Servizi per la didattica
PORTALE DELLA DIDATTICA

Photovoltaic and wind systems for electricity production

01OELMK, 01OELJM, 01OELLI, 01OELLM, 01OELLN, 01OELLP, 01OELLS, 01OELLX, 01OELLZ, 01OELMA, 01OELMB, 01OELMC, 01OELMH, 01OELMN, 01OELMO, 01OELNX, 01OELOA, 01OELOD, 01OELPC, 01OELPI, 01OELPL

A.A. 2021/22

Course Language

Italian

Course degree

1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Energy Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Mechanical Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Automotive Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Computer Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Automotive Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Electronic And Communications Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Material Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Electrical Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Aerospace Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Biomedical Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Chemical And Food Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Civil Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Building Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Mechanical Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Environmental And Land Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Electronic Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Computer Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Physical Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Cinema And Media Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Engineering And Management - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Engineering And Management - Torino

Course structure
Teaching Hours
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Teaching assistant
Espandi

Context
SSD CFU Activities Area context
ING-IND/33 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
2020/21
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.
The course is devoted to provide the knowledge of both the photovoltaic and wind power systems, in which general aspects of power electronics are included, starting from their structure and operating principle. Furthermore, the course provides: - the knowledge of the methods to correctly design the systems by their main components; - the skills and abilities to evaluate the energy production, with the economic aspects, and to experimentally test the performance of PV generators and inverters. These previous items are the main objectives of the course.
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.
After passing the exam, the students will acquire the knowledge of the main technologies about the photovoltaic generators (from the semiconductor properties for solar cells to the inverter' tasks) and wind turbines (from aerodynamics to electrical aspects): for both some specific aspects of power electronics are included. The students will acquire the following skills and abilities: - to calculate the energy productivity of photovoltaic generators and wind turbines; - to correctly design the power systems by their main components; - to experimentally test the actual performance of the PV generators and inverters.
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; 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.
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 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.
The structure of the course includes: about 39 h of theoretical aspects and 21 h of practical aspects. Classroom exercises require a total of about 12 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 voltage across the terminals of a shade cell in a string and reverse current in a shaded string supplied by irradiated 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 and guided tour to one of the PV plants operating inside the Politecnico di Torino for a total of about 9 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.
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.
Teaching documents (handouts and tutorials) 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 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.
Exam: Paper-based written test with video surveillance of the teaching staff;
The teacher will upload on the portal, after the checking of the students’ presence, the text of two theoretical questions (each one with 10 points) and one exercise (10 points), like the sample written tests on the portal. The exam consists of two theoretical questions regarding the knowledge of multiple topics (each one with 10 points) and one exercise (10 points) regarding the skills and abilities of the "Expected Learning Outcomes", like the sample written tests on the portal. The exam is passed if the students reach 18 points as a summation of the scores in the two theoretical questions and in the exercise without any constraint regarding a minimum score in each of the three parts accounting for 10 points. The duration of the test will be 1 hour and the teacher will check the appropriate behavior of the students by webcam. Remember to write his/her name and surname on the front side of the A4 sheet. During the Virtual Classroom with webcam and microphone for every student, the student has three options: EITHER 1st option, a printer to print the text on one A4 sheet (front and rear or two pages only front side), color pens in her/her hands and pocket calculator to solve the test by writing the answers (and a scanner or photo-camera to send back the one A4 sheet as FILE.PDF) OR 2nd option, pocket calculator and a software able to produce a FILE.PDF (from iPad or equivalent) of one A4 sheet, in which there are the text of the written test and the solution written by electronic (multi-color) pen in his/her hands. The exam lasts 1 h and stops with the recovery by email of this FILE.PDF. NO oral test is possible to improve the grade, but it is possible to reject the grade and retake the exam in the next call. The third option (on a date to be defined when the total number of this group is known) is a mix of written test and oral test, that lasts about 1 h,. This form is used to overcome the lack of printer or software. The text of the written test is solved partly in oral form to explain concepts, partly writing on a white sheet the equations, drawing curves on diagrams or schemes, block diagrams with color pens.
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.
Exam: Written test; Paper-based written test with video surveillance of the teaching staff;
The exam consists of two theoretical questions regarding the knowledge of multiple topics (each one with 10 points) and one exercise (10 points) regarding the skills and abilities of the "Expected Learning Outcomes", like the sample written tests on the portal. The exam is passed if the students reach 18 points as a summation of the scores in the two theoretical questions and in the exercise without any constraint regarding a minimum score in each of the three parts accounting for 10 points. Written exam has 1 h duration, with two theoretical questions for checking the knowledge (short discussions, drawings and formulas) and one numerical exercise for checking the skills and abilities obtained during the classroom exercises. During the written exam it is possible to use a pocket electronic calculator, but it is not permitted to use handouts or notes regarding the program of the course. The space at disposal for the answers, on the single sheet of the written exam (front and back sides), is limited to test the ability of the student to summarize the concepts. The students can accept the grades or reject them and take the exam again in the next call.


© Politecnico di Torino
Corso Duca degli Abruzzi, 24 - 10129 Torino, ITALY
Contatti