Secondo l'International Energy Agency (IEA, 2023), nel 2024, l'eolico e il solare fotovoltaico insieme genereranno più elettricità dell'energia idroelettrica. Nel 2025, le energie rinnovabili supereranno il carbone, diventando la più grande fonte di generazione di elettricità. Inoltre, l'eolico e il solare fotovoltaico supereranno ciascuno la produzione di elettricità nucleare rispettivamente nel 2025 e nel 2026. Entro il 2028, le fonti di energia rinnovabile rappresenteranno oltre il 42% della produzione globale di elettricità, con la quota di energia eolica e solare fotovoltaica che raddoppierà al 25%. In questo contesto, L’insegnamento "Generazione fotovoltaica ed eolica di energia elettrica" 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 - la conoscenza base del funzionamento di sistemi di accumulo elettrochimico. 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; - valutare tensioni inverse e correnti inverse su porzioni dei generatori fotovoltaici in caso di mismatch dei parametri elettrici; - progettare impianti fotovoltaici connessi a rete, determinando l'architettura dei generatori in relazione alle caratteristiche tecniche degli inverter; - determinare le grandezze meccaniche ed elettriche di prestazione per i componenti delle turbine eoliche; - 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). Conoscenza delle principali tipologie di sistemi di accumulo elettrochimico a servizio di impianti fotovoltaici: parametri di funzionamento, caratteristiche principali e modelli di calcolo dello stato di carica. 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.

Tutte le videolezioni, registrate il secondo semestre dell'anno accademico 2023-24, sono disponibili sul portale MOODLE del corso, insieme a tutto il materiale presentato, come le slide modificate dal docente, i fogli di calcolo in Excel e/o MATLAB e i datasheet delle apparecchiature. Le videolezioni, suddivise in cartelle per argomento, includono quindi il video con una descrizione dell'argomento trattato, le slide, i documenti presentati e quiz a risposta multipla per l'autovalutazione.

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 digitali. 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 digitali. 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. Tutte le videolezioni, registrate il secondo semestre dell'anno accademico 2023-24, sono disponibili sul portale MOODLE del corso.

Slides; Dispense; Esercizi; Video lezioni tratte da anni precedenti; Strumenti di auto-valutazione;

E' possibile sostenere l’esame in anticipo rispetto all’acquisizione della frequenza

Modalità di esame: Prova scritta (in aula);

Exam: Written test;

... L'esame scritto, della durata di 1 h, 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 e delle capacità descritte nella sezione "Risultati di apprendimento attesi". Le domande aperte vertono sugli aspetti teorici (brevi esposizioni, disegni e formule), mentre l'esercizio numerico riguarda le esercitazioni e i 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 dove è stampato il testo d'esame e in uno spazio delimitato per valutare la sua capacità di sintesi. La prova scritta è superata se lo studente consegue un punteggio di almeno 18 su 30, ottenuto dalla somma dei punteggi delle domande teoriche e dell'esercizio numerico, senza limiti minimi su alcuna domanda.

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.