L’insegnamento ha l'obiettivo di: - fornire le conoscenze relative alle tecnologie di conversione fotovoltaica ed eolica per la produzione di energia elettrica da fonte solare ed eolica; - fornire le conoscenze sull’impiego di elettronica di potenza per impianti elettrici connessi a rete. Inoltre, l'insegnamento ha l'obiettivo di far conseguire le capacità di: - stimare la potenzialità della sorgente di energia e la relativa produzione di elettricità con valutazioni economiche sui costi di installazione e manutenzione; - verificare sperimentalmente le prestazioni di generatori fotovoltaici ed inverter.

Dopo il superamento dell'esame, gli studenti acquisiranno: - la conoscenza della struttura e del principio di funzionamento dei sistemi fotovoltaici (dalle proprietà dei semiconduttori per le celle solari ai compiti svolti dagli inverter) e dei sistemi eolici (dagli aspetti aerodinamici a quelli elettrici); - la conoscenza dei metodi per la corretta progettazione dei sistemi con i loro componenti principali: per entrambi sono inclusi aspetti specifici dell’elettronica di potenza. Inoltre, gli studenti acquisiranno la capacità di: - stimare, su diverse scale temporali, la producibilità di energia elettrica da fonte solare ed eolica con tecnologia fotovoltaica e turbine eoliche; - progettare impianti fotovoltaici connessi a rete; - verificare sperimentalmente l'efficienza di conversione per generatori fotovoltaici ed inverter con i requisiti di corretta immissione in rete.

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; 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, tensione inversa ai capi di una cella, corrente inversa in una stringa ombrata e shading effect; hot spots e tensione di breakdown; diodi di bypass e di blocco. Realizzazione del modulo fotovoltaico e prove di tipo per ottenere un invecchiamento accelerato; potenze e dati tecnici standard di moduli FV commerciali. Termografia ed elettroluminescenza. Aspetti atipici dei generatori FV: impiego di fusibili a protezione di stringhe in impianti FV di grande potenza; uso o meno di diodi contro correnti inverse in stringhe oscurate, gestione progettuale dell'effetto di ombra in modo concentrato in una stringa o equamente distribuito sulle stringhe. Uso dei transistor per la conversione da DC a AC con gli inverter: modulazione PWM e percorsi della corrente nel ponte ad H monofase; 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; schemi di impianto e costi dell’energia prodotta. PROGRAMMA RIGUARDANTE I SISTEMI EOLICI (circa 20 ore) 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. Caratterizzazione del vento: velocità e direzione; densità di potenza; rugosità della superficie; distribuzioni statistiche. Calcolo della producibilità di una singola turbina eolica. 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 39 h di parte teorica e 21 h di parte applicativa. Nell'ambito della parte applicativa, le esercitazioni in aula coprono un totale di circa 12 h, incluso un 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) Tensione inversa su cella ombrata di una stringa e corrente inversa 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 e visita guidata a uno degli impianti FV nella sede del Politecnico di Torino per un totale di circa 9 h: 1) Misura della curva corrente-tensione (I-V) di celle oscurate con multimetri. 2) Misura delle curve I-V di un modulo FV con oscilloscopio digitale. 3) Misura delle caratteristiche elettriche di uscita per un transistor funzionante da interruttore con multimetri. 4) Misura di rendimento e qualità della potenza su inverter monofase con sistema automatico di acquisizione dati.

Sono caricate sul Portale della Didattica del corso sia la raccolta di slide degli argomenti trattati a lezione dal docente sia le dispense sulle tecnologie fotovoltaica ed eolica.

Modalità di esame: Prova scritta su carta con videosorveglianza dei docenti;

L’appello telematico consisterà in una prova scritta con due domande teoriche (ognuna da 10 punti) e un esercizio (10 punti), simile agli esempi di prove scritte presenti sul portale. Le domande teoriche e l'esercizio sono volti a verificare il conseguimento delle conoscenze (per un totale di 20 punti) e delle capacità (10 punti in totale) descritte nella sezione "Risultati di apprendimento attesi". L'esame sarà superato se gli studenti conseguiranno almeno 18 punti come somma dei punteggi ottenuti in ciascuna delle tre parti, non ci sono vincoli su un punteggio minimo da conseguire in ciascuna delle medesime parti. La durata della prova è di 1 h e si ricorda di scrivere il proprio nome e cognome sul lato anteriore del foglio A4 (foglio scritto sia sul fronte sia sul retro). 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. Grazie allo strumento della Virtual Classroom di Ateneo, con controllo da webcam per ogni studente, il docente caricherà, sulla pagina web del corso (nella cartella Materiale) il testo dell'esame scritto, al momento opportuno. Durante l’esame scritto, è possibile usare la calcolatrice, ma non è permesso l’uso di materiale didattico. Lo studente avrà: prima possibilità, una stampante e penne a colori per risolvere la prova scrivendo le risposte (e uno scanner o una macchina fotografica per rispedire il foglio A4 come file.pdf) OPPURE seconda possibilità, un software in grado di produrre un file.pdf (da iPad o equivalente) di un foglio A4, in cui ci siano il testo della prova e la soluzione scritta con penna elettronica (multicolore) da impugnare come una normale. NESSUNA prova orale è prevista per migliorare il voto, ma è possibile rifiutare il voto e ripetere l'esame nell'appello successivo. La terza possibilità telematica è un miscuglio di prova scritta e prova orale, che dura circa 1 h e si tiene in orario differente rispetto alle due precedenti possibilità. Questa modalità viene usata per ovviare alla mancanza di stampante o di software da parte degli studenti. Il testo della prova scritta viene risolto in parte in forma orale per spiegare i concetti, in parte scrivendo su un foglio bianco le equazioni, disegnando curve su diagrammi oppure schemi a blocchi.

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova scritta su carta con videosorveglianza dei docenti;

L’appello consisterà in una prova scritta con due domande teoriche (ognuna da 10 punti) e un esercizio (10 punti), simile agli esempi di prove scritte presenti sul portale. Le domande teoriche e l'esercizio (10 punti in totale) sono volti a verificare il conseguimento delle conoscenze (per un totale di 20 punti) e delle competenze (10 punti in totale) descritte nella sezione "Risultati di apprendimento attesi". L'esame sarà superato se gli studenti conseguiranno almeno 18 punti come somma dei punteggi ottenuti in ciascuna delle tre parti; non ci sono vincoli su un punteggio minimo da conseguire in ciascuna delle medesime parti. L'esame scritto avrà la durata di 1 h e si compone di: - domande aperte sugli aspetti di conoscenza teorica, che richiedono brevi esposizioni, disegni e formule; - esercizio numerico sulle capacità conseguite nelle esercitazioni e nei laboratori. 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 (fronte e retro) dove è stampato il testo d'esame e in uno spazio delimitato per valutare la sua capacità di sintesi. Lo studente potrà accettare oppure rifiutare il voto e rifare l'esame nell'appello successivo.