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PORTALE DELLA DIDATTICA

Generazione fotovoltaica ed eolica di energia elettrica

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A.A. 2020/21

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

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Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica - Mondovi'
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica - Torino
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Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Docenti
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Collaboratori
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Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/33 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
2019/20
L’insegnamento tratta le problematiche connesse alla produzione di energia elettrica con tecnologia solare fotovoltaica ed eolica attraverso l’impiego di impianti elettrici connessi a rete. Vengono trattati aspetti legati alla caratterizzazione della sorgente di energia, alla conversione in energia elettrica e alle relative applicazioni con valutazioni economiche.
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 and to evaluate the energy production, with the economic aspects, are the goals of the course.
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 solare con tecnologia fotovoltaica ed eolica. Capacità di progettare semplici impianti fotovoltaici.
At the end of the course the students will know the main technologies about the photovoltaic generators and wind turbines: for both some specific aspects of power electronics are included. The students will be able to calculate the energy productivity of photovoltaic plants and wind turbines and to correctly design the main components of these power systems.
Nozioni base di Elettrotecnica e di Meccanica applicata.
Basic knowledge about electric circuit theory and applied mechanics.
PROGRAMMA RIGUARDANTE I SISTEMI FOTOVOLTAICI (circa 40 ore) Stato dell'arte del settore fotovoltaico (FV): vantaggi, svantaggi e costi della potenza installata. Aspetti tecnologici: fabbricazione delle celle solari in silicio a partire dal quarzo; potenze e dati tecnici standard di moduli FV commerciali; configurazioni, funzionalità e prestazioni dei convertitori elettronici da corrente continua a corrente alternata (DC-AC), inverter. 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 un invecchiamento accelerato. Termografia ed elettroluminescenza. Aspetti atipici dei generatori FV: uso o meno di diodi contro correnti inverse in stringhe oscurate, gestione progettuale dell'ombratura in modo concentrato in una stringa o equamente distribuito sulle stringhe. Uso dei transistor per la conversione da DC a AC con gli inverter: circuiti e parametri di controllo; schemi e algoritmi per gli 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 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. Inseguimento della massima potenza con velocità variabile delle pale in funzione della velocità del vento. Circuiti equivalenti delle macchine sincrona e asincrona. Una soluzione per le turbine a velocità variabile: il generatore a induzione a doppia alimentazione (DFIG) dotato di apparecchio elettronico di potenza. Curva di potenza in funzione della velocità del vento: regolazione meccanica del passo ed elettronica del convertitore bidirezionale. Centrali eoliche: interferenza tra le turbine, effetto parco. Impatto ambientale delle turbine: rumore acustico. Taglie di potenza, diffusione delle installazioni eoliche nel mondo. Vantaggi e svantaggi.
PHOTOVOLTAIC POWER SYSTEMS (about 40 h) State of the art in Photovoltaic (PV) sector: advantages, drawbacks and cost of installation. Manufacturing process of silicon 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, thermography and electroluminescence imaging. Unconventional aspects of PV generators: the option to use the blocking diodes in case of reverse current in a shaded string, the designer choice in case of shadowing between concentrated one and equally distributed one. The usage of transistors in DC-AC converters for grid connection; Maximum Power Point Tracking (MPPT); active/reactive power control. Optimal coupling PV array/inverter: checking of power/voltage/current constraints. Grid interface protections; protections against over-current and direct/indirect contacts. Conventional calculation of energy production: evaluation of solar radiation, loss sources in the productivity. An innovative procedure to assess the energy production: automatic data acquisition system, experimental tests and results on operating PV plants, economic analysis by the Net Present Value (NPV) method. Cost of 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 towards stall/feather. Equivalent circuits of induction and synchronous machines. A solution for variable speed wind turbines: the doubly-fed induction generator. The power curve vs. wind speed as a function of pitch regulation and electronic regulation of bidirectional converter. 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.
L'organizzazione dell'insegnamento prevede circa 40 h di parte teorica e 20 h di parte applicativa. Nell'ambito della parte applicativa, le esercitazioni in aula coprono un totale di circa 14 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 (FV) dalle condizioni ambiente nominali STC a condizioni reali, dai siti web dei costruttori, con semplici formule. 2) Correnti inverse in una stringa ombrata alimentata da stringhe, connesse in parallelo, di moduli FV illuminati. 3) Scelta di moduli FV e inverter per un loro accoppiamento ottimale nella generazione elettrica. 4) Calcolo della producibilità energetica di un impianto fotovoltaico connesso a rete. 5) Uso di software per la valutazione della radiazione solare per diverse esposizioni della superficie ricevente. 6) Calcolo di grandezze meccaniche per turbine eoliche: potenza, velocità delle pale, velocità e numero di poli del generatore elettrico, coppia. 7) Uso del circuito equivalente semplificato della macchina ad induzione: applicazione al DFIG per effettuare il bilancio energetico. 8) Calcolo della producibilità di una turbina eolica, dell’effetto scia e del rumore acustico. Laboratori per un totale di circa 6 h: 1) Misura della curva corrente-tensione (I-V) di un diodo. 2) Misura delle curve I-V di moduli FV. 3) Misura delle caratteristiche elettriche di uscita per un transistor funzionante da interruttore. 4) Misura di rendimento e qualità della potenza su inverter monofase e trifase. Visita guidata a uno degli impianti FV funzionanti nella sede del Politecnico di Torino.
The structure of the course includes: about 40 h of theoretical aspects and 20 h of practical aspects. Classroom exercises require a total of about 14 h with a summary of electric circuits. 1) Calculation of the electrical parameters of the PV modules in conditions different from rated STC by datasheet of the manufacturers. 2) Calculation of reverse currents in PV strings connected in parallel. 3) Optimum coupling between PV array and inverter. 4) Calculation of the energy production in a PV system. 5) Usage of PVGIS software for solar radiation and PV energy estimation. 6) Calculation of mechanical quantities in a wind turbine. 7) Use of simplified equivalent circuit of induction machine: application to the Doubly Fed Induction Generator (DFIG). 8) Calculation of energy production for a wind turbine. Laboratories for a total of about 6 h: 1) Measurement of the I-V curve of a diode. 2) Measurement of the I-V curve of a PV module. 3) Measurement of the output characteristics for a transistor operating as a switch. 4) Measurement of efficiency and power quality for single-phase inverter. Guided tour to one of the PV plants operating inside the Politecnico di Torino headquarter.
Dispense del docente sulla tecnologia fotovoltaica ed eolica e raccolta di diapositive inserite sul Portale della Didattica del Politecnico di Torino.
Teaching documents on the POLITO portal of the teacher. For deepening the book “M. Patel, Wind and Solar Power Systems, 2006, CRC Press, USA”.
Modalità di esame: prova scritta; prova orale facoltativa;
Esame scritto, della durata di 2 h, 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. Le risposte sono scritte dallo studente nello stesso foglio dove è stampato il testo d'esame e in uno spazio delimitato per valutare la sua capacità di sintesi. Possibilità di orale su richiesta dello studente per chi ha conseguito un voto superiore a 24/30. L'orale verte su tutto il programma del corso e non è possibile consultare testi, il voto può essere confermato o aumentato.
Exam: written test; optional oral exam;
Written exam, 2h-duration, with theoretical questions for a total of 20 points (short discussions, drawings and formulas) and numerical exercises about the classroom exercises and laboratories for a total of 10 points. During the written exam, it is possible to use a pocket electronic calculator, but it is not allowed to check handouts or notes. The request of oral exam from students is possible only above 24/30, it is not allowed to check handouts or notes, and the mark could be confirmed or increased.


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