensione in gioco Viceversa il cavo coassiale fornito che presenta un impedenza caratteristica di 50 Q in grado di trasferire segnali in tensione ad una tale frequenza 13 56 MHz senza apportare apprezzabili attenuazioni del segnale stesso Un osservazione a parte bisogna riservare al sistema di raffreddamento essendo realizzato mediante un circuito idraulico che interessa sia il generatore ad alta frequenza che la matchbox esso deve infatti asportare le perdite insite nel sistema che vengono convertite in calore calore che potrebbe surriscaldare e quindi danneggiare le apparecchiature stesse 12 1 1 GENERATORE AD ALTA FREQUENZA QINTO 3013M Cuore del processo di riscaldamento ad alta frequenza certamente il generatore ad alta frequenza ovvero trattasi di un dispositivo in grado di convertire la t
13. 6 917 671 50 990 em cs 2000 Idraulica Geotermica Eolica Bioenergie Solare 2010 Fig 2 10 Variazione della potenza lorda elettrica installata per fonte rinnovabile Volendo analizzare la situazione in termini relativi e facendo ricorso ai dati Eurostat purtroppo aggiornati solamente al 2009 si riscontra che la percentuale di energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili ha subito in generale un calo dal 1999 al 2007 per poi iniziare un forte recupero con il picco coincidente con l ultimo anno analizzabile dal sito ufficiale epp eurostat ec europa eu ovvero il 2009 8 18 Electricity generated from renewable sources of gross electricity consumption 21 21 204 20 194 19 18 18 171 17 16 16 15 5 144 14 134 t13 124 1412 11 F11 10 Lio 94 19 6 6 44 4 3 1 0 D saeee TREE time i o 1 7 nw ot j italy Fig 2 11 Produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili in Italia dal 1999 al 2009 Non deve trarre in inganno il fatto di avere raggiunto gi nel 2009 una produzione percentuale di energia da fonti rinnovabili superiori al 20 il pacchetto clima energia 20 20 20 prevede infatti una produzione di energia nel suo complesso del 17 non solo per quanto riguarda l energia elettrica 2 3 2 LA SITUAZIONE EUROPEA A livello europeo si registrano tendenze simili a quelle registrate in Italia in Europa si raggiunta la minima percentuale di energia
14. A differenza di SolarWorld FirstSolar sta gi procedendo con il suo progetto di raccolta presso i propri clienti dei moduli installati in passato ora giunti a fine vita o semplicemente danneggiati in modo tale da avviarli ad un riciclo efficiente Il solo nominare il termine Cadmio suscita infatti nell opinione pubblica timore e paura in realt il telloruro di cadmio assai pi stabile dei suoi costituenti 19 Tellurio e Cadmio insolubile in comuni solventi e secondo alcuni test eseguiti su topi risultato che l ingestione porta a conseguenze letali solamente ad alte quantit La decomposizione poi del CdTe Telloruro di Cadmio che pu essere il solo modo per essere liberato in atmosfera si verifica solamente a temperature superiori ai 1000 C ed anche in caso di incendio di un edificio sul quale sia installato questo tipo di moduli fotovoltaici questo composto dovrebbe trovare una via per fuoriuscire dal modulo cosa affatto scontata Proprio in ragione di un tale timore nell opinione pubblica per FirstSolar pubblicizza ed interviene direttamente in loco per il recupero dei propri moduli senza richiedere al cliente finale nemmeno la consegna in punti appositi in seguito provvede quindi al relativo riciclo coprendo tutto il ciclo di vita del modulo 3 4 1 METODO SOLARWORLD PER MODULI IN SILICIO CRISTALLINO Il metodo sviluppato da SolarWorld presso l affiliata Deutsche Solar a Freiberg Germania si basa su
15. Fig 2 2 Schema di principio di un impianto eolico 11 Da notare che mentre si abituati ad avere a che fare con aerogeneratori ad asse orizzontale esistono a dire il vero pure generatori ad asse verticale nei quali le pale assumono forme nettamente diverse dai primi l immagine seguente ne illustra un esempio 3 Fig 2 3Aerogeneratore ad asse verticale Mentre nel caso di aerogeneratori ad asse orizzontale si deve prevedere un adeguato sistema di orientazione delle pale in modo tale che queste riescano a convertire la maggiore quantit possibile di energia nel caso di aerogeneratore ad asse verticale questo inconveniente assente In questo caso infatti da qualsiasi direzione provenga il vento le pale mostrano sempre la medesima superficie di impatto e non sono possibili per d altra parte modifiche al profilo alare che viene colpito dal vento come avviene invece con le pale di un generatore ad asse orizzontale 2 1 3 FOTOVOLTAICO classico ed a concentrazione A differenza delle precedenti due tecnologie di conversione energetica la conversione fotovoltaica stata scoperta ed stata perci impiegata solamente in tempi recenti a seguito della scoperta dell effetto fotoelettrico scoperto da Edmond Bequerel 1820 1891 nei suoi studi sulle onde elettromagnetiche Non si pu quindi dire che tale principio sia stato impiegato in campi diversi dalla conversione in energia elettrica visto che in questo caso non sono
16. Questo processo prevede l emissione di gas inquinanti quali il biossido di carbonio ma pur vero che il carbonio equivalente liberato era stato precedentemente fissato proprio dal materiale organico oggetto della fermentazione anaerobica senza andare a liberare carbonio fissato nei combustibili fossili Proprio in ragione di questo ragionamento l energia derivante dalla biomassa si pu considerare ancora una volta una fonte energetica rinnovabile visto che va a liberare in atmosfera la medesima quantit di anidride carbonica assorbita precedentemente L immagine seguente riporta un esempio di impianto a biomassa nella fattispecie si tratta di un impianto a biomassa allo stato solido come possono essere i residui di industrie del legno della frazione organica dei rifiuti solidi urbani o assimilabili 2 15 camino turbina a vapore Fig 2 7 Schema di impianto a biomassa allo stato solido 2 2 PROBLEMATICHE DELLA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI La produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili non cos semplice e non si presta cos bene alle esigenze umane come invece si vorrebbe vista la disponibilit intermittente grosso difetto difficilmente compensabile In genere infatti salvo casi particolari come possono essere gli impianti geotermici o a biomassa la produzione di energia non pu essere decisa o pianificata ma deve bens seguire la fonte primaria di energia Ad esempio nel caso
17. UN SOLO FOGLIO DI BACKSHEET Avendo recepito svariati campioni del materiale impiegato come backsheet nei moduli fotovoltaici presso un rivenditore locale e direttamente presso un produttore si scelto di partire dalla verifica del possibile riscaldamento di questo componente per addentrarsi solamente in un secondo momento nel riscaldamento di altri materiali e quindi dell intero modulo o porzione di esso I campioni di backsheet a disposizione differiscono a dire il vero per il diverso produttore l uno del circondario mentre l altro non noto e per diversi colori bianco impiegato nella maggioranza dei casi nero e trasparente I campioni in possesso inoltre sono caratterizzati da dimensioni pressoch pari ad un foglio in formato Ad ovvero 210 x 297 mm alla luce delle dimensioni di una cella fotovoltaica standard di diametro circa pari a 160 mm si deciso di impiegare direttamente questi campioni senza procedere a ridimensionamenti 94 Inoltre le maggiori dimensioni del materiale inserito nel condensatore di lavoro nei confronti dell elettrodo circolare consentono di evitare eventuali fenomeni di scarica tra gli elettrodi presentando di fatto una rigidit dielettrica ben superiore a quella dell aria Se infatti le dimensioni del foglio di backsheet fossero le medesime delle armature del condensatore di lavoro bisognerebbe tenere conto della rigidit dielettrica dell aria come limite massimo per il campo elettr
18. ai contesti nei quali essa fosse facilmente sfruttabile come avviene ad esempio nel caso degli impianti idroelettrici sia pur di vario tipo Solo recentemente la produzione di energia da fonti rinnovabili ha assunto un aspetto pi morale che tecnico nel tentativo di limitare le emissioni inquinanti e diversificare la produzione per non essere cos dipendenti dai combustibili fossili come siamo invece oggi 2 1 ESEMPI DI SFRUTTAMENTO DI ENERGIE RINNOVABILI Analizzando le varie tipologie di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili si possono riscontrare pregi e difetti di ciascun processo di conversione ma mentre per alcuni di questi le tecnologie sono gi definite ed ormai standardizzate per altri processi invece non esistono dati a sufficienza per stabilire quali siano veramente i punti sui quali agire per migliorare tali processi 2 1 1 IDROELETTRICA di vario tipo a serbatoio ad acqua fluente a marea La produzione di energia elettrica a partire dall energia potenziale e cinetica posseduta dall acqua di sicuro la forma energetica rinnovabile sfruttata per prima dall uomo ancor prima di applicare un sistema turbina alternatore stata impiegata attraverso mulini idraulici per scopi quali la macinazione delle granaglie o altre applicazioni mediante la conversione in energia meccanica Dal punto di vista della produzione di energia elettrica stata comunque molto sfruttata e ci avviene ancora oggi in applicazi
19. anno sei entrata nel mio piccolo mondo ma hai saputo donarmi amore e comprensione come forse mai avevo provato prima Grazie per la pazienza non facile avere a che fare con un orso come me tu ci stai riuscendo benissimo Grazie d esistere 103
20. applicare tali misure una volta constata la cessata necessit di combattere la fame e quindi una volta raggiunto una buona qualit di vita all interno del Paese stesso 1 2 5 PRODUZIONE DI ENERGIE DA FONTI RINNOVABILI Come espressamente indicato al punto 4 del precedente elenco riportato nel testo originale del Protocollo di Kyoto una delle azioni da perseguire nel tentativo di ridurre le emissioni inquinanti sta nella ricerca promozione sviluppo e maggiore utilizzazione di forme energetiche rinnovabili Una delle forme energetiche rinnovabili che ha subito uno sviluppo davvero esponenziale stato ovviamente il SOLARE FOTOVOLTAICO anche se non sono da dimenticare numerose altre forme 6 sviluppate di recente o in fase avanzata di progetto come possono essere ad esempio solare termico solare termodinamico geotermico eolico idroelettrico marino e svariate altre biomasse bioetanolo ecc Si pu giustificare quindi uno sviluppo cos massiccio del solare fotovoltaico proprio nel tentativo di raggiungere gli obiettivi fissati dal Protocollo di Kyoto di riduzione delle emissioni inquinanti andando cio a diminuire la produzione termoelettrica classica carbone e petrolio a favore di quest altra tecnologia definita verde e per fare ci si ricorsi al meccanismo degli incentivi statali Non oggetto di questa tesi analizzare e dare un giudizio sul meccanismo degli incentivi statali al fine di promuovere questa tecnologia
21. chiaramente il ciclo di reiniezione dell acqua nel sottosuolo una volta asportato il calore voluto la non ricarica del pozzo geotermico pu portare ad una riduzione della produttivit del pozzo stesso 2 1 6 BIOMASSA Questi impianti consentono di ricavare energia dalla combustione di materiale biologico come pu essere la combustione di legname o scarti di falegnameria ovvero dai gas liberati durante la fermentazione anaerobica degli stessi come avviene ad esempio per il metano liberato dai liquami animali Gli impianti che producono energia dalla combustione di legname ed altro materiale di origine organica si basano sul riscaldamento di un fluido termovettore o acqua direttamente che cedendo calore a del vapore mediante la consueta espansione in turbina permette la conversione in energia elettrica Quelli basati invece sulla combustione di gas liberati durante la fermentazione anaerobica di materiale organico prevedono la raccolta e quindi lo stoccaggio e la combustione dei gas liberati durante la fermentazione in apposite camere di deiezioni animali ed altro materiale organico Un altro campo di impiego degli impianti a biomassa il caso della combustione dei gas liberati durante la fermentazione in discarica della parte organica dei rifiuti solidi urbani anzich finire direttamente in atmosfera questi vengono sfruttati per un utilizzo nobile sebbene vi sia la conseguente produzione di anidride carbonica a seguito della combustione
22. consapevole anche dei moduli fotovoltaici Un ulteriore problema che non si deve dimenticare poi deriva dai possibili traffici illeciti tra Paesi sviluppati ed in via di sviluppo ovvero del possibile traffico di rifiuti tossici anche RAEE quindi dai primi verso i secondi con metodi di smaltimento poco efficienti ovvero in discarica Essendo vietato tale tipo di smaltimento nei primi ma concesso per mancanza di legislazione o semplicemente per condizioni di povert nei secondi si instaurano e gi vengono intercettati traffici illeciti che oltre a portare ad uno smaltimento non idoneo ed inquinante mettono pure a rischio l incolumit umana trattando di fatto in maniera non idonea rifiuti tossici e pericolosi Vi un trattato internazionale dell Organizzazione delle Nazioni Unite il cosiddetto Basel Convention on the Control of Transboundary Movements of Hazardous Wastes and Their Disposal Convenzione di Basilea sul controllo dei movimenti transfrontalieri di rifiuti pericolosi e del loro smaltimento noto anche solamente per Convenzione di Basilea il quale designato per ridurre i movimenti di rifiuti pericolosi Tale convenzione definendo nei relativi allegati i rifiuti considerati pericolosi ed i relativi casi di applicazione tenta di limitare come detto i traffici di rifiuti dai Paesi sviluppati verso quelli in via di sviluppo che verosimilmente potrebbero smaltirli in maniera non adeguata o per assenza di legislazione in materia o pe
23. considerati i parametri e le dimensioni dei moduli fotovoltaici e dei materiali impiegati nello specifico Appurato che in linea teorica il processo risultava fattibile si quindi concluso il lavoro procedendo con qualche verifica sperimentale di quanto simulato al computer ovvero disponendo un sistema di riscaldamento per perdite dielettriche in scala e valutando la correttezza e lo scostamento da quanto precedentemente simulato I capitoli che seguono introducono dapprima il problema della produzione di energia anche quella elettrica e le conseguenze negative che ne possono derivare al pianeta quindi sono state analizzate in maniera rapida alcune delle fonti energetiche rinnovabili che non comportano almeno direttamente emissioni di gas ad effetto serra n inquinamento di altro genere L attenzione viene quindi posta sul fatto che pur essendo considerate tali tecnologie come verdi in realt comportano emissioni inquinanti pi o meno pesanti soffermandosi sulla tecnologia fotovoltaica analizzata in questa tesi se non altro per quanto riguarda i moduli cristallini Brevi cenni sulla conversione fotovoltaica consentono a questo punto di addentrarsi nello specifico dei moduli fotovoltaici ed in particolare nei moduli in silicio cristallino la maggior parte dei moduli prodotti fino ad ora ed attualmente in produzione analizzando i materiali impiegati e le dimensioni caratteristiche per quanto riguarda il processo di riscaldamento per p
24. da rete per il micro controllore dell adattamento di rete Connettore di massa Fusibile di protezione Ingresso ed uscita del circuito acqua di raffreddamento Connettori per cavo in fibra ottica Porta di comunicazione con il generatore Connettore coassiale di ingresso ad alta frequenza 88 Per quanto riguarda le caratteristiche tecniche dal manuale di istruzioni dedicato si possono ricavare le seguenti specifiche tecniche 32 CIRCUITO AD ALTA FREQUENZA Potenza nominale in funzionamento continuo KW 2 5 Frequenza di lavoro MHz 13 56 Corrente di carico massima A 30 Tensione di carico massima kv 3 Impedenza d ingresso QO 50 CIRCUITO DI CONTROLLO Tensione di alimentazione V 230 10 15 Freguenza di alimentazione Hz 50 60 Potenza assorbita VA 30 Fusibile di protezione A 0 2 Tabella 12 2 Specifiche tecniche matchbox PFM 3000 A DESCRIZIONE DEL PANNELLO Come gi accennato nella matchbox vi solamente un pannello che pu essere definito attivo in quanto quello all altro capo della stessa risulta cieco In questo pannello deve quindi avvenire la connessione di tutti i circuiti che interessano la matchbox ovvero il circuito di alimentazione di trasmissione dati e di raffreddamento essendo anch essa raffreddata ad acqua per via della notevole quantit di calore che in essa si sviluppa e che dev essere asportata per evitare r
25. di impianti eolici la produzione sar dettata dalla presenza di vento ed a velocit idonea per il relativo sfruttamento quindi a velocit n troppo alta n troppo bassa viceversa negli impianti fotovoltaici la produzione limitata anzitutto alle ore diurne ed in secondo luogo all assenza di precipitazioni o nubi Come si vede diventa difficile riuscire a pianificare una produzione pressoch costante nell arco delle ventiquattro ore giornaliere e pertanto la destinazione dell energia prodotta da tali fonti dovr per forza di cose andare a coprire la domanda di punta istantanea richiesta pur vero che una massiccia integrazione di produzione da parte di fonti intermittenti ma non contemporanee pu portare ad un certo grado di compensazione su di una rete estesa ma a questo punto intervengono altri problemi di trasmissione di elevata energia a notevole distanza con le relative problematiche connesse Nonostante questo problema non di poco conto indubbio il fatto che l energia prodotta pu essere immessa in rete a patto della riduzione di energia d altra provenienza come pu essere quella proveniente da centrali termoelettriche o altre di base Come dice il termine stesso per le centrali di base devono funzionare a potenza pressoch costante viste le relative caratteristiche tecniche e quindi a questo punto sorgono due vie percorribili la prima consiste nel vendere l energia eccedente all estero l altra integrare la po
26. di utilizzare uno strumento cos potente ma relativamente complicato Tale processo pu impiegare in applicazioni particolarmente complesse tempi molto lunghi dell ordine di giorni tuttavia nel caso in questione vista la semplicit geometrica e la fisica abbastanza semplice si cercato di mantenere tale processo entro l ordine di qualche decina di minuti ottenendo peraltro passi temporali massimi dell ordine del secondo Durante la simulazione possibile seguire in maniera veramente semplice gli step che il solver compie al fine di determinare l andamento temporale del processo di riscaldamento nel caso in oggetto si notano chiaramente gli istanti temporali che esso sta analizzando e vengono pure riassunte le temperature massima e minima riscontrate nel dominio in analisi 11 1 6 POST PROCESSING E VALUTAZIONE DEI RISULTATI RESULTS Il post processing che tradotto sta ad indicare un analisi post processo quindi a processo ultimato sta ad indicare tutte le attivit che possono essere compiute una volta risolto il problema mediante il Solver ovvero una valutazione dei campi siano essi elettrici o magnetici delle temperature e di tutte le grandezze che il software in grado di determinare come ad esempio potenza attiva reattiva tensioni correnti ecc Raccolto in una interfaccia a s stante il post processing viene denominato col termine Results il che molto eloquente e rende immediatamente l ide
27. difficolt nei confronti della limitazione delle relative emissioni grazie all acquisto delle quote necessarie Le principali direttive comunitarie che unitamente formano il pacchetto clima ed energia 20 20 20 sono le seguenti 2001 77 CE sullo sviluppo delle fonti rinnovabili elettriche con obiettivi senza sanzione 2004 8 CE sulla promozione della cogenerazione 2005 32 CE sulla progettazione ecocompatibile dei prodotti che consumano energia 2006 32 CE sull efficienza degli usi finali dell energia e i servizi energetici 2008 98 CE relativa ai rifiuti 2009 29 CE a modifica della 2003 87 CE al fine di perfezionare ed estendere il sistema comunitario sullo scambio di quote di emissione di gas a effetto serra AI di l delle singole tematiche affrontate in ciascuna di queste direttive comunitarie il merito comunque quello di dettare regole limiti e sanzioni in tematiche precedentemente trattate singolarmente da ciascuno Stato In particolare quando si intende che il 20 per l intera Unione Europea dell energia prodotta dovr derivare da fonti rinnovabili si intende l energia complessivamente prodotta ed in ogni sua forma sia sotto forma di elettricit di calore o di qualsiasi altra natura All Italia a seguito del pacchetto energia clima 20 20 20 stato imposto il limite minimo da raggiungere entro il 2020 di produzione di energia da fonti rinnovabili pari al 17 da ripartire essenzialmente
28. distinguere i diversi materiali costituenti risulta essere parecchio difficoltosa ad oggi addirittura non realizzabili in termini economici accettabili visto che con il metodo di riciclo Deutsche Solar i materiali polimerici vengono inceneriti 47 La messa a punto di una tecnologia che permetta la separazione efficiente dei diversi strati ciascuno trattato singolarmente di certo quanto di pi auspicabile si possa pensare bench ci sia molto difficile da realizzare fisicamente Se non una separazione netta di tutti i materiali almeno la possibilit di poter raccogliere separatamente il vetro dalle celle fotovoltaiche ancora dai materiali polimerici impiegati come incapsulanti e come foglio di fondo risulta essere un ottimo traguardo Ci permetterebbe infatti di poter avviare il vetro al relativo processo di riciclo cos come per l alluminio separato precedentemente le celle fotovoltaiche ad un trattamento pure designato ad hoc ed infine i materiali termoplastici ricavati a cicli di trattamento adeguati ovvero all impiego come isolanti o per altri scopi ancora 6 3 ASSEMBLAGGIO DEI MODULI CRISTALLINI Senza scendere nel dettaglio della produzione dei vari materiali impiegati nel modulo in silicio cristallino di seguito si analizzer la produzione o meglio l assemblaggio di questi materiali per ottenere il modulo finito e pronto per essere installato Il modulo cristallino viene prodotto facendo aderire tra loro gli elementi ba
29. e migrare dando luogo ad una corrente elettrica Infine nei materiali semiconduttori gli elettroni di valenza sono vincolati all atomo come negli isolanti ma la differenza di energia tra la banda di valenza e la banda di conduzione molto esigua vale a dire 33 che se questi ricevono una quantit di energia tale da poter passare dalla banda di valenza a quella di conduzione allora possono muoversi liberamente come nei materiali conduttori L energia necessaria agli elettroni per passare dalla banda di valenza a quella di conduzione pu essere fornita dall esterno ad esempio dalla luce mediante l effetto fotovoltaico determinando quindi la possibilit tecnica di avere a disposizione elettroni per la costituzione di una corrente elettrica Avendo a questo punto a disposizione gli elettroni per costituire una corrente elettrica non si ha comunque un generatore elettrico visto che manca un attore in grado di mettere in moto ordinato questi elettroni questo moto pu essere imposto da un leggero campo elettrostatico Il campo elettrostatico necessario a mettere in moto gli elettroni liberati dall effetto fotovoltaico si pu generare mediante una semplice giunzione P N ovvero drogando in maniera opportuna il supporto di silicio mono o poli cristallino in modo tale da ottenere da un lato una zona drogata P dall altra una zona drogata N La fase di drogaggio consiste nell introdurre nella struttura cristallina in questo caso del silic
30. esse istante per istante al fine di verificare per ciascuno di questi istanti come sono distribuiti campi potenze e temperature in gioco nel sistema La figura illustra l interfaccia utente per la definizione dei parametri di risoluzione del problema come si vede si tratta di un interfaccia diversa da richiamare dal Flux Supervisor una volta definite geometria mesh e fisica del caso in analisi la maschera evidenziata illustra i parametri impostabili siel ole 2 Definition of time data Man data Computation data Parameters Output data Options Restarting mode New computation Delectro thermal computation Rg Sampe 0 Restart at time step Steptt time 1 Shape Data Com On Time computation 0 Time values Initial value of the tme step Study time imit Information Limi number of tme steps T Magnitude Valve Unit Masamum value of the time step Time step s Maan temperature deg Celsius Minimum value of the time step Minimum temperate deg Celsius Storage of time steps Estimated time one step on Ramaning tme None user subroutine USRSTK The last step is always stored The first step too except it None selected Ok STOP Ready NUM Fig 11 10 Interfaccia utente del solver Direct per la risoluzione del problema in analisi Ecco quindi che trova estrema importanza la definizione di intervalli temporali non troppo lunghi per non cor
31. il campo elettrostatico intrinseco si potr instaurare una corrente che attraversa la regione di svuotamento L energia posseduta dai fotoni che colpiscono la cella come detto viene quindi rilasciata in parte agli elettroni del semiconduttore consentendo a questi di passare dalla banda di valenza a quella di conduzione rendendoli disponibili per formare una corrente elettrica Illuminando la cella si creano quindi delle coppie lacuna elettrone in entrambe le zone P ed N a questo punto il campo elettrostatico intrinseco separa gli elettroni in eccesso e fa loro attraversare la regione di svuotamento portandoli verso la zona N non consentendo pi il loro ritorno alla zona P dalla quale sono venuti La presenza del campo elettrostatico impedisce infatti agli elettroni di essere accelerati in senso contrario a tale campo per effetto di attrazione e repulsione delle cariche elettriche La figura riportata di seguito chiarisce il meccanismo appena descritto 22 Fixed acceptor impur Fig 4 1 Giunzione P N di una cella fotovoltaica 34 Disponendo due elettrodi a contatto con le due diverse regioni drogate in modo opposto si riescono a catturare gli elettroni messi in moto dal campo elettrico intrinseco e se opportunamente connessi si pu stabilire un circuito elettrico esterno alla cella che consentir di sfruttare questa corrente elettrica per gli usi voluti L elettrodo superiore dovr ovviamente permettere alla radiazione luminos
32. in silicio monocristallino all interno dei Laboratori Bell dagli scienziati Person Fuller e Chapin costituendo la pietra miliare di quel che sono divenuti poi i moderni moduli fotovoltaici Il silicio necessario per la produzione delle celle fotovoltaiche sfruttanti tale materiale come supporto lo si riusc ad ottenere in maniera efficiente e ad elevata purezza solamente in seguito al processo messo a punto da Jan Czochralski 1885 1953 e noto appunto con il nome dello stesso ricercatore ovvero come Processo Czochralski Senza voler scendere troppo nei dettagli della fisica che sta alla base della conversione fotovoltaica si pu comunque descrivere in maniera rapida e semplice ci che succede in modo tale da chiarire ci che avviene dentro ad ogni singola cella fotovoltaica sia essa in silicio mono o poli cristallino sia in film sottile Si deve partire dalla descrizione delle caratteristiche fisiche ed elettriche dei materiali Isolanti Conduttori Semiconduttori Nei materiali isolanti gli elettroni di valenza sono legati all atomo ovvero non possono muoversi e quindi migrare se sottoposti ad un campo elettrico ci almeno fino a quando non avvenga la scarica nel dielettrico con conseguenze peraltro rovinose e non desiderabili Nei materiali conduttori invece gli elettroni di valenza sono poco legati all atomo ovvero se sottoposti ad un campo elettrico questi sono liberi di seguire l azione del campo e muoversi
33. l innalzamento della temperatura di qualche frazione di grado in decine di anni ma possono anche portare ad effetti ben pi pesanti come una riduzione delle precipitazioni o fenomeni atmosferici violenti come possono essere gli uragani o le tempeste tropicali che si stanno diffondendo anche in aree geografiche un tempo non toccate da questi fenomeni 1 2 4 OGGETTO DEL PROTOCOLLO Lo scopo del protocollo si pu riassumere nei seguenti punti fondamentali 1 EN Miglioramento dell efficacia energetica in settori rilevanti dell economia nazionale 2 Protezione e miglioramento dei meccanismi di rimozione e di raccolta dei gas ad effetto serra non inclusi nel Protocollo di Montreal tenuto conto degli impegni assunti in virt degli accordi internazionali ambientali promozione di metodi sostenibili di gestione forestale di imboschimento e di rimboschimento 3 Promozione di forme sostenibili di agricoltura alla luce delle considerazioni relative ai cambiamenti climatici 4 Ricerca promozione sviluppo e maggiore utilizzazione di forme energetiche rinnovabili di tecnologie per la cattura e l isolamento del biossido di carbonio e di tecnologie avanzate ed innovative compatibili con l ambiente 5 Riduzione progressiva o eliminazione graduale delle imperfezioni del mercato degli incentivi fiscali delle esenzioni tributarie e di sussidi che siano contrari all obiettivo della Convenzione in tutti i settori responsabili di emissi
34. la matchbox in alta frequenza Nel pannello anteriore si possono notare i seguenti dispositivi Morsetti di alimentazione Interruttore generale Ingresso ed uscita del circuito acqua di raffreddamento Connettore di massa Connettore coassiale di uscita in alta frequenza Viceversa nel pannello posteriore si possono notare altri dispositivi che sono Porte di comunicazione analogico digitali Connettori per cavo in fibra ottica Connettori per comunicazione con un oscillatore eventuale Led di segnalazione di vari stati del generatore Interruttori rotanti di regolazione per impostazioni di comunicazione Al di l di ci che risulta visibile agli occhi e quindi essenzialmente ci che collocato ai pannelli frontale e posteriore risulta interessante indagare sulle caratteristiche tecniche del generatore suddetto Cos come riportato nelle specifiche tecniche 30 si possono recuperare le seguenti informazioni facendo riferimento solamente al modello in nostro possesso e non all intera gamma di generatori Hiittinger ALIMENTAZIONE Tensione di alimentazione V 3x400 10 Frequenza di alimentazione Hz 50 60 Potenza assorbita massima VA 4800 Fusibile di protezione A 16 L alimentazione avviene mediante connessione alla morsettiera trifase USCITA Potenza Nominale all uscita W 3000 Frequenza di lavoro MHz 13 56 0 005 Impedenza di car
35. matchbox che si trova in una zona sottoposta ad elevati campi elettromagnetici e quindi per far fronte ad eventuali disturbi derivanti da tali campi bisogna adottare un protocollo di connessione in fibra ottica che ne risulta immune Appena sotto i due connettori per il cavo in fibra ottica si trova una porta di tipo seriale per la comunicazione tra matchbox e generatore ad alta frequenza bisogna notare come la rete di accoppiamento monti una porta a 25 pin mentre l analoga porta sul generatore designata in entrambi i dispostivi con la sigla X3 sia una porta a 9 pin 89 Infine in posizione centrale assoluta si trova il connettore coassiale per l ingresso del segnale ad alta frequenza e verosimilmente ad alta tensione visto che il generatore in grado di fornire una tensione di uscita fino a 2 KV La figura seguente evidenzia quanto appena descritto come per il generatore anche per la matchbox si riscontra un pannello molto spartano essendo peraltro quest ultima destinata ad essere installata presso il condensatore di lavoro e quindi non presenta la necessit di dover fornire alcuna informazione all operatore che la utilizza rd Fig 12 7 Pannello matchbox PFM 3000 A Come prescritto nel manuale operativo la matchbox dev essere installata il pi vicino possibile al condensatore applicatore di campo a tal fine per impieghi particolari previsto che un eventuale camera schermata entro la quale avviene il processo deside
36. materiale del quale se ne dispone in notevole quantit cosa saggia provvedere alla verifica del 95 riscaldamento del materiale incapsulante ovvero EVA Etilen Vinil Acetato al fine di confrontare differenti comportamenti rispetto al backsheet Al momento tale verifica sperimentale non ancora stata effettuata ma non ci si aspetta di ottenere risultati estremamente diversi dal caso del singolo foglio di backsheet viste le criticit gi evidenziate come l accordatura della matchbox con il carico Bisogna dire anzitutto che questo materiale differisce abbastanza dal punto di vista fisico dal precedente in quanto risulta essere al tatto molto pi duttile quasi gommoso e forse per tale sensazione si pu essere portati a pensare che questo si riscaldi pi rapidamente La teoria dice che la potenza trasferita dall applicatore di campo si addenser in funzione della permittivit dielettrica relativa e si avr maggior riscaldamento nei materiali che presentano fattore di perdita pi elevato alla frequenza di lavoro in atto In ragione di ci risulta comunque difficile stabilire se sia il materiale di backsheet o quello incapsulante a riscaldarsi di pi e o prima e pure nelle simulazioni al computer sono stati utilizzati dei valori per tali parametri abbastanza grossolani non essendoci una ricca letteratura in materia Comunque sia le simulazioni eseguite dimostrano che la zona che si viene a riscaldare di pi presumibilm
37. notare facilmente questa riveste una quota non trascurabile 7 Produzione netta Saldo estero Consumi amp EE EE EE EE EE Ed Idraulica 3 Apnovabile 15 3 50 6 TWh Biomasse gt woe I Bioenergie 2 7 8 9TWh Agricoli Bioliquidi ska i 0 9 bison b ds 1 5 ME 5 0 TWh ndustriali 44 7 Rinnovabile 2 138 4 TWh 75 4TWh Eolica 2 7 22 8 Tra cui 9 0 TWh Siderurgiche 18 6 TWh Solare Meccanica 21 3 TWh 0 6 Energia ed acqua 16 8 TWh os n 1 9TWh Carbone 10 8 Terziario i gt 31 0 TES Termica 35 rd ine tradizionale i 96 3 TWh CE 44 9 62 8 Tra cui Termica Li Altri 148 3 Tw 207A Te tradizionale Commercio 24 1 TWh Combs 4 i 1 pompaggio P Amministrazione 4 6 TWh gt 33 aad 0 9TWh Illuminazione Pubb 6 4 TWh gt Domestici Idraulica da Pompaggio 1 0 635 a 3 2 TWh 2 Saldo estero 44 2 TWh o 13 4 Produzione netta la produzione lorda al netto dei servizi ausiliari e dei consumi da pompaggio 1 Include la parte biodegradabile dei rifiuti 2 AI netto dei rifiuti solidi urbani non biodegrabili contabilizzati nella termica tradizionale 3 Carbone Lignite 4 AI netto della produzione da biomasse biogas e bioliquidi e dei consumi da pompaggio Fig 2 8 Bilancio elettrico e fonti rinnovabili in Italia alla fine del 2010 In particolare l energia prodotta da fonti rinnovabili nel 2010 stata
38. pacchetto clima energia una serie di direttive comunitarie che analizzando ed andando a trattare specifiche tematiche riguardanti clima ed energia hanno alla fine portato alla definizione di una serie di obiettivi di carattere climatico ed energetico Gli scopi essenziali sanciti nel pacchetto da raggiungere entro la data ultima del 2020 si possono riassumere nei seguenti Riduzione delle emissioni di gas ad effetto serra del 20 Produzione di energia da fonti rinnovabili per una percentuale pari al 20 Raggiungere un risparmio energetico rispetto alle previsioni sui consumi pari al 20 Il sistema europeo di fatto risulta essere il primo esempio di meccanismo multinazionale di scambio di quote di emissioni ad essere entrato in vigore tale meccanismo previsto nel protocollo di Kyoto ma non risulta essere realizzato se non a livello europeo Tale meccanismo prevede un limite massimo delle emissioni concesse a ciascuno degli impianti ricadenti nelle categorie previste dal pacchetto le aziende che sono in grado di contenere le relative emissioni entro il proprio limite possono quindi vendere le quote di emissioni eccedenti viceversa le aziende che sforano i propri limiti possono acquistare titoli per le relative quote necessarie Questo mercato delle quote di emissioni di gas inquinanti risultato di fatto un valido strumento di supporto alle imprese virtuose per la vendita delle relative quote ovvero di aiuto alle imprese in
39. per perdite dielettriche invece l applicazione di pressione agli elettrodi ha il solo scopo di evitare il rischio di scariche in aria mentre si dovr provvedere in maniera abbastanza rapida a staccare i vari strati costituenti il modulo prima che questo si raffreddi eccessivamente Se ci infatti dovesse accadere comporterebbe la necessit di riscaldare nuovamente il modulo ed oltre a non avere certezze a riguardo di eventuali fenomeni circa il riscaldamento in pi tempi dei medesimi materiali che si potrebbero deteriorare comunque non assicurata una perfetta adesione tra gli elettrodi e gli strati che di volta in volta vengono ad essere gli strati superficiali del modulo con possibili deformazioni dovute all azione termica Se quindi un primo riscaldamento almeno in teoria cosa abbastanza fattibile successivi riscaldamenti andando ad adagiare gli elettrodi sugli strati sottostanti potrebbero comportare degli inconvenienti quali una non perfetta adesione dell elettrodo con la superficie o la possibilit di scariche in aria visto che l azione termica pu favorire l insorgenza di bolle e rigonfiamenti dei materiali termoplastici riscaldati Come prima forma di pressione si adotter la pressione fornita dalla forza peso di una massa adagiata sull elettrodo superiore in modo tale che questo venga ad agire sullo strato superficiale di backsheet quindi con il modulo rivolto verso il basso contrariamente alla disposizione nella sua in
40. quasi tutti i materiali impiegati come backsheet non esistono pubblicazioni delle relative caratteristiche elettriche essendo protetti da brevetti come succede pure per i materiali incapsulanti Come avvenuto per i materiali incapsulanti anche per i materiali impiegati come fondo del modulo quindi non semplice reperire le relative caratteristiche elettriche probabilmente ancora una volta poich tali dati non sono richiesti per legge ed i produttori badano bene a non divulgarli se non sono obbligati BACKSHEET FOR PHOTOVOLTAIC MODULES FILMBACK PVS 190 is a laminate made with two layers of HIGH PERFORMANCE POLYF STER FILM Cell side is treated with a Special Primer with extremely high bond to EVA Primer can be supplyed in different colours FILMBACK PVS is properly suitable for Photovoltaic Cells module incapsulation thank to its long term resistance to hydrolysis and UV rays its high voltage insulation features and its strong barrier to atmospheric agents especially oxygen and humidity Special Primer 80 um Laminating Adhesive PET Film 190 um Laminating Adhesive SE PET Film Air side White 50 gm FILMBACK PVS 190 MAIN FEATURES 1 Excellent resistance to atmospheric agents and outdoor exposure 2 Strong barrier against oxygen and humidity permeation 3 Long term resistance to adhesive hydrolysis 4 High voltage insulation TECHNICAL SPECIFICATIONS UNIT Vit EVA adhesion primer coated side vs EVA N 10mm Fig 9
41. semplificazione che comporta errori trascurabili nei confronti dei risultati ottenuti si sono impiegate due line regions ai contorni degli elettrodi potendo considerare questi ultimi come perfetti conduttori e considerando il campo applicato direttamente al modulo La figura illustra in maniera evidente dove sono state applicate le due line regions rappresentanti ciascuna uno dei due potenziali applicati alle due diverse armature del condensatore di lavoro come si pu vedere le due line regions sono state adagiate alle facce delle armature del condensatore e sono state ipotizzate avere uno spessore nullo ParameteriQuantiy Display View Select veleoevinys sions enta T few mm EE EE Fig 11 9 Vista delle line regions applicate agli elettrodi 11 1 5 RISOLUZIONE DEL PROBLEMA SOLVING PROCESS Il processo di risoluzione del problema consiste nel risolvere le equazioni che descrivono la geometria e le caratteristiche dei materiali una volta che siano imposte le condizioni al contorno siano esse 73 dovute alle imposizioni dettate dal campo elettrico applicato o dalle condizioni al contorno dovute alla temperatura dell ambiente ed al potenziale imposto dalla gabbia di Faraday di sicurezza Trattandosi nella fattispecie di un problema nel dominio del tempo ovvero volendo valutare istante per istante come evolve il processo di riscaldamento le suddette equazioni devono essere risolte anch
42. si proceduto con simulazioni via via pi complesse procedendo dal caso di un singolo strato di materiale dielettrico e riscaldabile per perdite dielettriche al caso di una sezione di modulo dalle dimensioni di un intera cella fotovoltaica ma tralasciando gli elettrodi del condensatore di lavoro per finire con una simulazione abbastanza dettagliata comprendente una porzione di modulo pari ad una cella compresi gli elettrodi applicatori di campo Nel caso in cui si voglia affrontare la simulazione di un intero modulo fotovoltaico baster prendere la geometria disegnata per una singola cella e ricopiarla uguale a se stessa per un numero pari al numero di celle presenti su di un lato mentre adottando una modellizzazione 3D si possono definire dettagli prima trascurati come la forma delle celle a seconda che si tratti si silicio mono o poli cristallino e svariati altri particolari Il lavoro di simulazione si pu riassumere essenzialmente in 6 punti e Definizione della geometria GEOMETRY e Meshing del dominio di calcolo MESHING e Definizione del problema APPLICATION e Definizione delle propriet fisiche PHYSICS e Risoluzione del problema SOLVING PROCESS e Post processinge valutazione dei risultati RESULTS All interno poi di ciascuna di queste fasi operative si possono distinguere pi sottopassaggi elementari ma non essendo oggetto di questa tesi l analisi approfondita del processo di simulazione questi
43. si individuano chiaramente quelle che sono le porte analogico digitali di comunicazione con l elaboratore dedicato queste seguono i protocolli RS 232 RS485 PROFIBUS CANBUS DEVICENET 84 Ciascuno di questi protocolli fanno ricorso a porte di comunicazione diverse ma non essendo oggetto di questa tesi l analisi dei protocolli di comunicazione tra elaboratore e generatore questo aspetto non verr approfondito ulteriormente Adiacente all area occupata dalle porte di comunicazione con il computer sono presenti due connettori per cavo in fibra ottica questi due cavi sono previsti per la comunicazione tra il generatore e la matchbox in modo tale da poter impostare e visualizzare parametri e grandezze della matchbox accedendo direttamente dal generatore La connessione in fibra ottica necessaria visti gli elevati campi elettromagnetici presenti e gli eventuali disturbi che possono nascere nella comunicazione tra generatore e matchbox e per consentire inoltre una comunicazione dei dati molto rapida Nella parte superiore del pannello sono presenti due connettori per la possibile connessione in ingresso ed in uscita di un segnale di riferimento altrimenti detto di Clock per la sincronizzazione con eventuali altri generatori connessi allo stesso sistema Il connettore di ingresso IN permette l ingresso del segnale di riferimento a 13 56 MHz proveniente da un oscillatore pilota ed in questo caso il generatore lavorer come su
44. sopra quindi della frequenza di lavoro Unitamente al cavo pure il connettore stesso del tipo 7 16 presenta ottime qualit visto che permette la trasmissione di segnali fino a 7 GHz e quindi risulta limitante la frequenza massima del cavo anzich del connettore Fig 12 4 Cavo coassiale di potenza per l interconnessione generatore matchbox 12 1 3 DOPPIO CAVO IN FIBRA OTTICA Al fine di garantire una comunicazione costante e sicura tra generatore e matchbox d obbligo l impiego di un protocollo di comunicazione tra i due dispositivi che non risenta di eventuali interferenze che possono insorgere dalla presenza di elevati campi elettromagnetici e pure ad alta frequenza La connessione in fibra ottica nel caso specifico permette di interconnettere il generatore ad alta frequenza con la matchbox in modo tale che questo funzioni da pilota nei confronti di quest ultima e riesca allo stesso tempo a ricevere dati da questa circa i valori assunti istante per istante dai condensatori di capacit variabile la tensione al carico e cos via La trasmissione ottica presenta due grossi vantaggi il primo un elevata velocit di trasferimento dei segnali e quindi la possibilit di trasmettere maggiori quantit di dati rispetto ad altri standard di trasmissione a parit di tempo l altro grosso vantaggio quello di essere immune da eventuali campi elettromagnetici che si vengono a sviluppare nell area interessata dal transito deg
45. specifico della teoria che sta dietro il riscaldamento per perdite dielettriche eventualmente si potranno consultare testi specifici in materia come Appunti di Elettrotermia di Sergio Lupi si possono fare delle semplici considerazioni su tale tecnologia di riscaldamento Innanzitutto bisogna dire che questa tecnologia risulta essere abbastanza recente sebbene abbia mosso i primi passi gi dagli anni 30 presso i laboratori Bell del New Jersey USA infatti la diffusione di questo tipo di riscaldamento ha iniziato ad emergere solamente negli ultimi vent anni di fatto Punto cruciale per un riscaldamento efficace del materiale dielettrico oggetto del riscaldamento che questo presenti caratteristiche fisiche tali da consentirne un riscaldamento rapido ovvero che sia particolarmente sensibile alla frequenza di lavoro del sistema 7 1 POTENZA TRASFERITA La potenza che viene sviluppata in calore all interno del dielettrico sede del riscaldamento si pu desumere grosso modo a priori in base a considerazioni teoriche basate sulle caratteristiche del materiale sede del riscaldamento della geometria del dispositivo realizzato e delle grandezze elettriche imposte dalla sorgente del campo elettrico alternato Dalla letteratura scientifica si pu ricavare facilmente la potenza specifica W m trasformata in calore nel materiale riscaldato questa risulta essere funzione dei seguenti parametri 49 Pulsazione angolare o Camp
46. tra produzione di energia elettrica energia termica e trasporti Per quanto riguarda inoltre il settore trasporti viene definito un limite ulteriore ovvero entro la solita data del 2020 almeno il 10 dei consumi di carburante per l autotrazione dovr derivare da biocarburanti di provenienza non fossile quindi Tra gli spunti pi ottimistici vi infine la proposta di ratificare in futuro nuovi accordi per tentare di raggiungere traguardi ancora pi elevati con una riduzione delle emissioni inquinanti del 30 entro il 2030 rispetto a quelle registrate nel solito 1990 o addirittura del 50 entro il 2050 Se anche tali traguardi non fossero ratificati e o raggiunti gi la decisione di voler continuare sulla strada dettata dal protocollo di Kyoto pu smuovere l opinione pubblica e politica globale nella speranza che il modello europeo venga imitato nessuno pu infatti affermare che una riduzione delle emissioni inquinanti porti a danni 2 PRODUZIONE DI ENERGIA DA FONTI RINNOVABILI Vale la pena di esporre sin da qui una differenza a volte trascurata nel modo comune di parlare che riguarda la differenza esistente tra i termini RINNOVABILE ed ALTERNATIVA termini che molto spesso vengono usati come sinonimi ma che tali non sono Con il termine RINNOVABILE infatti si intende generalmente una fonte energetica il cui sfruttamento non ne comporta il relativo esaurimento potendo questa rigenerarsi almeno con la stessa velocit con la quale vie
47. vorrebbe rivedere i punti obiettivo da raggiungere entro la fine del 2012 caso eclatante l uscita dal protocollo da parte del Canada avvenuta il 12 dicembre 2011 Se infatti l obiettivo per il Canada era una riduzione delle emissioni pari al 6 rispetto a quelle del 1990 la verit che nel 2009 le emissioni registrate sono state superiori di ben il 17 rispetto all anno preso come riferimento fatto sta che il governo canadese invoc i propri diritti legali per una fuoriuscita formale dal trattato internazionale cosa fortemente osteggiata dall opinione pubblica un po ovunque nel mondo Italia compresa 1 2 3 IL PROTOCOLLO DI KYOTO Alla base di tutto sta l ipotesi per la quale il riscaldamento del globo terrestre almeno negli ultimi cento anni da imputare in maniera preponderante se non totalmente all attivit antropica l uomo infatti a partire dalla rivoluzione industriale ha emesso in atmosfera quantit sempre maggiori di gas ad effetto serra legati ai vari processi industriali venutisi a sviluppare nel tempo I gas ad effetto serra come evidenziato dallo stesso aggettivo con il quale vengono classificati producono un effetto paragonabile a quanto avviene in una comune serra come tutti ormai ben sanno si pu in realt definire in base all effetto che producono due effetti serra diversi effetto serra NATURALE ed effetto serra ACCELERATO L effetto serra NATURALE il responsabile se cos lo si vuo
48. www cobat it 16 tutta italiana per la raccolta il riciclo e lo smaltimento dei pannelli fotovoltaici Si tratta in realt ancora di una filiera in linea teorica visto che da quanto si riesce ad apprendere non esistono ancora impianti per il recupero e lo smaltimento dei materiali costituenti i moduli ma segna comunque un passo avanti verso la costituzione di un sistema efficiente di riciclo visto che ad oggi in Europa ne esiste solamente uno in Germania Un altro esempio di consorzio che si per cos dire ammodernato al fine di poter gestire questo tipo di rifiuti che come si vedr in futuro diverr un rifiuto potenzialmente prezioso REMEDIA consorzio di gestione ecosostenibile di rifiuti tecnologici ovvero RAEE Sicuramente da qui al 30 giugno 2012 si costituiranno nuovi organismi o consorzi gi esistenti si adegueranno a questo tipo di rifiuti visto che l adesione ad uno di questi sistemi certificati diverr passo obbligato per poter usufruire degli incentivi statali Viceversa non aderendo ad un sistema certificato per il recupero ed il riciclo di moduli fotovoltaici significher rimanere fuori dal mercato visto che ancora ad oggi il mercato legato al fotovoltaico si regge grazie agli incentivi statali A livello europeo si deve per forza di cose nominare PV CYCLE www pvcycle org 17 un organizzazione senza fini di lucro volontaria che raggruppa tutti i produttori ed importatori sui mercati europei di celle e
49. 2 Esempio di scheda tecnica di un materiale di backsheet 55 METHOD VALUE caliper caliper caliper 10x10 weight ASTM D 882 ASTM D 882 ASTM D 882 ASTM D 882 ASTM D 1204 ASTM D 1204 180 peel internal ASTM F 1240 gt 25 caliper je lt g dili l l l l ihih Un esempio di scheda tecnica relativa ai materiali di backsheet quello riportato poco fa come si pu velocemente notare le schede di incapsulanti e di backsheet si assomigliano molto ed anche in questo caso non si riesce a ricavarne le caratteristiche volute 27 A dire il vero alcuni grossi produttori si spingono a fornire qualche caratteristica in pi rispetto a quelle previste per legge non temendo molto la concorrenza di piccoli produttori ma il modo in cui forniscono tali dati piuttosto astuto Tali caratteristiche infatti vengono fornite in maniera abbastanza confusa o comunque in modo tale da non riuscire a ricavare dati certi e precisi fornendo quindi pi una visione qualitativa che quantitativa delle caratteristiche tecniche espresse Un esempio dei dati ricavabili dai data sheet dei grossi produttori come DuPont quello che segue in questo caso le cose migliorano rispetto al caso dell EVA visto che possibile ricavare seppure in maniera grossolana le caratteristiche di permittivit dielettrica e di fattore di dissipazione in funzione della frequenza e della temperatura del materiale stesso quindi facendo fronte contemporaneament
50. 27 3 4 SITUAZIONE ATTUALE TECNOLOGIE ESISTENTI e 29 3 4 1 METODO SOLARWORLD PER MODULI IN SILICIO CRISTALLINO 29 3 42 METODO FIRSTSOLAR PER MODULI IN FILM SOTTILE esse esse esse ees 30 3 5 SVILUPPI FUTURI PER IL RICICLO eee ere eee 31 4 CONVERSIONE FOTOVOLTAICA nilo 33 4 1 EFFETTO FOTOVOLTAICO 33 cuit uber heal la lati 33 5 IL MODULO FOTOVOLTAICO e 37 5 1 IL MODULO CRISTALLINO cece see se ee ee ossessi GR RA RA Ge ee Ge ee ee ee 38 5 1 1 SILICIO MONOCRISTALLINO se ee ee Ge Ge Rd Ge ee ee ee ee Ge ee ee ee 38 5 1 2 SILICIO POLICRISTALLINO O MULTICRISTALLINO see sees se ee see se ee 39 5 2 IL MODULO IN FILM SOTTILE eee 40 6 IEMODULOCRISTALILINO Ee gese se Eg Eg avin Ee Ge Ge GEE see ek Gee Ee ASe Re Re Bee ERG Pe SEG Ge tages 43 6 1 MATERIALI IMPIEGATE pri habla icaro ini dee dialer E E eA TEREE obese ed 44 6 1 1 4 GEREEN EE OR EK RE ORE EE OE OER aaa Uso 44 6 1 2 VER dy id ORE HER OE EE RE OE EE BEE voed 45 6 13 SIEIEIO seni ela ci a eg Ee Ge RE ea EE BU lieu 45 6 1 4 died EE RE EK AE 46 615 ANCAPSULANTE CEVAC sees aida dalla 46 6 1 6 MULTISTRATO TERMOPLASTICO di vario tipo se ee ee ee ee ee ee ee ee ee se ee see ee ee 46 6 1 7 POLIMERI VARI Junction box see esse ese see ee ee ee ee ee ee ke ee ee eed Gee bee se ee ee ee ke ee 47 6 2 DIMENS
51. ADEGUATA PRESSIONE TRA ELETTRODI E MODULO FOTOVOLTAICO corraini lin E TA ali ep Ee GE ie ee oe eee Ee ee Se eed 62 10 2 1 COMPONENTI DEL PROCESSO DI RICICLO esse ese ese se see ee ee ee ee ee ee 62 TI SIMULAZIONI o a EE EE OE OE rg 65 11 1 SCHEMADIPRINCIPIO se ee see ee see see Ge ke ee Gee bee Gee be ee ee ee ee Se Re GR Ge ee 66 11 1 1 DEFINIZIONE DELLA GEOMETRIA GEOMETRY ui 67 11 1 2 MESHING DEL DOMINIO DI CALCOLO MESHING ooo e 68 11 1 3 DEFINIZIONE DEL PROBLEMA APPLICATION see see sees ee ee se ee se ee 70 11 1 4 DEFINIZIONE DELLE PROPRIET FISICHE PHYSICS 71 11 1 5 RISOLUZIONE DEL PROBLEMA SOLVING PROCESS eee certs 73 11 1 6 POST PROCESSING E VALUTAZIONE DEI RISULTATI RESULTS 75 11 2 CONSIDERAZIONI SULLE SIMULAZIONI ALL ELABORATORE 79 II 12 PROVE SPERIMENTAL T iii 81 12 1 STUDIO DEL GENERATORE AD ALTA FREQUENZA n 81 12 1 1 GENERATORE AD ALTA FREQUENZA QINTO 3013M n 82 12 1 2 CAVO COASSIALE DI INTERCONNESSIONE RG 214 ese esse esse esse esse see 86 12 1 3 DOPPIO CAVO IN FIBRA OTTICA esse ese see see ee ee ee GR ea ee se ee ee 86 12 1 4 ADATTATORE DI CARICO PFM 3000 A i 87 122 DISEGNO PRELIMINARE DEL CONDENSATORE DI LAVORO eee 90 13 PROVE SPERIMENTALI IN DIVERSE CONFIGURAZIONI O
52. E Il riscaldamento per perdite dielettriche una particolare tipologia di riscaldamento elettrico ad alta frequenza basato sull effetto termico che si manifesta nella massa di un materiale dielettrico sottoposto all azione di un campo elettrico ad alta frequenza 25 Tale effetto dovuto a fenomeni di polarizzazione relativi agli spostamenti microscopici delle cariche elettriche legate ai relativi atomi ed al passaggio diretto di correnti di conduzione che si manifestano in presenza di cariche libere che si manifestano sotto l effetto del campo stesso Nei materiali dielettrici tuttavia si ha quasi sempre bassa conducibilit sicch si pu trascurare la componente dovuta alle correnti di conduzione mentre si devono considerare gli spostamenti microscopici dovuti al tentativo da parte delle cariche legate di seguire il campo elettrico ad alta frequenza imposto dall esterno Il processo elettrotermico di riscaldamento per perdite dielettriche consente di riscaldare direttamente il materiale dielettrico infatti i materiali dielettrici sono quasi tutti caratterizzati anche da bassa conducibilit termica ovvero volendo riscaldare questo tipo di materiali dall esterno con tecnologie classiche servirebbero tempi notevoli con i relativi oneri economici Inoltre si correrebbe il rischio di ottenere un profilo termico molto pericoloso con la superficie che va a riscaldarsi molto al limite troppo mentre il cuore potrebbe anche non raggiunger
53. IA 2010 Photon international March 2010 EPIA analysis Efficiency based on Standard t conditior Fig 5 2 Rendimenti dei moduli fotovoltaici in commercio La tabella riporta pure l area necessaria da impiegare con le diverse tipologie di modulo fotovoltaico per ottenere una potenza elettrica pari ad 1 kW in condizioni standard com ovvio serve un area maggiore al diminuire dell efficienza della cella e del rispettivo modulo 5 1 IL MODULO CRISTALLINO Il modulo cristallino rappresenta come detto la maggior parte della produzione attuale e passata di moduli fotovoltaici stata di fatto la prima tecnologia a svilupparsi e proprio in ragione di questo fatto la si pu ormai considerare una tecnologia matura sebbene vi siano ancora alcuni margini di miglioramento All interno di questa tipologia si possono distinguere due diverse famiglie di celle fotovoltaiche caratterizzate dal modo di cristallizzazione del silicio stesso SILICIO MONOCRISTALLINO SILICIO POLICRISTALLINO O MULTICRISTALLINO Pur differendo per il particolare procedimento di solidificazione del silicio fuso entrambe le tecnologie prevedono la formazione di lingotti circa del diametro della cella attorno ai 15 16 cm i quali vengono in seguito tagliati in direzione trasversale a lamine dello spessore delle singole celle e cio circa 300 um Questi moduli sono caratterizzati dal fatto che presentando un supporto rigido devono per forza di
54. IONI DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA La prima reale verifica sperimentale della fattibilit del processo di riscaldamento si realizza solamente una volta sottoposta almeno una porzione di modulo fotovoltaico al procedimento precedentemente impiegato ai singoli materiali termoplastici citati 96 Prendendo un modulo fotovoltaico in silicio policristallino si quindi provveduto a sezionarlo in porzioni dalle dimensioni circa pari ad una singola cella fotovoltaica ovviamente facendo in modo che in ogni porzione vi fosse la propria cella Utilizzando i medesimi elettrodi impiegati nelle altre prove sperimentali si in questo caso inserito all interno del condensatore una singola porzione di modulo questa volta ponendo maggiore attenzione ad eventuali possibilit di scariche in aria avendo la cella delle dimensioni minori dei fogli termoplastici impiegati in precedenza La foto che segue illustra la configurazione di lavoro si pu notare un aspetto critico dato dalla forma convessa assunta dalla porzione di modulo una volta che questo stato sezionato Fig 13 3 Configurazione di lavoro con una porzione di modulo Viste le condizioni fisiche della porzione di modulo a disposizione si deciso di adottare un ulteriore mezzo cautelativo nei confronti di eventuali scariche tra gli elettrodi che potessero interessare il modulo Il modulo a seguito del relativo sezionamento in porzioni dalle dimensioni di una cella fotovoltaica circa 16 c
55. IONI ESPESSOR Dire ED DE Og Retin ER Begeer eee ae ee ini 47 6 3 ASSEMBLAGGIO DEI MODULI CRISTALLINI in 48 7 RISCALDAMENTO PER PERDITE DIELETTRICHE sees se esse esse ese ee se ge ee ke ee ee ee ee ee 49 7 1 POTENZA TRASFERITA acri Ea a E E E RET 49 8 LAMINAZIONE PER RADIOFREQUENZA e 51 9 MATERIALI DI INTERESSE PER LA LAMINAZIONE A RADIOFREQUENZA 53 9 1 CARATTERISTICHE FISICHE ED ELETTRICHE esse esse se es se esse ese ee ee ee ee ge ee 53 91 1 INGAPSULANTE EVA ica ae ala lella ious Ee bee Gee 54 9 12 BACKSHEET MUTLISTRATO VARI esse esse esse ese ee see ee ke ee ee ee ee ee ee ee ee ee ee se ee 54 9 2 REPERIMENTO CARATTERISTICHE VOLUTE ese se see se ee ee ee ee ee ee ee ee ee se ee se ee 56 9 2 1 RICHIESTA AI PRODUTTORI es sees se ee se ee se ee ee ee Ge Gee Ge Re Ge ee Re ee ee ee 57 9 22 DETERMINAZIONE SPERIMENTALE ese esse ese ese ee see ee ke ee ee ee ee ee ee ee ee ee ee se ee 57 9 3 VALORI IMPIEGA T e Abin lara ie De Ene sei tates Ge REG i eg RE Oe Rede Ge eed Ese 58 10 DELAMINAZIONE PER RADIOFREQUENZA sees sees se ee se ee se ee se ee se ee se ee ee ge ee ge ee ge ee ee ee 59 10 1 APPLICAZIONE DI UN CAMPO ELETTRICO AD ALTA FREQUENZA 60 10 1 1 dude ER ER RE EE RE EER EE ti 61 10 1 2 EREOUENZAS SE ES lee Ge Be ed De Re enh Lia Lain 61 10 2 APPLICAZIONE DI UN
56. PERATIVE 93 13 1 1 RISCALDAMENTO DI UN SOLO FOGLIO DI BACKSHEET 94 13 1 2 RISCALDAMENTO DI UN SOLO FOGLIO DI INCAPSULANTE EVA 95 13 1 3 RISCALDAMENTO DI UNA PORZIONE DI MODULO COINCIDENTE CON LE DIMENSIONI DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA i 96 13 1 4 RISCALDAMENTO DI UNA PORZIONE DI MODULO COINCIDENTE CON LE DIMENSIONI DI QUATTRO CELLE e 97 13 1 5 RISCALDAMENTO DI UN INTERO MODULO FOTOVOLTAICO 98 l4 CONCLUSIONI A etl Reese ala 99 15 BIBLIOGRAEFIA WAAR EE ONE REKE ER RE N 101 16 RINGRAZIAMENTI frre bee eek EK iatale Ee ES eg BEER Gee E Sep Dee Ee anaes 103 III IV SOMMARIO L esplosione del mercato fotovoltaico in Europa e pure in Italia dell ultima decina di anni ha comportato l installazione di milioni di moduli fotovoltaici su ogni metro quadrato esposto al sole dai tetti delle abitazioni alle coperture dei capannoni per finire con gli impianti a terra sui campi coltivati fino a poco tempo fa Facendo riferimento ad una vita media stimata per tali dispositivi che si aggira tra i venti ed i trent anni almeno stando a quanto affermano i costruttori si capisce chiaramente che tra una decina d anni ci si trover a dover fare i conti con un volume di moduli da dismettere non indifferente Le attuali tecnologie esistenti per il riciclo dei moduli fotovoltaici pur consentendo il riciclo di un elevata percentuale dei mater
57. SINO Project B gt id Physics B Domain co Infinite Box nk Periodicity f Symmetry E Domain options B Regions 3 Point region Line region ay Loading data model Fiux_model stp lecording commands in C PORTATILE PERSONALE LAUREA MAGISTRALE PROVE PROVE_2D PER_TESI Pref1u2D_log py PREFLU_10 3 1 Finite Element preprocessor 1000 Mo N LE Mo C Build 0907021841 Win32 ay Ar i Fig 11 7 Interfaccia utente della sezione Physics per la definizione delle caratteristiche fisiche Una volta definiti quindi i materiali e le caratteristiche relative si proceduto con l assegnazione a ciascuna regione presente nella geometria del relativo materiale costituente ci avviene molto semplicemente in pochi passaggi anche se occorre prestare un po di attenzione alla definizione del comportamento termico ed elettrico per evitare di trascurare fenomeni di riscaldamento dove vi possano essere e viceversa L immagine riporta la maschera di definizione di un nuovo materiale con le relative caratteristiche fisiche elettriche magnetiche termiche contenute in apposite sottosezioni come evidenziato dal riquadro in rosso No information on this Item CC i I Fig 11 8 Maschera di definizione di un nuovo materiale e delle relative caratteristiche 72 Molta attenzione dev essere posta anche nella defin
58. STICO di vario tipo Salvo casi eccezionali essenzialmente per uso architettonico il materiale di fondo del modulo fotovoltaico pu essere di diverso tipo visti inoltre gli sviluppi tecnologici in fatto di materiali impiegati Storicamente si impiegato un materiale polimerico non trasparente prodotto dalla DuPont e noto con il nome commerciale di Tedlar in seguito invece probabilmente anche per ovviare ai costi ed alle limitazioni imposti dai brevetti industriali si sono cominciati ad impiegare e si impiegano a tutt oggi altri materiali multistrato sempre a base di polimeri termoplastici Ad esempio uno dei materiali da noi analizzati un materiale multistrato costituito da un primo strato lato cella costituito da uno speciale materiale o addirittura direttamente EVA atto a facilitare l adesione del foglio di EVA su di esso quindi un adesivo per incollarlo allo strato intermedio di PET Poli Etilene Tereftalato un secondo strato di adesivo ed infine un ultimo strato di PET di colore diverso a seconda del colore voluto in genere bianco ma anche nero o trasparente Questo materiale multistrato viene prodotto attraverso appositi laminatoi che assemblano scaldano e quindi pressano i materiali costituenti per poi fornire ai produttori di moduli fotovoltaici bobine da centinaia di metri del materiale gi pronto per l impiego nei moduli Assume particolare interesse l analisi di un possibile riscaldamento per perdite dielett
59. UNIVERSIT DEGLI STUDI DI PADOVA FACOLT DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA ELETTRICA TESI DI LAUREA MAGISTRALE TECNOLOGIE ELETTROTERMICHE PER IL RICICLO DI MODULI FOTOVOLTAICI IN c Si RELATORE CH MO PROF DUGHIERO FABRIZIO DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA ELETTRICA CORRELATORE ING DONI ANGELO DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA ELETTRICA LAUREANDO POZZA STEFANO ANNO ACCADEMICO 2011 2012 SOMMARIO Anaao OE ER OE RE EE OR EE EE OG V INTRODUZIONE reaa Rn Ge BR EE De Ge A OE IE eR V 1 QUESTIONE AMBIENTALE AS Ee Re Gees eg eg Ve eg Eg ee be EG ge es ee ep eae eee 1 1 11 RISPARMIO ENERGETICO sx as iS Ge asthe nai ee Ee eie Ge 1 1 12 MIGLIORE SFRUTTAMENTO DELLE RISORSE DISPONIBILI 2 1 2 IL PROTOCOLLO DI KYOTO se se se se ee Ge ee ee ee ee Se Ge Re GR Ge RA ee be ee 3 12 1 INTRODUZIONE ish inc GE Se ve Ee tiie on Side aces linia ES eee aes el cia 3 1 22 PRECEDENT ian RR nat 3 12 8 IL PROTOCOLLO DI KYOTO are NE ati ate iar Bee See 4 124 OGGETTO DEL PROTOCOLLO alan 6 1 2 5 PRODUZIONE DI ENERGIE DA FONTI RINNOVABILI n 6 1 3 IL PACCHETTO CLIMA ENERGIA 20 20 20 UE ii 7 2 PRODUZIONE DI ENERGIA DA FONTI RINNOVABILI se esse ese ee ee ee ee ge ee ee ee ee ee 9 2 1 ESEMPI DI SFRUTTAMENTO DI ENERGIE RINNOVABILI see se ee se se ee ee 10 2 1 1 IDROELETTRICA di vario tipo a serbatoio ad acq
60. a che tale processo risulti pure economicamente valido 98 14 CONCLUSIONI Il lavoro di tesi si prefiggeva lo scopo di analizzare un aspetto importante di una tecnologia emergente com il fotovoltaico una prima analisi dello stato dell arte in merito alle tipologie di moduli impiegati ha permesso di prendere confidenza con l oggetto principe dello studio L analisi dei materiali impiegati e delle dimensioni caratteristiche ha quindi concesso di addentrarsi in una materia molto specifica ma allo stesso tempo variegata cercando di prendere confidenza con le varie metodologie produttive oggi adottare La ricerca bibliografica sulla materia trattata ha fornito i mezzi e gli strumenti necessari per comprendere tutti i vari passaggi che consentono di ottenere un modulo fotovoltaico a partire dal silicio e da pochi altri materiali bench tecnologicamente all avanguardia Analizzare i brevetti industriali esistenti in merito a metodi di produzione ma anche di riciclo dei moduli fotovoltaici ha stimolato un interesse verso quanto non vi ancora di brevettato e bench la materia sia ampiamente trattata in tutto il mondo alcuni spazi nei quali agire vi sono tuttora L impiego di software applicativo di simulazioni elettro termiche ha consentito di prendere dimestichezza con strumenti di calcolo oggi giorno indispensabili nel mondo professionale ed ancor di pi in quello accademico Le prove sperimentali hanno quindi fatto da cappello al lav
61. a di ci di cui si tratta viene aperto anch esso dall interfaccia Preflu ed lo strumento pi interessante al fine di una valutazione qualitativa e quantitativa dei risultati ottenuti Esso risulta in realt lievemente meno semplice nell utilizzo per quanto riguarda la rapidit in alcuni comandi come lo zoom la selezione ecc rispetto all interfaccia Geometry and Physics ma risulta per essere molto efficace dal punto di vista della valutazione dei risultati 75 HUGO PestPre 0 Parameters Window Help AES ABC Ree Bt gt e Fig 11 12 Interfaccia della sezione Results per la valutazione dei risultati Mediante diverse modalita grafiche si possono esprimere tramite mappe a colori vettori linee di campo grafici e diagrammi le diverse grandezze di interesse si possono inoltre determinare una volta dato il comando di calcolarle grandezze non direttamente leggibili come possono essere l energia elettrostatica o magnetica immagazzinate in un oggetto ovvero tensioni e correnti circolanti o caratterizzanti aree specifiche del circuito oggetto in esame selezionabili a piacere Si possono definire linee o sezioni a piacere e lungo di esse si possono determinare grandezze diverse ad esempio il campo elettrico o altre variabili per poi andarle a computare su diagrammi o grafici al fine di una valutazione di come queste grandezze variano lungo la linea o sezione designat
62. a di raggiungere la giunzione P N zona nella quale avviene di fatto la conversione energetica e pertanto sar realizzato a forma di griglia in modo da poterne permettere l illuminazione L elettrodo inferiore invece potr essere realizzato di qualsivoglia forma visto che non vi la necessit di permettere l attraversamento da parte della luce di questo in genere un sottile strato in materiale conduttore disposto sotto l intera area della cella Richiuso il circuito elettrico infatti vi sar un flusso elettronico che a partire dalla regione N attraversando il circuito esterno fluir alla regione P e quindi verr di nuovo fatto attraversare la regione di svuotamento dal campo elettrico intrinseco alla cella se questa risulta illuminata Ovviamente per poter sfruttare in maniera adeguata le piccole correnti che si vengono a creare in una singola cella fotovoltaica ci sar bisogno dell interconnessione di pi celle tra loro a formare un modulo fotovoltaico e o di pi moduli fotovoltaici tra loro a formare una stringa fotovoltaica Il materiale di supporto nel caso di cella fotovoltaica in silicio sia esso mono o poli cristallino ovviamente il silicio del quale costituita il silicio presenta numero atomico 14 ovvero nella sua struttura atomica caratterizzato dalla presenza di 14 elettroni dei quali 4 sono elettroni di valenza ovvero possono partecipare all interazione con altri atomi presenti nelle vicinanze e se opportun
63. a in precedenza Uno strumento che si dimostrato molto utile nel caso specifico stato il modulo di animazione nello specifico di Flux Animation il quale permette di valutare una volta selezionata una grandezza di interesse come questa vari durante l intervallo di simulazione ad intervalli regolari e con velocit impostabile a piacere ovvero selezionando un istante a scelta valutare come sono distribuiti in quell istante le grandezze di interesse Sono poi possibili molte altre opzioni di visualizzazione e di valutazione dei risultati ma per il caso in esame di fatto abbastanza semplice per uno strumento potente come Flux non sono state ritenute necessarie altre valutazioni specifiche in merito e comunque sia se in seguito se ne volesse anche fare ricorso non si necessita di un nuovo processo di risoluzione visto che comunque tutti i risultati sono immagazzinati e disponibili nei file di risultati gi scritti in precedenza Per quanto riguarda il caso specifico l interesse stato rivolto alla valutazione di un effettivo riscaldamento dell oggetto inserito all interno del condensatore di lavoro ovvero della singola cella fotovoltaica ed una volta appurato che ci avviene all analisi di quale zona dello spessore viene a riscaldarsi in prevalenza e come il flusso di calore si diffonde nel modulo fotovoltaico Come si pu evidenziare dalle immagini sotto riportate il calore si viene a sviluppare dapprima all interfaccia t
64. a partire dai processi di conversione fotovoltaica bisogna considerare come vengono prodotti tutti gli apparati necessari alla realizzazione dell impianto stesso a partire dai moduli per considerare quindi gli inverter i quadri i cavi e tutto il materiale necessario Sin da questo punto appare chiaro che nonostante il principio di conversione fotovoltaica si possa considerare verde altrettanto non si pu dire per tutto quello che sta alle spalle le tecnologie impiegate per produrre i vari apparati oltre ad essere in genere molto energivore producono di riflesso svariate quantit di gas inquinanti legati alla realizzazione degli stessi In un Paese come l Italia ad esempio l energia elettrica stessa che viene prelevata dalla rete per i vari processi industriali proveniente per buona parte da centrali termoelettriche a carbone olio combustibile e gas tutti combustibili fossili che rilasciano nell aria notevoli quantit di inquinanti Volendo anche tralasciare il problema della provenienza dell energia elettrica gli stessi processi produttivi di materiali componenti come il silicio l alluminio i materiali plastici utilizzati nei vari componenti comportano la produzione di gas ad effetto serra L installazione stessa dell impianto comporta di nuovo assorbimento di energia da parte della rete che come descritto poco fa risulta essere proveniente per buona parte da impianti termoelettrici classici mentre le operazioni di in
65. agevole dal punto di vista operativo pu essere invece preferibile disegnare nell apposita sezione di Flux poich in essa possibile disegnare in maniera parametrica Il disegno parametrico consiste di fatto nell assegnare ai punti voluti delle coordinate che sono variabili alfa numeriche contenute in un apposita libreria chiamata geometric parameter sotto la cartella geometry geometric tools il che facilita nel caso in cui si preveda di variare le coordinate dei punti agendo semplicemente nella definizione dei punti senza dover ridisegnare l intera geometria Tale possibilit a dire il vero possibile anche con gli strumenti di disegno CAD pi recenti anche se pu essere non molto semplice l importazione della libreria dei parametri geometrici per eventuali successive modifiche e pertanto nella fattispecie si deciso di disegnare la geometria direttamente dalla sezione dedicata constatato pure che la geometria in analisi era semplice mentre viceversa le dimensioni non erano almeno all inizio ben note e risultava pertanto utile il disegno per parametri La figura sotto riportata illustra l interfaccia utente che permette il disegno della geometria lo zoom illustra la libreria geometrica che viene ad aprirsi al momento della definizione della geometria General data B amp Geometry HE Domain eo Infinite Box nn Periodicity Symmetry EI Domain options amp Geometric tools a Geometr
66. aldamento sono stati dedotti dalle simulazioni predette nella fattispecie l applicazione di tale tensione per un tempo pari a 4 minuti secondo le simulazioni avrebbe dovuto portare il foglio di backsheet a raggiungere una temperatura media finale pari a 130 C La seguente tabella raccoglie e riassume le condizioni di test e ne riporta un semplice confronto con la temperatura media stimata mediante le simulazioni all elaboratore VERIFICA RISCALDAMENTO FOGLIO DI BACKSHEET GRANDEZZA U M VALORE Tensione di alimentazione del condensatore V 750 Tempo di processo min 4 Temperatura media finale stimata C 130 Temperatura media finale effettiva C T Ambiente Tab 13 1 Condizioni di test e temperatura media finale del foglio di backsheet Sperimentalmente non si potuto verificare un riscaldamento apprezzabile del foglio stesso per vari motivi questi verranno trattati complessivamente nelle conclusioni finali La presenza di molteplici circostanze non ha infatti permesso di giungere ad un ottimale configurazione di lavoro stabilendo un buon accordo tra la matchbox ed il carico questo insieme ad altri aspetti hanno limitato la potenza convertita in calore nel foglio stesso non permettendone il relativo riscaldamento 13 1 2 RISCALDAMENTO DI UN SOLO FOGLIO DI INCAPSULANTE EVA Una volta verificato considerato il processo di possibile riscaldamento di un foglio di backsheet
67. aldo collegamento elettrico I fori praticati nella gabbia di Faraday risultano essere di dimensione accettabile visto che risultano essere circa tre ordini di grandezza inferiori rispetto alla lunghezza d onda nel vuoto del campo elettrico alla frequenza di lavoro In prima approssimazione si pu quindi dire che la gabbia consente una buona schermatura del campo elettromagnetico emesso dal condensatore di lavoro il quale si pu richiudere o attraverso le due armature del condensatore o al pi attraverso un armatura e la gabbia di Faraday Anche in questo caso utile far riferimento all immagine seguente per comprendere meglio ci di cui si sta parlando la gabbia di Faraday andr connessa a terra ma essendo pure il generatore e la stessa matchbox connessi a terra si avr un ritorno delle correnti verso il generatore stesso per le note leggi di Kirchhoff 91 Fig 12 9 Gabbia di Faraday impiegata nelle prove sperimentali Le prove sperimentali effettuate ed ancora da effettuare si prefiggono di verificare l effettivo riscaldamento del mezzo interposto tra gli elettrodi del condensatore di lavoro in diverse modalit operative quali Riscaldamento di un solo foglio di backsheet Riscaldamento di un solo foglio di incapsulante EVA Riscaldamento di una porzione di modulo coincidente con le dimensioni di una cella fotovoltaica Riscaldamento di una porzione di modulo coincidente con le dimensioni di qua
68. alla definizione di che cosa si possa intendere per ALTA FREQUENZA noi la considereremo tale se il campo generato rientra in una delle frequenze consentite per applicazioni industriali scientifiche e mediche ovvero 13 56 MHz o 27 12 MHz Si tratta operativamente di prendere i moduli fotovoltaici da riciclare in una prima fase sperimentale considerando solamente quelli integri e non quelli danneggiati esteriormente porli tra due elettrodi piani ed alimentando questi elettrodi con una tensione ad alta frequenza sottoponendo quindi il 60 modulo nel suo insieme ad un campo elettrico alternato proporzionale alla tensione imposta tra gli elettrodi Solamente una volta determinato che il processo si verifica in maniera efficace e senza problemi tecnici si provveder a disegnare in maniera fine elettrodi che permettano prestazioni migliori e finezze tecniche trascurate in una prima fase di verifica sperimentale della fattibilit del processo I parametri che caratterizzano il campo elettrico al quale sar sottoposto il modulo oltre alla forma d onda che si riterr visto il generatore a disposizione di forma ad ONDA QUADRA in questa prima fase sperimentale sono di fatto Tensione Valore efficace Frequenza 10 1 1 TENSIONE La tensione applicata agli elettrodi sar limitata al pi dalla massima tensione erogabile dal generatore ad alta frequenza e dalla rigidit dielettrica dell aria in modo tale da evitare scar
69. amente eccitati possono passare in banda di conduzione Nei processi industriali oggi implementati gli elementi usati per drogare il silicio sono di solito il Boro terzo gruppo per ottenere una struttura di tipo P con eccesso di lacune ed il Fosforo quinto gruppo per ottenere una struttura di tipo N con eccesso quindi di elettroni La figura illustra ci che di fatto avviene in un modulo fotovoltaico illuminato da radiazione luminosa 22 carico radiazione luminosa giunzione p n silicio lacune Fig 4 2 Conversione fotovoltaica in un modulo illuminato dalla luce Infine si pu dire che il sistema pu funzionare in due diversi modi in isola o altrimenti detti STAND ALONE ovvero possono essere connessi alla rete elettrica detti GRID CONNECTED con la possibilit in quest ultimo caso di poter vendere l energia prodotta al distributore di energia elettrica se previsto un tale tipo di contratto di scambio 35 Gli impianti Stand alone risultano interessanti per applicazioni isolate dalla rete in genere quindi localizzate lontano da possibilit di fornitura di energia elettrica mentre gli impianti Grid connected che rappresentano la maggioranza degli impianti installati presentano il notevole vantaggio economico derivante dalla possibilit di vendere l energia prodotta in eccesso Per quanto riguarda il Quarto Conto Energia come pure nei precedenti si deve sottolineare che il decreto del Ministro de
70. applicazioni ISM sono concesse solamente due frequenze in Gran Bretagna a dire il vero pure una terza 13 56 MHz 0 05 27 12 MHz 0 6 In Gran Bretagna come detto si pu scegliere pure la frequenza di 40 68 MHz 0 05 tuttavia questa frequenza non essendo impiegabile in Italia non verr considerata tra le possibili scelte per l impiego specifico Vista la dipendenza dei parametri dei materiali con la frequenza sar potenzialmente ben diverso applicare ad uno stesso materiale un campo elettrico a 13 56 MHz o a 27 12 MHz perch sar diverso il comportamento del materiale alle due diverse frequenze per quanto riguarda la permittivit dielettrica parte reale e per quanto riguarda pure il fattore di perdita tan L acqua ad esempio ha un comportamento in frequenza per quanto riguarda i due parametri fondamentali per il riscaldamento per perdite dielettriche che presenta un picco attorno ai 2450 MHz mentre scendendo in frequenza presenta una sella per poi tornare ad avere valori abbastanza elevati gi a partire dai 27 12 MHz e ancor pi elevati a 13 56 MHz I materiali dielettrici che si vogliono scaldare presenteranno presumibilmente caratteristiche diverse dall acqua e verosimilmente avranno valori elevati di perdita attorno alle frequenze applicate per il riscaldamento per perdite dielettriche visto che comunque oggi si ha gi il riscaldamento di materiali termoplastici per radiofre
71. artella nella quale esso andr successivamente a scrivere i file necessari alla simulazione da questa interfaccia si richiamano le successive 3 interfacce di costruzione soluzione e valutazione dei risultati ottenuti nello specifico designate come Geometry and Physics Direct e Results Nella versione 10 4 in modellizzazione 3D queste tre interfacce di Design Solver e Post Processing sono integrati in un unica applicazione con una sola interfaccia grafica per l utente viceversa utilizzando la modellizzazione 2D le tre procedure sono distinte in 3 diverse interfacce e quindi una volta definita la geometria e la fisica occorre chiudere tale finestra per accedere a quella di risoluzione ed infine chiudere pure questa per accedere alla finestra di post processing da ricordare che oltre alle due tipologie di modellizzazione geometrica 2D e 3D vi pure una terza modalit di modellizzazione denominata Skewed la quale consente di analizzare geometrie assialsimmetriche considerandone solamente un settore angolare tale metodo di modellizzazione risulta essere molto utile ad esempio per analizzare i motori elettrici e tutte quelle configurazioni costituite da settori angolari ripetuti uguali a se stessi in successione bene notare che il raggruppamento sotto un unica interfaccia semplifica il lavoro e rende tutto il processo di modellizzazione di simulazione e di analisi dei risultati molto pi semplice mentre con tre diverse applicazioni s
72. asportare in forma solida questi materiali si dovranno mettere a punto tecnologie ad hoc ponendo l attenzione d altra parte verso i consumi energetici ed economici in genere in modo tale da rendere economicamente oltre che ecologicamente conveniente riciclare i moduli dismessi Oggi ci non giustificato purtroppo dal basso costo delle materie prime in particolare il silicio in seguito alla forte espansione della produzione da parte di Paesi emergenti come la Cina non giustifica economicamente il riciclo per il successivo reimpiego dello stesso mentre pu ancora trovare senso il riciclo del vetro e dell alluminio che impiegano peraltro metodologie pi semplici e consolidate 32 4 CONVERSIONE FOTOVOLTAICA Alla base della produzione di energia elettrica mediante l impiego dei moduli fotovoltaici sta il processo di conversione fotovoltaica secondo il quale l energia posseduta dai fotoni che colpiscono il modulo viene convertita in energia elettrica mediante la produzione di una corrente continua che pu essere prelevata dai morsetti del modulo stesso Il dispositivo elementare in grado di convertire l energia solare in energia elettrica viene detto Cella Fotovoltaica proprio per il fatto di consentire tale conversione energetica per ottenere tuttavia energia in quantit apprezzabili c bisogno di connettere opportunamente pi celle formando un cosiddetto Modulo o Pannello Fotovoltaico o addirittura delle Stringhe costituit
73. assato e pertanto si dovuto prestare particolare attenzione ed una lettura accurata dei manuali di istruzioni esclusivamente in lingua inglese con qualche schema elettrico pure in tedesco al fine di riuscire ad usarla ed al contempo non provocare danni a persone o cose Gli elettrodi applicatori di campo inoltre si sono dovuti disegnare e progettare ad hoc non esistendo di fatto una configurazione standard che permetta di impiegare il generatore e la relativa matchbox cos come stanno Questi motivi hanno quindi leggermente rallentato un processo di verifica delle simulazioni al pc vero cuore insieme allo studio dello stato dell arte in materia della tesi di laurea La parte sperimentale della tesi ha affrontato i seguenti punti chiave in seguito espressi in maniera esaustiva singolarmente e STUDIO DEL GENERATORE E DELLA MATCHBOX AD ALTA FREQUENZA e DISEGNO PRELIMINARE DEL CONDENSATORE DI LAVORO e PROVE SPERIMENTALI IN DIVERSE CONFIGURAZIONI OPERATIVE 12 1 STUDIO DEL GENERATORE AD ALTA FREQUENZA Sebbene sia considerato come un unico dispositivo in realt il generatore ad alta frequenza fisicamente costituito da due dispositivi atti a realizzare il generatore ed il circuito di alimentazione del condensatore di lavoro Ovviamente le due apparecchiature per ottenere un adattamento ed un interconnessione ottimale sono realizzati dal medesimo costruttore nella fattispecie trattasi di apparecchiatura TRUMPF del gruppo tedesco H
74. astanza singolare con gli elettrodi affacciati l uno all altro il foglio in materiale termoplastico interposto tra di essi ed i bordi di questo foglio che si protraevano ben oltre le dimensioni dell elettrodo superiore L elettrodo inferiore infatti come detto poco sopra stato realizzato al momento delle verifiche sperimentali con una semplice piastra di rame dalle dimensioni di circa 50 x 70 cm e quindi ben pi grande del singolo foglio o della sezione di modulo pari ad una cella in modo da poter ottenere un piano equipotenziale di fatto al potenziale di massa L immagine seguente illustra la differenza tra le dimensioni dell elettrodo superiore e le dimensioni del foglio oggetto del riscaldamento Fig 13 1 Configurazione di riscaldamento di un solo foglio di backsheet Per quanto riguarda invece il riscaldamento di una porzione di modulo fotovoltaico la situazione risulta essere leggermente differente in quanto la parte di modulo che si sporge oltre le dimensioni dell elettrodo circolare si riduce drasticamente al limite annullandosi nel caso in cui la sezione abbia una dimensione di 16 cm ovvero non sia centrata con questo Si deve al limite tenere presente il rischio che ci si venga a trovare con gli elettrodi separati unicamente da aria almeno in alcune porzioni di superficie nelle quali viene a mancare la porzione di modulo Il rischio come gi descritto in precedenza consiste nel fatto che se il campo elet
75. bordinato ovvero Slave Il connettore di uscita invece OUT permette di fornire il segnale di clock ad eventuali altri generatori che funzionano asservendo a questo primo detto in questo caso principale o Master I sei led presenti sul pannello consentono di verificare lo stato della comunicazione dati led Network e Module lo stato di non funzionamento led RES lo stato di uscita attiva led RF ON la presenza di messaggi di guasti ERROR ed infine la presenza di tensione di rete led MAINS Al di l della funzione specifica che questi led assumono risultano di fatto essere un valido sistema di verifica almeno in prima istanza dello stato del generatore utile per escludere grossi dubbi come pu essere ad esempio la presenza della tensione di rete o l alimentazione del circuito di uscita e pertanto della matchbox e del carico Nella parte destra del pannello sono presenti degli interruttori rotanti agendo sui quali possibile agire solamente con l ausilio di un cacciavite questi interruttori rotanti consentono di settare vari parametri per la comunicazione con protocollo DeviceNet tra il generatore ed il computer Anche in questo caso la figura che segue illustra evidenziando in maniera chiara i vari particolari appena descritti NETWORK woo BO Duo mD Dam Fig 12 3 Pannello posteriore generatore ad alta frequenza Come si pu vedere non vi sono dispositivi sui quali possibile agire in maniera agevole
76. cosa assumere una consistenza rigida ovvero planare visto che le celle fotovoltaiche sono sottili lamine degli originali lingotti di silicio 5 1 1 SILICIO MONOCRISTALLINO Le celle in silicio monocristallino vengono chiamate cos poich la cella viene realizzata con silicio cristallizzato secondo un unica orientazione alla vista quindi la cella appare di un colore grigio scuro uniforme poich se ne vede solamente una sezione omogenea del reticolo cristallino Il silicio infatti una volta fuso viene fatto solidificare seguendo un seme di partenza che viene fatto ruotare ed estratto a velocit opportuna dal silicio fuso attorno a questo seme quindi cresce il lingotto e questo cristallo che si viene a formare segue questa orientazione preferenziale salvo difetti di cristallizzazione peraltro possibili 38 La forma del lingotto circolare ed al fine di una migliore collocazione delle celle all interno del singolo pannello queste necessitano di essere tagliate in modo tale da ottenere celle pressoch quadrate con gli spigoli arrotondati si riesce al contempo a recuperare la maggior area possibile a partire dalla sezione circolare del lingotto Nella figura seguente si pu vedere una cella fotovoltaica in silicio monocristallino ed il modulo fotovoltaico che ne deriva Fig 5 3 Cella fotovoltaica in silicio monocristallino e relativo modulo fotovoltaico Si notano subito gli spigoli arrotondati caratteristici delle celle in silicio
77. creare intorno a me le condizioni migliori possibili affinch riuscissi a concentrarmi e a dedicarmi allo studio ma anche al lavoro facendomi sempre trovale le magliette pulite e stirate per i fine settimana di lavoro Pap grazie Tu pi di tutti mi hai spinto a continuare sebbene i risultati tardassero ad arrivare probabilmente mi hai dato te la forza per continuare a provare anche quando terminate le superiori in modo egregio mi sono poi trovato a fare i conti con una realt ben pi dura di quanto mi aspettassi Grazie per avermi spinto ad intraprendere il percorso accademico rinunciando a vedermi guidare l impresa di famiglia Grazie a Damiano ovviamente Sin da bambini abbiamo passato forse pi tempo a litigare che ad andare d accordo ma questo rapporto mi ha permesso di capire i tuoi pregi Sebbene pi giovane sei diventato il mio punto di riferimento per la vita universitaria mi hai fatto capire come procedere negli studi e vedendo i tuoi ottimi risultati accademici mi hai spinto ancora di pi Grazie davvero Grazie a Sonia ed Ombretta Fin da bambino mi avete fatto da sorelle maggiori nel senso pi profondo del termine Avete saputo premiarmi con baci e carezze quando me li meritavo e mi avete insegnato come ci si comporta quando facevo i capricci Grazie ad Ombretta per i tanti giri in bicicletta Grazie a Sonia per i tanti forse troppi baci Per ultima ma non per questo meno importante ringrazio Valentina Solamente da un
78. da globale annua di energia si potrebbe ricavare da una porzione estremamente piccola della totale energia solare della quale il pianeta beneficia risulta tuttavia impossibile sfruttarla a pieno vista l impossibilit tecnica di ricoprire totalmente la superficie terrestre con moduli fotovoltaici ANNUAL SOLAR IRRADIATION TO THE EARTH MM SOLAR CONTINENTS COAL m wino GAS BIOMASS OIL GEOTHERMAL NUCLEAR E OCEAN amp WAVE PRIMARY ENERGY m HYDRO CONSUMPTION GLOBAL ANNUAL ENERGY CONSUMPTION Fig 2 16 Risorse energetiche globali 21 3 INTEGRAZIONE DEL PROCESSO VERDE vero che la produzione di energia elettrica a partire da fonti rinnovabili non comporta direttamente la liberazione di gas inquinanti ma bisogna pur sempre considerare la relativa produzione indiretta di gas ad effetto serra quale quella legata a REALIZZAZIONE ED INSTALLAZIONE NORMALE FUNZIONAMENTO DISMISSIONE degli impianti stessi al fine di non usare in maniera inappropriata termini invece carichi di significato Risulta a volte difficile stabilire le reali emissioni legate ad un processo industriale lungi dal voler essere un analisi approfondita il capitolo che segue serve solamente ad evidenziare aspetti a volte non considerati dai pi forse perch presi dall entusiasmo di parlare di fonti energetiche ad emissioni Zero 3 1 IL PROCESSO VERDE Che cosa si intenda realmente per verde non semplice da ca
79. da imporre una tensione massima applicabile inferiore a quella stimata di fatto limitando la potenza convertita in calore ovvero allungando i tempi di processo In futuro si potr agire sulle criticit appena elencate riuscendo a superare i limiti oggi imposti per ragioni di sicurezza potendo eventualmente analizzare dal punto di vista tecnico economico il processo descritto in questo lavoro di tesi Non si escludono ed anzi saranno da determinare le condizioni e le tecnologie pi opportune per ottenere un processo efficiente nel tentativo di perseguire l obiettivo di riscaldare il modulo per il successivo riciclo limitando la produzione di gas tossico nocivi 100 15 BIBLIOGRAFIA 1 United Nations Kyoto Protocol United Nations Kyoto United Nations Framework Convention on Climate Change 1997 2 3 4 5 6 F Accettabilit sociale 2012 Febbraio accettabilitacociale com MR Solutions 2012 Febbraio http www marcorossato com Pianeta Energia 2012 Febbraio pianetaenergia com Climatrix blog 2012 Febbraio climatrix org Eniscuola 2012 Febbraio eniscuola net di 4 ms LY n GSE Gestore dei Servizi Energetici Rapporto statistico 2010 Impianti a fonti rinnovabili GSE 2010 8 Eurostat 2012 Febbraio epp eurostat ec europa eu 9 Silvia Morelli GSE La situazione delle fonti rinnovabili in Italia ed in Europa 2011 10 REN21 Renewable Energy Policy Network for the 21st Ce
80. definita la geometria da analizzare e la mesh con la quale studiare il problema in esame si devono definire i materiali e quindi le propriet fisiche e nel caso specifico pure quelle elettriche che caratterizzano le varie regioni all interno della geometria costruita al passo precedente Tale definizione pu essere effettuata mediante l importazione da un database compreso nel software di simulazione dei materiali e delle relative caratteristiche ovvero mediante la definizione ad hoc di materiali e caratteristiche annesse nel caso in cui tali materiali non siano gi presenti all interno della libreria di Flux Nel caso specifico si sono considerati materiali un po particolari o meglio che non si incontrano di frequente in problemi analizzati con Flux e forse anche per questo non comparivano all interno della libreria specifica per far fronte a ci si sono quindi dovuti definire appositamente i materiali e le relative caratteristiche ricavate dalla letteratura e da data sheet di produttori di tali materiali La figura riporta la solita interfaccia utente per la definizione della geometria della mesh e della fisica del caso in esame lo zoom si sofferma sulla libreria Physics che si viene ad espandere al momento della definizione delle caratteristiche fisiche del problema in esame 71 PA Pa Application Geometry Mesh Physics Display View Select Tools Extensions Help i 2 m th ali n IE IK DE EES A WOLF AK AO ETE i ASIAN A
81. dell intero pianeta I consumi energetici propri dei Paesi occidentali non possono essere copiati dai Paesi emergenti in quanto materialmente non sostenibile dal pianeta stesso non vi sono al momento fonti energetiche che possano permettere di fare ci Per combattere questa battaglia nella quale vi un tetto al consumo energetico globale vi sono essenzialmente due strade percorribili e tutti i maggiori studiosi in materia indicano che bisogna perseguirle entrambe tentando di cercare un connubio vincente per l intera umanit Risparmio energetico Migliore sfruttamento energetico delle risorse oggi disponibili A dire il vero vi pure una terza strada da percorrere inevitabilmente che quella della ricerca di nuove fonti energetiche e bench questa sia la pi auspicabile visto che potrebbe portare ad un migliore livello di vita per tutti di fatto la pi difficile da seguire e quella che dar risultati in un futuro prossimo di sicuro non a breve Per quanto riguarda la ricerca sullo sfruttamento di nuove fonti energetiche sono in atto oggi molti progetti che spaziano a tutto campo dalla fusione nucleare all energia geotermica all energia solare catturata fuori dall atmosfera purtroppo per nessuna di queste al momento pu rispondere ai problemi energetici globali 1 1 1 RISPARMIO ENERGETICO Il primo passo che si pu fare e che ciascuno di noi deve ovviamente compiere quello di rivedere i propri stili d
82. denziali Ancora una volta quindi i moduli fotovoltaici ed in generale gli interi impianti fotovoltaici non vengono considerati dalle direttive comunitarie i motivi per i quali ci avvenga non sono a dire il vero molto chiari ma si devono seguire tali direttive secondo quanto stabiliscono La pressione effettuata dalle associazioni di produttori di materiale fotovoltaico nei confronti degli organismi europei pu certamente avere il proprio peso e ci pu essere dettato dalla necessit di tentare di mantenere la concorrenza con i produttori extra europei potenzialmente non tenuti a far fronte ai relativi costi Certamente l assenza di metodi e tecnologie collaudati idonei ad un riciclo efficiente dei materiali impiegati negli impianti fotovoltaici fa si che non vi sia una vera e propria spinta ad un metodo di riciclo degno di essere chiamato tale ma certamente senza regolamentazione in materia difficilmente si riusciranno ad ottenere risultati considerevoli La sola spinta morale verso un riciclo dei materiali non pu infatti essere la sola motivazione che spinge produttori ed attori tutti del mondo del fotovoltaico a cercare di chiudere il ciclo del fotovoltaico bisogna agire quindi con leggi e norme atte a perseguire tale fine Vi al momento in discussione la possibilit di poter introdurre pure i moduli e pi in generale gli apparati impiegati negli impianti fotovoltaici all interno della categoria delle apparecchiature che necessitan
83. dichiarato di ecologia per concludere con una dismissione degli impianti che deve anch essa seguire il medesimo principio Soffermandoci sulle fonti energetiche cosiddette rinnovabili senza scendere almeno per il momento nel particolare analizzando tutta la filiera dei processi e dei materiali impiegati si possono delineare alcuni tratti comuni a tutte queste che si possono riassumere in Disponibilit pressoch illimitata della fonte energetica sfruttata Assenza di emissione di inquinanti legati al processo di conversione energetica Per disponibilit pressoch illimitata della fonte energetica sfruttata si intende il fatto che l elemento cedente l energia agli impianti di conversione riacquista immediatamente o in seguito naturalmente la medesima energia direttamente dall ambiente ovvero ve ne sia una quantit sconsiderata o per tempi estremamente lunghi se paragonati con la vita umana Ci si pu vedere chiaramente nell energia potenziale o cinetica posseduta dall acqua di un torrente che una volta completato il proprio ciclo idrico ricadr sotto forma di precipitazione e quindi riassumer energia potenziale e nel momento in cui torni in moto pure energia cinetica Viceversa per quantit illimitata di energia ovvero disponibile per tempi estremamente lunghi rispetto alla vita umana si intende ad esempio l energia ceduta dal Sole alla Terra per mezzo delle radiazioni elettromagnetiche compreso quindi lo sp
84. dielettriche che in Italia sono due ovvero 13 56 MHz e 27 12 MHz 29 si constatato comunque che a tali frequenze e per le dimensioni degli oggetti ed apparecchiature utilizzate si possono ancora considerare le regole dell elettrotecnica classica ovvero si possono trascurare i tempi di propagazione essendo la lunghezza d onda nel vuoto alle frequenze suddette superiore alla decina di metri mentre le nostre dimensioni caratteristiche si aggirano sull ordine del metro Fatte queste considerazioni e tenendo presente che oltre al problema elettrico si deve considerare pure il problema termico e quindi l accoppiamento elettro termico si deciso di proseguire con le simulazioni mediante il software della software house francese Cedrat quindi facendo ricorso al software FLUX e nella fattispecie nella sua versione 10 4 Tale software consente una modellizzazione sia in due dimensioni in seguito 2D sia in tre dimensioni in seguito 3D constatato per il fatto che la geometria della quale ci occuperemo si pu considerare costituita da una dimensione preponderante rispetto alle altre due nella fattispecie il modulo fotovoltaico ha una lunghezza molto maggiore rispetto alla larghezza ed allo spessore si optato per una modellizzazione 2D con vista in sezione in modo da non appesantire troppo il software di calcolo Il software si avvia accedendo ad una prima interfaccia la cosiddetta Flux Supervisor di definizione della c
85. e ad ogni cambio di marea 2 1 2 EOLICA onshore ed offshore Anche questa fonte energetica stata impiegata fin dall antichit dall uomo per vari scopi quali ancora una volta la macinazione di granaglie ed in alcune zone umide per azionare pompe in modo tale da permettere l agricoltura in zone altrimenti paludose come nei Paesi Bassi Recentemente a partire dagli settanta a seguito della crisi petrolifera si riscoperta questa tecnologia dimenticata per molto tempo a fronte di un costo per i combustibili fossili molto limitato ed tornata in auge applicata in questa seconda giovinezza alla produzione di energia elettrica Con le moderne tecnologie produttive si riusciti poi a migliorare drasticamente il rendimento di queste macchine limitarne i costi di produzione ed aumentarne la produttivit tanto da attirare notevoli investimenti economici verso interi parchi eolici realizzati a terra detti quindi onshore ovvero in mare detti offshore Il principio di funzionamento prevede la conversione dell energia cinetica dell aria in energia meccanica al contatto con le pale degli aerogeneratori e quindi in energia elettrica in appositi generatori calettati con l albero motore La figura illustra i vari componenti dell impianto di conversione 2 PARTICOLARE moltiplicatore di giri navicella navicella pale rotore generatore vento f A j d ik trasformatore 7 A Le cavidotto
86. e trattati come pu essere un problema magnetico elettrico termico ovvero siano essi correlati tra loro come i casi di problemi cosiddetti accoppiati magneto termici elettro termici Se non interessano le implicazioni termiche dovute ad effetti di riscaldamento per diverse cause effetto Joule correnti indotte allora conviene definire il problema secondo la fisica che lo interessa in prevalenza sia esso magnetico se si vogliono valutare le implicazioni magnetiche derivanti dall applicazioni di correnti ovvero sia esso elettrico conduttivo o no se si vogliono valutare le implicazioni elettriche derivanti dall applicazione di un campo elettrico Nel caso specifico ci che interessa la valutazione di fenomeni di riscaldamento dovuti all applicazione di un campo elettrico variabile con frequenza imposta dal generatore ad alta frequenza pertanto al momento della definizione del problema si definito il problema come un caso elettrico in regime stazionario a corrente alternata con accoppiato il transitorio termico derivante ovvero come lo designa il software come un caso Steady State AC Electric Coupled with Transient Thermal 2D All interno della maschera di definizione del tipo di caso analizzato vanno specificati alcuni parametri molto importanti che sono la frequenza avendo trattato un caso in corrente alternata ed in regime stazionario il tipo di dominio sia esso in piano a due dimensioni o assialsimmetrico nel caso specif
87. e a due variabili indipendenti Figure 1 Disleetrie Constent Tediar TST20BG4 vs Figure 2 Dissipation Factor Tadar TST20BG4 vs Frequency at Various Temperatures Frequency at Various Temperatures mu 1o on OE aD Frequency Hz Log Scale Figure 3 Dielectric Constant Tediar TWH208S2 vs Figure 4 Dissipation Factor Tedlar TWH208S2 vs Frequency at Various Temperatures Frequency st Various Temperatures 10 000 Frequenoy Hz Log toale Fig 9 3 e tan del Tedlar in funzione della frequenza e della temperatura Come si vede sin da subito il produttore pur rilasciando il valore della permittivit e del fattore di perdita in funzione della frequenza e della temperatura si tiene ben lontano dal rilasciare in maniera troppo precisa tali dati Infatti mette in atto alcune tecniche per dare l impressione di fornire pi dati dei concorrenti senza far capire che in realt da queste caratteristiche non ricavabile poi molto ad esempio le caratteristiche sono stampate in piccolo e non vi una griglia per facilitare la lettura dei dati In conclusione gli unici dati forniti in maniera precisa e soprattutto in condizioni standard e ripetibili sono quelli previsti dalle norme di prodotto che prescrivono ed obbligano il produttore a verificare ed a pubblicare tali caratteristiche 9 2 REPERIMENTO CARATTERISTICHE VOLUTE Non potendo contare sui data sheet forniti n dai produttori dei moduli fotovoltaici n
88. e con costi contenuti Il lavoro di tesi stato incentrato su una rapida analisi delle tecnologie oggi impiegate e sulla valutazione della possibile applicazione di un processo elettrotermico oggi impiegato in molti settori produttivi ma non in questo il Riscaldamento per Perdite Dielettriche Tale processo di riscaldamento impiegato in molte applicazioni industriali che richiedono tempi rapidi e riscaldamento localizzato di materiali dielettrici per consentire lavorazioni che altrimenti sarebbero difficilmente eseguibili per altra via incollaggio essicazione riscaldamento rapidi L idea che sta alla base di questo lavoro di tesi che nel modulo sono presenti materiali dielettrici se si riesce a riscaldare questi e portarli a temperatura adeguata alla temperatura di rammollimento nella fattispecie allora forse possibile disassemblare il modulo senza ricorrere all incenerimento dei polimeri come viene fatto invece oggi almeno per i moduli in silicio cristallino Operativamente si ricercato materiale inerente il settore del fotovoltaico dapprima in generale per poi scendere nel dettaglio dei materiali specifici impiegati delle tecnologie oggi utilizzate delle normative europee in fatto di dismissione e riciclo dei moduli stessi Si proseguito quindi con simulazioni all elaboratore elettronico mediante l impiego di software dedicato alle applicazioni elettrotermiche per verificare la fattibilit teorica del processo una volta
89. e dall interconnessione di pi moduli L ordine di grandezza della potenza che possibile prelevare dai moduli o dalle stringhe di moduli varia quindi da poche centinaia di Watt fino a qualche milione di Watt in impianti particolarmente estesi ed opportunamente dimensionati 4 1 EFFETTO FOTOVOLTAICO L effetto fotovoltaico venne per la prima volta notato da Edmond Becquerel 1820 1891 il quale lavorando con celle elettrolitiche con elettrodi in platino si accorse che l intensit della corrente elettrica aumentava esponendo la cella alla luce solare e si rese pure conto che tale fenomeno dipendeva anche dal colore della luce incidente oltre che dalla relativa intensit Questi deposit nel 1839 all Accademia delle Scienze di Parigi la sua Memoria sugli effetti elettrici prodotti sotto l influenza dei raggi solari di fatto dando il via alla storia del fotovoltaico sebbene i costi ed i rendimenti iniziali ne restrinsero il campo di utilizzo e si dovette aspettare l avvento dei semiconduttori prima che tale tecnologia potesse svilupparsi a pieno Fu Albert Einstein 1879 1955 a spiegare presentando un articolo scientifico nel 1905 la natura dell effetto fotoelettrico in termini quantistici confermando la teoria di Max Planck 1858 1947 secondo il quale la radiazione elettromagnetica anche quella luminosa costituita da parti elementari i cosiddetti quanti Solamente nel 1954 venne prodotta la prima cella fotovoltaica
90. e di moduli fotovoltaici 1980 198 199 199 2000 200 201 202 Si pu facilmente notare come i moduli in silicio cristallino rappresentino la netta maggioranza sebbene la tecnologia in film sottile permetta impieghi altrimenti impossibili con la prima delle due tecnologie potendo realizzare dei moduli flessibili e non solamente rigidi come nel primo caso Si vuole peraltro fornire una semplice descrizione di entrambe le tecnologie oggi maggiormente diffuse sul mercato altre tecnologie emergenti non verranno analizzate essenzialmente per i ristretti volumi di mercato e per la loro relativa bassa diffusione 37 I diversi tipi di cella presentano caratteristiche fisiche ed elettriche diverse oltre ovviamente ad avere costi diversi dettati dai relativi processi di produzione e dai costi delle materie prime impiegate pertanto dal punto di vista economico varr la pena considerare diversi tipi di cella a seconda che l impianto da installare goda o meno di incentivazioni statali sull energia effettivamente prodotta I rendimenti dei diversi tipi di cella e di moduli fotovoltaici commercializzati sono riportati nella tabella seguente 11 Commercial Module Efficiency Technology Thin Film Crystalline Silicon CPV a Si CdTe CIGS a Si uc Si Dyes Mono Multi IV Multi cells junction Cell efficiency 16 229 4 18 4 8 10 119 7 129 T 2 4 Module efficiency 3 19 5 25 a needed per 15m 10m 10m 12m 7m 8m KW for m source EP
91. e element of visualization a Face element of visualization Loading data model Fl My Fecording commands in C a A del sty ORTATI LE PERSONALE LAUREA_MAGISTRALE PROVE PROVE_2D PER_TESI Pref lu2D_log py PREFLU_10 3 1 Finite Element preprocessor 1000 Mo W 16 Mo C Build 0907021841 Win32 Lera ay EEN e G Fig 11 4 Interfaccia utente della sezione Mesh per la definizione della mesh Dati gli spessori esigui dei materiali in prova la maglia di nodi diviene davvero molto stretta all interno dei vari strati con distanza tra nodo e nodo dell ordine dei 10 um al fine di avere una buona valutazione del campo elettrico e della temperatura lungo la sezione di ciascuno strato che dell ordine di qualche centinaia di um Viceversa all estremit del dominio di calcolo non interessa conoscere in modo esatto gli andamenti delle medesime grandezze e cos si deciso di tenere la maglia pi allentata in modo da alleggerire il processo di meshing e di risoluzione del problema stesso imponendo una distanza tra nodo e nodo dell ordine di circa una decina di centimetri Bisogna tenere ben presente inoltre che richiedere una mesh molto fitta pu portare ad avere una valutazione molto dettagliata dei campi e delle temperature in ciascun punto del dominio ma ci oltre a non essere molto probabilmente necessario al fine di una valutazione preliminare del process
92. e impianti di produzione da energie rinnovabili 10 20 160 140 120 100 Billion US dollars Fig 2 14 Investimenti annuali in nuova capacit di produzione di energia da fonti rinnovabili Si vede chiaramente che gli investimenti in capacit di produzione di energia da fonti rinnovabili dal 2004 al 2009 sono andati sempre in crescendo segno di un interesse sempre maggiore verso le fonti rinnovabili in particolare si tratta di investimenti sostanziosi avendo raggiunto nel 2009 circa 150 miliardi di dollari USA Fossil Fuels Renewables 53 47 Fig 2 15 Percentuale di investimenti in impianti a combustibili fossili i e da energie rinnovabili 10 Si riscontra un sostanziale pareggio sempre nel 2009 visto che i precedenti dati si riferiscono proprio a tale anno tra gli investimenti effettuati in impianti a combustibili fossili ed in impianti da energie rinnovabili molto probabilmente le percentuali oggi sono quantomeno invertite ovvero gli investimenti sulle fonti rinnovabili hanno uguagliato se non superato gli investimenti sui combustibili fossili Infine quest ultima semplice figura illustra la differenza esistente tra la domanda globale annua di energia e la potenziale energia ricavabile da ciascuna fonte energetica sia essa classica come il carbone alternativa come l energia nucleare o rinnovabile come l energia solare che ogni anno raggiunge la superficie terrestre 11 Appare chiaro che la doman
93. e la temperatura voluta Il riscaldamento per perdite dielettriche invece consente di riscaldare direttamente il materiale dielettrico pressoch in maniera uniforme agendo su tutta la massa del dielettrico stesso provocando gli spostamenti microscopici delle cariche elettriche prima descritti essenzialmente in tutto il materiale Un altro vantaggio che si riscontra sta nella durata del processo con questo tipo di riscaldamento non dovendo attendere transitori termici dovuti alla conduzione del calore dall esterno verso l interno ma andando a scaldare direttamente tutta la massa di dielettrico questi vengono ridotti drasticamente Per applicare il campo elettrico al materiale dielettrico da riscaldare si deve realizzare una geometria simile ad un condensatore a facce piane e parallele almeno in prima battuta entro le cui armature inserire il materiale da riscaldare Le armature del condensatore costituiscono gli elettrodi che vanno ad applicare il campo ed il materiale interposto da riscaldare assume il ruolo del dielettrico del condensatore ovvero il sistema complessivamente si comporter a seconda della permittivit relativa del dielettrico interposto Le variabili di questo sistema originale di riscaldamento risultano quindi essere la geometria le caratteristiche fisiche dei materiali che intervengono nel processo e le grandezze elettriche imposte dall esterno ed origine del campo elettrico applicato al dielettrico Senza scendere nello
94. e pensare costituito dalle seguenti componenti applicate contemporaneamente Applicazione di un campo elettrico ad alta frequenza Applicazione di un adeguata pressione tra elettrodi e modulo fotovoltaico Dal punto di vista pratico per poter riscontrare un effettivo riscaldamento del modulo e per non dilungarsi troppo in accorgimenti che verranno definiti in seguito si deciso di procedere una volta eseguite le simulazioni all elaboratore alla parte di verifica considerando 3 diverse dimensioni e configurazioni possibili 1 Porzione di modulo delle dimensioni di una singola cella compreso il rispettivo bordo 2 Porzione di modulo delle dimensioni di alcune celle quadrato di 4 celle totali 3 Intero modulo fotovoltaico dalle dimensioni reali circa x 2 m Quindi solamente in un ultima fase sperimentale si provveder a verificare il processo su di un vero e proprio modulo cos come realizzato dai produttori all inizio lo scopo sar solamente quello di validare le simulazioni effettuate al calcolatore ed ottimizzare i parametri fisici per l ottenimento di un processo efficace e sicuro 10 1 APPLICAZIONE DI UN CAMPO ELETTRICO AD ALTA FREQUENZA Come evidenziato nel capitolo riservato all introduzione del riscaldamento per perdite dielettriche l ingrediente di base di un siffatto processo la presenza di un campo elettrico alternativo ad alta frequenza Tralasciando un inutile discussione riguardo
95. e senza l ausilio di utensili ci deve ricordare il fatto che prima di intervenire ruotando gli interruttori rotanti o attaccando e staccando cavi dalle porte di comunicazione si debba porre particolare attenzione seguendo le indicazioni riportate nel manuale di istruzioni 85 12 1 2 CAVO COASSIALE DI INTERCONNESSIONE RG 214 Al fine di poter interconnettere il generatore e la matchbox d obbligo l utilizzo di un cavo coassiale al fine di poter trasmettere il segnale ad elevata frequenza gli ormai noti 13 56 MHz senza avere eccessive attenuazioni dello stesso tra partenza coincidente con il generatore e l arrivo ovvero la matchbox Il cavo fornito unitamente al generatore ed alla rete di adattamento un classico cavo di tipo coassiale che si riconosce per per il diametro maggiore rispetto a quelli normalmente impiegati in campo di misure elettriche ad esempio con gli oscilloscopi in campo televisivo Un altra particolarit consiste nei connettori di collegamento con il generatore e la matchbox questi sono forniti infatti di una ghiera apposita in modo da poter essere saldamente avvitati ai supporti presenti sulle macchine precedentemente menzionate al fine di evitare accidentali disconnessioni degli stessi Il cavo in questione presenta buone caratteristiche dal punto di vista tecnico poich stando ai dati tecnici forniti 31 questo cavo presenta la possibilit di trasmissione di segnali fino a 6 GHz ben al di
96. e sta nel definire la temperatura iniziale dell ambiente e dell oggetto sede dello studio esso in genere viene posto uniforme e pari alla temperatura dell ambiente circostante e quindi all incirca attorno ai 20 C ma possono essere specificate condizioni diverse a seconda che si voglia valutare ad esempio un processo di raffreddamento prendendo come temperature iniziali quelle registrate durante un precedente processo di riscaldamento importando un apposito file contenente tali temperature 74 9 5011020 A 8 TTATTT__m6 I I WIiHAH O i S i 1s si 10 elel 2 Main data Computation data Parameters Output data Options Dielectro thermal computation Status computation in progress Sample 0 Shape n oaa Time computation Ambient temperature on extemal outines Constant value in the domain Initial temperature Constant value in the domain f degrees Celsius formation Magda Value I 7 File of nodal values Time step Maun temperature 3 Mewnum temperature Number of the selected time step r Estmated tme f Information USRITH is disabled for this problem Remaining tme Ready NUM Fig 11 11 Maschera per la definizione della temperatura all inizio della simulazione Le equazioni che descrivono la geometria e le condizioni al contorno non sono esplicitamente leggibili dall operatore visto che l interfaccia semplificata al fine di consentire anche ai non esperti
97. ebbene dal punto di vista dei risultati non cambi nulla risulta per meno agevole ed per questo motivo che dalla prossima versione di Flux le tre diverse interfacce verranno integrate in una unica anche per la modellizzazione 2D La figura seguente rappresenta l interfaccia Flux Supervisor che l utente incontra a video una volta lanciato il software Flux 10 4 come si vede si possono distinguere essenzialmente tre sezioni la prima sulla sinistra riporta l applicazione impostata 2D 3D skewed e le relative applicazioni ad essa correlate la sezione centrale riporta la cartella ed il relativo percorso nell elaboratore in uso nel quale esso sta lavorando mentre l ultima sezione sulla destra riporta i file contenuti nella cartella di lavoro definita 65 sei Qed nih Ee raw era Ai Version Standard Physical memory 61736 MB 05529 MB Dust D 400955 MB 230428 ME Fig 11 1 Interfaccia utente della sezione Flux Supervisor di Flux 11 1 SCHEMA DI PRINCIPIO Bisogna anzitutto dire che il processo di simulazione composto dalle varie fasi in seguito elencate stato frutto di svariati tentativi dapprima per apprendere l uso di questo software e poi per affrontare nello specifico il caso Elettro Termico trattato caso abbastanza particolare nell ambito del LEP visto che in genere vengono trattati problemi Magneto Termici per il riscaldamento ad induzione Una volta appreso l utilizzo del software
98. ece un accordo ufficiale sancito tra quasi tutti gli Stati aderenti all ONU riguardante la riduzione delle emissioni inquinanti da parte dei Paesi Sviluppati mentre ai Paesi in Via di Sviluppo viene lasciata la priorit di combattere problemi ben pi gravi quali la lotta alla fame e alle guerre 1 2 1 INTRODUZIONE Bisogna premettere il fatto che l adesione o meno al protocollo di Kyoto era ed rimasta facoltativa ed pure vero che alcune grosse aree sviluppate o in via di sviluppo USA RUSSIA CINA INDIA vi hanno aderito per poi applicare solamente in parte i progetti previsti o addirittura si sono ritirati dall adesione Premessi quindi alcuni punti deboli del tanto acclamato protocollo contro i cambiamenti climatici indotti dall attivit umana resta il merito di aver creato uno scomodo precedente che potr avere ripercussioni anche in futuro in ambito politico internazionale Presupposto il fatto che i cambiamenti climatici degli ultimi 150 200 anni si possono imputare per una parte non trascurabile alle attivit antropiche dovute ad opera dell uomo e considerato che una riduzione delle emissioni di gas ad effetto serra non pu avere altro che effetti benefici si deciso di sottoscrivere nel 1997 un protocollo di intesa per cercare di adottare un azione comune che perseguisse tale fine 1 2 2 PRECEDENTI Punto dal quale bisogna partire per comprendere la ratifica di un protocollo ambientale internazionale c
99. ed altre ancora Si vede quindi che a seconda del processo di conversione energetica impiegato si possono avere e non e pure in quantit differenti emissioni di gas inquinanti o ad effetto serra primo tra tutti come gi anticipato il biossido di carbonio CO Quella delle emissioni di gas ad effetto serra una questione molto ampia e complessa trattata e dibattuta in tutte le sedi istituzionali a partire da quelle locali per finire a quelle internazionali e culminare con l organismo apposito designato all interno dell Organizzazione delle Nazioni Unite A livello sovranazionale visto che poi i provvedimenti nazionali non sono nient altro che un recepimento dei provvedimenti decisi tra nazioni si possono ricordare essenzialmente due forme di legiferazione riguardanti il problema delle emissioni di gas ad effetto serra Questi due provvedimenti sono IL PROTOCOLLO DI KYOTO DELL ONU IL PACCHETTO CLIMA ENERGIA 20 20 20 UE il primo dei quali un provvedimento dell Organizzazione delle Nazioni Unite applicato seppure in modo diverso dagli Stati che vi hanno aderito e che l hanno ratificato o meno mentre il secondo un sistema di accordi e direttive comunitarie riguardanti quindi le Nazioni dell Unione Europea ed anche in questo caso si hanno obblighi diversi per le varie Nazioni a seconda di diversi parametri 1 2 IL PROTOCOLLO DI KYOTO Viene chiamato in questa maniera un po informale ci che inv
100. elettrica prodotta da fonti rinnovabili nel 2002 successivamente questa ha iniziato a crescere ed anche in Europa come in Italia ha registrato una crescita esponenziale negli ultimi quattro o cinque anni 8 Electricity generated from renewable sources of gross electricity consumption 18 Lig 174 HT 16 16 154 115 14 ET 134 13 24 t12 11 bai 104 10 94 t9 6 6 54 15 44 La 31 13 2 t2 14 Ha 0 x D IS g 2 e 8 2 amp time EU 15 countries X No data Fig 2 12 Produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili in Europa dal 1999 al 2009 19 Facendo riferimento al grafico sopra riportato si nota che anche a livello europeo si riscontrano dinamiche simili a quelle italiane sebbene si riscontri dal 2002 anno in cui si toccato il minimo storico in fatto di percentuale di energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili una crescita pressoch costante senza battute d arresto come quella riscontrata in Italia nel 2007 Analizzando la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili nell ambito dell Europa a 15 dal 2000 al 2010 si riscontrano incrementi importanti per quanto riguarda la tecnologia eolica solare e da biomassa questi incrementi sono stati diversi a dire il vero da Stato a Stato 9 GWh 220 850 GWh 601 108 MESSE 22 326 119 714 380 258 dA 816 DO rm i 39 in Germania 11 in Italia Di cui Di cui 33 in Spagna 33 Spagna
101. ensione ai suoi morsetti di alimentazione a frequenza industriale 50 Hz in una tensione ad un valore diverso superiore e o inferiore ed a frequenza nettamente superiore nella fattispecie a 13 56 MHz Il generatore integra due circuiti elettrici uno idraulico e varie interfacce per l utilizzatore i circuiti elettrici sono quelli di alimentazione a bassa frequenza e quello di uscita ad alta frequenza il circuito idraulico quello che provvede al raffreddamento del dispositivo stesso mentre le interfacce di comunicazione per l utente sono rappresentate da diverse porte digitali che attraverso vari protocolli di comunicazione consentono il collegamento diretto con un elaboratore La figura di seguito riportata mostra il generatore ad alta frequenza come si pu ben vedere non vi la possibilit di interagire direttamente con il generatore come avviene invece con un altro modello QINTO 3013 dotato di display e pulsanti di navigazione il solo modo per accedere alle impostazioni dello strumento quello di utilizzare un personal computer appositamente configurato Fig 12 1 Generatore ad alta frequenza QINTO 3013 M 82 Alle estremit di esso il generatore presenta due pannelli nei quali sono collocati tutti i possibili sistemi che il generatore ha per comunicare con l utente per essere alimentato da rete per essere connesso al circuito di raffreddamento per comunicare con il personal computer dedicato e per alimentare
102. ente alla luce solare viceversa per fotovoltaico a conversione si intende il processo di conversione dell energia ricavata dalla radiazione solare opportunamente trattata e concentrata mediante appositi specchi da celle pi piccole ma pi prestanti 2 1 4 SOLARE TERMODINAMICO Questo tipo di conversione dell energia posseduta dalla radiazione luminosa non sfrutta l effetto fotovoltaico bens si basa sulla concentrazione a mezzo di appositi specchi della radiazione su di un fuoco delle lenti paraboliche costituenti gli specchi nel quale fuoco presente un tubo contenente un apposito fluido termovettore La radiazione luminosa cos concentrata scalda il fluido termovettore portandolo ad elevata temperatura circa 600 C il quale fluido scambier il proprio calore in appositi scambiatori per poter cos sfruttare il calore per riscaldamento ovvero per far espandere il vapore prodotto a valle degli scambiatori in apposite turbine a gas Per quanto concerne la produzione di energia elettrica si seguir ovviamente la seconda strada il calore viene ceduto al vapore il quale si espander in apposite turbine a vapore calettate con turboalternatori che provvederanno quindi alla finale conversione in energia elettrica A differenza degli impianti fotovoltaici questo tipo di impianto in grado di funzionare anche in assenza di radiazione luminosa riuscendo a sfruttare il calore immagazzinato dal fluido termovettore che riesce a manten
103. ente pi per ragioni costruttive del modulo che fisiche dei vari materiali costituenti l interfaccia tra il vetro superiore e lo strato di EVA presente subito sotto di esso Il vetro di protezione superiore infatti presenta una capacit termica notevole rispetto agli altri materiali impiegati quindi il calore che viene sviluppato o trasmesso al vetro vi si pu accumulare in maniera consistente e portarsi e quindi mantenersi a temperature elevate per periodi relativamente lunghi Come gi detto nelle simulazioni si sono utilizzati valori approssimativi per le caratteristiche dei materiali citati non essendovi grosse quantit di dati a disposizione e nello specifico si pu dire che stato impiegato il medesimo valore per il fattore di perdita pari a 0 15 mentre ci che abbastanza diverso tra questi due la permittivit dielettrica relativa Per il backsheet stato impiegato il valore mediato di 8 5 mentre per PEVA stato impiegato un valore pari a 4 5 ci significa che nel momento in cui questi due materiali vengano immessi insieme nel condensatore di lavoro il campo tender ad addensarsi nel backsheet che presenta appunto un valore pi elevato In ragione di ci si avr un riscaldamento pi elevato sempre nel foglio di backsheet visto che a parit di valore di fattore di perdita questo materiale viene sottoposto ad una densit di potenza superiore rispetto al EVA Nel momento in cui per questi materiali venisser
104. erdita Gli ostacoli che ci si trovati di fronte a questo punto sono stati quello che tale strumento non era disponibile in visione gratuita data la scarsa produzione di una strumentazione cos particolare e quindi il costo relativamente elevato circa 45 mila euro che non ha permesso l acquisto dello stesso 9 3 VALORI IMPIEGATI Data la non reperibilit di valori certi riguardo la permittivit dielettrica relativa ed il fattore di perdita dei materiali polimerici impiegati nei moduli si deciso di procedere con i dati noti pochi per la verit per quanto riguarda le simulazioni al computer riservando il diritto di validare tali simulazioni a seguito di prove sperimentali di verifica Non si tratta ovviamente di un metodo molto ortodosso ma nell impossibilit di riuscire ad ottenere risultati migliori almeno con i pochi mezzi e soldi a disposizione si scelto questa via un po empirica ma non assurda essendo obiettivo del lavoro la verifica della fattibilit del riscaldamento non la determinazione delle caratteristiche dielettriche dei materiali 58 10 DELAMINAZIONE PER RADIOFREQUENZA Appurato che la tecnologia del riscaldamento per perdite dielettriche viene impiegata oltre che per molteplici altre applicazioni anche per laminare i moduli fotovoltaici si vuole valutare l effettiva possibilit di applicare la medesima tecnologia alla rovescia ovvero per de laminare i moduli fotovoltaici La laminazione avviene
105. erdite dielettriche Un analisi anche in questo caso rapida del procedimento di riscaldamento per perdite dielettriche fornisce a questo punto le conoscenze necessarie per una valutazione preventiva dell applicabilit di tale tecnologia al caso specifico andando in seguito ad introdurre il procedimento di laminazione per perdite dielettriche oggi impiegato e brevettato Una volta noto il processo di laminazione per perdite dielettriche viene quindi introdotta la possibilit di de laminare il modulo con la medesima tecnologia adottando gli accorgimenti pi opportuni definiti in sede di simulazione con il software applicativo per applicazioni elettrotermiche Cedrat Flux 10 4 2 Subito dopo le simulazioni al computer vengono introdotte le prove sperimentali eseguite e da eseguire prima di poter affermare che tale procedura realmente efficiente ed applicabile mediante un confronto inevitabile tra le simulazioni effettuate ed i risultati ottenuti al fine di validare o meno il procedimento di simulazione adottato Bisogna altres ribadire che le prove sperimentali effettuate hanno s lo scopo di confermare e o smentire le simulazioni effettuate al calcolatore ma in questa sede di valutazione preventiva della fattibilit tecnica del processo fanno solamente da cappello al lavoro di ricerca e studio eseguito a monte lungi quindi dal dare un giudizio tecnico critico sul processo fisicamente eseguito Le conclusioni a fine elaborato mirano inf
106. eriore in pasta d argento Incapsulante Vetro o Backsheet Cassetta di connessione elettrica o junction box L immagine riportata di seguito mostra chiaramente la collocazione dei vari componenti costituenti nell insieme il modulo fotovoltaico 23 1 Fig 6 1 Composizione di un modulo fotovoltaico in silicio cristallino Nella figura si nota che lo strato superiore indicato con il termine di Top Layer in genere esso realizzato in vetro vista la resistenza meccanica che dev essere garantita nei confronti degli agenti atmosferici quali grandine e neve Questi componenti occupano in percentuali diverse l intera massa del modulo si possono considerare brevemente i seguenti ordini di grandezza 24 43 Fig 6 2 Composizione percentuale di un modulo in silicio cristallino Come si vede chiaramente i materiali che costituiscono in percentuale maggiore il modulo fotovoltaico sono Vetro 76 Alluminio 11 Polimeri 6 7 Silicio 2 23 Ha senso considerare il riciclo dei materiali sopracitati se non altro per la percentuale dell intero modulo che essi costituiscono circa il 96 si riesce cos a ricavare il maggiore profitto da un eventuale vendita dei materiali recuperati e si riduce al contempo il volume del materiale da smaltire come rifiuto non riciclabile I materiali che comunque non si riuscissero a recuperare possono essere impiegati per usi meno nobili
107. eristiche definite una volta che si siano raffreddati Teoricamente essi mantengono le caratteristiche classiche dei termoplastici anche una volta sub to un primo riscaldamento ed un conseguente raffreddamento tuttavia ci dev essere verificato al fine di sfatare eventuali dubbi riguardo ad un comportamento invece diverso una volta che ci sia avvenuto In una prima fase sperimentale si realizzeranno degli elettrodi dalle dimensioni perfettamente uguali a quelle del modulo o porzione di modulo interposto infatti si proceder con gradualit verificando la fattibilit tecnica dapprima su di una porzione di modulo dalle dimensioni di una singola cella fotovoltaica con il rispettivo bordo per poi andare a testare il medesimo processo su di una porzione grande quanto alcune di queste celle nella fattispecie quattro e solamente in un ultima fase si proceder al trattamento di un intero modulo fotovoltaico L idea quella di portare i materiali polimerici ad una temperatura di rammollimento preferibilmente in maniera differenziata in modo tale da poter separare l incapsulante EVA dal foglio di fondo Multistrato di backsheet e dagli altri materiali costituenti il modulo Una volta riscaldati questi materiali termoplastici bisogna valutare se si riesce ad asportare in maniera agevole e selezionata l uno e l altro polimero che al fondo del pannello si trovano incollati tra loro in maniera netta visto che non devono consentire infiltrazi
108. ersi ad elevata temperatura per qualche giorno anche in assenza di esposizione alla luce solare La figura illustra ancora una volta il principio di funzionamento di un impianto di produzione di energia elettrica mediante il principio denominato solare termodinamico 5 13 Steam condenser Ce 2 vas Electricity we Thermal Storage Tanks Receiver Fig 2 5 Schema di principio di un impianto termodinamico Si nota nello schema la presenza di contenitori termicamente isolanti in grado di mantenere il fluido termovettore ad elevata temperatura pur in assenza di radiazione solare potendo cos produrre energia elettrica anche di notte a differenza degli impianti fotovoltaici Effettivamente questo tipo di impianti non trova la diffusione di quelli fotovoltaici trattandosi di impianti ben pi complessi e conseguentemente economicamente pi onerosi da installare non adatti quindi al singolo utente domestico della rete 2 1 5 GEOTERMICO Gli impianti geotermici sfruttano il calore del sottosuolo per riscaldare un fluido termovettore il quale pu a sua volta cedere il proprio calore mediante appositi scambiatori a circuiti di riscaldamento per ambienti ovvero ad un circuito acqua vapore convertibile quindi in energia elettrica in turboalternatori La localizzazione ideale di questo tipo di impianti limitata alle aree geografiche interessate da fenomeni di risalita del calore e o del vapore proveniente dal sottosuolo q
109. esta tesi l analisi di tale aspetto questa valutazione verr tralasciata a favore di un analisi pi dettagliata invece della fattibilit tecnica del processo 78 F120 PostPro 30 ERLA di File Edt View Geomety Ph SHRASTEAS Deometty CELLA ELEC VV D TRA Q Supports Parameters Window Help a Ne ai BR Ea GREY Rea Color Shade Results Quantity Temperature Deg Celsius Time s 120 Phase Deg 0 Scale Color 2 56277 12 28684 12 28684 22 0109 22 0109 31 73497 31 73497 41 45903 41 45903 51 18309 51 18309 60 90716 60 90716 70 63123 70 63123 80 35529 80 35529 90 07935 90 07935 99 80342 99 80342 109 52748 109 52748 119 25154 119 25154 128 97562 128 97562 138 69968 138 69968 148 42374 148 42374 158 1478 BREDA 23 ii e eee Ready 56 201 mm Y 40 71 mm NUM Fig 11 15 Situazione all istante finale t 120 s In quest ultima immagine si nota come analogamente all immagine precedente anche alla fine del processo di riscaldamento supposto per ipotesi all istante temporale di 120 s si raggiunga all interno della sezione una temperatura di tutto riguardo con appena due minuti di applicazione del campo elettrico Nella fattispecie viene raggiunta una temperatura massima di circa 160 C e tale temperatura la si raggiunge in prossimit della superficie di interfaccia tra il vetro e lo strato di eva che lo fa ade
110. etici visto che per produrre 1 kg di alluminio a partire da scarti dello stesso serve meno di 1 kW contro i 13 14 KW necessari partendo dal minerale bauxite Innumerevoli i futuri impieghi dell alluminio materiale che gode pure esso di una filiera di riciclo assai consolidata visti i prezzi sempre pi alti anche sul mercato internazionale note le buone qualit meccaniche di leggerezza resistenza agli agenti atmosferici e le eccellenti qualit elettriche che lo vedono sempre pi spesso valido sostituto del ben pi caro rame Nei moduli fotovoltaici esso viene impiegato essenzialmente per le relative propriet fisiche e meccaniche la leggerezza innanzitutto visto che per motivi vari il pannello deve risultare leggero per poter essere agevolmente installato sui tetti delle abitazioni o su telai idonei allo scopo La resistenza agli agenti atmosferici ne garantisce e ne preserva poi la struttura per l intero arco della vita operativa evitando che si formino fessurazioni nelle quali si pu eventualmente infiltrare acqua o altri agenti corrosivi Non vengono invece sfruttate le relative propriet elettriche di buon conduttore in quanto non partecipa al processo di conversione fotovoltaica il fatto che il telaio sia a contatto con il potenziale di terra fa s che il modulo si trovi con la cornice a livello equipotenziale con il terreno cosa peraltro non rilevante 6 1 3 SILICIO Le celle fotovoltaiche pur essendo il cuore
111. ettro del visibile ovvero della luce che colpisce la superficie terrestre Dati i tratti caratterizzanti le fonti energetiche rinnovabili queste si possono distinguere in base alla fonte energetica primaria ed in base al processo di conversione effettuato essenzialmente sono Idroelettrica di vario tipo a serbatoio ad acqua fluente a marea Eolica onshore ed offshore Fotovoltaico classico ed a concentrazione Solare termodinamico Geotermico Biomassa La produzione di energia in generale elettrica ma anche di altro tipo come quella termica va ad interagire con aspetti molto vari del pianeta Terra da fenomeni esterni ad esso come la radiazione solare a fenomeni legati alla vita sulla Terra come l energia da biomassa ad agenti atmosferici com il vento ed infine ad energia insita nel pianeta stesso com l energia ricavabile dalla geotermia A dire il vero vi una diatriba aperta per quanto riguarda il considerare l energia geotermica una fonte energetica rinnovabile in quanto stato dimostrato che l energia geotermica ricavabile da un pozzo geotermico pu diminuire anche del 30 nel giro di 10 anni questo tipo di produzione necessita infatti della ricarica del pozzo geotermico stesso re immettendo nel sottosuolo il vapore estratto e conseguentemente condensato La produzione di energia elettrica a partire da fonti rinnovabili ha incontrato in passato un applicazione limitata
112. facendo aderire tra loro i vari componenti permettendo all aria di fuoriuscire e facendo si che questa non possa rientrarvi riscaldando gli strati di EVA che una volta raffreddati fanno da incapsulante e riempitivo Valutate quelle che sono le tecnologie pioniere in questo campo applicate per il riciclo dei moduli fotovoltaici si pu affermare innanzitutto che vista la novit del settore non vi sono ragionevoli certezze per poter escludere l eventualit di poter applicare questa tecnologia in questo contesto n sospetti a riguardo del motivo per cui nessuno l abbia ancora applicata e o brevettata visto appunto il recente interesse verso tale settore applicativo Vista la composizione del modulo fotovoltaico e note che siano le caratteristiche dei materiali polimerici in essi presenti si pu affermare con ragionevole certezza che tali dispositivi si dovrebbero teoricamente riscaldare per il fenomeno descritto delle perdite dielettriche e in ragione di tale comportamento non si pu nemmeno escludere la possibilit di riuscire a separare in maniera agevole i vari strati componenti a seguito di un adeguato riscaldamento I materiali polimerici presenti come analizzato nei capitoli precedenti presentano caratteristiche che li classificano come termoplastici ovvero in seguito ad un riscaldamento essi divengono via via pi morbidi e malleabili e proprio grazie a questa loro propriet essi vengono lavorati a caldo per poi prendere forma e caratt
113. fied m UP_ELEC LOW_ELEC moditied RegionFace ARIA modified id i los Tui gt oe EE GR LA Fig 11 3 Vista della sezione del modulo con zoom 11 1 2 MESHING DEL DOMINIO DI CALCOLO MESHING Definita la geometria si deve definire l accuratezza ed il modo con il quale il risolutore o Solver andr in seguito a determinare i valori di campo e le temperature di interesse in accordo con i materiali presenti e le relative caratteristiche che verranno definite in seguito La rete di nodi interconnessi da tratti di linea costituisce la cosiddetta mesh ed essa individua i punti nei quali il solver andr in seguito a determinare le grandezze volute ed allo stesso tempo definisce il tipo di interpolazione che il solver seguir nell eseguire il calcolo in un punto e quindi nei punti adiacenti in generale lineare o quadratico Il software procede automaticamente a meshare la geometria con elementi del secondo ordine perch si tratta di un disegno 2D e quindi riesce in modo agevole a piazzare elementi del secondo ordine nel disegno precedentemente eseguito L inserimento di elementi del secondo ordine fa s che tra un nodo e l altro sia inserito un terzo nodo a met del lato che unisce questi due nodi ed detto appunto midside node ovvero nodo di mezzo 68 quindi le grandezze ricercate oltre che nei vertici degli elementi vengono calcolate anche nei punti di mezzo dei lati dei suddetti element
114. generatore ed il carico da alimentare e proprio in ragione di ci questa rete di accoppiamento viene interposta tra i due attori principali del processo in esecuzione ovvero il generatore ed il condensatore di lavoro Analogamente al generatore descritto poco fa anche la rete di adattamento che chiameremo pure Matchbox com gi avvenuto peraltro in precedenza non presenta grosse possibilit di interazione diretta con essa essendo destinata ad essere installata presso il carico e quindi lontano da eventuali operatori Nella figura seguente si pu vedere la rete di accoppiamento o matchbox con un apertura evidente attraverso di essa possibile regolare l induttanza della stessa cos che i condensatori autoregolanti possano funzionare ottimamente per diversi campi di impiego Se infatti dopo un interrogazione a mezzo computer e generatore si riscontrasse che i condensatori presentano una capacit di lavoro prossima al valore minimo o massimo del campo di lavoro opportuno agire sull induttanza di accordo al fine di permettere alla matchbox di seguire il carico in qualsiasi sua variazione RR ek kk A Fig 12 6 Rete di adattamento o Matchbox La rete di adattamento a differenza del generatore presenta solamente un pannello atto ad alimentare ed a comunicare con l operatore o meglio con il generatore Nel pannello quindi si possono evidenziare i seguenti dispositivi segnalati chiaramente Connettore di alimentazione
115. he Esula dall oggetto di questo lavoro la valutazione della frequenza ottimale per ottenere un riscaldamento per perdite dielettriche si ribadisce infatti ancora una volta che lo scopo della tesi la 61 verifica della fattibilit tecnica del processo non la definizione delle eventuali condizioni ottimali per ottenere ci Valutazioni riguardanti l impiego di un campo elettrico a 27 12 MHz in luogo di uno a 13 56 MHz verranno quindi fatte solamente in futuro una volta constatato che il processo realizzabile dal punto di industriale 10 2 APPLICAZIONE DI UN ADEGUATA PRESSIONE TRA ELETTRODI E MODULO FOTOVOLTAICO Unitamente al campo elettrico ad alta frequenza si ipotizza di porre gli elettrodi a contatto con il modulo sia da un lato che dall altro applicando una pressione adeguata al fine di eliminare l aria che si viene ad interporre tra elettrodo e modulo evitando cos il rischio di scariche in aria la quale presenta ovviamente una rigidit dielettrica inferiore a quella dei vari componenti che costituiscono il modulo Il brevetto di laminazione con riscaldamento per perdite dielettriche infatti prevede l applicazione di una certa pressione al fine di favorire l eliminazione dell aria interposta tra i vari strati potendo al contempo elevare il livello di tensione applicato agli elettrodi senza correre il rischio di scariche In quello che ipoteticamente sar il processo di de laminazione con riscaldamento
116. i quindi con una accuratezza elevata Aspetto importantissimo della mesh riuscire ad addensare i punti di calcolo laddove interessa conoscere con maggiore precisione i valori di campo e di temperatura per poi allentare invece la maglia dei nodi nelle zone in cui la precisione richiesta minore Nella fattispecie di particolare interesse conoscere i valori del campo elettrico e le temperature nei materiali interposti tra i due elettrodi rappresentanti la configurazione di riscaldamento mentre di scarso interesse l andamento del campo e della temperatura al di fuori degli elettrodi visto che per quanto riguarda il campo elettrico esso sar vincolato fisicamente da una gabbia di Faraday connessa al potenziale di terra mentre la temperatura dipendente dalla temperatura dell ambiente nel quale avviene la prova di riscaldamento Nella figura sotto riportata si evidenzia la solita interfaccia utente del modulo di definizione della geometria della mesh e della fisica del processo con uno zoom sulla libreria della mesh che si viene ad aprire appunto al momento della definizione della mesh Project Applicaton Geomety Mesh Physics Display View Select Tools Extensions Help 2 ale a alito VIR BE As RA TT gt Mesh gr HZ Meshing tools x Mesh point E af Mesh line lt Mesh generator B Mesh entities Node _ Line element x Face element Mesh defects Mesh visualization Yi Node of visualization Lin
117. i si evitano emissioni gassose da tenere sotto controllo vista la loro potenziale nocivit se non adeguatamente rimosse e trattate In generale si pu prospettare un lavoro di prove sperimentali al fine di validare una tale procedura anche piuttosto complessa e non trascurabile in termini di tempo volendo contemporaneamente cercare di ottenere risultati nel pi breve tempo possibile vista l ormai imminente iscrizione dei moduli fotovoltaici all interno della lista dei rifiuti cosiddetti RAEE Rifiuti da Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche 80 12 PROVE SPERIMENTALI Una volta effettuate le simulazioni all elaboratore necessarie a fugare eventuali dubbi circa la possibilit di un riscaldamento per perdite dielettriche dei moduli fotovoltaici risultato naturale procedere con la verifica sperimentale di ci che l elaboratore ha in una prima fase confermato Sebbene dal punto di vista teorico ci risulti logico ed in un primo momento pu essere considerato pure semplice dal punto di vista pratico cos stato visti diversi problemi con i quali si dovuto fare i conti La prova sperimentale innanzitutto rientrata in un ambito particolare non affrontato quotidianamente all interno del LEP diversamente dai processi di riscaldamento ad induzione per i quali il Laboratorio risulta essere ben attrezzato e le competenze molto valide L attrezzatura stessa impiegata di fatto risultata essere stata utilizzata molto poco in p
118. i vista la giovane et di tale tecnologia ma si trover ad affrontare in maniera pesante tale problema tra circa una decina d anni quando inizieranno ad essere sostituiti i moduli installati ormai pi di dieci anni fa Attualmente i volumi dei moduli da riciclare sono esigui si pensi che essenzialmente fino agli anni 90 i soli impianti fotovoltaici installati erano di enti sperimentali quali PENEL o ENEA con modesta capacit installata quindi e numero di moduli molto contenuto Bisogna aspettare il primo conto energia 2005 2007 per iniziare a parlare di una crescita esponenziale dei moduli fotovoltaici installati ed in ragione di ci si pu affermare che i volumi di moduli fotovoltaici da dismettere inizieranno ad essere consistenti non prima del 2020 2025 essendo tra l altro pessimisti sulla vita stimata dei moduli stessi V Gli attori del mercato legato al fotovoltaico si sono quindi finora occupati solamente della fase iniziale del ciclo di vita dei moduli ed in ragione di ci non si pu certo dire che non siano riusciti ad abbattere 1 costi di produzione visto che i moduli fino ad una decina d anni fa avevano costi proibitivi mentre oggi sono molto pi abbordabili A dire il vero vi sono gi alcuni grossi produttori che hanno iniziato a pensare al riciclo dei loro stessi prodotti soprattutto per poter reimpiegare gli scarti di produzione inevitabili ma le tecnologie finora messe a punto non consentono un riciclo efficiente
119. i vita con la consapevolezza che non pi permesso sprecare energia visto che se economicamente oggi ci non viene ad incidere molto in futuro si potrebbero avere conseguenze molto pesanti non solo dal punto di vista economico ma anche dal punto di vista ecologico Anche in questo campo sono poste in essere moltissime attivit a livello nazionale comunitario ed internazionale e per risparmio energetico si intende il significato pi generale del termine senza scendere nello specifico del risparmio di energia elettrica Di per s gi il mercato impone una ricerca automatica del risparmio energetico visto che a parit di prodotto finale avr un prezzo minore un oggetto prodotto con minore dispendio energetico e quindi si crea un meccanismo automatico di concorrenza che si riflette pure nella ricerca del risparmio energetico Tutto ci avviene per finch gli investimenti in ricerca in generale e quindi anche verso il risparmio energetico vengono ricompensati dal mercato ovvero i produttori non vanno ad investire dove tale sforzo non sar premiato dal profitto ed proprio in questo ambito che entrano invece in gioco le regolamentazioni atte ad incrementare il risparmio energetico Ai vari livelli nazionale comunitario ed internazionale come detto entrano quindi in gioco diverse forme di stimolo e di incentivazione al risparmio energetico volontario e obbligato dagli ecoincentivi alle imposizioni di legge Se non molto agevole ve
120. iali presenti sono affette da problemi legati all economicit dei processi ed in parte alla produzione di gas tossico nocivi Ci che si cercato di verificare nell ambito di questa tesi la possibilit di attivare una metodologia per il disassemblaggio dei moduli fotovoltaici che non comporti la formazione di gas tossico nocivi unitamente ad un processo rapido che consenta quindi al contempo di limitarne i costi La possibilit di riscaldare gli elementi polimerici presenti nel modulo mediante riscaldamento per perdite dielettriche come avviene gi in fase di laminazione dei moduli stessi lascia ben sperare circa la possibilit di industrializzare tale metodologia ottenendo al contempo il riciclo di una percentuale maggiore dei materiali impiegati INTRODUZIONE La richiesta di energia compresa quella elettrica va di pari passo con lo sviluppo socio economico della popolazione in passato gli Stati occidentali si sono affidati essenzialmente all energia ricavata da combustibili fossili con le conseguenze a livello ambientale che tutti conosciamo La crescita che stanno avendo e che avranno ancor pi in futuro i Paesi in Via di Sviluppo PVS comporta e comporter la necessit di produrre ancor pi energia di quanta se ne produca oggi non volendo per aggravare le condizioni del nostro pianeta occorre trovare fonti energetiche meno inquinanti Una via imboccata ormai da tempo a livello globale ed in maniera ancor pi accen
121. ializzata nell ambito dei materiali e non nella produzione di apparecchiature industriali viene sponsorizzata nel relativo sito internet www ceralink com la possibilit di collaborare con l azienda stessa al fine di stabilire una partnership per la produzione di presse a radiofrequenza da rivendere poi ai produttori di moduli fotovoltaici Un semplice schema del processo brevettato pure pubblicizzato all interno del medesimo sito con l immagine di seguito riportata Heat generated from loss in RF AC i A Dual RF Electrode Press Platen Fig 8 1 Principio di laminazione per radiofrequenza Appare semplice comprendere tale processo evidenziato in applicazione diversa dal caso del modulo fotovoltaico essendo chiaramente assente la cella fotovoltaica gli stessi infatti promuovono lo stesso procedimento per gli usi pi disparati dalla produzione di vetro decorativo con strato interno colorato al caso di possibile inglobamento di led Unico punto critico del processo si pu eventualmente riscontrare nel momento in cui tale procedimento venga applicato ad un modulo fotovoltaico nella sua struttura pi classica quindi con un materiale di backsheet impiegato come fondo e non vetro In tal caso infatti la il backsheet se sensibile ai campi elettrici ad alta frequenza una volta riscaldato si troverebbe direttamente a contatto con una piastra della pressa e quindi andrebbe analizzata la possibilit di un eve
122. ic parameter amp amp Coordinate system a Transformation B Geometric entities e Point 7 Line PPEFLU 10 3 1 Finite Element preprocessor 1000 Mo N 16 Mo C Build 0507021841 Win32 av nN mim S TI Fig 11 2 Interfaccia utente della sezione Geometry per la definizione della geometria 67 Come detto vista la semplicit geometrica e la preponderanza di una dimensione in luogo delle altre due si optato per una modellizzazione 2D che oltre a consentire una pi agevole procedura di disegno consente allo stesso tempo di creare una mesh meno pesante ed una risoluzione del problema in tempi minori Visto ci si sono quindi disegnati i punti base della vista in sezione uniti poi da linee al fine di delineare contorni e facce dell oggetto in esame tralasciando almeno in questa prima fase di simulazione quelle che possono essere lievi migliorie da introdurre eventualmente in una fase successiva scendendo nel dettaglio con una simulazione 3D Bisogna peraltro evidenziare che attualmente non possibile procedere direttamente con una simulazione 3D per problemi legati alla licenza multi fisica in possesso del LEP per il caso elettrotermico e magneto termico 2D magneto termico 3D ma non posseduta per il caso elettro termico 3D Prefiuzo 10 42 Stes Project Applicaton Geometri Mesh Physics ParameteriQuantiy Display View Select Tools Extensions Help PegionFace UP_ELEC LON ELEC modi
123. iche elettriche nel dielettrico aria qualora si vengano a creare situazioni critiche che vadano a sollecitare dielettricamente parlando i dielettrici che presentano permittivit dielettrica pi bassa ed essendo quella dell aria pari a quello del vuoto quindi unitaria sar di sicuro uno dei dielettrici interessati dal campo elettrico di maggiore valore Com noto l aria presenta rigidit dielettrica in condizioni standard di temperatura pari a 20 C e pressione di 1 atm in configurazione tra due elettrodi piani pari a 30 kV cm 28 ma tale valore non tiene conto di numerose variabili quali l umidit e la polarit della tensione applicata Al fine di garantire un margine di sicurezza contro la possibilit di avere scariche in aria si deciso di adottare una tensione che comporti un campo elettrico di valore inferiore o pari ad un decimo della rigidit dielettrica dell aria e quindi uguale o inferiore a 3 kV cm Con l ausilio di simulazioni all elaboratore si cercher comunque di determinare il valore di tensione di alimentazione che consenta un processo pi razionale possibile compatibilmente con limiti tecnici e limiti economici ovvero tempi di processo contenuti quanto pi possibile Le simulazioni vengono affrontate nel capitolo successivo ma considerando lo spessore di un modulo fotovoltaico che all incirca di un centimetro trascurando la cornice in alluminio che viene tolta dal modulo in una fase p
124. ico applicabile poich proprio attraverso l aria si potrebbero avere delle scariche tra le armature Impiegando invece fogli di backsheet dalle dimensioni maggiori delle armature dell applicatore di campo si pu far riferimento ad un valore massimo di campo elettrico applicabile pari alla rigidit dielettrica del materiale stesso unitamente ad un certo fattore di sicurezza per scongiurare eventuali scariche lungo la superficie del foglio stesso incentivate dall eventuale presenza di umidit o sporcizia Di fatto come gi stato precisato si cercato di tenere un valore massimo di campo elettrico non superiore ad un decimo della rigidit dielettrica dell aria ovvero sempre inferiore a 3 kV cm per tenersi comunque lontani da qualsiasi circostanza non considerata La tensione con la quale si provveduto ad alimentare gli elettrodi applicatori di campo stata decisa sulla base delle simulazioni effettuate all elaboratore sfruttando il software Flux 10 4 e sulla base di queste si deciso per una tensione di 750 V In realt la tensione applicata al condensatore di lavoro non ha mai superato i 600 V vista l impossibilit di accordare in maniera adeguata la matchbox con il carico di tipo capacitivo e di fatto l assenza di questa condizione ottimale di funzionamento fa si che il generatore limiti tutti i suoi parametri in funzione di non creare danni a se stesso Come per la tensione anche i tempi impiegati per il risc
125. ico nominale Q 50 Range di regolazione della potenza W 25 3000 CAVO DI INTERCONNESSIONE Tipo RG 214 Impedenza caratteristica Q 50 Connettore 7 16 Tabella 12 1 Specifiche tecniche generatore QINTO 3013 M 83 DESCRIZIONE DEL PANNELLO ANTERIORE Il pannello anteriore gestisce di fatto i circuiti di potenza e di raffreddamento creando tra l altro una situazione di convivenza poco desiderabile vista la vicinanza fisica tra la connessione elettrica e quella idraulica L alimentazione del generatore avviene mediante la connessione alla morsettiera trifase posta sul pannello frontale dello stesso a dire il vero in maniera abbastanza spartana non essendo prevista di fatto una valida protezione contro i contatti diretti avendo infatti un grado di protezione cos come riportato tra i dati tecnici 30 IP 21 Da quanto si pu apprendere dallo schema elettrico del generatore e dalle specifiche tecniche l interruttore principale che si trova in posizione pressoch centrale nel pannello frontale ha la sola funzione di interrompere l alimentazione ma non provvede ad alcuna funzione di protezione contro guasti o sovraccarichi che possono avvenire a valle dello stesso Le boccole di collegamento del circuito idraulico di raffreddamento si trovano a dire il vero in una posizione non proprio auspicabile poich essendo di fatto sopra e molto vicine all interruttore generale in caso di perdita di ac
126. ico si tratta di analizzare un caso bidimensionale senza simmetria assiale e quindi va specificata la profondit del dominio 70 Altri parametri che si possono impostare sono le unit di misura della temperatura se in gradi Celsius o Fahrenheit il tipo di risolutore che Flux andr ad impiegare nello specifico viene utilizzato il risolutore 2D che tra l altro impostato di default ed infine il riferimento per i potenziali elettrici se sono da considerarsi flottanti e quindi andranno definite a parte le condizioni al contorno ovvero imposti dallo stesso software nel caso specifico si sono impostati flottanti andando a definire le condizioni di bordo sul caso specifico in un secondo momento La figura illustra la maschera di definizione del tipo di problema e dei parametri fondamentali che sono appunto quelli appena elencati Definition Unit Solver Frequency in Hertz 2D domain type 2D plane Length Unit MILLIMETER slp Depth of the domain i _ l rol Reference for potential infinity symmetry Floating potential a Cancel PREFLU_10 3 1 Finite Element preprocessor 1000 Mo MN 1 Mo C Build 0907021841 Win32 mO Ed AN Fig 11 6 Maschera di definizione del tipo di problema da analizzare 11 1 4 DEFINIZIONE DELLE PROPRIET FISICHE PHYSICS Una volta
127. ine a dare un giudizio sul lavoro effettuato ad analizzare criticamente la possibilit di industrializzare tale procedimento contribuendo a rendere un po pi verde il settore fotovoltaico cristallino VI 1 QUESTIONE AMBIENTALE Ogni essere vivente sul globo terrestre ha dei bisogni primari da soddisfare per sopravvivere e prolificare sia esso vegetale o animale e tra gli animali gli esseri umani non fanno eccezione alcuna Gli esseri umani inoltre non si sono accontentati di soddisfare i loro bisogni primari ma hanno invece sempre cercato di migliorare la loro condizione di vita in modo tale da riuscire ad avere un esistenza migliore andando a creare essi stessi dei bisogni secondari L unione dei bisogni primari e dei bisogni secondari genera un insieme di condizioni da soddisfare che richiedono fondamentalmente energia la quale pu essere impiegata in agricoltura per cercare di soddisfare alcuni dei bisogni primari o in un cellulare o altro apparato tecnologico nel tentativo di soddisfare i nostri sempre maggiori bisogni secondari Le forme energetiche sfruttate dall uomo dal passato ad oggi sono molto cambiate inevitabilmente se infatti in principio l energia sfruttata derivava unicamente dalla forza muscolare umana ed animale in seguito queste sono andate scomparendo per lasciare il posto ad altre forme quali l energia termica idraulica meccanica chimica per culminare nella fonte energetica dinamica per eccellenza
128. io delle impurit in percentuale molto bassa qualche parte per milione di tipo diverso dai due lati della cella in modo tale che da un lato vi sia la presenza di un certo tipo di impurit dall altro lato di un altra Le impurezze inserite nel reticolo cristallino del silicio devono appartenere rispettivamente al terzo ed al quinto gruppo della tavola periodica degli elementi in modo tale da creare nelle due regioni P ed N affacciate tra loro un eccesso di lacune o viceversa un eccesso di elettroni Ponendo a contatto le due differenti strutture e ci si ottiene drogando il supporto in modo diverso dall uno e dall altro lato si instaura una corrente elettronica di ricombinazione dovuta appunto alla differente concentrazione di cariche elettriche positive e negative Ai margini di questa zona di contatto a seguito della corrente di ricombinazione si viene a creare un campo elettrostatico orientato secondo la disposizione dei drogaggi P ed N mentre la zona interna detta zona di svuotamento diviene elettricamente neutra a seguito della migrazione degli elettroni andati a ristabilire l equilibrio elettrico Come in un normale diodo anche in questa particolare giunzione P N se viene applicato un campo elettrico concorde con quello intrinseco si ha un allargamento della regione di svuotamento e pertanto non si potr instaurare una corrente che possa attraversare tale regione viceversa se si va ad applicare un campo che va ad annullare
129. io e la cassetta di connessione elettrica possono essere rimosse in maniera agevole all inizio del processo di riciclo dei moduli occorre analizzare ci che rimane del pannello originariamente considerato Il modulo rimane costituito a questo punto solamente dai materiali laminati in sede di produzione ovvero procedendo dall alto da vetro eva celle fotovoltaiche eva e foglio di backsheet schematicamente lo si pu immaginare come riportato di seguito r q Vetro o Backsheet j Fig 6 3 Stratificazione di un modulo in silicio cristallino I diversi componenti occupano nella sezione spessori diversi in particolare si pud affermare grosso modo le dimensioni caratteristiche sono circa le seguenti Vetro 3 mm Eva 200 1100 um Celle fotovoltaiche 150 300 um Eva 200 1100 um Backsheet 350 um Leggendo i numeri riportati si capisce quindi che l immagine risulta essere parecchio fuori scala in particolare mentre il vetro da solo occupa circa 3 mm i rimanenti materiali occupano uno spessore che va da circa 1 mm a quasi 3 mm al massimo quindi lo spessore viene occupato per met dal vetro e per l altra met dai rimanenti materiali Parlando in termini pratici si capisce subito che si ha a che fare con spessori esigui di materiale ed inoltre si ha una differenza abbastanza evidente tra lo spessore del vetro e quello dei rimanenti materiali Una separazione meccanica che abbia cura di
130. ione di combustibili fossili motore dello sviluppo economico e tecnologico di tutti i Paesi Sviluppati Il secondo per ordine di importanza tra i gas serra il metano CH che ha una duplice origine Naturale in conseguenza di processi di fermentazione in assenza di ossigeno come nelle zone umide e negli oceani Umana a seguito delle attivit di estrazione mineraria sfruttamento di combustibili fossili allevamento di bestiame le piante fermentando nello stomaco degli animali producono e poi liberano questo gas coltivazione del riso essendo di fatto una zona umida artificiale e dalle discariche per il consueto fenomeno di fermentazione in assenza di ossigeno Vi sono come stato elencato poco sopra numerosi altri gas ad effetto serra e probabilmente ve ne sono numerosi altri gas serra non citati dal documento in questione si pu dire per in linea generale che il loro apporto all effetto serra minore e per questo nei documenti ufficiali si fa sempre riferimento a grandezze in CO equivalenti o grandezze in CARBONIO C equivalente Bisogna tenere ben presente che agli albori di una rivoluzione che sarebbe poi stata decisiva per il futuro dell intera umanit com stata la rivoluzione industriale non si avevano gli strumenti n si potevano immaginare le conseguenze che si sarebbero pagate perseguendo tale modello di sviluppo Oggi che qualche passo in avanti stato mosso sia per quanto riguarda le co
131. ione termica che provoca dispersione del calore sviluppato Forma convessa assunta dalla cella dopo il sezionamento Crepe sul vetro di copertura La scarsa conoscenza delle caratteristiche elettriche dei materiali impiegati non permette di ottenere simulazioni al computer che si possano ritenere abbastanza attendibili come valori numerici sono stati impiegati infatti dati ricavati da data sheet peraltro non riferiti alla frequenza di lavoro La mancata accordatura della matchbox con il carico applicato non consente di ottenere una configurazione ottimale per quanto riguarda l impedenza vista dal generatore ad alta frequenza in ragione di ci la potenza applicata al carico viene automaticamente limitata dal generatore stesso La conduzione termica non nulla da parte degli elettrodi e del modulo stesso fa s che il calore sviluppato nei materiali dielettrici si diffonda di fatto limitando la temperatura massima raggiungibile dai materiali dielettrici stessi La forma convessa che assume la porzione di modulo fotovoltaico una volta sezionato fa s che non vi sia un perfetto contatto tra gli elettrodi ed il pezzo da riscaldare il ragione di ci si ha pure una distribuzione del campo elettrico che non risulta essere uniforme andando a sollecitare di pi alcuni punti e meno altri 99 Infine le crepe presenti sul vetro di copertura del modulo fotovoltaico comportano una serie di accorgimenti contro la possibilit di scariche tali
132. iscaldamenti eccessivi In alto in posizione centrale posto un connettore per l alimentazione del micro controllore e della logica elettronica che verifica lo stato della rete e decide le operazioni da effettuare sui condensatori in vuoto al fine di mantenere un impedenza stabile di 50 Q Subito a sinistra del connettore di alimentazione posto un morsetto a bullone e dado per la connessione della carcassa della matchbox e dell eventuale involucro o gabbia di Faraday di protezione all impianto di terra per fini di sicurezza dell operatore In prossimit di questo subito sotto per la precisione alloggiato un fusibile di protezione del circuito logico della matchbox la portata limitata 0 2 A essendo questo circuito poco energivoro mentre non previsto alcun dispositivo di protezione del circuito di potenza ad alta frequenza funzione eseguita dal generatore stesso mediante controllo costante dei parametri del circuito Nella parte sinistra del pannello si trovano due boccole per il collegamento del circuito di raffreddamento in questo caso si evidenzia una posizione pi idonea rispetto al generatore in quanto si trovano lontano dal connettore di alimentazione comunque protetto e sulla verticale di queste non si presentano possibili interferenze con circuiti elettrici In posizione centrale lievemente spostati a destra si trovano due connettori per cavo in fibra ottica atti a far comunicare il generatore e la
133. izione delle propriet di ci che racchiude l oggetto in esame nella fattispecie aria e nella definizione delle condizioni alle estremit del dominio per quanto riguarda una possibile condizione circa la temperatura dell ambiente circostante che si ritenuta essere come avviene nelle normali applicazioni all incirca a 20 C ed alle condizioni del campo elettrico nella medesima condizione di bordo del dominio nel caso specifico si fissato un potenziale di riferimento a potenziale nullo e quindi a 0 V considerando una gabbia di Faraday posta attorno al dispositivo e connessa a terra il tutto per ragioni di sicurezza Nella definizione delle propriet fisiche vanno anche individuate e specificate le condizioni che si vanno ad applicare con il processo di riscaldamento ovvero nel caso specifico l applicazione di un potenziale tra le due armature del condensatore di lavoro ad una determinata frequenza che a sua volta instaura un campo elettrico variabile con la stessa legge del potenziale imposto In una prima fase si ritenuto opportuno considerare come elettrodo superiore ed inferiore una regione di spessore nullo definendo cos una Line Region in modo tale da considerare il campo elettrico applicato direttamente sull oggetto all interno del condensatore di lavoro solamente in un secondo momento si supposto di considerare il potenziale elettrico come applicato uniformemente sullo spessore degli elettrodi Attuando una
134. l recupero e sul riciclo di moduli in silicio cristallino essendo questo il prodotto principe del gruppo quindi potendo sviluppare potenzialmente un ciclo di recupero degli scarti di produzione La metodologia consiste nelle seguenti tappe da eseguire in sequenza 20 RACCOLTA E PREPARAZIONE I moduli fotovoltaici vengono raccolti e vengono staccate le cassette di connessione elettrica junction box e le cornici in alluminio 29 INCENERIMENTO INCAPSULANTE I moduli vengono portati e mantenuti ad elevata temperatura fino al completo incenerimento del materiale incapsulante EVA SEPARAZIONE DEL VETRO Una volta rimosso il materiale incapsulante si pu separare il vetro dalle celle fotovoltaiche RICICLO VETRO E CELLE Il vetro e le celle cos ricavate vengono avviati a due processi distinti di riciclo e recupero per poter essere riutilizzati Lo schema di seguito riportato illustra la metodologia implementata da SolarWorld Complete Module Thermal Glass Processing gt Metals Gas Water Silicon Chemical pes oe Processing EE m fi gt ingat Silicon Growing I Cell Production Fig 3 1 Schema di riciclo Solar World 3 4 2 METODO FIRSTSOLAR PER MODULI IN FILM SOTTILE Il metodo sviluppato da FirstSolar grosso produttore di moduli fotovoltaici in film sottile si sofferma ovviamente sul possibile riciclo di moduli della medesima tipologia per ovvi interessi economici e di immagine visto che il pubbliciz
135. le chiamare della stessa possibilit di vita sulla Terra poich permette di mantenere all interno dell atmosfera condizioni climatiche che consentono appunto la vita esso dovuto in gran parte al vapore acqueo il quale cattura il calore irradiato dalla terra e lo diffonde in tutte le direzioni L effetto serra ACCELERATO invece quello dovuto all attivit antropica esso strettamente correlato quindi con l attivit umana e poich si registrato a partire dalla rivoluzione industriale un incremento di temperatura notevole rispetto a tutto il periodo documentabile precedente si pu affermare che tale relazione non sia casuale ma ben documentata L effetto serra accelerato sta portando ad un innalzamento delle temperature negli ultimi 50 100 anni non trascurabile in realt si tratta di frazioni di un grado centigrado ma queste hanno implicazioni notevoli visto che l innalzamento della temperatura comporta uno scioglimento delle calotte polari e dei ghiacciai che come effetto portano ad un innalzamento del livello del mare con conseguenze potenzialmente disastrose Oltre ad un innalzamento del livello del mare si hanno altri effetti come lo sconvolgimento dei fenomeni atmosferici che si possono registrare negli ultimi anni a seguito di uragani tempeste 4 tropicali monsoni ed alla diffusione di specie animali in aree geografiche dove una volte queste erano assenti come ad esempio squali meduse e specie marine tropica
136. le tecnologie esaminate consentono di giungere a buoni livelli di recupero delle materie prime impiegate nei moduli con percentuali di recupero che si aggirano attorno al 90 tuttavia ci che oggi non si riesce a recuperare con le tecnologie esistenti sono i materiali incapsulanti e di fondo del pannello 31 L incenerimento ovviamente ne provoca la distruzione con le relative emissioni di gas inquinanti che devono essere come detto appositamente trattati prima di essere liberati in atmosfera d altra parte il trattamento FirstSolar non consente comunque di recuperare tali materiali e bisogna provvedere in questo caso a trattare i reagenti anzich 1 fumi Il riciclo in futuro dovr portare ovviamente a recuperare pi materiale possibile dai moduli fotovoltaici compatibilmente con processi pi eco compatibili di quanto non siano oggi al fine di poter dichiarare verde pure la fase di dismissione dei moduli fotovoltaici e non solo la pura conversione fotovoltaica Riuscire a separare in maniera solida i materiali incapsulanti e di fondo senza causarne l incenerimento o la dissoluzione in acido rappresenta di certo un passo in avanti non di poco verso un riciclo pi efficienti Questi materiali cos separati che di fatto sono termoplastici potranno essere quindi reintrodotti mediante processi termici in altri prodotti ovvero trattati opportunamente potranno essere impiegati come materiali isolanti in ambito edilizio Per poter
137. li nel mar mediterraneo I gas ad effetto serra in seguito per effetto serra si intender quello ACCELERATO se non specificato diversamente si possono riassumere anche se non sono i soli a causare tale effetto nella lista seguente in accordo con il protocollo di Kyoto 1 Biossido di carbonio anidride carbonica CO Metano CH Ossido di Azoto N20 Idrofluorocarburi HFC Perfluorocarburi PFC Esafluoruro di zolfo SFe L attore principale dell effetto serra accelerato il BIOSSIDO DI CARBONIO CO chiamato comunemente col nome di ANIDRIDE CARBONICA esso viene liberato in atmosfera ogni qualvolta si ha a che fare con la combustione di combustibili fossili carbone petrolio poich dalle reazioni chimiche che si sviluppano si hanno in generale Conversione di energia chimica in termica che giustifica il processo di combustione Liberazione di vapore acqueo H O Liberazione di anidride carbonica CO Liberazione di altri elementi o composti di varia natura CO O NO ecc Da recenti studi basati su carotaggi effettuati sui ghiacci della calotta antartica emerso che i livelli di anidride carbonica in atmosfera sembrano aver subito variazioni massime del 10 durante i 10 000 anni antecedenti la rivoluzione industriale mentre a partire dal XIX secolo le concentrazioni sono aumentate del 30 quindi verosimilmente in conseguenza della combust
138. li stessi cavi 86 Infatti il segnale che veicola la fibra ottica un segnale luminoso consente quindi peraltro una separazione galvanica tra i dispositivi da essa interconnessi visto che non necessario impiegare materiali conduttori elettricamente ma solamente otticamente Per la connessione ottica dei due dispositivi si devono quindi impiegare i due cavetti forniti con la matchbox bisogna altres dire che in un sistema di trasmissione dati in fibra ottica tutti i dispositivi impiegati devono essere specificatamente per la medesima lunghezza La lunghezza standard dei cavi in fibra ottica varia tra 0 5 e 15 m anche se esistono pure altri range che possono essere tra 15 e 30 m o ancora tra 30 e 50 m comunque la lunghezza dei cavi specificatamente indicata alla base dei connettori terminali e deve quindi essere verificata al momento della connessione pena il non funzionamento dello stesso sistema Inoltre i cavi in fibra ottica essendo meccanicamente molto delicati devono essere protetti contro danneggiamenti accidentali che possono portare all interruzione degli stessi per questo motivo essi vengono forniti gi infilati in un tubo flessibile in materiale plastico corrugato simile alle tubazioni impiegate nei normali impianti elettrici al fine di garantire loro maggiore protezione La foto seguente mostra i cavi in fibra ottica impiegati ed i connettori che li terminano Fig 12 5 Cavi in fibra ottica per l interco
139. limatici in seguito indicata col pi famoso termine Protocollo di Kyoto venne adottato nel 1997 durante la Conferenza tenutasi appunto nella citt giapponese di Kyoto ma entr in vigore solamente il 16 febbraio 2005 a seguito della ratifica anche da parte della Russia Le clausole del trattato infatti prevedevano che per l entrata in vigore vi fosse l adesione di almeno 55 nazioni e che quelle aderenti producessero almeno il 55 delle emissioni inquinanti questo avvenne appunto dopo l adesione della Russia Da ricordare il caso degli Stati Uniti essi dapprima vi aderirono quando l allora presidente Bill Clinton conferm l adesione stanziando con il bilancio del 2001 finanziamenti per ridurre le emissioni dei gas inquinanti del 7 rispetto a quelle del 1990 successivamente invece il nuovo presidente statunitense George W Bush rinvi e rigett la possibilit d adesione per vari motivi probabilmente soprattutto economici Attualmente gli Stati Uniti d America sono l unica nazione a non aderire al protocollo di Kyoto cosa singolare ma che ci consente di riflettere sulle possibili cause profonde per una non adesione prima di tutto l onere economico del quale occorre farsi carico per limitare le emissioni di gas inquinanti Un altro fatto da registrare come la crisi economica post crollo economico finanziario del 2008 abbia appesantito ancor di pi la situazione a livello finanziario tanto che pi di qualche Paese
140. llo Sviluppo Economico del 05 05 2011 15 stando a quanto espressamente indicato al capoverso c3 dell articolo 3 possono godere degli ecoincentivi riguardanti la produzione di energia elettrica da energia solare solamente gli impianti collegati in parallelo con il sistema elettrico ovvero Grid connected 36 5 IL MODULO FOTOVOLTAICO Punto di partenza per la produzione di energia elettrica dalla radiazione luminosa la conversione fotovoltaica ovvero la conversione dell energia posseduta dai fotoni in energia elettrica con le relative grandezze caratteristiche elettriche di tensione e corrente Per fare ci si fa ricorso al cosiddetto modulo fotovoltaico esso pu essere di natura diversa per quanto riguarda le caratteristiche meccaniche rigido o flessibile fisiche al silicio o basato su altri materiali semiconduttori ma ci che accomuna tutti i moduli l esigenza di essere connessi opportunamente in modo da poter fornire all inverter o ai carichi elettrici applicati direttamente adeguati valori di tensione e corrente I moduli fotovoltaici visti i volumi di mercato si possono considerare essenzialmente di due tipologie mentre altre tecnologie pi recenti occupano volumi di mercato nettamente minori queste due tipologie sono essenzialmente MODULI IN SILICIO CRISTALLINO MONO POLI CRISTALLINO MODULI IN FILM SOTTILE a Si CdTe CIGS Questi due tipi di moduli fotovoltaici occupano due fette di mercato m
141. lo Sviluppo Economico di concerto con il Ministro dell Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare del 05 05 2011 15 il cosiddetto QUARTO CONTO ENERGIA gli impianti che entreranno in esercizio successivamente al 30 giugno 2012 dovranno presentare oltre alla documentazione prevista per gli impianti che entrano in servizio entro tale data ulteriore documentazione riguardante il riciclo dei moduli installati In particolare oltre a documentazione non espressamente inerente l ambito di questa tesi dovr fornire a certificato rilasciato dal produttore dei moduli fotovoltaici attestante l adesione dello stesso a un sistema o consorzio europeo che garantisca a cura del medesimo produttore il riciclo dei moduli fotovoltaici utilizzati al termine della vita utile dei moduli L emanazione del presente decreto ha fatto s che si instaurasse automaticamente una filiera al momento se non altro di principio per la quale si sono costituiti a livello nazionale gi diversi consorzi per il riciclo dei moduli fotovoltaici ovvero che sistemi gi esistenti nel territorio nazionale si attrezzassero per il riciclo di questo nuovo tipo di rifiuti il caso ad esempio di COBAT Consorzio Obbligatorio per le BATterie al piombo esauste e i rifiuti piombosi che il giorno 11 ottobre 2011 ha istituito assieme al comitato IFI Industrie Fotovoltaiche Italiane la nascita della prima filiera secondo quanto dichiarato nel loro sito internet
142. lo di moduli fotovoltaici sono state messe a punto solamente due tecnologie effettivamente impiegate in processi di riciclo dei moduli questi due colossi del fotovoltaico sono SOLARWORLD con l affiliata DEUTSCHE SOLAR FIRSTSOLAR Queste due grosse imprese del fotovoltaico mondiale hanno sviluppato in separata sede due diverse tecnologie al fine di provvedere da un lato ad un riciclo dei moduli una volta giunti a fine vita ma anche per poter recuperare gli inevitabili scarti di produzione fisiologici di tutti i processi produttivi La prima delle due essendo uno dei pi grossi produttori al mondo di celle e moduli fotovoltaici in silicio cristallino si impegnato per la definizione di una metodologia per il riciclo proprio di tale tipo di moduli Questo primo processo di riciclo dopo essere stato messo a punto collaudato e verificato ha funzionato per solamente per un breve periodo a partire dal 2003 i volumi di materiale da riciclare infatti non giustificano ad oggi il mantenimento in funzione di un tale processo solamente in futuro trover senso rimettere in moto tale processo La seconda azienda invece uno dei pi grandi produttori di moduli fotovoltaici in film sottile anche questa in ragione della propria produzione industriale si interessata ed applicata all elaborazione di uno schema di riciclo del proprio tipo di moduli sebbene ne abbia brevettato un metodo impiegabile per moduli in silicio cristallino 18
143. m stato oggetto della frammentazione del vetro di copertura che peraltro rimasto incollato alla cella a riprova delle ottime qualit del materiale incapsulante A seguito di tale inconveniente per si sono create delle fessurazioni tali da poter indurre percorsi preferenziali per eventuali canali di scarica a seguito dell applicazione della tensione di lavoro ed in ragione di ci si deciso di interporre un materiale che ne facesse da garanzia Infatti considerando che il Teflon risulta essere trasparente alla frequenza di lavoro di 13 56 MHz si interposto un disco in relativo materiale dello spessore di circa un centimetro a tutela di eventuali scariche Tutta una serie di elementi che verranno pure ripresi nelle conclusioni hanno quindi fatto s che nemmeno per la porzione di modulo fotovoltaico si riuscissero ad ottenere i risultati sperati ed attesi mediante le simulazioni al computer Di fatto il non perfetto adattamento tra matchbox e carico applicato risulta essere ancora una volta la causa principale del mancato riscaldamento del mezzo interposto visto che come gi detto il generatore interviene a garanzia dei propri circuiti limitando la potenza erogabile 13 1 4 RISCALDAMENTO DI UNA PORZIONE DI MODULO COINCIDENTE CON LE DIMENSIONI DI QUATTRO CELLE Come per il caso precedente il riscaldamento di una porzione di modulo coincidente con le dimensioni di un quadrato contenente quattro celle fotovoltaiche due per la
144. ma non per questo meno importanti ad esempio per coibentazioni in ambito edilizio viceversa sarebbero destinati allo smaltimento in discarica o diversamente in termovalorizzatori 6 1 MATERIALI IMPIEGATI Si possono brevemente analizzare i vari materiali impiegati in modo da avere un quadro pi chiaro anche per quanto riguarda l eventuale riciclaggio successivo degli stessi trattati singolarmente 6 1 1 VETRO Il vetro rappresenta in percentuale di massa rispetto all intero modulo la parte preponderante e vista l ormai consolidata tecnologia nel riciclaggio dei materiali vetrosi sar importante il recupero del vetro separato dagli altri materiali in modo da poterlo inviare presso i centri usuali adibiti al riciclaggio del vetro D altra parte il vetro risulta essere intimamente legato al resto del modulo in quanto durante la produzione del modulo stesso esso viene fatto aderire alle celle fotovoltaiche ed al materiale di fondo backsheet attraverso fogli di materiale incapsulante appositamente riscaldato che una volta raffreddato funge da legante molto resistente tanto da impedire eventuali fessurazioni del modulo e quindi il distacco tra vetro e base del modulo Il vetro impiegato nei moduli fotovoltaici deve presentare eccellenti qualit ottiche quali la trasparenza l assenza di impurit inglobate nella massa vetrosa ed una buona resistenza agli agenti atmosferici siano essi chimici piogge acide inquinanti nell aria ecc o
145. mento di apparecchiature elettriche ed elettroniche visto che comunque contengono materiali potenzialmente inquinanti mentre sono stati tralasciati grossi filoni del campo elettrico elettronico come possono essere considerati gli stessi moduli fotovoltaici La prima delle due direttive la cosiddetta direttiva RoHS ovvero Restriction of Hazardous Substances 2002 95 EC 12 si prefigge come viene riportato nella traduzione ufficiale italiana della direttiva stessa lo scopo seguente La presente direttiva mira a ravvicinare le legislazioni degli Stati membri sulle restrizioni dell uso di sostanze pericolose nelle apparecchiature elettriche ed elettroniche e a contribuire alla tutela della salute umana nonch al recupero e allo smaltimento ecologicamente corretto dei rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche Questa direttiva va quindi a fissare limiti e prescrizioni riguardanti la produzione di tutti gli apparati elettrici ed elettronici compresi quindi i moduli fotovoltaici viceversa lo smaltimento viene trattato in maniera pi approfondita nella seconda delle due direttive In particolare mentre per tutte le apparecchiature elettriche ed elettroniche l impiego del cadmio metallo altamente tossico limitato nei moduli fotovoltaici al telloruro di cadmio invece permesso in quantitativi superiori pena il non funzionamento ottimale del modulo La seconda delle due direttive citate la cosiddetta direttiva WEEE o RAEE
146. moduli fotovoltaici la quale si occupa della raccolta della gestione e del riciclo dei moduli fotovoltaici una volta giunti a fine vita L associazione PV CYCLE stata fondata a Bruxelles il 5 luglio 2007 e a partire dal 2008 ha iniziato a diventare pienamente operativa grazie ad un gruppo di lavoro interdisciplinare che ha provveduto a definire obiettivi specifici ed accordi ambientali volontari tra quanti vi volessero aderire Ad oggi costituisce la pi grande realt europea e mondiale per quanto riguarda appunto la raccolta la gestione ed il riciclo di materiale fotovoltaico con 205 punti di raccolta in tutta Europa e 240 membri aderenti che rappresentano approssimativamente il 90 del mercato fotovoltaico europeo Un altra associazione a livello europeo che si occupa almeno in parte del riciclo dei moduli fotovoltaici EPIA European Photovoltaic Industry Association che pur rappresentando le industrie fotovoltaiche europee si occupano anche del fine dei moduli fotovoltaici 28 Infatti EPIA pure uno dei membri fondatori di PV CYCLE questo probabilmente per voler sottolineare la distinzione tra l anima della produzione vera e propria di moduli raggruppando appunto le industrie fotovoltaiche dall aspetto ecologico riguardante il riciclo ricordando appunto che PV CYCLE un associazione senza fini di lucro 3 4 SITUAZIONE ATTUALE TECNOLOGIE ESISTENTI Ad oggi sebbene siano allo studio pi di qualche metodo di ricic
147. monocristallino dovuti all originale forma circolare del lingotto di provenienza questa caratteristica permette una rapida distinzione dalle celle policristalline dalle sorelle in silicio policristallino Le celle in silicio monocristallino presentano modalit produttive pi complesse rispetto alle celle in silicio policristallino per via della necessit di solidificare secondo un orientazione definita e quindi vengono ad avere costi maggiori tuttavia presentano caratteristiche elettriche migliori come gi evidenziato dalla tabella di confronto sopra riportata Nel caso in cui l impianto sia remunerato attraverso incentivi statali quali quelli odierni che premiano la reale produzione di energia elettrica converr considerare un iniziale investimento economico maggiore che per in virt del maggiore rendimento delle celle in silicio monocristallino possono comportare una produzione elettrica maggiore e quindi un recupero dell investimento effettuato in tempi pi brevi con conseguente maggior guadagno a parit di durata degli incentivi previsti di vent anni 15 5 1 2 SILICIO POLICRISTALLINO 0 MULTICRISTALLINO Le celle in silicio policristallino vengono ottenute mediante la solidificazione di silicio fuso in appositi crogioli dalla forma rettangolare la solidificazione senza una direzione predefinita porta alla formazione di pi cristalli con orientazione diversa a seconda della formazione dei diversi centri di solidificazio
148. mpi elettrici ad alta frequenza per non far s che questa si riscaldi correndo il rischio che raggiunga una temperatura pericolosa ma soprattutto per non far decadere il rendimento del processo essendo necessario che il calore si sviluppi nel modulo non altrove Infine bisogna aggiungere che tutti questi componenti verranno analizzati in un secondo momento nella definizione di condizioni che permettano un processo stabile ed efficiente non in questa sede di verifica dunque 63 11 SIMULAZIONI A PC Prima ancora di cominciare ad investire energie tempo e materiale alla ricerca dell effettiva possibilit di delaminare un modulo fotovoltaico fisicamente si reso utile ed ormai indispensabile nei moderni processi di ricerca e sviluppo procedere preventivamente con una cospicua parte di simulazione all elaboratore elettronico al fine di riscontrare eventuali errori nella definizione dei parametri ed al fine di ricavare dei risultati a livello teorico da confrontare poi con quelli ricavati sperimentalmente Facendo ricorso ai metodi di calcolo a disposizione del LEP si deciso di proseguire con la simulazione mediante un software agli Elementi Finiti FEM Finite Element Method il quale permette una maggiore libert di definizione di vari parametri ed una maggiore accuratezza dei risultati rispetto ad un codice alle Differenze Finite Valutando le possibili frequenze di lavoro disponibili per applicazioni di riscaldamento per perdite
149. mposti metallici vengono precipitati in tre fasi a pH crescente DISIDRATAZIONE ESSICAZIONE I materiali precipitati vengono concentrati in un apposito serbatoio Il materiale semiconduttore grezzo cos derivante viene confezionato per creare materiale semiconduttore da impiegare in nuovi moduli Quello riportato di seguito lo schema pubblicizzato direttamente da FirstSolar in apposite brochure e Design of First Solar s Module Recycling Technology amp First Solar Unrefined Semiconductor Material USM Warranty End of Life Modules and Manufacturing Scrap Shredder Hammermill Film Removal Dry Process Laminate Material Clean Glass Laminate Material y Wet Process Fig 3 2 Schema di riciclo FirstSolar 3 5 SVILUPPI FUTURI PER IL RICICLO Ad oggi l assenza di volumi consistenti di moduli fotovoltaici da trattare funge da freno verso un effettivo recupero e riciclo SolarWorld di suo ha gi sospeso i processi di riciclo FirstSolar stando a quanto afferma sembra che li stia mantenendo attivi ma di sicuro a ritmi molto blandi Certamente in futuro si dovr provvedere al ripristino allo studio ed all implementazione di nuove metodologie di trattamento dei moduli fotovoltaici di qualsivoglia genere in particolare i volumi che si verranno a creare tra una decina d anni almeno verranno ad abbattere i costi di trattamento che oggi non vengono ripagati dal solo riciclo di vetro ed alluminio Entrambe
150. mposto in altre parole indica quanto il campo tender ad attraversare il mezzo ovvero ad evitarlo Il fattore di perdita invece indica quanto il mezzo tende a riscaldarsi per effetto della potenza che esso dissipa in se stesso per effetto dell orientamento continuo delle cariche legate nei confronti del campo elettrico imposto Nel caso in cui si abbia un materiale con elevata permittivit dielettrica ed un elevato fattore di perdita si avr l intercettazione di grossa parte del campo applicato ed un notevole riscaldamento ottenendo quindi un riscaldamento molto efficiente Da ricordare ancora una volta che le caratteristiche sono variabili con la frequenza e quindi occorrerebbe conoscerle entro uno spettro di frequenza pi o meno ampio in modo tale da poter decidere con quale frequenza provvedere al relativo riscaldamento e verificare se effettivamente tale processo di riscaldamento possibile o meno La letteratura tecnico scientifica fornisce queste caratteristiche per moltissimi materiali dielettrici tuttavia trattandosi di materiali di recente sviluppo e sotto la protezione di marchi registrati non semplice ottenere dati in merito 53 Alcune grosse aziende produttrici divulgano a dire il vero alcuni dati relativi ai loro prodotti ma in maniera abbastanza semplificata in modo tale da non permettere la conoscenza di questi dati in modo preciso per ovvi scopi commerciali 9 1 1 INCAPSULANTE EVA Come materiale incapsulante
151. mprese entro due decimi di grado e quindi di fatto sono inesistenti A partire da questa configurazione iniziale si avr l inizio del processo di riscaldamento che come sar evidenziato nelle immagini seguenti andr diffondendosi dai materiali polimerici verso l esterno interessando dapprima il vetro e la cella in silicio quindi andando a riscaldare gli elettrodi del condensatore di lavoro Considerando un ambiente molto esteso rispetto al dispositivo come avviene di fatto in una configurazione standard l approssimazione di considerare una temperatura uniforme nella zone circostante gli elettrodi giustificata visto che i naturali moti convettivi che si vengono a creare fanno si che il condensatore di lavoro sia sempre lambito da aria provenienti da zone distanti e quindi alla temperatura di 20 C 77 Window Help De al I a ARC BEA Color Shade Results Ouantity Temperature Deg Celsius Time s 78 189999 Phase Deg 0 Scale Color 6 40741 13 96887 13 96887 21 53033 21 53033 29 09179 29 09179 36 65325 36 65325 44 21471 44 21471 51 77617 51 77617 59 33763 59 33763 66 89909 66 89909 74 46056 74 46056 82 02201 82 02201 89 58347 89 58347 97 14494 97 14494 104 70639 104 70639 112 26785 112 26785 119 82932 119 82932 127 39078 2 ig e tr Resdy T Os 60 667 mm Y 42 685 mm Nm Fig 11 14 Situazione ad un ista
152. ne Alla vista quindi la cella in silicio policristallino appare di colore essenzialmente grigio con riflessi bluastri pi o meno intensi a seconda della direzione del cristallo ovvero della provenienza della luce che la illumina questi riflessi sono dati per dal trattamento anti riflesso effettuato a posteriori Inoltre la loro forma perfettamente quadrata e quindi la loro disposizione su di un modulo consente di ricoprire praticamente tutta l area del pannello senza lasciare aree scoperte e quindi non produttive In questo caso quindi il modulo in silicio policristallino appare essenzialmente di colore grigio con riflessi bluastri caratteristici della diversa orientazione dei cristalli di silicio l area del modulo invece pressoch totalmente coperta dalle celle fotovoltaiche senza buchi come nel caso del modulo in silicio monocristallino Anche in questo caso la figura mostra la cella fotovoltaica in silicio policristallino ed il relativo modulo fotovoltaico derivante dall assemblaggio di pi celle 39 Fig 5 4 Cella fotovoltaica in silicio policristallino e relativo modulo fotovoltaico Pur essendo caratterizzate da rendimento elettrico inferiore con le celle in silicio policristallino si riesce a coprire meglio l area del modulo fotovoltaico e quindi a parit di dimensioni del modulo si riesce a recuperare un po in termini di energia prodotta Pur considerando questo vantaggio dalla copertura pressoch totale dell
153. ne di evitare la formazione di punte nelle quali il campo elettrico si pu addensare in modo pericoloso stata disegnata circolare in questo modo appunto si evita o quantomeno si limita il rischio di scariche parziali in aria a seguito del superamento della rigidit dielettrica della stessa L immagine seguente mostra gli elettrodi di forma circolare con i relativi terminali ai quali viene applicato il campo elettrico mediante adeguata interconnessione con la matchbox che si trova proprio a ridosso di questo Fig 12 8 Configurazione di base del condensatore di lavoro In realt poi in sede operativa si deciso di optare per un solo elettrodo di forma circolare quello superiore mentre l altro che si trova al potenziale di massa risultato costituito da una piastra di rame dalle dimensioni superiori al singolo foglio o porzione di modulo impiegato nel processo Per quanto riguarda la sicurezza degli operatori e la diffusione del campo elettrico generato dal condensatore di lavoro si impiegata una gabbia di Faraday atta a schermare il campo e mantenerlo entro di essa Nella fattispecie si fatto ricorso ad una gabbia gi presente in laboratorio essa risulta essere a forma di parallelepipedo realizzata in lamiera d acciaio forata con fori del diametro di circa 5 mm presenta ovviamente un apertura per l applicazione della matchbox la quale va ad imporre pure il potenziale di terra all intera struttura mediante un s
154. ne sfruttata ovvero non risulta esauribile nella scala dei tempi umani e si pu quindi considerare inesauribile Viceversa con il termine di ALTERNATIVA si intende una fonte energetica non fossile ovvero diversa dagli idrocarburi o dal carbone come pu essere considerata l energia nucleare classica da fissione che impiega essenzialmente l Uranio come combustibile nucleare nel caso di energie alternative quindi non intrinseca la caratteristica dell inesauribilit essendo legata a giacimenti minerari finiti In definitiva le fonti energetiche rinnovabili sono particolari esempi di fonti alternative non essendo di origine fossile e presentando inoltre la caratteristica di essere inesauribile almeno nella scala dei tempi umani secondo questa visione la fusione nucleare che sfrutta il Deuterio ed il Trizio potrebbe essere considerata rinnovabile essendo questi elementi disponibili in quantit praticamente infinita in natura La produzione di energia elettrica a partire da fonti rinnovabili deve per forza di cose essere un processo eco compatibile pena l assurdo di impiegare fonti energetiche naturali e quindi non inquinanti ma con processi inquinanti creando quindi un processo incoerente Se ci in linea di principio lineare e si potrebbe pensare pure semplice di fatto non cos scontato da realizzare per vari motivi a partire dal recepimento delle fonti energetiche all impiego di materiali non propriamente adatti avendo uno scopo
155. nnessione tra generatore e matchbox Teoricamente con tale sistema di trasmissione dati sarebbe possibile anche interconnettere pi matchbox fino ad un massimo di dieci unit con un sistema entra ed esci per controllarle poi da un unico dispositivo di supervisione sebbene nel nostro caso ci non venga realizzato di fatto Per ognuna poi delle matchbox interconnesse se ne possono visualizzare in remoto tutti i parametri caratteristici e se ne possono immettere tutte le impostazioni volute 12 1 4 ADATTATORE DI CARICO PFM 3000 A Affinch si possa impiegare il generatore ad alta frequenza su di un carico che presenta un impedenza che pu non rimanere costante nel tempo potendo di fatto variare per molteplici cause si deve impiegare un dispositivo apposito atto a far s che il generatore veda alla sua uscita un carico con impedenza costante nel caso specifico pari a 50 Q Per fare ci questo dispositivo dev essere prima di tutto in grado di fornire al generatore potenza reattiva di entrambi i tipi induttiva o capacitiva al fine di poter far fronte a variazioni di qualsivoglia segno e poi dev essere posizionata il pi vicino possibile al carico in modo tale che la compensazione della potenza reattiva avvenga entro una distanza molto piccola per evitare spiacevoli inconvenienti quali cadute di tensione eccessive e surriscaldamento dei conduttori 87 Questo dispositivo realizza niente di meno che una rete di adattamento quindi tra il
156. noscenze tecnico ambientali sia per quanto riguarda i processi tecnologici applicabili in sede di produzione ma anche di cattura e segregazione del monossido di carbonio si possono in parte ripensare i nostri processi tecnologici e perch no invitare i Paesi che stanno emergendo in questo momento India e Cina per citarne due ad applicare tecnologie pi rispettose dell ambiente naturalmente con l aiuto anche economico dei Paesi che questo effetto serra accelerato l hanno di fatto prodotto Se in principio infatti non ci si posti alcun problema a riguardo di ci che si andava a liberare nell aria nel tempo si cominciato a preoccuparsi soprattutto a seguito di fenomeni mai registrati in precedenza come le piogge acide nel centro Europa conseguenza dell attivit umana fortemente concentrata in tali aree geografiche Una volta quindi dato per assodato il fatto che il surriscaldamento almeno in qualche parte dovuto all attivit umana si cercato di definire dei provvedimenti che tentassero di limitare il surriscaldamento e poich non possibile agire ad oggi sulle cause naturali si almeno cercato di fare qualcosa sulle cause antropiche Non oggetto di questa tesi elencare e dibattere sulle possibili conseguenze di un eccessivo riscaldamento del globo terrestre da ricordare tuttavia che una variazione climatica si ripercuote prima o dopo anche sull uomo con cambiamenti che possono essere graduali come
157. nte qualsiasi t 78 19 s In questa seconda immagine campionata all istante temporale di 78 19 s dall inizio del processo di riscaldamento si nota come il calore localizzato all interno della sezione del modulo fotovoltaico Gli elettrodi del condensatore di lavoro che mettono in gioco dal punto di vista termico la sezione del modulo con l aria circostante si trovano appunto ad una temperatura intermedia tra quella dell aria supposta inizialmente pari a 20 C e quella assunta dalla sezione riscaldata con valore massimo di 127 39 C nell istante temporale considerato Si nota a dire il vero una leggera differenza di temperatura tra l elettrodo superiore al quale applicato il potenziale superiore e l elettrodo inferiore al quale applicato il potenziale di massa Tale configurazione termica non trova in prima analisi una giustificazione fisica visto che entrambi gli elettrodi si dovrebbero riscaldare per conduzione tramite il calore sviluppato nei materiali termoplastici sede del processo di riscaldamento per perdite dielettriche ed al limite quello superiore essendo a contatto con un materiale isolante termicamente vetro si dovrebbe trovare ad una temperatura inferiore rispetto all altro elettrodo Bisogner quindi investigare sperimentalmente se ci si verifica effettivamente nella realt ed analizzare eventualmente il fenomeno al fine di determinarne la causa tuttavia non essendo oggetto di qu
158. nti necessari affinch il campo non superi mai la rigidit dielettrica di questa Primo provvedimento da prendere quello di alimentare le armature del condensatore con una tensione che non porti il campo elettrico ad avvicinarsi al valore della rigidit dielettrica dell aria un secondo provvedimento da prendere quello di limitare per quanto sia possibile la formazione di punte che comportano un addensamento del campo elettrico Il modulo fotovoltaico e le porzioni da esso derivate presentano uno spessore dell ordine del centimetro in ragione di ci tenendo conto del massimo campo elettrico ipotizzato in prima battuta inferiore o uguale a 3 kV cm ci permette di impiegare il generatore e la relativa matchbox in tutto il range di funzionamento Il generatore e la matchbox infatti presentano una tensione massima di lavoro pari a 3 kV e quindi se questa tensione viene applicata a due armature distanti 1 cm andranno a creare un campo elettrico pari proprio al limite stabilito di 3 kV cm Una cosa da tener presente per che non vi siano interstizi d aria tra armatura e mezzo in riscaldamento poich il campo elettrico addensandosi in ragione inversamente proporzionale alla permittivita dielettrica relativa andra a concentrarsi proprio negli strati d aria che presentano inoltre rigidit dielettrica inferiore portando ad eventuali fenomeni di scarica tra le armature ed il mezzo interposto 13 1 1 RISCALDAMENTO DI
159. ntuale adesione tra il backsheet e la pressa stessa 51 Questo dubbio risulta a dire il vero almeno in parte sfatato dal brevetto che indica tra le possibilit anche quella di laminare materiali compositi con uno strato esterno di policarbonato resta da verificare per se il policarbonato sensibile ai campi elettrici ad alta frequenza Fermo restando che alcuni piccoli problemi possano ancora sussistere vista il brevetto depositato cos recentemente si deve per evidenziare la possibilit tecnica di laminare i moduli fotovoltaici attraverso il riscaldamento per perdite dielettriche e perch no forse anche la possibilit di de laminarli 52 9 MATERIALI DI INTERESSE PER LA LAMINAZIONE A RADIOFREQUENZA Al fine di poter applicare un processo di riscaldamento per perdite dielettriche occorre conoscere a fondo i materiali che si vogliono riscaldare in modo tale da poter progettare un efficiente sistema di riscaldamento calibrato appunto sul materiale voluto Bisogna innanzitutto dire che i materiali dielettrici presenti nei moduli fotovoltaici sono di vari tipi in particolare nel corso degli anni si sono impiegati materiali sempre diversi essendo questo un settore di recente sviluppo ed essendo quello dei materiali un campo molto dinamico Essenzialmente per si possono considerare i seguenti materiali Etilen Vinil Acetato EVA Polivinilfluoruro PVF Polivinildenfluoruro PVDF Polietilene tereftalato PET
160. ntury Renewable 2010 Global Status Report REN21 Global Report 2010 11 EPIA Solar Generation 6 Full Report Final 2011 12 European Parliament and Council RoHS directive 2002 95 ec of the European Parliament and of the Council Direttiva Comunitaria 2002 13 European Parliament and Council WEEE directive 2002 96 EC of the European Parliament and of the Council Direttiva Comunitaria 2002 14 European Parliament 2012 Gennaio http www europarl europa eu 15 Ministero dello Sviluppo Economico Decreto Interministeriale Quarto Conto Energia Decreto Interministeriale 2011 16 COBAT 2012 Febbraio www cobat it 17 PV CYCLE 2012 Febbraio www pvcycle org 18 Igor Ivanovich Anisimov John Raphael Bohland Recycling Silicon Photovoltaic Modules 6063995 Maggio 16 2000 19 Vincenzo Augugliaro Rosaria Ciriminna Vittorio Loddo Mario Pagliaro Polo fotovoltaico della Sicilia Giovanni Palmisano Telloruro di Cadmio Eldorado del fotovoltaico o insidia ambientale II sole a trecentosessanta gradi no 7 luglio agosto 2009 20 Deutsche Solar AG Recycling of solar cells and modules recent improvements 21 First Solar 2012 Febbraio www firstsolar com recycling 22 Mastrolia Annalisa Celle Fotovoltaiche Universit degli Studi di Lecce 2002 2003 23 Centre for remanufacturing and reuse The potential for remanufacturingof photovoltaic solar cells Product Group Study 2008 24
161. o di riscaldamento pu appesantire di molto invece il procedimento di meshing della geometria richiedendo anche con le workstation molto potenti presenti in laboratorio qualche minuto per poi ripercuotersi in maniera ancor pi evidente sul processo di risoluzione andando cos ad impegnare l elaboratore per tempi dell ordine della decina di minuti il che non ammissibile per una geometria cos semplice 69 La figura illustra la geometria precedentemente disegnata con la relativa mesh una volta definiti i parametri voluti sulle linee o sui punti desiderati di modo tale da addensare o allargare la mesh a seconda dell interesse voluto Pretuz0 1042 Protect Application Geometry Mesh Physics ParameterQuantity Display View Select Toots Le Heip 4 D e358 2 lv ue t si vi sim sl domen ano lie aR cee TIEIEIET 7 sla ois eh ee og hy a fit ise gon Fig 11 5 Vista dellaq sezione con la relativa mesh 11 1 3 DEFINIZIONE DEL PROBLEMA APPLICATION La definizione del problema consiste nello stabilire e quindi nell indicare al software che tipo di problema vogliamo risolvere sulla base della geometria disegnata della mesh assegnata e delle propriet fisiche ed elettriche che si andranno a definire immediatamente dopo questo passaggio Questo strumento di lavoro consente infatti di risolvere vari tipi di problemi siano essi singolarment
162. o di uno smaltimento e di un riciclo specifico come quello previsto per i rifiuti RAEE In particolare in data 19 gennaio 2012 il Parlamento Europeo ha emanato la seguente 14 Risoluzione legislativa del Parlamento europeo del 19 gennaio 2012 relativa alla posizione del Consiglio in prima lettura in vista dell adozione della direttiva del Parlamento europeo e del Consiglio sui rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche RAEE Rifusione 07906 2 2011 C7 0250 2011 2008 0241 COD In tale testo si fa esplicito riferimento alla direttiva RAEE o WEEE e si afferma che in ragione di modifiche sostanziali da apportare alla stessa opportuno provvedere per ragioni di sicurezza alla rifusione di tale direttiva Facendo pure riferimento agli obiettivi della politica ambientale dell Unione Europea che sono la salvaguardia la tutela dell ambiente la protezione della salute umana e l uso accorto e razionale delle risorse naturali afferma in particolare che tale politica basata sul principio della precauzione sul principio dell azione preventiva ed in definitiva sul principio che chi inquina paga La risoluzione afferma che gli obiettivi della direttiva possono essere raggiunti senza includere nell ambito di applicazione gli impianti fissi di grandi dimensioni quali piattaforme petrolifere sistemi di trasporto bagagli negli aeroporti o ascensori il motivo di questa esclusione appare ancora una volta ignoto
163. o elettrico applicato E Permittivit dielettrica del vuoto E0 Permittivit dielettrica relativa del mezzo parte reale e Fattore di perdita tan In accordo con la nota formula p E ee tan appare chiaramente il diverso peso dei vari parametri elettrici e fisici al fine del trasferimento di potenza all oggetto sede del riscaldamento voluto Come si vede volendo trasferire pi o meno potenza all oggetto si pu agire sui parametri fisici del mezzo sede del riscaldamento e o tan 6 ovvero sui parametri del generatore del campo elettrico applicato o E essendo una costante Fissato quindi il mezzo da sottoporre al riscaldamento non resta altro da fare che agire o sul livello del campo elettrico applicato o agire sulla pulsazione e quindi sulla frequenza del medesimo campo al fine di variare la potenza sviluppata in esso Non compare esplicitamente nella formula sopra riportata ma si deve invece ricordare che i parametri fisici dei materiali sottoposti a riscaldamento sono essi stessi dipendenti dalla pulsazione angolare o frequenza del campo elettrico applicato La scelta della frequenza del campo elettrico applicato non libera e non pu pertanto essere variata fino a determinare la frequenza pi adatta per lo specifico materiale da riscaldare infatti la scelta della frequenza vincolata da normative di legge In Europa nell ambito delle applicazioni industriali scientifiche e mediche
164. o questo settore tecnologico a scapito di altri bisogna solamente rendere il merito di aver creato i presupposti per un rapido sviluppo di una tecnologia che ha visto raggiungere i propri migliori risultati proprio negli ultimi anni 1 3 IL PACCHETTO CLIMA ENERGIA 20 20 20 UE A livello europeo al fine di mettere in atto ci che si era firmato nel 1997 a Kyoto si provveduto a stendere una serie di direttive comunitarie atte appunto a far raggiungere all intera Unione Europea gli obiettivi dichiarati di una riduzione delle emissioni inquinanti pari all 8 rispetto a quelle registrate nel 1990 Non solo il protocollo di Kyoto prevede impegni fino al 2012 con il pacchetto di direttive emanate dall Unione Europea si voluto invece incrementare e continuare con impegni presi unilateralmente senza l adesione quindi di Paesi extraeuropei verso una riduzione progressiva delle emissioni inquinanti Forse perch mossi da un senso di responsabilit pi forte rispetto ad altre Nazioni gli Stati membri dell Unione Europea negli organi rappresentativi si sono quindi impegnati pi di quanto non abbiano fatto tutte le Nazioni aderenti al Protocollo di Kyoto Noto ormai comunemente con il termine di PACCHETTO CLIMA ENERGIA 20 20 20 esso stato in seguito recepito da ciascuno stato facente parte dell Unione Europea cos come avviene usualmente per qualsiasi direttiva comunitaria La soglia di riduzione delle emissioni inquinan
165. o sottoposti al campo elettrico singolarmente si pu certamente dire che a parit di fattore di perdita il backsheet subisce una densit di potenza maggiore rispetto all EVA ma per quanto riguarda la temperatura raggiunta alla fine del trattamento bisogner considerare altri aspetti fisici e non strettamente elettrici La capacit termica globale e la diffusivit termica di ciascuno di essi a parit di tutte le altre condizioni ipotizzabili come la temperatura degli elettrodi la temperatura ambiente e svariate altre determinano la temperatura di questi alla fine del trattamento termico applicato Anche in questo caso si proceder alla verifica del possibile riscaldamento con campioni di materiale dalle dimensioni paragonabili a quelle di un foglio A4 210 x 297 mm per gli stessi motivi precedentemente indicati Le condizioni di prova in questo caso saranno da definire a seguito di simulazioni ad hoc sul caso del singolo foglio di EVA caso non ancora trattato nello specifico e sar importante valutare eventuali differenze operative rispetto al caso del foglio di backsheet Sar per importante provvedere a verifiche sperimentali del possibile riscaldamento di fogli di EVA al fine di entrare pi nello specifico della tecnologia gi impiegata per laminare i moduli fotovoltaici e magari cercare di evidenziare se non eliminare alcuni punti deboli del processo 13 1 3 RISCALDAMENTO DI UNA PORZIONE DI MODULO COINCIDENTE CON LE DIMENS
166. olto differenti tra loro in particolare la prima delle due nel 2010 ha rappresentato circa 180 dei moduli prodotti globalmente mentre il rimanente 20 viene suddiviso essenzialmente tra moduli in film sottile silicio amorfo e Telloruro di Cadmio e moduli CIGS Diseleniuro di Rame Indio Gallio appartenenti comunque alla famiglia dei moduli in film sottile vero che il mercato stato dominato negli ultimi trent anni dalla tecnologia del silicio cristallino ma negli ultimi tempi sono giunte alla ribalta tecnologie innovative che stanno lentamente limando quote di mercato a questa tecnologia produttiva ormai considerabile matura Viceversa nuove tecnologie per la produzione di moduli fotovoltaici pur presentando caratteristiche peggiori hanno margini di miglioramento nettamente superiori almeno potenzialmente Sostanzialmente la produzione di moduli in silicio monocristallino e policristallino sostanzialmente equivalente sebbene le celle in silicio policristallino stanno guadagnando importanti quote di mercato sul silicio cristallino pi costoso I volumi prodotti storicamente e le previsioni future si possono riscontrare nel grafico di seguito riportato si vede come sia previsto tra l altro un aumento della quota di mercato da parte del film sottile a scapito del silicio cristallino 11 o o o EMERGING amp CPV CIGS CdTe a Si c Si v o agon Ss 88a EEN 100 0 o w Fig 5 1 Produzione annual
167. om stato quello di Kyoto 1997 la Convenzione quadro delle Nazioni Unite sui Cambiamenti Climatici in inglese United Nations Framework Convention on Climate Change da cui la sigla UNFCC il quale un trattato ambientale internazionale prodotto dalla Conferenza sull Ambiente e sullo Sviluppo delle Nazioni Unite in inglese United Nations Conference on Environment and Development da cui UNCED tenutasi a Rio de Janeiro nel 1992 Nato come trattato non vincolante ovvero non imponendo limiti obbligatori alle singole nazioni esso introduceva invece previsioni di aggiornamento che avrebbero invece posto dei limiti obbligatori i cosiddetti Protocolli dei quali il pi importante e famoso appunto il Protocollo di Kyoto 1997 Le nazioni aderenti all UNCED sono state divise tre diverse categorie a seconda del loro livello di sviluppo economico e del loro apporto in passato alle emissioni di gas ad effetto serra Paesi dell Annesso I Paesi Industrializzati Paesi dell Anesso II Paesi Industrializzati che pagano per i costi dei Paesi in via di sviluppo Paesi in Via di Sviluppo PVS Le parti aderenti alla Convenzione si sono poi incontrate ogni anno a partire dal 1995 con l obiettivo di rivedere e migliorare gli obiettivi dettati in prima istanza quasi solamente come una dichiarazione di ottimi intenti ma non obbligatori su alcun piano formale La Convenzione quadro delle Nazioni Unite sui Cambiamenti C
168. onamento normale 3 1 3 DISMISSIONE Punto alquanto critico in tutto il processo di produzione di energia a partire da impianti fotovoltaici di certo la dismissione degli impianti stessi una volta giunti al termine della loro vita produttiva ovvero una volta che la loro esigua produzione energetica ne giustifichi lo smantellamento a favore di un nuovo impianto pur vero che gli impianti fotovoltaici subirono un primo importante incentivo al loro sviluppo a seguito della crisi energetica del 1973 ma di fatto iniziarono ad essere installati da enti di ricerca e sviluppo solamente dagli anni ottanta La vera e propria esplosione poi nell installazione di impianti fotovoltaici si avuta solamente negli ultimi anni vista l incentivazione sia a livello nazionale che a livello europeo in generale al fine di giungere ai traguardi imposti dal pacchetto energia clima 20 20 20 Preso atto che i produttori di moduli fotovoltaici garantiscono una vita media dei loro prodotti che si aggira attorno ai 20 25 anni di fatto si verr ad affrontare la necessit di uno smaltimento cospicuo di moduli fotovoltaici solamente tra 10 15 anni Ci giustifica l assenza allo stato attuale di studi approfonditi sullo smaltimento di moduli fotovoltaici non essendoci il problema sono limitate pure le risorse destinate allo studio di tale aspetto sicuramente poco pressante Nonostante questo problema al momento non si stia ponendo non si pu tralascia
169. oni d acqua o altri agenti Se si riesce a staccare il backsheet dall EVA si pu quindi continuare il processo riscaldando solamente ci che vi rimane avendo gi selezionato il materiale di backsheet ed avendolo gi eliminato ed avviato ad un processo di smaltimento recupero singolarmente Se il caso lo necessita si pu inoltre riprendere la fase di riscaldamento andando a scaldare solamente il materiale incapsulante per poi separarlo dalla cella e dal vetro per avviare anche questo ad un processo di smaltimento recupero singolarmente Riuscendo a separare questi materiali polimerici dalle celle in silicio e dal vetro infine si possono inviare anche questi ultimi due a processi di riciclo differenziati ma mentre per il vetro esiste una filiera ed un processo ben collaudati per il silicio si ancora agli albori sebbene siano gi depositati alcuni brevetti a riguardo Lo schema sotto riportato illustra quelle che si possono intendere le fasi in previsione per un riciclo efficiente dei principali materiali contenuti in un modulo fotovoltaico restano da affinare l eventuale riciclo dei contatti delle celle in pasta d argento e qualche altro piccolo dettaglio 59 RIMOZIONE RICICLO EVA EVA SECONDO RIMOZIONE RICICLO RISCALDAMENTO CELLE CELLE PRIMO RIMOZIONE RISCALDAMENTO BACKSHEET RIMOZIONE RICICLO VETRO VETRO RICICLO BACKSHEET Fig 10 1 Schema di principio del processo di riciclo Il processo si pu essenzialment
170. oni di gas ad effetto serra ed applicazione di strumenti di mercato 6 Incoraggiamento di riforme appropriate nei settori pertinenti al fine di promuovere politiche e misure che limitino o riducano le emissioni dei gas ad effetto serra non inclusi nel Protocollo di Montreal 7 Adozione di misure volte a limitare e o ridurre le emissioni di gas ad effetto serra non inclusi nel Protocollo di Montreal nel settore dei trasporti 8 Limitazione e o riduzione delle emissioni di metano attraverso il suo recupero ed utilizzazione nel settore della gestione dei rifiuti come pure nella produzione il trasporto e la distribuzione di energia Fine ultimo del presente protocollo si pu quindi rileggere come uno sforzo comune volto ad implementare un modello di sviluppo sostenibile sia dal punto ecologico che sociale visti i differenti impegni riservati ai Paesi industrializzati e ritenuti responsabili degli attuali cambiamenti climatici Paesi industrializzati ma non ritenuti responsabili dei cambiamenti climatici e quindi non tenuti a ridurre le proprie emissioni inquinanti ed infine Paesi in via di sviluppo nei quali prioritaria la lotta alla fame e quindi anch essi non tenuti a ridurre le proprie emissioni Bisogna dire che i Paesi che si sono industrializzati praticamente dopo il 1990 come ad esempio India e Cina ratificanti il Protocollo di Kyoto ma non tenuti a ridurre le proprie emissioni inquinanti in atmosfera possono comunque decidere di
171. oni sia grandi idroelettrico classico che in contesti minori mini idroelettrico in questo secondo caso pi grazie ad incentivi economici che non propriamente per la quantit di energia convertita Nella figura seguente si pu vedere lo schema di principio di un impianto idroelettrico a bacino nel quale un corso d acqua viene sbarrato da una diga al fine di accumulare una certa quantit d acqua necessaria al funzionamento stabile dell impianto A partire quindi dall energia potenziale posseduta da guest acgua accumulata entro la diga si ha dapprima la conversione in energia cinetica visto che l acqua viene fatta defluire attraverso la condotta forzata Al momento dell impatto contro le pale della turbina si ha quindi la conversione in energia meccanica ed infine mediante il generatore si ha l ultima conversione in energia elettrica che verr quindi immessa in rete 2 10 turbina idraulica canale di restituzione Fig 2 1 Schema di principio di un impianto idroelettrico a bacino Oltre al classico impianto idroelettrico a bacino vi sono altri impianti idroelettrici impiegati in contesti leggermente diversi come pu essere il corso di un fiume nel quale il salto motore limitato mentre la portata notevole Diversamente ancora si comportano gli impianti a marea peraltro poco diffusi nei quali il salto motore ancora una volta molto limitato la portata invece notevole ma soprattutto il moto si invert
172. oro di ricerca e simulazione eseguito a monte consentendo di prendere un po di confidenza con strumentazione da laboratorio andando ad utilizzare strumenti e tecnologie difficilmente reperibili nel mondo del lavoro Per entrare nel merito dei risultati ottenuti si possono fare le seguenti brevi osservazioni La teoria confermata in sede applicativa da brevetti industriali afferma che di fatto il riscaldamento per perdite dielettriche dei materiali contenuti nei moduli fotovoltaici in silicio cristallino possibile e viene pure gi impiegata Le simulazioni hanno indicato seppur con qualche limite dettato dalla scarsa conoscenza dei materiali impiegati l ordine di grandezza della tensione applicata della potenza sviluppata nel processo e delle temperature raggiunte nei vari materiali costituenti Le prove sperimentali hanno permesso di realizzare in scala ridotta la possibile configurazione fisica da adottare per realizzare un sistema di riscaldamento per perdite dielettriche e quindi rendersi conto di problematiche reali Il lavoro di tesi ha permesso di riscontrare alcune criticit che al momento non hanno permesso di verificare sperimentalmente un riscaldamento dei mezzi interposti nel condensatore di lavoro essi si possono essenzialmente riassumere in Scarsa conoscenza delle caratteristiche elettriche dei materiali sede del riscaldamento Mancata accordatura della matchbox con il carico applicato Conduz
173. ossi produttori di celle e moduli fotovoltaici e pi di recente un numero crescente di produttori anche medio piccoli il tutto o quasi per una grossa questione di immagine 21 Stanno quindi emergendo sia a livello nazionale che europeo ed extraeuropeo alcune realt che intendono muoversi verso la direzione del riciclo efficiente dei moduli fotovoltaici installati ormai ovunque A volte queste realt sono pi o meno legate ad associazioni di produttori progettisti e realizzatori di impianti fotovoltaici che per motivi vari anche di immagine si occupano anche della fase finale dell impianto fotovoltaico il caso di EPIA European Producers Industry Asocciation ad esempio Altre volte invece questi organismi che si occupano dello smantellamento e del riciclo dei moduli e pi in generale di tutto l impianto fotovoltaico sono pur sempre legati ad aziende produttrici di materiale fotovoltaico ma sono meno legate all aspetto produttivo forse per infondere maggior fiducia questo il caso di PV CYCLE ad esempio A livello nazionale esistono diverse realt di questo genere in parte nate per conto proprio con lo scopo di promuovere un riciclo consapevole ma la maggior parte di queste nate a seguito di provvedimenti di legge atti a favorire l adesione da parte dei produttori di materiale fotovoltaico a consorzi di riciclo del materiale fotovoltaico stesso Secondo quanto previsto infatti dal Decreto Ministeriale del Ministero per
174. ovvero l energia elettrica Oltre ad essere cambiate nel corso dei secoli le forme energetiche sfruttate dall uomo nella ricerca di soddisfare i propri bisogni cambiata pure la quantit di energia necessaria a soddisfare tali bisogni e per una semplice equazione se aumentano i bisogni aumenta pure la quantit di energia necessaria Bisogna certo dire che ogni processo industriale e non col tempo viene inevitabilmente migliorato ed in genere subisce un miglioramento anche dal punto di vista dell energia richiesta con una riduzione progressiva man mano che si migliorano tutti i vari procedimenti intermedi Questo risparmio in termini energetici dovuto a processi e procedimenti ormai standardizzati non va ad incidere comunque sulla generale tendenza ad aumentare della domanda di energia visto che si creano ogni giorno nuovi bisogni in ognuno di noi e siamo sempre di pi in questo ormai piccolo pianeta Varcata la soglia dei sette miliardi di persone con consumi energetici totali mai raggiunti in precedenza sulla faccia della Terra ci si resi conto che non possibile assicurare come invece ci si vorrebbe auspicare un tenore di vita a tutti gli esseri umani presenti pari a quello dei Paesi occidentali Si infatti cominciato a rivedere da qualche anno il modello di sviluppo perseguito finora essenzialmente dal mondo occidentale in prospettiva di uno sviluppo gi galoppante dei Paesi orientali al fine di non portare al collasso
175. pari al 22 8 della totale immessa in rete tenendo quindi conto dell energia acquistata dall estero alla quale va eventualmente aggiunto un ulteriore 1 derivante dall energia ricavata da impianti di pompaggio con l acqua pompata di notte quando vi un eccesso dell energia prodotta e sfruttata di giorno nelle ore di punta 17 Confrontando poi le statistiche degli ultimi dieci anni si vede come la potenza lorda installata da fonti rinnovabile passata da 18335 MW nel 2000 a 30284 MW nel 2010 con un incremento pari al 65 7 MW E Potenza installata alla fine dell anno precedente m Potenza addizionale 30 284 26 519 23 859 sona 21 332 22 307 20 091 d 18335 18724 19 221 19 663 005 2006 2007 2000 2001 2002 2003 2004 2 2008 2009 2010 Fig 2 9 Potenza lorda elettrica installata degli impianti da fonti rinnovabili Come si vede chiaramente favorita anche da meccanismi di incentivazione la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili andata aumentando gradualmente addirittura negli ultimi due o tre anni la crescita ha subito incrementi ancora maggiori visti i generosi incentivi Volendo analizzare singolarmente le fonti energetiche rinnovabili negli ultimi dieci anni si riscontra che quelle che hanno subito un incremento in termini assoluti maggiore sono l eolica e l energia da biomasse come si pu vedere dal grafico sotto riportato 7 25 974 GWh 1 888 8 563
176. pire i mass media utilizzano questo termine in modo forse troppo generoso visto che a volte viene designato tale un prodotto che comporti emissioni minori rispetto ad un diretto concorrente ma senza per forza indicare assenza di emissioni di gas inquinanti In seguito con il termine verde indicheremo solamente quei processi o quelle fasi di un singolo processo che comportano assenza di emissioni di alcun gas ad effetto serra badando a fare un uso del termine ben pi oculato quindi di quanto non avvenga ogni giorno sui mezzi di comunicazione Preoccupandoci nella fattispecie di impianti di produzione da fonti rinnovabili ed ancor pi nello specifico di impianti fotovoltaici bisogna ora considerare le diverse fasi di vita di un tale impianto queste verranno analizzate seppure in maniera semplice e rapida singolarmente ponendo l accento sulle condizioni critiche Si proceder con ordine seguendo il normale iter che caratterizza un impianto fotovoltaico siano le celle impiegate nei relativi moduli di tipo mono ovvero poli cristallino 3 1 1 REALIZZAZIONE ED INSTALLAZIONE Al momento dell installazione di impianti di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili bisogna considerare non solo le eventuali emissioni di gas inquinanti in loco dovute alla realizzazione dell impianto ma bens tutti i processi eseguiti precedentemente per giungere all impianto finale Nel caso specifico trattando appunto la produzione di energia
177. pprovato dal Parlamento si ha la vera e propria Direttiva con obbligo di recepimento da parte degli Stati Membri e quindi solo allora diventa a tutti gli effetti legge Viste le condizioni economico finanziarie in cui versa l intera Unione Europea molto probabile che l attenzione le energie e di conseguenza i lavori degli organi europei verranno dirottati verso una rapida risoluzione di questi problemi piuttosto che nei confronti di problemi di carattere ambientale sebbene siano molto importanti Difficile quindi stabilire oggi se e quando il Consiglio Europeo proceder con l adozione della risoluzione del Parlamento Europeo riguardante la rifusione di fatto della direttiva WEEE certamente stata posta l attenzione sullo smaltimento dei moduli fotovoltaici segno del crescente interesse anche da parte della politica e non solo degli addetti ai lavori Oltre alla politica pure l opinione pubblica sempre pi sensibile alle tematiche ambientali sta iniziando a prendere coscienza dei problemi legati allo smaltimento dei rifiuti e quindi sar un passo obbligato inserire i moduli fotovoltaici nel campo di applicazione della direttiva WEEE Diverse associazioni ambientaliste infatti puntano ogni giorno il dito contro la politica che secondo loro risulta essere disinteressata alle tematiche ambientali in genere poi accordi internazionali come il protocollo di Kyoto non possono fare altro che accelerare il cammino verso uno smaltimento
178. presentano questo inconveniente Fonti energetiche con emissioni di gas inquinanti Fonti energetiche senza emissioni di gas inquinanti Ovviamente la suddivisione precedente fa riferimento ad emissioni direttamente connesse al processo impiegato per la conversione energetica non a tutta la filiera a monte o a valle di essa come possono essere le emissioni legate a trasporti da e per la centrale elettrica Nella prima categoria rientrano tutte quelle conversioni energetiche che comportano la combustione di tipi vari di combustibili quali carbone petrolio gas tutti combustibili fossili provenienti da giacimenti che naturalmente hanno una disponibilit limitata alla quantit di materiale contenuto nei giacimenti Nella seconda categoria invece vi confluiscono essenzialmente due tipologie di fonti energetiche la prima quella legata alle reazioni atomiche che sfruttano quindi elementi presenti in natura essenzialmente Uranio nelle applicazioni odierne ma che non comportano l emissione di gas inquinanti almeno direttamente nel processo di conversione energetica La seconda tipologia di fonti energetiche rientrante nella categoria delle fonti senza emissioni di gas inquinanti riguarda invece tutte quelle risorse disponibili in natura in quantit pressoch illimitata e che non sono legate quindi a giacimenti ma bens a fenomeni naturali quali possono essere la radiazione solare il vento il moto dell acqua il calore del terreno
179. presenti conversioni intermedie come nei casi precedenti com era l energia meccanica in seguito convertita in elettrica La radiazione luminosa colpendo le celle fotovoltaiche riesce a strappare alcuni elettroni dalle orbite pi esterne degli atomi degli elementi semiconduttori presenti riuscendo a creare una corrente continua che in seguito viene convertita in alternata da un opportuno inverter e quindi viene immessa in rete La figura riporta ancora una volta lo schema di principio del sistema di conversione dell energia posseduta dalla radiazione luminosa in energia elettrica questa pu quindi essere immessa in rete nel caso di impianti connessi ovvero pu essere immagazzinata in accumulatori nel caso di impianti ad isola 4 12 carico A i Flusso r fotoni di elettroni radiazione luminosa j Es FT HE ci gt na Vi silicio tipo n giunzione p n silicio tipo p Fig 2 4 Schema di principio di un impianto fotovoltaico Il carico nell immagine rappresentato con una lampadina pu essere di fatto realizzato da una batteria di accumulatori destinati allo stoccaggio di energia elettrica in forma di energia elettrochimica ovvero pu essere realizzato dalla connessione con la rete elettrica per mezzo di un opportuno inverter Per fotovoltaico classico si intende la produzione di energia elettrica a partire dalla conversione dell energia che colpisce direttamente le celle fotovoltaiche esposte direttam
180. pulsante della conversione energetica e di fatto l unica parte attiva del componente rappresentano in percentuale sulla totale massa del modulo una quota davvero esigua visti gli spessori sempre minori che queste assumono al fine di contenere i costi totali del modulo Con l avvento della produzione di massa da parte di Paesi emergenti come la Cina il costo del silicio e dei relativi derivati ovvero le stesse celle hanno subito un drastico crollo dei prezzi che ad oggi non giustifica economicamente il riciclo delle celle fotovoltaiche Si deve ricordare che al fine di non avere infiltrazioni di aria acqua o quant altro le celle vengono incapsulate tra vetro e foglio di backsheet o eventualmente di nuovo vetro nel caso di moduli impiegati per applicazioni particolari e tale processo risulta essere il pi critico da invertire nel momento in cui si voglia disassemblare il modulo per il successivo riciclo Particolarmente difficoltosa risulta infatti essere almeno allo stato attuale la separazione delle celle fotovoltaiche dal resto del modulo poich il materiale incapsulante essenzialmente EVA Etilen Vinil Acetato dopo il processo di laminazione a caldo viene ad eliminare tutte le cavit d aria presenti tra vetro e celle ma al contempo nel fare ci va pure ad incollarsi alle celle unendole quindi al vetro da una parte ed al foglio di backsheet dall altra Diversi brevetti sono depositati per quanto riguarda il riciclo di celle foto
181. qua dal circuito di raffreddamento vi pu essere un eventuale infiltrazione verso i contatti dello stesso In basso a destra presente un connettore a bullone e dado per il collegamento del generatore come deve avvenire per altro anche per la matchbox all impianto di terra dell impianto elettrico dal quale viene alimentato inoltre il collegamento di terra avviene mediante la morsettiera trifase di alimentazione essendo previsto un contatto ad hoc a tal fine Infine il connettore coassiale di uscita per l interconnessione con la matchbox si presenta sull angolo in alto a sinistra del pannello frontale e prevede una connessione solida in quanto presente una ghiera sulla quale dev essere avvitato il connettore del cavo collegamento con la rete di interfaccia La foto seguente illustra evidenziando in maniera chiara quanto appena descritto Fig 12 2 Pannello frontale generatore ad alta frequenza Come si pu vedere chiaramente il generatore non presenta la possibilit di essere pilotato ed impostato vista l assenza di un interfaccia di comando ma bisogna per forza di cosa accedervi mediante una connessione stabilita a mezzo di un personal computer DESCRIZIONE DEL PANNELLO POSTERIORE Il pannello posteriore essenzialmente riservato alla comunicazione dati e segnali tra il generatore la matchbox ed il computer per mezzo del quale il generatore stesso viene pilotato e gestito Sulla parte sinistra del pannello posteriore
182. quenza e proprio alle suddette frequenze standardizzate Per quanto riguarda il livello del campo elettrico applicato si dovr fare attenzione invece a non superare valori critici per il sistema il valore critico per eccellenza risulta essere la rigidit dielettrica dell aria o del dielettrico da riscaldare ma anche valori di campo che possono determinare perdite per effetto corona Al fine di mantenere elevato il rendimento del processo che di fatto si aggira attorno al 50 si deve infatti cercare di limitare tutte le fonti di dissipazione di potenza che non comportino il riscaldamento del mezzo come pu essere l effetto dovuto ad eventuale effetto corona che si presenti alle armature del condensatore di lavoro Un altra fonte di contenimento delle perdite fisiologiche del processo di riscaldamento sta nell ottimizzazione degli elementi impiegati per la generazione del campo ad alta frequenza ovvero dei sistemi a valvole integrati 50 8 LAMINAZIONE PER RADIOFREQUENZA Le tecniche classiche di laminazione dei moduli consistono in presse riscaldate a resistori con opportuni dispositivi atti a creare il vuoto per favorire quindi la fuoriuscita dell aria dalle intercapedini presenti inevitabilmente nel modulo il calore viene quindi trasferito al modulo solamente per conduzione Una metodologia alternativa alla laminazione dei moduli fotovoltaici mediante presse appositamente riscaldate quella di laminare gli stessi impiegando pres
183. r un silenzio assenso in ragione di accordi illeciti quali tangenti o simili Il principio sancito dal trattato quello poi ribadito pure dalle direttive europee secondo il quale i rifiuti dovrebbero essere smaltiti nello Stato in cui vengono prodotti cos come dovrebbe pagare chi produce i rifiuti da qui il meccanismo di costituzione di consorzi obbligatori per il recupero ed il riciclo di materiale prodotto e venduto in precedenza 3 3 SITUAZIONE ATTUALE ENTI ATTIVI IN MERITO Con un occhio alle dinamiche di mercato si pu certamente affermare che gli attori del libero mercato si stanno occupando in questo momento della ricerca di metodologie produttive che consentano di contenere i costi e quindi aumentare i margini di guadagno com ovvio d altra parte Pochi o nessuno invece si sta occupando dell ultimo anello della catena come lo si pu immaginare ovvero della fase di dismissione e di riciclo dei moduli fotovoltaici installati soprattutto per l assenza di volumi di materiale da trattare tali da giustificare investimenti comunque cospicui Facendo un parallelo per con i rifiuti solidi urbani entrati di recente tra le maggiori attivit illegali gestite dalle associazioni a delinquere anche la dismissione dei moduli fotovoltaici potr potenzialmente interessare in futuro le mafie visti i volumi che certamente si verranno a creare Tra i pochi soggetti che si occupano oggi almeno in linea teorica di riciclaggio vi sono i gr
184. ra della normativa di fatto avvenuta nel 2002 sono stati scritti ed emanati vari provvedimenti di modifica delle stesse il tutto per adeguare le normative al progresso tecnologico seguito e quindi tendenti a migliorare e ad incrementare il riciclo di apparecchiature elettroniche Bisogna sicuramente ricordare l aggiornamento delle stesse intervenuto con la ratifica della direttiva comunitaria 2011 65 EU che prevede una riduzione dell uso di sostanze pericolose nelle 29 apparecchiature elettriche ed elettroniche l oggetto della stessa risulta essere come riportato dalla traduzione ufficiale in italiano il seguente La presente direttiva istituisce norme riguardanti la restrizione all uso di sostanze pericolose nelle apparecchiature elettriche ed elettroniche AEE al fine di contribuire alla tutela della salute umana e dell ambiente compresi il recupero e lo smaltimento ecologicamente corretti dei rifiuti di AEE Come viene riportato per testualmente solo dopo poche righe tale direttiva non viene applicata a molte apparecchiature elettriche ed elettroniche tra le quali ancora una volta i moduli fotovoltaici La presente direttiva non si applica i ai pannelli fotovoltaici destinati a essere utilizzati in un sistema concepito montato e installato da professionisti per un impiego permanente in un luogo prestabilito ai fini della produzione di energia da luce solare per applicazioni pubbliche commerciali industriali e resi
185. ra la cella in silicio e lo strato di EVA quindi diffonde verso l esterno andando ad immagazzinarsi nel vetro che ha una bassa conducibilit termica mentre il backsheet rimane a temperatura inferiore essendo in contatto con l elettrodo in materiale conduttore sia dal punto di vista elettrico che da quello termico 76 ee oo _e______rc0 ni dy file Ede View Geometry Physics Result Computabon Supports Paremeters Window Help jelz SERSTEAS Loos Ras ARE FARCELA BEG Gesmety ICELLA_ELEC_1KV_0 TAA Color Shade Results Quantity Temperature Deg Celsius Time s 0 Phase Deg 0 Scale Color 19 83127 19 84181 OPER e 19 84181 19 85236 19 85236 19 86291 19 86291 19 87345 19 87345 19 8831 19 8831 19 89454 19 89454 19 90509 19 90509 19 91563 19 91563 19 92618 19 92618 19 93673 19 93673 19 94727 19 94727 19 95782 19 95782 19 96836 19 96836 19 97891 19 97891 19 98945 20 19 98945 Il e i EEE Ready Oe LINT man Y 26 125 mm NUM Fig 11 13 Situazione all istante iniziale t 0 s Nell istante iniziale sebbene la mappa a colori sia ben differenziata in realt la temperatura omogeneamente distribuita in tutto il dominio supposto alla temperatura di 20 C Le differenze evidenziate sebbene non siano giustificate a livello fisico avendo supposto una temperatura omogenea ovunque cono comunque co
186. rato sia solidamente connessa alla matchbox Nel caso specifico ci che si vuole realizzare riuscire ad applicare la tensione in uscita dal generatore e passante attraverso la matchbox alle due facce del condensatore di lavoro che andremo a definire in seguito In ogni caso pensando allo sviluppo futuro del processo bisogner tenere conto che alla fine delle verifiche preliminari si dovr procedere al riscaldamento di un intero modulo fotovoltaico di dimensioni per lo meno standard e cio di circa 1x2 m La camera schermata quindi per il nostro processo sar costituita da una gabbia di Faraday con maglie non troppo larghe in modo tale che questa riesca a schermare la zona circostante dai campi elettromagnetici generati a frequenza di 13 56 MHz 12 2 DISEGNO PRELIMINARE DEL CONDENSATORE DI LAVORO Per poter applicare il campo elettrico ad alta frequenza all oggetto che si voglia riscaldare per perdite dielettriche opportuno progettare in maniera adeguata l applicatore di campo anche detto condensatore di lavoro facendo riferimento alla pi semplice configurazione immaginabile per un tale processo ovvero un condensatore a facce piane parallele Ovviamente dal punto di vista industriale l applicatore di campo dovr essere sviluppato e migliorato ma per una verifica preliminare del processo di riscaldamento per perdite dielettriche stata considerata proprio tale semplice geometria 90 La forma degli elettrodi al fi
187. re di circa 300 um di una classica cella in silicio ad uno spessore pi di cento volte inferiore nei moduli in film sottile I moduli in film sottile impiegano materiali semiconduttori di diverso tipo ad esempio SILICIO AMORFO a Si TELLORURO DI CADMIO CdTe ARSENIURO DI GALLIO GaAs DISELENIURO DI INDIO RAME GALLIO CIGS e vi sono poi ulteriori tipologie di celle fotovoltaiche ma visti i ridotti volumi di mercato non saranno analizzate n menzionate Visivamente i moduli in film sottile si possono distinguere per il fatto che il colore risulta essere estremamente omogeneo essendo il materiale semiconduttore depositato superficialmente e quindi 40 ottenendo un estrema uniformit i contatti elettrici responsabili della cattura degli elettroni liberati dalla conversione fotovoltaica si estendono su tutto il modulo Vi quindi l assenza di celle fotovoltaiche interconnesse tra loro semplicemente la parte attiva del modulo risulta essere l area sulla quale vi la deposizione del semiconduttore in genere quasi tutto il modulo salvo eventualmente una piccola cornice esterna I moduli di questo tipo trovano largo impiego nei prodotti di largo consumo come le calcolatrici a raggi solari in ragione della semplicit con la quale si riescono a realizzare piccoli dispositivi da applicare poi ai dispositivi elettronici pi disparati addirittura carica batterie per cellulari I supporti sui q
188. re un aspetto cos importante nello studio e nella definizione di future strategie di sviluppo di tutto ci che orbita attorno al mondo del fotovoltaico Attualmente considerando sia i moduli in silicio cristallino che quelli in film sottile esistono essenzialmente solo due metodologie per una dismissione efficiente dei moduli attraverso un riciclo dei materiali costituenti il pannello Non volendo trattare nello specifico al momento queste due metodologie di riciclo si pu per dire che in entrambi i casi si ha la produzione di gas inquinanti e tossico nocivi ovvero di acidi entrambi i prodotti derivanti dal processo specifico necessitano di trattamenti idonei prima di poter essere liberati nell atmosfera o viceversa il recupero vista la loro pericolosit per gli esseri viventi Quanto appena affermato consente di dire con assoluta certezza che nemmeno la fase di dismissione dei moduli fotovoltaici risulta essere un processo verde come abbiamo invece voluto indicare i processi che non comportino l emissione di gas ad effetto serra Se non si considera una dismissione organizzata ed efficiente dei moduli fotovoltaici le alternative rimangono poche tra le quali il trattamento in un inceneritore che comporta ovviamente emissioni inquinanti ovvero lo smaltimento in discarica che invece posticipa in data da destinarsi il problema di uno smaltimento definitivo 24 3 2 NORMATIVA VIGENTE Per quanto riguarda la normativa vigente in ma
189. recedente la de laminazione qualora fosse applicata anche la massima tensione erogabile dal generatore ad alta frequenza si rimarrebbe comunque entro limiti di sicurezza per quanto riguarda il pericolo di scariche elettriche in aria tra elettrodo ed elettrodo 10 1 2 FREQUENZA La frequenza di lavoro per tale dispositivo oltre che per ragioni prettamente fisiche legate alla frequenza pi adatta per sviluppare un siffatto processo di riscaldamento per perdite dielettriche anche dettata da ragioni tecniche legate alle frequenze impiegabili per scopi industriali cos come definito dalla legge italiana in recepimento di direttive europee riguardo alla compatibilit elettromagnetica Nella fattispecie la scelta avviene tra le 2 frequenze ammesse di 25 13 56 MHz 0 05 27 12 MHz 0 6 A dire il vero vi sarebbe pure una terza frequenza 48 12 MHz 0 05 ma questa concessa per applicazioni industriali scientifiche e mediche ISM solamente in Gran Bretagna e perci essa viene esclusa a priori dalle nostre scelte A livello pratico il Laboratorio di Elettrotermia dell Universit degli Studi di Padova in seguito denominato con l acronimo LEP dispone di un generatore di tensione ad alta frequenza e nella fattispecie a 13 56 MHz e perci almeno in una prima fase di sperimentazione si far ricorso a tale dispositivo il quale consente di verificare l effettivo riscaldamento del modulo per perdite dielettric
190. rere il rischio di ricavare degli assurdi di fatto facendo divergere il processo che invece per fornire soluzione unica dovrebbe convergere n troppo brevi per non appesantire l elaboratore e quindi impiegare troppo tempo per la risoluzione del problema Un altro parametro da impostare al momento della risoluzione del sistema sta nel definire gli istanti di inizio e di fine della simulazione essendo impossibile la definizione di un istante precedente allo 0 ed essendo il tempo di risoluzione proporzionale con il l intervallo temporale di simulazione Un ulteriore parametro da definire al momento del lancio della simulazione il numero massimo di iterazioni che il Solver risolutore abilitato a compiere prima di fermarsi comunicando un messaggio di notifica per l avvenuto raggiungimento del numero massimo di step iterativi Il processo impiegato di default nella risoluzione dei problemi con Flux infatti il metodo Newton Raphson il quale un metodo iterativo che risulta estremamente rapido nel caso in cui esso sia convergente ma che presenta lo svantaggio di non essere un metodo assolutamente convergente ecco allora che la definizione di un numero massimo di step iterativi fornisce una garanzia sulla ricerca della soluzione viceversa si correrebbe il rischio di lasciare lavorare l elaboratore per niente non essendovi mai una convergenza tale da fermare la simulazione Un ultimo parametro da definire al momento della simulazion
191. riche pure di questo materiale al fine di ottimizzare quello che sar alla fine il processo di de laminazione del pannello fotovoltaico 46 6 1 7 POLIMERI VARI Junction box Di fatto la cassetta nella quale avvengono le connessioni elettriche tra i terminali del modulo fotovoltaico ed i cavi di collegamento che vanno dal pannello all inverter vista la durata temporale che essa dovr garantire viene realizzata in materiale plastico ed a seconda del materiale specifico costituente pu essere facilmente separata dal resto del modulo ed avviata ad un ciclo di recupero adeguato La rimozione dal pannello di questo dispositivo risulta essere abbastanza agevole essendo fissata all esterno dello stesso e non essendo quindi sottoposta a processi che la rendano intimamente aderente al resto del modulo il tutto sar eventualmente agevolato mediante l impiego di solventi A seconda della qualit del modulo trattato possono essere presenti eventuali diodi di by pass del modulo stesso al fine di non compromettere la produzione dell intera stringa nella quale il modulo risultava essere installato questi diodi bene che siano trattati a parte secondo lo schema RAEE Nel caso in cui non fosse possibile una successiva polimerizzazione per un riciclo vero e proprio pu comunque essere macinata ed impiegata in edilizia come materiale isolante direttamente o in appositi pannelli 6 2 DIMENSIONI E SPESSORI Appurato che la cornice di allumin
192. rificare il risparmio energetico introdotto ad esempio nei nuovi elettrodomestici rispetto a quelli di solo qualche anno fa visto che bisognerebbe andare a leggere la targhetta pi semplice rendersi conto dell eliminazione delle lampadine ad incandescenza troppo poco prestanti rispetto a quelle fluorescenti compatte o a led di nuova concezione 1 1 2 MIGLIORE SFRUTTAMENTO DELLE RISORSE DISPONIBILI Come per il risparmio energetico anche lo sfruttamento delle risorse energetiche oggi disponibili deve seguire la medesima strada alla ricerca del miglioramento continuo sia esso automatico come quello introdotto ancora una volta dal mercato sia esso imposto da norme e leggi In quest ottica si dovr quindi cercare di apportare tutti gli accorgimenti possibili in sede di conversione energetica al fine di limitare le perdite e migliorare quindi il rendimento del processo e si dovr d altra parte cercare di sfruttare tutte le fonti energetiche oggi disponibili Bisogna inoltre fare in modo che queste siano sfruttate razionalmente anche se tale criterio a volte viene meno di fronte ad esigenze di mercato che impongono magari di sfruttare quelle pi economiche ma tecnicamente non vantaggiose Tra le fonti energetiche oggi impiegate dall uomo se ne possono distinguere due macro categorie quelle che comportano l emissione di gas dannosi o ad effetto serra essenzialmente anidride carbonica o biossido di carbonio CO e quelle invece che non
193. rire al resto dei componenti Nonostante lo strato di fondo del modulo non sia la parte a pi alta temperatura comunque il backsheet raggiunge una temperatura di circa 100 C temperatura alla quale esso pu essere rimosso abbastanza agevolmente 11 2 CONSIDERAZIONI SULLE SIMULAZIONI ALL ELABORATORE Stando alle simulazioni ottenute con il software Flux in generale validate dall esperienza pratica visto che brevettata a livello mondiale una metodologia per la laminazione di moduli fotovoltaici tramite riscaldamento per perdite dielettriche gli strati termoplastici contenuti nel modulo vengono a riscaldarsi e questi scaldano per conduzione tutto il pannello e quindi gli elettrodi applicatori di campo Il fatto che i polimeri e di conseguenza il modulo nel suo insieme si vengono a riscaldare non sono comunque indice della fattibilit tecnica del processo cos come ipotizzato numerose variabili si devono infatti considerare in maniera pi approfondita come la conduzione del calore dal modulo verso l ambiente Bisogner verificare infatti se il solo riscaldamento comunque ad una temperatura adeguata consente una rimozione agevole e quindi una separazione dei vari materiali costituenti il modulo senza arrivare alla necessaria fusione o incenerimento cos come avviene gi peraltro con le metodologie brevettate 79 Se si riescono a separare i materiali costituenti il modulo senza giungere a temperature troppo elevate infatt
194. se descritti in precedenza prestando attenzione che non rimanga aria ovvero alcuna impurit tra i vari strati costituenti pena la possibilit del verificarsi di fessurazioni nel modulo con la conseguente riduzione di vita del modulo stesso L adesione dei vari strati garantita come accennato da fogli di EVA che fungono sia da collante sia da riempitivo i moduli infatti vengono pressati da apposite presse riscaldate che danno al modulo la pressione necessaria per far uscire eventuale aria imprigionata tra i vari strati e il calore necessario a rammollire PEVA Tale processo avviene in apposite presse che oltre a fornire la pressione tale da far aderire i vari strati costituenti provvedono alla creazione del vuoto mediante apposita camera in modo tale da agevolare ancora una volta la fuoriuscita dell aria dal modulo Una volta raggiunta infatti la temperatura di rammollimento dell EVA questa assume una consistenza tale da poterle permettere di riempire tutte le cavit d aria eventualmente presenti il tutto grazie alla pressione che viene esercitata tra gli strati costituenti il modulo ed il vuoto creato appositamente Quindi una volta lasciati raffreddare i moduli divengono di fatto un corpo unico con l ausilio esterno della cornice in alluminio che ne facilita il montaggio e l installazione mentre l apporto alla consistenza meccanica del modulo stesso risulta essere davvero esigua 48 7 RISCALDAMENTO PER PERDITE DIELETTRICH
195. se riscaldanti ad alta frequenza che vanno ad agire quindi solamente sui materiali dielettrici e sensibili al campo elettrico applicato Tale metodologia brevettata negli Stati Uniti da parte di Ceralink 26 ed essa consiste essenzialmente in un processo di laminazione ottenuto pressando assieme i classici elementi costituenti il modulo unitamente all applicazione di un campo elettrico ad alta frequenza nella fattispecie a 27 12 MHz In particolare l azienda detentrice del brevetto afferma di poter laminare il singolo modulo con cicli della durata che varia tra mezzo minuto e tre minuti con riduzione dell energia impiegata del 90 ovvero con una notevole riduzione dei costi rispetto alle tecnologie tradizionali con presse riscaldate a resistori Se anche tali dati non fossero totalmente veritieri cosa peraltro poco probabile vista la relativa pubblicazione di certo si deve comunque far presente il fatto che andando a riscaldare direttamente i materiali dielettrici e nella fattispecie incapsulanti non necessario attendere gli eventuali transitori termici necessari al trasferimento del calore dall esterno fino all incapsulante Ancora una volta viene quindi ribadito il fatto che quella del riscaldamento per perdite dielettriche una tecnologia emergente ma potenzialmente molto utile in termini di tempo visto che almeno fino al 2007 questo metodo di laminazione non era ancora stato brevettato Forse perch l azienda spec
196. siano essi fisici neve grandine ecc Tutte queste qualit fanno si che il modulo possa convertire la maggiore quantit possibile di radiazione luminosa in energia elettrica evitando dispersioni o riflessioni dovute ad eventuali impurit presenti nel vetro stesso e possa resistere agli inevitabili attacchi chimici e fisici ai quali esso verr sottoposto nel corso della propria vita operativa stimata in almeno 20 25 anni 44 Nello specifico si tratta di vetro temperato ultrachiaro ed a bassissimo contenuto di ferro e piombo che eventualmente pu essere trattato per ottenere una superficie a buccia d arancia al fine di migliorare l assorbimento della radiazione luminosa ed evitarne dispersioni per riflessione 6 1 2 ALLUMINIO Pur rappresentando una percentuale in massa nettamente inferiore rispetto al vetro l alluminio gode di un mercato affermato alle spalle e quindi di un valore notevolmente superiore e ad oggi questo forse l unico materiale che ha economicamente senso recuperare per poi avviarlo al riciclaggio visto che per i materiali che seguiranno ci non si potr pi affermare in generale D altra parte ha senso il recupero se non altro dell alluminio poich esso rappresenta la cornice del modulo stesso ed quindi la parte del modulo pi facile da staccare dal resto del pannello senza comportare costi e procedure onerosi Il riciclo inoltre dell alluminio risulta essere molto vantaggioso anche in termini energ
197. so alla frequenza di lavoro di 13 56 MHz I materiali conduttori in genere presentano tutti o quasi valori trascurabili di perdite per tale meccanismo vista l elevata mobilit elettronica e volendo unire a tale caratteristica pure basse perdite per effetto Joule e costi non proibitivi la scelta caduta spontaneamente sull alluminio che presenta inoltre un elevata facilit di lavorazione meccanica 92 13 PROVE SPERIMENTALI IN DIVERSE CONFIGURAZIONI OPERATIVE Le prove sperimentali come precedentemente esposto sono state eseguite in modo differenziato in modo tale da poter riscontrare l effettivo riscaldamento per perdite dielettriche e per appurare la fattibilit del processo su di un modulo fotovoltaico nel suo insieme Le prove eseguite ed in progetto per il prossimo futuro vengono descritte singolarmente analizzando gli elementi fondamentali di ciascuna di esse mentre non vengono ovviamente riportate osservazioni specifiche sulle prove sperimentali ancora da eseguire vista l impossibilit di poter fare ci Come gi indicato le prime tre verifiche sperimentali si avvalgono di un unica tipologia di elettrodi ovvero considerata la forma circolare di questi le dimensioni diametro e spessore sono rimaste sempre le stesse per questioni di semplicit In particolare al momento della verifica del riscaldamento dei singoli materiali termoplastici impiegati backsheet multistrato ed EVA si ottenuta una configurazione abb
198. spingere l efficienza dei moduli il pi possibile non concepibile sostituire tale materiale con qualunque altro sebbene siano allo studio moduli con contatti a base di rame dal prezzo ovviamente inferiore 6 1 5 INCAPSULANTE EVA Il materiale incapsulante rappresenta di certo in termini di massa una percentuale davvero esigua 6 7 considerando tutti i polimeri presenti al limite difficile da quantificare ma per l oggetto della tesi riveste un importanza davvero degna di riguardo In genere come incapsulante vengono utilizzati fogli di EVA acronimo che sta per Etilen Vinil Acetato Ethylene Vinyl Acetate che nel processo di laminazione a caldo riscaldandosi appunto vanno ad occupare tutte le intercapedini che si formano tra la cella ed il vetro sovrastante e tra la cella ed il materiale di backsheet Punto fondamentale per l oggetto di tesi determinare se questo materiale del quale i dati sono difficilmente reperibili visti i numerosi brevetti industriali vigenti sullo stesso si possa riscaldare per perdite dielettriche in opportuni forni a radio frequenza al fine di poterlo portare ad una temperatura di rammollimento tale da facilitare la successiva separazione meccanica delle celle e dal vetro e dal materiale di backsheet Fisicamente allo stato vergine ovvero prima di essere laminato nel modulo si presenta come un sottile foglio semitrasparente mentre al tatto si presenta morbido e gommoso 6 1 6 MULTISTRATO TERMOPLA
199. stallazione In un secondo momento si provveder a determinare quale sia la pressione ideale al fine di favorire tale processo evitando rischi di scariche in aria ed al contempo consentendo un processo efficace ma rapido visto che comunque va a gravare sui costi di riciclo 10 2 1 COMPONENTI DEL PROCESSO DI RICICLO I componenti fondamentali del processo di riciclo cos come ipotizzato sono i seguenti Generatore ad alta frequenza Elettrodi di lavoro Applicatore di pressione Per quanto riguarda il GENERATORE AD ALTA FREQUENZA come gi accennato verr impiegato il generatore a disposizione del LEP ovvero un generatore di tensione alla frequenza di 13 56 MHz e dalle caratteristiche riportate nel capitolo riguardante le prove sperimentali Gli elettrodi di lavoro anch essi analizzati meglio nel capitolo appena indicato saranno in una prima fase di forma circolare per evitare fenomeni di addensamento del campo elettrico e saranno in materiale amagnetico nella fattispecie alluminio onde evitare interazioni negative e potenzialmente pericolose con il campo ad alta frequenza imposto Infine l applicatore di pressione sar costituito da una massa la quale agir sull elettrodo superiore in modo tale da fornire con la propria forza peso la pressione necessaria ad eliminare l aria eventualmente presente tra gli elettrodi ed il modulo fotovoltaico 62 Questa massa dovr ovviamente essere in materiale non sensibile ai ca
200. stallazione di per s non comportano in generale la liberazione di quantit misurabili di gas inquinanti 23 Fatte queste considerazioni pur tralasciandone alcune altre molto semplici si pu dire che la fase di realizzazione ed installazione di un impianto fotovoltaico non si pu considerare propriamente verde viste le conseguenti emissioni inquinanti L ecologicita della produzione quindi pu risiedere al massimo nella vera e propria conversione energetica tralasciando una parte importante di tutto l insieme unitamente come si vedr in seguito alla fase della dismissione dell impianto 3 1 2 NORMALE FUNZIONAMENTO Nel normale funzionamento di un impianto fotovoltaico si ha la conversione dell energia irradiata dal Sole verso la Terra attraverso il processo fotovoltaico questo come verr spiegato nel seguito non comporta l emissione di alcunch se non la fornitura ai morsetti di uscita del modulo di una certa quantit di potenza elettrica caratterizzata dai relativi parametri di tensione e corrente Non necessitando di meccanismi di combustione si pu quindi escludere l emissione di gas inquinanti legati a tale tipologia di conversione energetica nel caso specifico assente appunto L assenza di liberazione in atmosfera di gas ad effetto serra permette quindi di considerare verde il processo di produzione di energia elettrica attraverso il meccanismo di conversione fotovoltaica almeno limitatamente al funzi
201. tantomeno dai produttori dei materiali polimerici in essi impiegati tali caratteristiche si sono dovute ricercare in maniera alternativa Nel tentativo di riuscire ad ottenere tali dati si cercato di seguire due strade complementari 56 Richiedere tali caratteristiche elettriche direttamente ai produttori Ricavare tali caratteristiche per via sperimentale Nessuna delle due strade percorse in parallelo ha lasciato ben sperare fin da subito circa l esito ma sono state percorse come detto entrambe nella speranza di ricavare in maniera abbastanza certa le caratteristiche desiderate 9 2 1 RICHIESTA AI PRODUTTORI Seguendo questa via si cercato di contattare i produttori di film polimerici impiegati rispettivamente come incapsulanti e come fondo nei moduli fotovoltaici per richiedere le caratteristiche elettriche volute ma non pubblicate Le risposte che si sono ottenute sono state le pi disparate dal semplice rifiuto alla fornitura di tali dati per motivi di riservatezza all affermazione della non conoscenza di tali caratteristiche ancora alla richiesta del tempo necessario per reperire tali dati Le risposte migliori che si sono ottenute sono state alcune indicazioni di caratteristiche comunque gi pubblicate in internet com avvenuto ad esempio per la DuPont nessuna delle aziende contattate ha fornito dati che non fossero gi pubblicati sebbene le richieste fossero richieste per scopi scientifici e da parte di
202. tenza di base con quella prodotta da centrali non di base a fronte di un costo maggiore facile da ridurre in breve tempo in modo da poter accogliere quella intermittente prodotta da fonti rinnovabili 2 3 I NUMERI DELL ENERGIA DA FONTI RINNOVABILI A tutti i livelli nazionale comunitario ed internazionale comunque in aumento la produzione di energia a partire da fonti rinnovabili meccanismo incentivato quasi ovunque da prezzi di favore concessi dagli Stati stessi per ragioni varie in Europa per far fronte al pacchetto clima energia 20 20 20 2 3 1 LA SITUAZIONE ITALIANA Per quanto riguarda l Italia la produzione di energia in particolare quella elettrica a partire da fonti rinnovabili gode di incentivi cospicui e forse mal ripartiti tra le diverse fonti andando a premiare in maniera vistosa alcune tecnologie tralasciando invece altre importanti fonti di energia rinnovabile 16 Il Gestore dei Servizi Elettrici GSE provvede ogni anno insieme a Terna a redigere le statistiche nazionali sul sistema elettrico italiano queste statistiche consentono facilmente di capire lo sviluppo del sistema elettrico ed anche la penetrazione delle fonti rinnovabili nella totale energia consumata in Italia Facendo riferimento agli ultimi dati aggiornati nella fattispecie le statistiche ed i bilanci elettrici del 2010 si riesce a visualizzare la percentuale sulla totale energia elettrica prodotta a partire da fonti rinnovabili come si pu
203. teria bisogna dire che quanto avviene in Italia dettato essenzialmente dal recepimento di direttive comunitarie cos come avviene per moltissime altre materie a livello internazionale invece la situazione molto variegata e dipende dal singolo Stato Esistono a dire il vero in tutto il mondo condizioni differenti in Giappone ad esempio negli anni 70 fu sperimentato un sistema di raccolta differenziata delle apparecchiature elettroniche che poi termin rovinosamente ed in seguito furono e vengono tuttora trattati come normali rifiuti solidi urbani Negli Stati Uniti esistono delle leggi che coprono solamente il campo delle apparecchiature contenenti tubi a raggi catodici per la presenza di gas dannosi per l ambiente e per l uomo mentre le rimanenti RAEE Rifiuti di Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche vengono trattate come normali rifiuti urbani Lo stato attuale delle cose anche nella sola Europa non a dire il vero molto chiaro fino a non molto tempo fa di fatto prima dell entrata in vigore della direttive comunitarie 2002 95 EC e 2002 96 EC ovvero le cosiddette direttive ROHS e RAEE i moduli come praticamente tutti gli altri rifiuti derivanti da apparecchiature elettriche ed elettroniche venivano considerati alla stregua di normali rifiuti solidi urbani Con l avvento delle direttive sopracitate invece si posta un po chiarezza e si sono pure imposti limiti all impiego di sostanze pericolose e regole sullo smalti
204. ti fissata nel protocollo di Kyoto per l Unione Europea in una misura pari all 8 stata ripartita in quote assegnate ai vari Stati membri in ragione delle reali emissioni del 1990 ovvero si sono indicati target diversi ai singoli Stati membri Gli Stati con emissioni maggiori sono anche obbligati a perseguire riduzioni maggiori delle relative emissioni viceversa gli Stati con emissioni minori sono gravati da obblighi meno restrittivi ed al limite ad alcuni concesso di incrementarle per perseguire uno sviluppo dell economia locale L Italia stata cos destinata a ridurre le proprie emissioni del 6 5 in luogo dell 8 mentre altre nazioni ben pi inquinanti nel 1990 sono state soggette ad una riduzione ben superiore come ad esempio la Germania che dovr ridurre entro il 2012 le proprie emissioni del 21 rispetto a quelle emesse nel 1990 Addirittura alcune nazioni dell Unione Europea a fronte del loro basso livello di industrializzazione sempre nell anno preso come riferimento si trovano autorizzate ad incrementare le proprie emissioni di valori non trascurabili come avviene per esempio per il Portogallo che autorizzato ad incrementarle del 27 Se per quanto riguarda il Protocollo di Kyoto dunque i valori da raggiungere sono quelli elencati a livello europeo si deciso di fare di pi andando ad elevare le limitazioni delle emissioni inquinanti cos come previsto dal pacchetto clima energia 20 20 20 Di fatto questo
205. to deve tener conto dei medesimi accorgimenti adottati per la singola cella Anche questa verifica sperimentale potr essere utile alla definizione di accorgimenti e tecniche che rendano il processo fattibile dal punto di vista tecnico e soprattutto industriale non avendo senso che un tale processo non venga realizzato su ampia scala 97 In questo caso ovviamente gli elettrodi applicatori di campo devono essere ridisegnati e ridimensionati essendo geometricamente non impiegabili per riscaldare un area grande quantomeno quattro volte le precedenti La forma stessa degli elettrodi non potr pi essere mantenuta circolare in quanto per coprire un quadrato di 2 celle per lato occorrerebbe sempre un diametro maggiore del lato in ragione della radice quadrata di due ovvero poco meno di una volta e mezza Inoltre dal punto di vista applicativo ci si trover comunque a dover fare i conti con moduli fotovoltaici di forma quantomeno rettangolare quindi conviene iniziare ad affrontare gli eventuali problemi tecnici che si incontreranno con un intero modulo La forma rettangolare della sezione e quindi degli elettrodi ci pone di fronte al problema della formazione di punte se non altro con angolo di 90 derivante dagli angoli della sezione considerata e quindi tale problema dovr in questo caso essere affrontato a dovere La formazione di eventuali punte come gi ampiamente trattato porta all addensamento del campo elettrico in prossimit
206. trico dovuto al condensatore di lavoro viene a superare la rigidit dielettrica si possono verificare scariche elettriche in aria che portano al cortocircuito degli elettrodi oltre all eventuale danneggiamento di questi e del mezzo in riscaldamento Un altro rischio da non sottovalutare quello legato al fatto che il mezzo inserito tra gli elettrodi pu contenere impurit o umidit che possono costituire delle vie preferenziali per il campo elettrico e quindi realizzare dei percorsi agevolati per eventuali scariche guidate sulla superficie del mezzo interposto 93 La figura che segue mostra come a differenza della precedente configurazione in questo caso le dimensioni del mezzo in riscaldamento vengono praticamente a coincidere con quelle degli elettrodi riducendo i margini di sicurezza circa il pericolo di scariche in aria J es EEEE EES SSSEE ee ee hy 000 see r ve A serbs Pie oo eeeeeeeee Fig 13 2 Configurazione con elettrodo e sezione di modulo pari ad una cella fotovoltaica Per tutelare quindi il generatore gli elettrodi il mezzo in riscaldamento e quindi in generale il processo in fase di test necessario adottare degli accorgimenti specifici oltre a valutazioni preventive di tipo teorico In prima battuta bisogna considerare il campo elettrico che viene a manifestarsi eventualmente tra le due armature senza null altro tra di esse se non l aria dell ambiente e quindi prendere i provvedime
207. ttro celle Riscaldamento di un intero modulo fotovoltaico Per quanto riguarda le prime tre prove sperimentali si deciso di optare per un unica dimensione del condensatore di lavoro e pertanto si sono disegnati due elettrodi circolari del diametro approssimativo di una cella fotovoltaica ovvero di circa 16 cm Per quanto riguarda lo spessore di questi due elettrodi si optato per una dimensione che permettesse una buona resistenza meccanica tenendo conto del fatto che questi dovranno essere impiegati unitamente all applicazione di una certa pressione in modo tale da evitare che rimanga aria tra gli elettrodi e l oggetto in riscaldamento Considerato quindi che il modulo una volta eliminata la cornice di alluminio presenta uno spessore vicino al centimetro ed ipotizzato che comunque la pressione venga applicata in maniera abbastanza uniforme si optato per uno spessore di qualche millimetro nella fattispecie di 2 mm Per quanto riguarda la forma degli elettrodi si scelta la semplice forma circolare in modo tale da evitare addensamenti del campo elettrico nelle punte che possono portare vista l elevata tensione alla quale vengono sottoposti a fenomeni di scarica parziale in aria o peggio ancora attraverso il mezzo in riscaldamento Il materiale con il quale vengono realizzati gli elettrodi del condensatore di lavoro deve presentare la caratteristica peculiare di non evidenziare perdite o almeno avere un valore molto bas
208. tuata dall Unione Europea sta nello sfruttamento delle cosiddette energie rinnovabili che non comportano almeno direttamente emissioni di gas inquinanti Tra le fonti energetiche rinnovabili maggiormente sfruttate negli ultimi anni in ragione dell abbondanza della quale gode vi l energia solare ovvero la conversione dell energia con la quale viene irradiata la Terra in energia elettrica o termica Inutile evidenziare l enorme proliferazione dell installazione di moduli fotovoltaici sui tetti delle abitazioni sulle coperture dei capannoni a terra nei campi agricoli il tutto agevolato da incentivazioni statali che hanno premiato in maniera massiccia tale tecnologia Il mercato degli impianti fotovoltaici quindi stato aiutato nel fare emergere questa tecnologia ed forse stato pure un po viziato per quanto riguarda i reali costi dei relativi prodotti siano essi celle moduli o inverter in ragione del fatto che ogni soggetto della filiera voleva e vuole beneficiare della generosit dello Stato almeno per quanto riguarda l Italia La prova ne il fatto che i produttori stranieri essenzialmente del sud est asiatico riescono a contenere i costi di produzione agendo sulla manodopera ma forse non solo riuscendo ad offrire componenti a prezzi competitivi sebbene a volte dalla qualit non proprio eccellente La tecnologia fotovoltaica sino ad oggi non si trovata a fare i conti con il fine vita dei moduli installat
209. ua fluente a marea 10 2 1 2 EOLICA onshore ed offshore ee RR ee GR ee GR Re ee RR ee Ge ee ee ee Re ee ee 11 2 1 3 FOTOVOLTAICO classico ed a concentrazione i 12 2 14 SOLARE TERMODINAMICO ee ee see see ee se ee se ee se ee se ee se ee se ee ee ee ee Se ke ee 13 2 15 GEOTERMICO 2e SEE LL es ae as E DE ee N 14 AE BIOMASSA reclinabile aio 15 2 2 PROBLEMATICHE DELLA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILE EE E e OE se labia E A it 16 2 3 I NUMERI DELL ENERGIA DA FONTI RINNOVABILI se ese ee se ee se ee se esse ese 16 2 3 1 LA SITUAZIONE ITALIANA ee se see ee ee ee ee ee ee ee ee see se ee se ee ee ee See ee Re Ge ke ee r 16 2 32 LA SITOAZIONE EUROPEA st Ee EE ee Ee Ee ee eatin oe eaten ee ees 19 2 33 LASHUAZIONE MONDIALE sasies cui eas Rg GE Vee serea S Re GR Pe burns 20 3 INTEGRAZIONE DEL PROCESSO VERDE ese see se ee ee ee ee ee ee ee se ee se esse ese ese ese ese ese ee 23 3 1 IE PROCESSO VERDE inadatta deter ees dese a 23 3 1 1 REALIZZAZIONE ED INSTALLAZIONE i 23 3 12 NORMALE FUNZIONAMENTO ee se aae ee ke ee ee ee ee eke e e ee ge ee ee 24 31 3 BISMISSIONE is ee iaia eg ee ee ee ie eb ee ep eee eo be geed 24 3 2 NORMATIVA VIGEN TE hniena Rata avaro 25 3 3 SITUAZIONE ATTUALE ENTI ATTIVI IN MERITO sees sees se ee se ee se ese ee se ee se
210. uali pu essere depositato il semiconduttore cuore della conversione fotovoltaica possono essere tra i pi disparati si va da materiali plastici al classico vetro ad altri materiali ancora potendo ottenere moduli fotovoltaici molto diversi dai classici rettangolari ad esempio integrati in tegole per tetti o in supporti flessibili L immagine seguente mostra un esempio di modulo in film sottile su classico modulo rettangolare e su nastro flessibile Fig 5 5 Modulo in film sottile su supporto classico e su nastro flessibile Il segmento del mercato nel quale si possono inserire quindi i moduli in film sottile risulta essere in parte diverso da quello dei moduli in silicio cristallino si prevede tra l altro una copertura del mercato per una quota pari al 40 entro il 2020 41 6 IL MODULO CRISTALLINO Un analisi preliminare di un modulo fotovoltaico pu essere svolta dal punto di vista fisico analizzando i vari componenti costituenti il modulo stesso nel caso specifico si analizzer un modulo cristallino essendo oggetto di studio di questo lavoro di tesi I componenti di un modulo fotovoltaico in silicio cristallino a partire dal lato superiore esposto alla radiazione solare e proseguendo verso il basso si possono riassumere in Alluminio Cornice esterna Vetro o strato superficiale in altro materiale Incapsulante Contatto superiore in pasta d argento Cella fotovoltaica Contatto inf
211. uindi in prossimit ad esempio delle cosiddette solfatare ovvero in aree vulcaniche Cosa da non sottovalutare la ricarica idrologica del bacino geotermico infatti asportando acqua e vapore da tale bacino questo potrebbe non fornire pi vapore in seguito per ovviare a ci qualora le precipitazioni non dovessero bastare vengono creati degli appositi pozzi di ricarica attraverso i quali il vapore condensato e raffreddato viene reintrodotto nel ciclo geotermico Sebbene sia una tecnologia poco sfruttata per la produzione di energia elettrica negli ultimi anni grazie a modifiche tecniche sta trovando successo nel campo del riscaldamento delle abitazioni grazie all impiego di pompe di calore che riescono a ricavare calore anche dal fluido termovettore a bassa temperatura Questo impiego dell energia geotermica consente in media di far fronte alle normali esigenze di riscaldamento ed acqua calda per usi sanitari sebbene a fronte di impianti non proprio semplicissimi vista la profondit alla quale bisogna giungere La figura illustra lo schema di principio di un impianto geotermico che a seconda delle caratteristiche geotermiche locali pu consentire la produzione di energia elettrica o il riscaldamento degli edifici o addirittura entrambi 6 14 lt _ db Scambiatore dd di calore Pozzi per estrazione vapore Torre di raffreddamento Fig 2 6 Schema di principio di un impianto geotermico Nella figura si vede
212. un ente universitario 9 2 2 DETERMINAZIONE SPERIMENTALE Constatato che il reperimento dei valori di permittivit dielettrica relativa e fattore di perdita dell EVA e del materiale di backsheet non era cosa agevole da ottenere richiedendola ai produttori si deciso di percorrere pressoch unicamente la seconda strada Appurata l esistenza di strumentazione scientifica in grado di ricavare in maniera abbastanza agevole le caratteristiche volute si sono attivati alcuni canali per cercare di ottenere tali dati da una misura sperimentale Si ad esempio contattato un ateneo universitario per cercare di ottenere tali dati dal loro laboratorio di misure essendo nota la competenza tecnica ma risultato impossibile ottenere i dati ricercati vista la banda di frequenze nella quale tale ateneo riusciva a fornire tali dati La banda entro la quale l ateneo universitario riusciva eventualmente a fornire tali dati infatti va da 200 MHz a 50 GHz com ormai noto invece le scelte possibili in quanto a frequenza per il riscaldamento per perdite dielettriche sono solamente 13 56 MHz e 27 12 MHz 1 Come si vede quindi la banda di frequenze entro la quale poter misurare le caratteristiche volute si trova ben al di sopra delle possibili frequenze impiegabili in ambito industriale e noto il fatto che tali caratteristiche sono funzione della frequenza gli eventuali risultati non si sarebbero potuti ritenere attendibili A questo punto si
213. viene impiegato praticamente sempre l Etilen Vinil Acetato sigla EVA e conosciuto con nomi commerciali come Elvax o Evatane questo materiale consente di ottenere ottimi risultati in termini di adesione dei vari strati costituenti il modulo ed in termini di sicurezza contro la possibilit di fessurazione del modulo stesso Di questo tipo di materiale sono certamente note le caratteristiche oggetto delle norme di omologazione del modulo stesso come ad esempio la tensione di scarica del materiale stesso ovvero altre caratteristiche fisiche mentre caratteristiche elettriche cos specifiche sono difficili da reperire La seguente tabella un esempio di dati tecnici reperibili in internet in letteratura tecnica infatti risulta forse ancor pi difficile trovare dati attendibili vista la protezione data da brevetti industriali PROPERTY FEATURES Test method Unit Thickness sheet um 200 1100 Width sheet mm up to 1450 Core inside diameter mm 76 or 152 Surface finish Matt rough or polished Packaging Aluminium bag Interleaving foil 20 um HDPE optional UNCURED PROPERTIES Test method Unit caliper 460 pm Electrical properties Dielectric strength ASTM D149 09 Method A Dielectric strength MV m 55 9 0 7 Breakdown voltage kV 25 7 0 4 DC resistance of insulating materials ASTM 257 07 Volume resistance Q 3 18 10 Volume resistivity Om 1 59 10 Mechanical properties
214. vo obbligo ricordare quindi tutto il Laboratorio di Elettrotermia in questi sei mesi mi sono sentito davvero a casa ringrazio tutti per avermi aiutato nei momenti di difficolt e per gli splendidi momenti passati insieme dai pranzi fugaci al bar ai momenti scherzosi trascorsi in laboratorio Un ringraziamento personale lo voglio anche riservare a quanti hanno condiviso questo mio e nostro cammino verso il traguardo della laurea Grazie a Christian per tutti Ciki ai due Alessandro e a Fabio L attesa vissuta insieme a voi mi ha permesso di viverla in modo meno pesante Ultimando questo mio percorso formativo mi rendo conto che se ho potuto scrivere questo lavoro di conclusione della mia carriera universitaria solamente merito di quanti mi sono stati vicini in primis la mia famiglia ma anche amici e conoscenti tutti Ringrazio quindi tutti i miei familiari per avermi fornito i mezzi per arrivare fin qua dai mezzi economici molto importanti ai mezzi morali e psicologici necessari Non posso dimenticare infatti i numerosi ma positivi momenti di sconforto che hanno accompagnato il mio percorso accademico pi volte ho pensato di mollare ma oggi sono qui a ringraziare chi mi ha aiutato a continuare credendo che ce l avrei fatta credendoci sicuramente pi del sottoscritto Grazie mamma Con un occhio vigile su di me sin da quando ero bambino hai sempre cercato di tenermi lontano dalle cose sbagliate della vita riuscendo a
215. voltaiche essenzialmente basati su trattamenti chimici tali da riportarle allo stato di silicio per essere quindi triturate e rifuse in nuovi lingotti e riprendere il ciclo di produzione delle celle Come detto per i prezzi sul mercato delle celle fotovoltaiche non giustificano l impiego di tali tecnologie in modo standardizzato si pu quindi dire che i brevetti ad oggi siano depositati senza il fine di applicarli a livello industriale 45 6 14 ARGENTO Presente in percentuale davvero molto esigua 0 005 e non giustificante di fatto ad oggi da solo un processo di riciclo di tale materiale gode per di un valore sul mercato molto elevato essendo di fatto legato alla quotazione dell oro nei mercati internazionali Un suo riciclo potr d altra parte essere giustificato e potr raggiungere costi minori in futuro in previsione di un maggior volume di moduli fotovoltaici da riciclare e di una sempre crescente quotazione del materiale nelle borse di scambio Esso costituisce i contatti a griglia della faccia esposta alla radiazione luminosa della cella fotovoltaica ed almeno in parte anche della faccia non esposta tale materiale viene impiegato per le eccellenti qualit elettriche visto che data la sua conducibilit in grado di catturare facilmente gli elettroni liberati durante la conversione energetica da luminosa ad elettrica Non vi sono attualmente sul mercato materiali con caratteristiche elettriche paragonabili e volendo
216. zare la possibilit di un completo riciclo dei propri prodotti pu portare solamente ad un incremento dei volumi d affari La procedura prevede le seguenti tappe da eseguire ovviamente nella sequenza descritta 21 RACCOLTA I moduli vengono raccolti e caricati in un trituratore che riduce i moduli in pezzi di grosse dimensioni FRAMMENTAZIONE I pezzi cos ottenuti vengono quindi ridotti alle dimensioni di circa 4 5 mm in due passi successivi RIMOZIONE FILM SMICONDUTTORE Il film semiconduttore viene rimosso mediante l aggiunta di acido e perossido di idrogeno acqua ossigenata in un tamburo in acciaio inossidabile che ruota lentamente contenente appunto i pezzettini di modulo ed i reagenti aggiunti 30 SEPARAZIONE SOLIDI LIQUIDI Il tamburo viene quindi svuotato lentamente in un classificatore dove viene separato appunto il vetro dal liquido mediante una semplice vite senza fine rotante verso l alto ovvero mediante una classica vite di Archimede SEPARAZIONE VETRO MATERIALE LAMINATO Un vaglio vibrante separa il vetro dai pezzi pi grandi di materiale laminato incluso comunque tra due strati di vetro RISCIACQUO DEL VETRO Il vetro viene lavato per rimuovere eventuali residui di materiale semiconduttore che rimane fisicamente sul vetro quindi il vetro cos ripulito viene confezionato per il successivo riciclo PRECIPITAZIONE Il liquido ricco di metallo viene pompato all unit di precipitazione quindi i co

Documento PDF - Università degli Studi di Padova

Contents

Download Pdf Manuals

Related Search

Related Contents

Documento PDF - Universit&agrave; degli Studi di Padova

Contents

Download Pdf Manuals

Related Search

Related Contents

Documento PDF - Università degli Studi di Padova