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.

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.

Nozioni base di Elettrotecnica e di Meccanica applicata.

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.

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.

Dispense del docente sulla tecnologia fotovoltaica ed eolica e raccolta di diapositive inserite sul Portale della Didattica del Politecnico di Torino.

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa;

Exam: Written test; Optional oral exam;

... 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.

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.