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Generazione fotovoltaica ed eolica di energia elettrica

01OELMK, 01OELET, 01OELFG, 01OELFJ, 01OELJM, 01OELLI, 01OELLN, 01OELLP, 01OELLS, 01OELLX, 01OELLZ, 01OELMA, 01OELMB, 01OELMC, 01OELMH, 01OELMN, 01OELMO, 01OELMQ, 01OELNX, 01OELOA, 01OELOD, 01OELPC, 01OELPI, 01OELPL

A.A. 2018/19

2018/19

Generazione fotovoltaica ed eolica di energia elettrica

L’insegnamento tratta le problematiche connesse alla produzione di energia elettrica da fonte fotovoltaica ed eolica attraverso l’impiego di impianti elettrici connessi in rete. Vengono trattati aspetti legati alla caratterizzazione della sorgente di energia, alla conversione in energia elettrica e alle relative applicazioni impiantistiche.

Generazione fotovoltaica ed eolica di energia elettrica

The course is devoted to present both the Photovoltaic and Wind power systems, in which general aspects of power electronics are included, starting from their operating principle. The methods to correctly design the main components, to evaluate the energy production with the economic analysis of investment are the goals of the course.

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Conoscenza del principio di funzionamento dei sistemi fotovoltaici e di quello dei sistemi eolici: per entrambi sono inclusi aspetti specifici dell’elettronica di potenza. Capacità di valutare la producibilità di energia elettrica da sorgente fotovoltaica ed eolica. Capacità di progettare semplici impianti fotovoltaici.

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At the end of the course students should know the main technologies about the photovoltaic plants and wind turbines, and should be able to calculate the productivity and to correctly design the main components of these power systems.

Generazione fotovoltaica ed eolica di energia elettrica

Nozioni base di Elettrotecnica e di Meccanica applicata.

Generazione fotovoltaica ed eolica di energia elettrica

Basic knowledge about electric circuit theory and applied Mechanics.

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PROGRAMMA RIGUARDANTE I SISTEMI FOTOVOLTAICI (circa 40 ore) Vantaggi e svantaggi del fotovoltaico. Aspetti tecnologici: fabbricazione delle celle solari a partire dal quarzo. Potenze standard di moduli FV commerciali; statistiche di diffusione delle installazioni FV nel mondo. Struttura dei dispositivi fotovoltaici: bande energetiche nei semiconduttori; drogaggio di tipo "p" e "n"; giunzione e campo elettrico; foto-corrente come coppia elettrone - lacuna; perdite nel processo di conversione. Risposta spettrale ed efficienza delle principali tecnologie: silicio mono-cristallino, poli-cristallino ed amorfo, tellururo di cadmio e diseleniuro di indio-rame (gallio). Principio di funzionamento e circuito equivalente della cella solare con tre o cinque parametri. Curve caratteristiche corrente - tensione (I-V) e potenza – tensione (P-V): dipendenza da irradianza e temperatura. Approfondimento su un problema applicativo: connessione di celle in serie/parallelo; mismatch delle caratteristiche I-V e shading effect; hot spots e breakdown; diodi di bypass e di blocco. Realizzazione del modulo fotovoltaico e prove di tipo per ottenere l’invecchiamento accelerato. Aspetti atipici dei generatori fotovoltaici. Conversione da corrente continua in corrente alternata con l’elettronica di potenza (inverter); inseguitori della potenza massima (MPPT). Caratterizzazione dell’energia solare: radiazione diretta, diffusa riflessa e globale. Valutazione della produzione energetica FV: calcolo convenzionale dell’energia FV con valutazione delle fonti di perdita nella producibilità. Procedura innovativa per la valutazione energetica; sistema automatico di acquisizione dati; circuiti di misura ad hoc; risultati sperimentali su alcuni impianti FV funzionanti; analisi economica col metodo del Valore Attuale Netto (VAN). Progettazione di un impianto connesso a rete: accoppiamento ottimale tra moduli FV e inverter; protezione contro sovracorrenti e contatti diretti/indiretti. Schemi di impianto e costi della potenza installata e dell’energia prodotta. PROGRAMMA RIGUARDANTE I SISTEMI EOLICI (circa 20 ore) Caratterizzazione del vento: velocità e direzione; densità di potenza; rugosità della superficie; distribuzioni statistiche. Struttura di una turbina eolica: pale, mozzo, moltiplicatore di giri, generatore elettrico e torre. Principio di funzionamento di una turbina eolica: portanza e resistenza in una pala; regolazioni del passo e di imbardata; variazioni del passo verso la messa in stallo/bandiera. Circuiti equivalenti delle macchine a induzione e sincrona; curva di potenza in funzione della velocità del vento. Una soluzione per le turbine a velocità variabile: il generatore a induzione a doppia alimentazione (DFIG) dotato di apparecchio elettronico di potenza. Centrali eoliche: interferenza tra le turbine. Impatto ambientale delle turbine: rumore acustico. Taglie di potenza, diffusione delle installazioni eoliche nel mondo. Vantaggi e svantaggi.

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PHOTOVOLTAIC POWER SYSTEMS (about 40 h) Advantages and drawbacks of Photovoltaics. Manufacturing process of solar cells. Structure of the semiconductors: energy bands; doping; p-n junction and electric field; electron – hole pairs; losses in the energy conversion. Spectral response and efficiency of the main technologies: single, multi-crystalline and amorphous silicon, Cadmium Telluride, Copper-Indium- Diselenide. Surface covering per installed kilowatt. Equivalent circuit of the solar cell; current-voltage characteristic( I-V curve) at variable irradiance and temperature. Focus on an application problem: series/parallel connection of cells; I-V curve mismatch and shading effect; hot spots and breakdown; bypass and blocking diodes. Structure of a PV module; qualification tests to simulate accelerated ageing. Datasheets of the commercial PV modules, thermal coefficients of the electrical quantities. DC-AC converters for the grid connection: Maximum Power Point Tracking (MPPT); active/reactive power control; interface protections; protections against over-current and direct/indirect contacts. Optimal coupling PV array/inverter: checking of power/voltage/current. Conventional calculation of energy production: assessment of solar radiation, loss sources in the productivity, economic analysis by the Net Present Value (NPV) method. Automatic Data Acquisition System, experimental results on operating PV plants, typical testing procedure. Plant schemes; cost of installation and energy production. WIND POWER SYSTEMS (about 20 h) Characterization of the wind: speed and direction; power density; surface roughness; statistic distributions. Structure of a wind turbine: blades, hub, gearbox, electric generator, tower. Operating Principle of a wind turbine: lift and drag in a blade; pitch and yaw regulations; adjustment toward stall/feather. Equivalent circuits of induction and synchronous machines and power curve vs. wind speed. A solution for variable speed wind turbines: the doubly-fed induction generator. Wind farms: interference among wind turbines, wind park effect. Environmental impact of wind turbines: noise. Power size, diffusion of wind installations in the world. Schemes, cost of installation and energy production. Advantages and drawbacks.

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Esercitazioni in aula per un totale di circa 15 h, con riepilogo iniziale sulla soluzione dei circuiti elettrici con metodi semplificati. Nel seguito le esercitazioni sono brevemente descritte. 1) Trasferimento dei parametri elettrici di moduli fotovoltaici dalle condizioni nominali STC (in laboratorio) a condizioni medie reali NOCT, dai siti web dei costruttori, con semplici formule. 2) Correnti inverse in stringhe di moduli connesse in parallelo. 3) Scelta di moduli e inverter per l’accoppiamento ottimale di array ed inverter. 4) Uso di software per la valutazione della radiazione solare per diverse esposizioni della superficie ricevente; calcolo della producibilità energetica di un impianto fotovoltaico connesso a rete. 5) Calcolo di grandezze meccaniche per turbine eoliche: potenza, coppia, velocità delle pale, velocità e numero di poli del generatore ad induzione. 6) Uso del circuito equivalente semplificato della macchina ad induzione: applicazione al DFIG per effettuare il bilancio energetico. 7) Calcolo della producibilità di una turbina eolica, dell’effetto scia e del rumore acustico. Laboratori videoregistrati per un totale di circa 5 h: 1) Misura delle curve corrente-tensione di moduli fotovoltaici. 2) Misura di rendimento e qualità della potenza su impianti fotovoltaici connessi a rete monofase e trifase.

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Classroom exercises for a total of about 15 h. Summary of electric circuits. Calculation of the electrical parameters of the PV modules in conditions different from STC by datasheet of the manufacturers. Calculation of reverse currents in PV strings connected in parallel. Optimum coupling between PV array and inverter. Calculation of the energy production in a PV system. Calculation of mechanical quantities in a wind turbine. Use of simplified equivalent circuit of induction machine: application to the Doubly Fed Induction Generator (DFIG). Calculation of energy production for a wind turbine. Laboratories from videos for a total of about 5 h: Measurement of the I-V curve of a PV module. Measurement of efficiency and power quality for an inverter in grid connection.

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Dispense del docente e file inseriti sul Portale della Didattica del Politecnico di Torino.

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Teaching documents on the POLITO portal of the teacher. For deepening the book “M. Patel, Wind and Solar Power Systems, 2006, CRC Press, USA”.

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula);

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Esame scritto, della durata di 2h, con domande aperte sugli aspetti teorici per un totale di circa 20 punti (brevi esposizioni, disegni e formule) ed esercizi numerici sulle esercitazioni e laboratori per un totale di circa 10 punti. Durante l’esame scritto, è possibile usare la calcolatrice ma non è permesso l’uso di materiale didattico; possibilità di orale per chi ha conseguito un voto superiore a 24/30.

Generazione fotovoltaica ed eolica di energia elettrica

Exam: Written test;

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Written exam, 2h-duration, with theoretical questions for a total of 20 points (short discussions, drawings and formulas) and numerical exercises for a total of 10 points. During the written exam, it is possible to use electronic calculator, but using other material is not allowed. Oral exam is possible only above 24/30.

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