Gli impianti fotovoltaici consentono di trasformare, direttamente e istantaneamente, l’energia solare in energia elettrica senza l’uso di alcun combustibile.fotovoltaico-alessandro-volta-quote
Essa sfrutta il cosiddetto “effetto fotoelettrico”, cioè la capacità che hanno alcuni materiali semiconduttori, opportunamente trattati, “drogati”, di generare elettricità se esposti alla radiazione luminosa.
Producono elettricità là dove serve, non richiedono praticamente manutenzione, non danneggiano l’ambiente e offrono il vantaggio di essere costruiti “su misura”, secondo le reali necessità dell’utente.

La disponibilità di energia solare sul territorio italiano

Volendo trattare l’argomento dell’energia fotovoltaica è bene avere qualche conoscenza sul sole che è sempre stato riconosciuto come fonte di ogni vita e, in molte civiltà, oggetto di adorazione.
Il sole risplende su di noi da circa 4,6 miliardi di anni, invia in un’ora tanta energia sulla Terra quanta ne è necessaria all’intero genere umano in un anno. Per avere un’idea basti considerare questo paragone: il sole emana la stessa quantità di energia in un ora per metro quadrato paragonabile a 6.300 litri di combustibile.
impianti-fotovoltaici-disponibilità-energia-solare-in-ItaliaLa quantità di energia solare ricevuta da una superficie orizzontale nell’unità di tempo, tipicamente un giorno, è definita irraggiamento ed è espressa in kWh/m2/giorno.
In Italia la disponibilità di energia solare segue un andamento legato alla latitudine, tutti sappiamo che in generale al Sud “c’è più sole” o in altre parole la frequenza di cielo sereno è superiore nelle regioni meridionali che in quelle settentrionali.
La radiazione solare annua sul piano orizzontale è compresa tra 1.200 ai 1.900 kWh/m2 che corrisponde ad un irraggiamento medio giornaliero compreso tra i 3,6 kWh/m2 della pianura padana, i 4,7 kWh/m2 del centro Sud e i 5,4 kWh/m2 della Sicilia.
Questi dati permettono di valutare preliminarmente la potenzialità di un sito e la produttività di un impianto fotovoltaico.

impianto-fotovoltaico-fvUn impianto fotovoltaico è essenzialmente costituito da un generatore, da un sistema di conversione e controllo della potenza, dalla struttura di sostegno, da un eventuale accumulo di energia e un sistema di monitoraggio per la gestione intelligente dei carichi e da un insieme di dispositivi di protezione, cavi elettrici e quadri tipici degli impianti elettrici.

Il componente fondamentale di un generatore fotovoltaico è la cella, atta a trasformare l’energia solare in energia elettrica. Questa conversione avviene sfruttando l’effetto indotto da un flusso luminoso incidente su di un materiale semiconduttore, quando quest’ultimo incorpora su un lato atomi di drogante positivo e sull’altro atomi di drogante negativo.
Essa è ottenuta tagliando una sottile fetta di spessore di circa 0,3 mm (wafer), da un materiale solidificato nella forma di un lingotto cilindrico del diametro di 13-20 cm; a seconda della tecnologia può essere rotonda o quadrata e può avere una superficie compresa tra i 100 e i 225 cm2.
Il materiale più usato per la costruzione delle celle fotovoltaiche è il silicio, uno degli elementi più abbondanti della crosta terrestre e, oltretutto, largamente utilizzato nell’industria elettronica che, con la rapidissima espansione degli ultimi decenni, ne ha agevolato lo sviluppo degli attuali metodi di raffinazione, lavorazione e drogaggio.

impianti-fotovoltaici-curva-ivp
CORRENTE DI CORTOCIRCUITO (Isc): corrente erogata dalla cella quando viene applicato un carico con resistenza nulla (V=0 e I=Isc)
CORRENTE AL PUNTO DI MASSIMA POTENZA (Im)
TENSIONE A VUOTO (Voc): è la tensione ai morsetti della cella quando a questa viene applicato un carico a resistenza infinita (aperto) (V=Voc e I=0)
TENSIONE AL PUNTO DI’ MASSIMA POTENZA (Vm)
PUNTO DI MASSIMA POTENZA (Pmax): Vm * Im

 

In figura è riportata la caratteristica curva tensione-corrente di una cella fotovoltaica di silicio cristallino e si osserva che:
a) la condizione di lavoro ottimale della cella è rappresentata dal punto della curva in corrispondenza del quale il prodotto I – V, che esprime la potenza elettrica ottenibile a parità di altre condizione, risulta massimo (Im * Vm). Il rapporto tra Im * Vm (massima potenza) e Isc * Voc (prodotto della corrente di corto circuito e della tensione a vuoto) viene detto FILL-FACTOR o Fattore di riempimento della cella. Nelle usuali celle al silicio cristallino si aggira intorno a 0,75-0,80.
b) La corrente di corto circuito Isc risulta di poco superiore alla corrente al punto di massima potenza Im, ne segue l’evidente difficoltà nell’uso di un dispositivo elettromeccanico di interruzione automatica della corrente che, proprio per il limitato valore di Isc , risulterebbe più comodo che utile.

impianti-fotovoltaici-curva_I-V-RLa figura a lato, invece, evidenzia come la tensione a vuoto Voc è presente con valori prossimi a quello massimo anche a bassissimi valori di radiazione solare; questo significa che l’unico modo per evitare la presenza di tensione ai morsetti di un generatore fotovoltaico consiste nell’oscurarne totalmente la superficie captante.
Mentre la corrente di corto circuito Isc , rimane praticamente proporzionale all’intensità della luce.
All’aumimpianti-fotovoltaici-curva-tensione-correnteentare della temperatura, la curva tensione-corrente della cella fotovoltaica si modifica facendo registrare una diminuzione della tensione a vuoto Voc in ragione di circa 2,3 mV/°C e, congiuntamente all’aumento della corrente di corto circuito Isc pari a circa lo 0,2 %/°C. Queste variazioni possono essere prese come riferimento nell’intervallo di temperatura da 0 a 60 °C.

I due fenomeni, benché di segno opposto, si traducono in pratica in una diminuzione della potenza resa al punto di massima potenza valutabile intorno al 6 – 7% per ogni aumento di 10°C della temperatura sulle celle.

Tipologie di celle fotovoltaiche

Celle in silicio cristallino:

Monocristalline: sono ottenute tramite un processo detto di melting da cristalli di silicio di elevata purezza, sono di forma quadrata con gli angoli smussati e il lato di circa 12-15 cm, si contraimpianto-fotovoltaico-cella-monocristallinaddistinguo dal caratteristico colore blu scuro quasi nero omogeneo e dal rendimento elevato tra il 16 e il 21%.

Policristalline: si ricavano attraverso processi di fusione (casting) in cui la distribuzione atomica dei cristalli di silicio non viene rigidamente controllata; il rendimento è leggermente minore rispetto alle precedenti (15- 18%), ma minore è anche il prezzo di produzione industriale.
L’evolimpianto-fotovoltaico-cella-policristallinauzione tecnologica e l’affinamento del processo di produzione consente ormai di realizzare celle aventi prestazioni elettriche del tutto simili a quelle in silicio monocristallino.
Si caratterizzano dalla forma quadrata di dimensione 12-15 cm, cololre blu con superficie disomogenea.

Celle a film sottile:

In silicio amorfo: si ottengono tramite la deposizione catodica di atomi di silicio gassificati o a bagno impianto-fotovoltaico-cella-a-film-sottile-amorfoelettrolitico in particolari condizioni su una grande varietà di superficie d’appoggio. Questa tecnologia, oramai ben sperimentata, permette di essere impiegata nel realizzare forme e geometrie delle più variegate che si adattano meglio alle esigenze dei progettisti.
Questo tipo di cella ha un rendimento minore rispetto alle precedenti (6-10%) e
presenta scarsa stabilità delle prestazioni elettriche, infatti perde quasi il 15% della potenza nei i primi mesi di esposizione alla luce, per poi mantenersi intorno all’80% della potenza nominale per il restante periodo di vita utile del modulo.

Celle CIS e CIGS: i materiali utilizzati per la deposizione dello strato sono il diseleniuro di indio-rame (CIS) e diseleniuro di indio-rame-gallio (CIGS).
Questimpianti-fotovoltaici-cella-CGISe tecnologie sono promettenti dal punto di vista dell’efficienza in laboratorio; il rendimento dei moduli può raggiungere il 13%.
Contrariamente a quanto accade per il silicio amorfo, la stabilità delle prestazione elettriche delle celle in CIS e CIGS è notevole e offrono prestazioni superiori alla media in condizioni di scarsa luce e di basse temperature.

Celle in CdTE (tellururo di cadmio): sono realizzate con un materiale semiconduttore con caratteristiche simili a quelle delle efficienti ma costose celle all’arseniuro di gallio (GaAs) iimpianti-fotovoltaici-cella-CdTEmpiegate nelle applicazioni spaziali. Il processo di realizzazione è detto di “sublimazione in spazio chiuso” e permette di costruire celle con efficienza di circa il 15%. A differenza del cadmio puro, il tellururo di cadmio è un materiale a bassa pericolosità, che può essere maneggiato senza rischi ma che comunque necessita di un corretto smaltimento e recupero.

impianti-fotovoltaici-cella-HITCelle HIT: nascono dalla combinazione sullo stesso supporto di uno strato monocristallino con uno amorfo. I due strati combinati portano ad un’alta resa (>20%), alla stabilità nel tempo e in diverse condizioni d’insolazione. Lo svantaggio è legato all’alto costo di produzione.

Celle organiche: sono in fase di studio e di maturazione tecnologica le celle fotovoltaiche organiche che utilizzano processi elettrochimici simili a quelli di fotosintesi clorofilliana delle foglie degli alberi.
Le sperOrganicheimentazioni si stanno concentrando su un’ampia gamma di materiali, che vanno dai pigmenti a base vegetale, ai polimeri, a materiali ibridi organico/inorganico.
Le efficienze al momento più alte (circa l’11%) sono state raggiunte con le celle dye sensitized (DSSC), realizzate con molecole sintetiche e caratterizzate dalla presenza di nanocristalli in biossido di titanio.
Mentre le celle completamente organiche hanno efficienze ancora poco soddisfacenti, ma in prospettiva risultano molto interessanti per la completa eco-compatibilità dei materiali utilizzati.

Moduli fotovoltaici

Le celle connesse in serie tramite l’uso di sottili bandelle metalliche elettrosaldate alle facce superiori e inferiori delle stesse, costituiscono un modulo fotovoltaico.
struttura-modulo-fotovoltaico
Come si può notare dall’immagine, anteriormente vi è sempre un vetro temperato di circa 4 mm di spessore che assolve le funzioni di proteggere la parte attiva da eventuali colpi e da fenomeni atmosferici come la grandine, di permettere il passaggio della luce grazie all’elevata trasmittanza rispetto ai comuni vetri in commercio, garantendone il rendimento complessivo del modulo.
Tra il vetro e le celle fotovoltaiche viene collocato un sottile strato di vinilacetato di etilene (EVA) trasparente al triplice scopo di evitare il contatto diretto tra celle e vetro, eliminare gli interstizi che altrimenti si formerebbero a causa della non perfettamente liscia superficie delle celle e isolare elettricamente la parte attiva dal resto del laminato.
Sul retro delle celle viene posto un ulteriore foglio di EVA, con funzioni analoghe a quello precedente.
A chiusura del “sandwich” viene applicato posteriormente un foglio di Tedlar (in genere di color bianco), eventualmente rinforzato con fogli metallici e polimerici, o un altro vetro con caratteristiche meccaniche e trasmissive inferiori al precedente per assicurare la resistenza agli agenti atmosferici, ai raggi UV e all’umidità.
Sul bordo del modulo, poi, può essere presente una cornice in alluminio anodizzato, incollata al sandwich con gomma siliconica, al fine di proteggere il bordo del modulo nelle delicate fasi d’installazione e per fissarlo con gli appositi morsetti alla struttura di sostegno.
Le bandelle terminali che raccolgono la serie di celle in un modulo fotovoltaico vengono fatte uscire dal retro, forando il foglio di tedlar, in corrispondenza della cassetta di terminazione.
Nella forma più comune essa si presenta come un contenitore plastico con grado di protezione IP65, incollata al retro del modulo.
Al suo interno trova posto la morsettiera che rende disponibili le due polarità e i diodi di bypass che consentono di proteggere il modulo dal passaggio di correnti inverse generate dall’ombreggiamento di una o più celle fotovoltaiche causando il surriscaldamento della stessa (hot-spot).

Efficienza di modulo fotovoltaico

ηmodPotenza di picco del modulo (Wp) * 100   =   %
   Area del modulo (m2) * 1.000 (W/ m2)

tempo-ritorno-energetico-sistema-fotovoltaico

Convertitori statici (Inverter)

I convertitori statici sono apparecchi elettronici in grado di convertire leconvertitore-statico-impianto-fotovoltaico grandezze elettriche tensione e corrente di un circuito in valore e/o in forma.
Tra le tipologie di convertitori statici di potenza in commercio, quelli in grado di convertire la corrente continua in corrente alternata sono detti Inverter.
Negli impianti collegati alla rete, la tensione continua da convertire in alternata è quella del generatore fotovoltaico, quindi la funzione dell’inverter è di immettere energia nella rete di distribuzione collegata al sistema elettrico nazionale, pertanto a 230 / 400 V – 50 Hz.

Le caratteristiche principali di un inverter sono:

  • l’nseguitore di massima potenza (MPPT), un dispositivo che permette di individuare istante per istante quel particolare punto sulla caratteristica I-V del generatore fotovoltaico per cui risulta massimo il trasferimento di potenza verso il carico posto a valle.
    Come abbiamo visto la curva caratteristica I-V di una cella fotovoltaica e quindi di un generatore fotovoltaico non è costante, ma varia istantaneamente al modificarsi delle condizioni di irraggiamento solare e al variare della temperatura. È evidente che un inverter in grado di restare “agganciato” al punto di massima potenza della curva tensione-corrente, otterrà sempre dal generatore la massima potenza disponibile in qualsiasi condizione;impianto-fotovoltaico-convertitore-Tri1
  • il ponte di conversione, il cuore del convertitore e permette di passare dalla corrente continua a quella alternata facendo uso di dispositivi semiconduttori pilotati con sequenze di impulsi di comando controllati;
  • l’eventuale trasformatore, che adegua il livello di tensione del circuito primario (uscita del ponte di conversione) con il valore richiesto dal carico e permette la separazione galvanica tra generazione fotovoltaica e utenza;
  • la protezione di massima corrente, che provvede a sezionare l’uscita dei circuiti di potenza quando viene superata una determinata soglia di corrente;
  • la protezione di interfaccia con la rete elettrica, disconnette automaticamente l’impianto fotovoltaico dalla rete elettrica quando quest’ultima risente di un malfunzionamento (impianti < 6,00 kWp).

Strutture di sostegno

struttura-impianto-fotovoltaicoLe applicazioni del fotovoltaico sono molteplici e le strutture di sostegno su cui poggiano i moduli sono spesso personalizzate ad ogni singolo progetto.
Qualunque sia la tipologia del sostegno prescelto, questo comunque, deve essere in grado di reggere il proprio peso più il peso dei moduli e di resistere alle due principali sollecitazioni costituite dal carico neve e dall’azione del vento agente sui moduli.
Nell’identificazione della corretta struttura di sostegno del modulo fotovoltaico, particolare importanza deve essere assunta dalla scelta del tipo di materiale con cui sono realizzate.
Generalmente in commercio le strutture si presentano come profili assemblati a sagoma C o L in acciaio zincato a caldo oppure in alluminio, con il vantaggio del contenuto peso specifico del materiale ma dalla prestazioni meccaniche inferiori.
Per quanto riguarda la posa in opera di un impianto esso potrà essere collocato a terra o installato sulle falde dei tetti.
La ricerca di soluzioni innovative finalizzate all’integrazione e l’armonizzazione architettonica dei sistemi fotovoltaici nell’ambiente costruito nasce dalla necessità di rendere gli edifici più efficienti dal punto di vista energetico e di ridurre le emissioni inquinanti nell’atmosfera.
Inoltre la falda del tetto può rappresentare un valido posizionamento per il generatore fotovoltaico, in quanto viene utilizzata una superficie che in genere offre angoli di inclinazione accettabili.

Installazione impianto fotovoltaico Civitanova Marche

Installazione impianto fotovoltaico Civitanova Marche

Con il susseguirsi dei diversi Conti Energia, la normativa ha definito diversi step per garantire l’integrazione architettonica dei moduli fotovoltaici negli edifici; prossima ricordare la parziale e totale integrazione del 2° Conto Energia fino ad arrivare agli impianti integrati con caratteristiche innovative del 5° Conto Energia.
Per quest’ultimo caso, il sistema fotovoltaico diventa parte integrante della struttura dell’edificio andando a sostituire parzialmente o totalmente la copertura; tale soluzione ovviamente deve essere prevista in fase progettuale in modo da ottimizzare i costi e riuscire a conciliare sia gli aspetti impiantistici che estetici del progetto.

Alcuni consigli per scegliere l’impianto fotovoltaico

Se si decide di procedere all’installazione di un impianto fotovoltaico bisogna considerare diversi aspetti, sia di carattere tecnico che progettuale. Innanzitutto bisogna scegliere l’impianto giusto per i propri consumi.
Oggi, con la fine del Conto Energia dove veniva incentivata tutta l’energia prodotta, la scelta più conveniente è dimensionare l’impianto su misura. Infatti, non è più conveniente che l’impianto produca più energia di quella consumata, perché l’eccedenza immessa in rete verrebbe sì retribuita, ma a valori inferiori di quelli pagati per i kWh prodotti fino al raggiungimento dei consumi. Inoltre, queste entrate sarebbero tassate (secondo la propria aliquota fiscale), in quanto le eccedenze generano appunto ricavi soggetti a imposizione fiscale.

Seguendo questo ragionamento, altro fattore che aumenta la convenienza del fotovoltaico è la massimizzazione dell’autoconsumo, cioè riuscire ad utilizzare direttamente, senza farla passare per la rete, quanta più possibile energia prodotta dall’impianto.
L’energia autoconsumata, infatti, sostituisce quella prelevata dalla rete ed è esonerata dal pagamento degli oneri di rete e di sistema, tasse e costi di dispacciamento e commercializzazione (impianti < 20 kWp in SSP), che pesano per quasi il 60% del prezzo del kWh fatturato in bolletta.
L’autoconsumo tipico di una famiglia italiana è dell’ordine del 30-35%; ma dotando l’impianto di un sistema intelligenti per la gestione dei carichi, si può aumentare questa quota, spostando automaticamente nelle ore di sole tutti quei consumi come lavastoviglie, lavatrici e asciugatrici.

Altro aspetto fondamentale è costituito dalla scelta dei materiali. Preferire sempre moduli ed inverter di produzione Europea, sia per l’esperienza acquisita negli anni che per la tracciabilità del prodotto, da considerare per eventuali interventi in garanzia e per l’assistenza diretta post-vendita.
I componenti principali dovranno essere certificati secondo la normativa vigente; privilegiare inoltre, quei prodotti muniti di ulteriori certificazioni volontarie, come ad esempio la reazione al fuoco, lo smaltimento a fine vita ecc.
Inoltre sui componenti valgono le garanzie offerte dai costruttori. Per i moduli la copertura è tipicamente di 10 anni sui difetti di fabbricazione e 25 anni sull’80% delle prestazioni dichiarate. Per gli inverter la garanzia più comune è 5 anni, ma sempre più aziende offrono i 10 anni di copertura.
L’impianto fotovoltaico nella sua interezza, invece, ha per legge la classica garanzia di 2 anni, che deve essere fornita da chi realizza l’impianto.

Dal punto di vista progettuale e per stimare la producibilità dell’impianto, oltre che della latitudine e della radiazione solare disponibile, occorre considerare altri aspetti. Ad esempio bisogna verificare quanto la copertura si discosta dall’esposizione ottimale (Sud) e se permette di installare i moduli con la giusta inclinazione (30°). L’installazione dei moduli ad Est o ad Ovest causa una riduzione fino al 20% della produzione su base annuale, mentre, moduli inclinati oltre i 30° producono meno di quelli con inclinazioni minori. Moduli installati verticalmente, perdono il 30% rispetto alla condizione ottimale.