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Solare fotovoltaico

Fotovoltaico

La radiazione solare si propaga con simmetria sferica nello spazio e raggiunge i confini dell’atmosfera terrestre con una potenza per unità di superficie di circa 1.353 W/m2. A causa dei fenomeni di riflessione ed assorbimento, l’irraggiamento a livello
del suolo non supera mai i 1000 W/m2. Nonostante la sua scarsa densità, la radiazione solare resta la fonte energetica più abbondante e pulita sulla superficie terrestre. L’energia radiante affluente sulla Terra in un anno è dell’ordine del miliardo di Mtep (1 Mtep = 1 milione di tonnellate equivalenti di petrolio).

L’energia elettrica resa disponibile da un dispositivo, in grado di catturare l’energia radiante, dipende sostanzialmente da due fattori: l’angolo d’incidenza con cui i raggi arrivano sulla superficie del dispositivo e lo spessore di atmosfera attraversato dagli stessi raggi.

Per quanto riguarda l’Italia, si hanno regimi solari medio - alti, variabili in funzione della latitudine. L’insolazione media giornaliera, su base annua, varia da 3,6 kWh/m2, valore rilevato in Pianura Padana, a 4,7 kWh/m2 nel Centro-Sud, sino ad arrivare a 5,4 kWh/m2 in Sicilia.

Dalla cella al generatore fotovoltaico

Tra i dispositivi sviluppati, la cella fotovoltaica permette la conversione diretta dell’energia radiante in energia elettrica. La cella fotovoltaica, nella sua configurazione più semplice, è costituita da due strati congiunti e sovrapposti di materiale semiconduttore opportunamente trattato. La conversione è possibile grazie all’effetto fotovoltaico, ossia l’instaurarsi di una corrente continua costante nel dispositivo quando viene esposto all’incidenza diretta dell’energia radiante. La corrente si determina in corrispondenza dell’area di giunzione della cella fotovoltaica ed è proporzionale all’intensità della luce incidente.

La cella: l’elemento base di un impianto fotovoltaico

L’elemento base di un impianto fotovoltaico è, quindi, costituito dalla cella, tipicamente dalla forma quadrata e di dimensioni medie di 10 x 10 cm, sulla quale, dopo opportuni trattamenti, sono applicati i contatti metallici per captare il flusso elettrico. Le prestazioni della cella dipendono dal valore dell’insolazione.

Per operare un confronto oggettivo tra le celle, ci si riferisce alle condizioni standard: intensità della radiazione pari a 1000 W/m2, temperatura della cella di 25°C, spettro solare AM 1,5 (spettro che produce il Sole quando si trova a circa 45° dallo zenit). In tali condizioni, il valore della potenza erogata dalla cella si esprime in Watt di picco (Wp), unità di misura della potenza teorica massima producibile dal dispositivo. 

L’efficienza di conversione dell’energia radiante in energia elettrica delle celle in commercio raggiunge circa il 18%, nel caso del silicio monocristallino e 14% nel caso del silicio policristallino. Tali valori, comunque, sono sensibili alla variazione di temperatura della cella, il cui aumento provoca una diminuzione di circa 2,25 mV/°C.

Valori di tensione e corrente

Le celle forniscono valori di tensione e corrente limitati in rapporto a quelli richiesti dagli apparecchi utilizzatori.

Per questo motivo, più celle vengono assemblate e collegate tra di loro in una unica struttura formando così il modulo fotovoltaico, in genere costituto da 36 elementi collegati in serie, con una potenza di uscita variabile tra 50 e 80 Wp e una tensione di circa 17 V. A seconda della tensione necessaria all’alimentazione delle utenze elettriche, più moduli possono poi essere collegati in serie in una "stringa".

La potenza elettrica richiesta determina poi il numero di stringhe da collegare in parallelo per realizzare un generatore fotovoltaico. 

Il trasferimento dell’energia dal sistema fotovoltaico all’utenza avviene attraverso ulteriori dispositivi, necessari per trasformare ed adattare la corrente continua prodotta dai moduli alle esigenze dell’utenza finale. Il complesso di tali dispositivi prende il nome di BOS (Balance of System).Un componente essenziale del BOS, se le utenze devono essere alimentate in corrente alternata, è l’inverter, dispositivo che converte la corrente continua in uscita dal generatore fotovoltaico in corrente alternata.

La collocazione dei moduli fotovoltaici

I moduli fotovoltaici possono essere collocati su qualsiasi pertinenza di un immobile (tetto, facciata, terrazzo) o sul terreno.

La decisione deve essere presa in base alla disponibilità, sul sito, dello spazio necessario per installare i moduli, che permetta una corretta esposizione ed inclinazione della superficie dei moduli stessi. 

Se non è possibile posizionare i moduli in maniera ottimale, si può anche sfruttare la facciata dell’edificio, anche se la disposizione verticale comporta un abbassamento dei rendimenti, non potendo sfruttare al massimo la radiazione solare diffusa. In ogni caso, sono da valutare attentamente le condizioni di soleggiamento, evitando le zone d'ombra o l'interferenza anche di piccoli ostacoli, quali pali o alberi che rischiano di compromettere il rendimento o l'intero funzionamento del sistema.

Tipologie di cella

La cella fotovoltaica o cella solare è l'elemento base nella costruzione di un modulo fotovoltaico.

Silicio monocristallino

Le celle di questo tipo presentano il maggior grado di purezza del materiale e garantiscono elevate prestazioni in termini di efficienza, a fronte però di un costo elevato.

Risultano la scelta migliore nelle applicazioni in cui sia necessaria un’efficienza elevata, ma si abbia a disposizione una superficie limitata.

I moduli hanno efficienze variabili tra il 14% e il 17%, con buone prospettive di miglioramento. La loro attesa di vita è attualmente valutata superiore ai 30 anni e le garanzie fornite dai produttori ormai superano i 25 anni.

Silicio policristallino

Il silicio policristallino, materiale che costituisce, le celle viene ottenuto dal riciclaggio degli scarti provenienti dalla produzione di componentistica elettronica.

La struttura meno ordinata, rispetto a quella del silicio monocristallino, comporta una minore efficienza, compresa tra l’11% e il 14%.

Questo svantaggio è controbilanciato da una maggiore gradevolezza estetica e dall’adattabilità alle condizioni di applicazione (moduli con forme e dimensioni personalizzabili). Inoltre si ha la possibilità di porre la copertura di vetro su entrambi i lati del modulo, consentendo il passaggio della luce, e si possono avere celle colorate con l’applicazione di opportuni rivestimenti.

Silicio amorfo

In questo caso, ci si allontana dal concetto di “cella”. Infatti, i moduli sono ottenuti per deposizione di uno strato sottile di silicio cristallino sulla superficie di supporto, costituita da vetro o da materiale plastico.

Questo fatto permette di ricoprire superfici estese in modo continuo.

L’efficienza, rispetto alle tecnologie precedenti, è sensibilmente più bassa, nell’ordine del 5 – 6,8%. Tra i fattori che ne giustificano la scelta ci sono i costi di investimento ridotti e la possibilità di soluzioni non ottenibili con la tecnologia cristallina, come le superfici traslucide o i moduli flessibili.

In aggiunta, il rendimento del dispositivo è indipendente dalla temperatura ed esiste la possibilità di sovrapporre diversi strati, caratterizzati da un assorbimento differenziato, in modo da aumentare l’efficienza complessiva.

Film sottili

Appartenenti ad un settore produttivo di recente nascita, le celle a film sottile sono tra le più promettenti tecnologie, sia in termini di ottimizzazione del settore produttivo sia in termini di ulteriori incrementi prestazionali.

Le tipologie si distinguono dal tipo di materiale utilizzato:

  • CIS – CIGS: le celle sono costituite da un semiconduttore policristallino (diseleniuro di rame e indio), nel caso del CIGS arricchito con gallio, deposto per evaporazione su un substrato di vetro. Offre buone prestazioni, ma è difficilmente reperibile sul mercato.
  • CdTeb>: il materiale semiconduttore è il tellururo di cadmio ed è applicato con le stesse tecniche adottate per il CIS. Le prestazioni attendibili sono ottime, ma presenta problematiche legate allo smaltimento.

Celle ibride in cristallino/amorfo (HIT)

Realizzate mediante la deposizione di uno strato di silicio amorfo su un substrato di silicio monocristallino ad alto rendimento. La caratteristica principale delle celle consiste nell’avere una sezione simmetrica, la quale consente la generazione di corrente attraverso l’esposizione di entrambi i lati. Inoltre, questa tecnologia permette di avere moduli di minor spessore, con minore sensibilità alle variazioni di temperatura e con efficienza di conversione superiore al 17%, valore tra i più alti reperibili sul mercato.

Sistemi fotovoltaici

Sulla base della loro finalità, gli impianti fotovoltaici si distinguono in due grosse categorie: stand alone (non connesso alla rete) e grid connected (connesso alla rete).

La prima categoria (stand alone)

La prima categoria (stand alone) rappresenta la soluzione ottimale nel caso in cui sia necessario coprire il totale fabbisogno energetico dell’utenza.

Gli impianti costituiscono dei sistemi isolati, dimensionati e configurati in modo da soddisfare completamente la domanda di energia, quale siano le condizioni di luminosità. In questo caso, l’impianto deve essere corredato da un sistema di accumulo (batterie), da un regolatore di carica e, nel caso sia necessario convertire l’energia da continua in alternata, di un inverter.

Tali installazioni hanno la loro naturale applicazione in insediamenti isolati non raggiunti dalla rete elettrica.

I sistemi connessi in rete (grid connected),

I sistemi connessi in rete (grid connected), prevedono un interscambio con la rete distributiva: cedono in rete l’eccedenza dell’energia prodotta (non utilizzata dall’utenza) durante il giorno e, durante le ore di non funzionamento dell’impianto (ore notturne), sfruttano l’allacciamento alla rete per l’alimentazione tradizionale.

Le differenze con la precedente tipologia consistono nell’assenza del sistema di accumulo e nella presenza necessaria dell’inverter.

Inoltre, devono essere installati due contatori distinti, per la valutazione del flusso di energia elettrica in ingresso e in uscita.

Riduzione della CO2

E' possibile stimare la quantità di emissione di anidride carbonica e di altre sostanze inquinanti contribuenti all'innalzamento dell'effetto serra pari a 0,55 kg di CO2 per ogni kWh prodotto mediante un mix di combustibili fossili (gas naturale, olio combustibile, etc.) tipicamente usati negli impianti termoelettrici.

Utilizzando un impianto fotovoltaico di potenza nominale da 1 kWp, con una produzione media annuale, alle latitudini dell'Italia centrale, pari a 1.500 kWh/kWp, si può dire che la quantità di anidride carbonica non emessa in un anno sia pari a 870 kg per ogni chilowatt di picco installato. Se si considera il ciclo di vita previsto per la durata media di un impianto, pari a circa 30 anni, la stima complessiva a fine ciclo sarà di circa 26.100 kg di emissioni di CO2 evitate per ogni chilowatt di picco installato.