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.

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.

Nozioni base di Elettrotecnica e di Meccanica applicata.

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.

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.

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

Modalità di esame: Prova scritta (in aula);

Exam: Written test;

... 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.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.