ID:
142163
Tipo Insegnamento:
Opzionale
Durata (ore):
54
CFU:
6
SSD:
FISICA DELLA MATERIA
Url:
PHYSICS/PERCORSO COMUNE Anno: 1
Anno:
2025
Dati Generali
Periodo di attività
Secondo Semestre (23/02/2026 - 05/06/2026)
Syllabus
Obiettivi Formativi
L'obiettivo formativo del corso “Solar Energy Systems” è fornire allo studente le conoscenze sui fenomeni fisica alla base del funzionamento dei dispositivi e dei sistemi per la conversione dell’energia solare. In particolare vengono illustrati i principi di funzionamento delle celle fotovoltaiche analizzando tutti i meccanismi di perdita di questa tipologia di dispositivi: perdite per conversione quantistica, perdite ottiche, perdite elettriche, meccanismi di ricombinazione radiativa e non radiativa e individuazione del punto di massima potenza. Verranno analizzati anche dispositivi fotovoltaici di tipo tandem basati su silicio e semiconduttori composti.
Verranno presentati il software gratuito di simulazione PC1D che permettono di condurre analisi unidimensionali di dispositivi fotovoltaici PN, PIN e eterogiunzioni.
Verranno successivamente studiati sistemi fotovoltaici a concentrazione basati su lenti di Fresnel e specchi, e concentratori solari a luminescenza.
Verranno presentati i principali software di RayTracing sequenziale e non sequenziale al fine di simulare effetti dovuti alla concentrazione solare, all'effetto di auto-ombreggiamento dei pannelli solari ad inseguimento e alla propagazione di luce all'interno di concentratori solari a luminescenza.
La parte finale del corso presenterà una serie di sistemi per la conversione diretta da energia solare ad energia chimica (solar to fuel) come i sistemi fotocatalitici e basati su microrganismi fotosensibili.
Il corso terminerà con una visita didattica presso l’impianto solare a concentrazione di Ottana.
Le principali conoscenze acquisite saranno:
- Fenomeni fisici alla base del funzionamento dei dispositivi fotovoltaici.
- Limiti operativi ed efficienza massima delle varie tipologie di cella fotovoltaica.
- Meccanismi di perdita nei dispositivi fotovoltaici.
- Caratteristiche costruttive dei sistemi solari a concentrazione basati su lenti di Fresnel, specchi e su concentratori solari a luminescenza .
Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno:
- Capacità di analizzare le caratteristiche elettriche ed ottiche di un dispositivo fotovoltaico e di ricavarne i parametri fondamentali di efficienza, Voc, Isc e Fill Factor.
- Capacità di simulare le caratteristiche JV, la densità di carica e il campo elettrico all’interno di un dispositivo fotovoltaico unidimensionale.
- Capacità di analizzare i componenti di un sistema solare a concentrazione ed individuare i principali meccanismi di perdita di efficienza.
Verranno presentati il software gratuito di simulazione PC1D che permettono di condurre analisi unidimensionali di dispositivi fotovoltaici PN, PIN e eterogiunzioni.
Verranno successivamente studiati sistemi fotovoltaici a concentrazione basati su lenti di Fresnel e specchi, e concentratori solari a luminescenza.
Verranno presentati i principali software di RayTracing sequenziale e non sequenziale al fine di simulare effetti dovuti alla concentrazione solare, all'effetto di auto-ombreggiamento dei pannelli solari ad inseguimento e alla propagazione di luce all'interno di concentratori solari a luminescenza.
La parte finale del corso presenterà una serie di sistemi per la conversione diretta da energia solare ad energia chimica (solar to fuel) come i sistemi fotocatalitici e basati su microrganismi fotosensibili.
Il corso terminerà con una visita didattica presso l’impianto solare a concentrazione di Ottana.
Le principali conoscenze acquisite saranno:
- Fenomeni fisici alla base del funzionamento dei dispositivi fotovoltaici.
- Limiti operativi ed efficienza massima delle varie tipologie di cella fotovoltaica.
- Meccanismi di perdita nei dispositivi fotovoltaici.
- Caratteristiche costruttive dei sistemi solari a concentrazione basati su lenti di Fresnel, specchi e su concentratori solari a luminescenza .
Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno:
- Capacità di analizzare le caratteristiche elettriche ed ottiche di un dispositivo fotovoltaico e di ricavarne i parametri fondamentali di efficienza, Voc, Isc e Fill Factor.
- Capacità di simulare le caratteristiche JV, la densità di carica e il campo elettrico all’interno di un dispositivo fotovoltaico unidimensionale.
- Capacità di analizzare i componenti di un sistema solare a concentrazione ed individuare i principali meccanismi di perdita di efficienza.
Prerequisiti
Sono richieste le conoscenze base di elettricità e magnetismo, corrente, differenza di potenziale, resistenza elettrica, densità di carica. Costituiscono una base fondamentale il concetto di funzione d’onda di Block, la formazione dell’energy gap e il concetto del livello di Fermi.
Metodi didattici
Lezioni frontali alla lavagna con l’ausilio di videoproiettore. Simulazioni al PC tramite software di libero accesso per gli studenti Unife.
Verifica Apprendimento
Esame orale comprensivo di 4 domande generali (più eventuali domande di chiarimento). Ad ogni domanda generale viene attribuito un punteggio massimo di 8 punti. L'esame si ritiene superato se lo studente totalizza più di 18/30.
Testi
“Physics of Semiconductor Devices”, S. M. Sze and Kwok K. Ng, Wiley-Interscience, ISBN-10: 0471143235, ISBN-13: 978-0471143239
“Solar Cells: Operating Principles, Technology, and System Applications”, Martin A. Green, Prentice Hall, ISBN-10: 0138222703, ISBN-13: 978-0138222703
“Nonimaging Optics”, Roland Winston, Juan C. Minano, Pablo G. Benitez, Academic Press, ISBN-10: 0127597514, ISBN-13: 978-0127597515
PV Education CD-ROM (https://www.pveducation.org/index.php)
Winston, R., and H. Hinterberger. "Principles of Cylindrical Concentrators for Solar Energy." Solar Energy 17 (1975): 255-258.
“The Performance of Concentrated Solar Power (CSP) Systems: Analysis, Measurement and Assessment”, Peter Heller, Woodhead Publishing, ISBN-10: 0081004478, ISBN-13: 978-0081004470
Materiale didattico fornito dal docente
“Solar Cells: Operating Principles, Technology, and System Applications”, Martin A. Green, Prentice Hall, ISBN-10: 0138222703, ISBN-13: 978-0138222703
“Nonimaging Optics”, Roland Winston, Juan C. Minano, Pablo G. Benitez, Academic Press, ISBN-10: 0127597514, ISBN-13: 978-0127597515
PV Education CD-ROM (https://www.pveducation.org/index.php)
Winston, R., and H. Hinterberger. "Principles of Cylindrical Concentrators for Solar Energy." Solar Energy 17 (1975): 255-258.
“The Performance of Concentrated Solar Power (CSP) Systems: Analysis, Measurement and Assessment”, Peter Heller, Woodhead Publishing, ISBN-10: 0081004478, ISBN-13: 978-0081004470
Materiale didattico fornito dal docente
Contenuti
- La sorgente solare: caratteristiche della radiazione solare, spettro di frequenza e distribuzione angolare in funzione della lunghezza d’onda (spectral sunshape), movimento apparente del sole, metodi e algoritmi per il calcolo della radiazione solare a terra.
- Richiamo di fisica dei semiconduttori: concetto di banda energetica proibita, meccanismi di generazione e ricombinazione dei portatori di carica.
- Celle fotovoltaiche: l’effetto fotoelettrico, interazione radiazione con la materia (caso di un conduttore, di un semiconduttore e di un isolante)
- Perdite ottiche nei dispositivi fotovoltaici e metodi per la minimizzazione della riflettività (antiriflesso e filtri passa-banda)
- Perdite elettriche (resistenze serie e di shunt) e analisi delle principali cause.
- Ricerca del punto di massima potenza di un dispositivo fotovoltaico e variazione del punto di lavoro con l’irraggiamento.
- Celle fotovoltaiche multigiunzione (tandem cells)
- Simulazione unidimensionale di dispositivi fotovoltaici tramite il software PC1D
- Concentratori solari: limiti di concentrazione, concetto di accettanza angolare e massimizzazione dell’efficienza di collezione
- Concentratori solari a luminescenza: meccanismi di downshift e up-shift, tipologia di cromofori utilizzati per i concentratori a luminescenza, meccanismi di perdita, integrazione architettonica di dispositivi LSC.
- Conversione diretta di energia solare in energia chimica: sistemi fotocatalitici basati su ossidi semiconduttori, limiti di efficienza e tipologia di reazioni che si possono generare, solar reforming, utilizzo di microrganismi fotosensibili per la generazione di combustibili.
- Sistemi solari termici a concentrazione (CSP): campi di eliostati, generatori basati su cicli termodinamici, limiti teorici e limiti tecnologici.
- Richiamo di fisica dei semiconduttori: concetto di banda energetica proibita, meccanismi di generazione e ricombinazione dei portatori di carica.
- Celle fotovoltaiche: l’effetto fotoelettrico, interazione radiazione con la materia (caso di un conduttore, di un semiconduttore e di un isolante)
- Perdite ottiche nei dispositivi fotovoltaici e metodi per la minimizzazione della riflettività (antiriflesso e filtri passa-banda)
- Perdite elettriche (resistenze serie e di shunt) e analisi delle principali cause.
- Ricerca del punto di massima potenza di un dispositivo fotovoltaico e variazione del punto di lavoro con l’irraggiamento.
- Celle fotovoltaiche multigiunzione (tandem cells)
- Simulazione unidimensionale di dispositivi fotovoltaici tramite il software PC1D
- Concentratori solari: limiti di concentrazione, concetto di accettanza angolare e massimizzazione dell’efficienza di collezione
- Concentratori solari a luminescenza: meccanismi di downshift e up-shift, tipologia di cromofori utilizzati per i concentratori a luminescenza, meccanismi di perdita, integrazione architettonica di dispositivi LSC.
- Conversione diretta di energia solare in energia chimica: sistemi fotocatalitici basati su ossidi semiconduttori, limiti di efficienza e tipologia di reazioni che si possono generare, solar reforming, utilizzo di microrganismi fotosensibili per la generazione di combustibili.
- Sistemi solari termici a concentrazione (CSP): campi di eliostati, generatori basati su cicli termodinamici, limiti teorici e limiti tecnologici.
Lingua Insegnamento
INGLESE
Corsi
Corsi
PHYSICS
Laurea Magistrale
2 anni
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Persone
Persone (5)
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