Obiettivi formativi
1.CONOSCENZA E COMPRENSIONE.
I principali obiettivi del corso sono:
I)
• fornire allo studente la conoscenza delle principali tecnologie per la conversione da fonti rinnovabili e le problematiche di accumulo dell’energia elettrica, nonché le prestazioni limite delle varie tecnologie;
• far conoscere allo studente alcune applicazioni a livello di sistema, per
generare, trasmettere ed immagazzinare energia nelle reti elettriche intelligenti (Smart Grids), con particolare attenzione alla modalità di produzione ed accumulo dell’energia, ed alla comprensione delle principali problematiche ad esse legate .
• fornire le conoscenze di base per il dimensionamento e il progetto dei sistemi di conversione fotovoltaica con e senza batterie di accumulo.
II)
lo studio dei processi realizzativi dei dispositivi elettronici e optoelettronici, evidenzia come le scelte tecnologiche condizionino le prestazioni finali dei dispositivi, con particolare attenzione:
• allo studio e confronto tra le principali tecnologie per la realizzazione di celle solari;
• ai concetti di miniaturizzazione ed integrazione ed ai problemi di funzionamento ad essi legati;
• ai principi base di funzionamento di dispositivi alternativi al tradizionale CMOS realizzato con processo planare, es. FINFET, Strained Silicon, ecc.;
• all’analisi dei limiti delle soluzioni tecnologiche e al loro impatto sulle prestazioni finali dei dispositivi elettronici.
2.CAPACITA’ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE .
La formazione si estende anche alla conoscenza e all’utilizzo pratico di strumenti CAD per la progettazione elettronica sia a livello di dispositivo che di sistema. In particolare lo studente sarà in grado di applicare le conoscenze e comprensione acquisite:
I) a livello di sistema per:
• definire criteri progettuali per la realizzazione e il dimensionamento di sistemi di conversione fotovoltaica/accumulo sulla base delle prestazioni richieste e dei vincoli ambientali
II) a livello di dispositivo per:
• analizzare il funzionamento termico e/o elettrico e/o ottico di un dispositivo elettronico;
• analizzare l’impatto dei diversi fattori, quali geometria, drogaggi, scelta dei materiali ecc., sulla prestazioni del dispositivo.
3.UTILIZZO DI COMPETENZE TRASVERSALI.
L’attività di laboratorio, spesso svolta in gruppi, stimola le competenze trasversali dello studente, ovvero la capacità di lavorare in gruppo, di comunicare in modo efficace con i colleghi e il docente, di organizzare il proprio lavoro, di gestire in modo ottimale il tempo.
Prerequisiti
Nozioni basi di elettronica.
Contenuti dell'insegnamento
I) Introduzione alle tecnologie per la generazione distribuita di energia da fonti rinnovabili (sole, vento, maree), con particolare attenzione alla produzione d’energia tramite moduli fotovoltaici.
Processo di conversione dell’energia solare - Conversione fotovoltaica e limiti teorici alla conversione, definizioni fondamentali, materiali fotovoltaici.
Moduli fotovoltaici - Si analizzano alcune delle più importanti celle fotovoltaiche: celle solari in Silicio, a film sottile, multigiunzione, dye sensitized (cenni) e organiche (cenni).
Impianto fotovoltaico – I componenti fondamentali di un sistema fotovoltaico: moduli, inverter (per applicazioni off-grid and on-grid), sistemi di accumulo, controllori di carica.
Concentratori fotovoltaici: principio di funzionamento.
Sistemi di accumulo dell’energia elettrica.
Dimensionamento di un impianto fotovoltaico.
Smart grid e Microgrid.
II) Processo planare su silicio: si analizzano i vari passi del processo planare su silicio evidenziandone i limiti e le possibilità di miglioramento, applicando poi tali concetti al processo CMOS. I concetti di miniaturizzazione, integrazione e time to market vengono analizzati a partire dalle IRDS (International Roadmap for Devices and Systems), con particolare attenzione ai dispositivi MOSFET e alle linee d’interconnessione e alle nuove strutture.
III) Si prevede l’utilizzo di strumenti CAD (esperienze di laboratorio) per:
a. l’analisi di celle solari e dispositivi elettronici per applicazioni di potenza (software: Synopsys-tcad), e
b. il progetto e dimensionamento di sistemi fotovoltaici e di accumulo dell’energia elettrica (software: Matlab, Simulink, Simscape)
Programma esteso
I) Introduzione alle tecnologie per la generazione distribuita di energia da fonti rinnovabili: generazione da luce solare, vento e maree.
Processo di conversione dell’energia solare - Conversione fotovoltaica e limiti teorici alla conversione, definizioni fondamentali, materiali per applicazioni fotovoltaiche. (10 ore)
Moduli fotovoltaici - Si analizzano alcune delle più importanti celle fotovoltaiche dal punto di vista ottico ed elettrico: celle solari in Silicio, a film sottile (CIGS, CdTe), multigiunzione, dye-sensitized (cenni) e organiche (cenni). (12 ore)
Problematiche inerenti la connessione in serie o in parallelo dei moduli PV. (4 ore)
Impianto fotovoltaico – I componenti fondamentali di un sistema fotovoltaico: moduli, inverter (per applicazioni off-grid and on-grid), sistemi di accumulo, controllori di carica. (4 ore)
Sistemi di accumulo dell’energia elettrica – accumulo di tipo chimico (idrogeno), elettrochimico (batterie), elettrico (supercapacitori) e meccanico (volani, aria compressa o bacini idroelettrici) e ambiti applicativi.
Sistemi a batteria per impianti fotovoltaici stand-alone. (4 ore)
Dimensionamento di un impianto fotovoltaico con e senza batterie di accumulo. Analisi del sito, orientazione e tilt, ombreggiatura, considerazioni per il montaggio su tetto o a terra.
Concentratori fotovoltaici: principio di funzionamento, e caratteristiche principali. (4 ore)
Smart grid e microgrids: definizione e caratteristiche principali.
Schema di controllo gerarchico nelle microgrid: controllo primario, secondario, terziario.
Tipologie di inverter nelle microgrid: Grid Forming, Grid Following and Grid Supporting. Sistemi di generazione Eolica (10 ore)
II) Processo planare su silicio: passi fondamentali.
Processi CMOS e SOI
Miniaturizzazione, integrazione e time to market: Scaling ideale e reale;
Effetti di canale corto: soluzioni tecnologiche e architetturali. (2 ore)
III) Esperienze di laboratorio per:
a) l’analisi di celle solari e dispositivi elettronici per applicazioni di potenza mediante Sentaurus-TCAD , (10 ore) e
b) il progetto e dimensionamento di sistemi fotovoltaici e di accumulo dell’energia elettrica mediante MATLAB / Simulink.(12 ore)
Durante le lezioni verranno inoltre svolte esercitazioni e presentati “Case Studies” sugli argomenti presentati nella parte teorica.
Bibliografia
Argomenti trattati nella parte I (si veda la sezione "Contenuti"):
1)A.Luque and S. Hegedus, "Handbook of photovoltaic science and
engineering" , 2.ed , Wiley, 2011.
2) A. Keyhani, "Design of Smart Power Grid Renewable Energy Systems",
Wiley, 2011.
3) J. Momoh, “Smart Grid: fundamentals of design and analysis”, Wiley, 2012.
Argomenti trattati nelle parte II (si veda la sezione "Contenuti"):
4) S.M.Sze, "VLSI technology", McGraw-Hill Book Co., 1983
I libri 1) 2) 3) 4) si trovano nella Bilioteca di Ingegneria e Architettura.
Metodi didattici
Il corso è organizzato in lezioni orali nelle quali saranno spiegati gli argomenti indicati nel programma. Sono previste esercitazioni sui concetti presentati nella parte teorica, svolte alla lavagna dal docente.
E’ prevista attività di laboratorio che consisterà nell'utilizzo di strumenti CAD per la studio e ottimizzazione delle celle solari e dei dispositivi elettronici per applicazioni di potenza, nonché per il progetto e dimensionamento di sistemi di conversione fotovoltaica. La frequenza alle ore di attività di laboratorio è obbligatoria.
Modalità verifica apprendimento
La prova d’esame è orale e verterà sulla verifica delle conoscenza e comprensione da parte dello studente degli argomenti spiegati nel corso.
Di norma l'esame consiste in due domande sugli argomenti trattati durante le lezioni e sul progetto di laboratorio descritto da una breve relazione. Non sono previste prove in itinere.
Altre informazioni
Materiale didattico di supporto alle lezioni preparato dal docente sotto forma di slides sarà scaricabile dagli studenti iscritti al corso da http://elly.dii.unipr.it/.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
Obiettivo 7: Garantire a tutti l'accesso a un'energia economica, affidabile, sostenibile e moderna.
