Fotovoltaico

Il Fotovoltaico

Un impianto fotovoltaico è un impianto elettrico costituito essenzialmente dall'assemblaggio di più moduli fotovoltaici, i quali sfruttano l'energia solare incidente, per produrre energia elettrica, mediante effetto fotovoltaico della necessaria componente elettrica (cavi) ed elettronica (inverter) ed eventualmente di sistemi meccanici-automatici ad inseguimento solare.

Classificazione e tipologia

Gli impianti fotovoltaici sono generalmente suddivisi in tre grandi famiglie:

Impianti "ad isola" (detti anche "stand-alone"):
- non sono connessi ad alcuna rete di distribuzione, per cui sfruttano direttamente sul posto l'energia elettrica prodotta e accumulata in un accumulatore di energia (batterie);
Impianti "grid-connect":
- sono impianti connessi ad una rete elettrica di distribuzione esistente e gestita da terzi e spesso anche all'impianto elettrico privato da servire;
Impianti "ibridi":
- restano connessi alla rete elettrica di distribuzione, ma utilizzano principalmente l'energia solare, grazie all'accumulatore.
  Qualora l'accumulatore è scarico (ad esempio la notte) una centralina predisporrà l'acquisizione di energia, collegando l'immobile alla rete elettrica per la fornitura. (Attenzione: la centralina deve essere a norma CEI e deve costituire un gruppo di continuità UPS, altrimenti si violano le suddette normative).

Impianti fotovoltaici a isola - stand alone

Un esempio di piccolo impianto a isola formato da due soli moduli.
Questa famiglia è al servizio di quelle utenze elettriche isolate da altre fonti energetiche, come la rete nazionale in C.A., che si riforniscono da un impianto fotovoltaico elettricamente isolato ed autosufficiente.

I principali componenti di un impianto fotovoltaico a isola sono generalmente:

campo fotovoltaico, deputato a raccogliere energia mediante moduli fotovoltaici disposti opportunamente a favore del sole;
batteria di accumulo o accumulatore, costituita da una o più batterie ricaricabili opportunamente connesse (serie/parallelo) deputata/e a conservare la carica elettrica fornita dai moduli in presenza di sufficiente irraggiamento solare per permetterne un utilizzo differito da parte degli apparecchi elettrici utilizzatori.
regolatore di carica, deputato a stabilizzare l'energia raccolta e a gestirla all'interno del sistema in funzione di varie situazioni possibili;
inverter altrimenti detto convertitore C.C./C.A., deputato a convertire la tensione continua (DC) in uscita dal pannello (solitamente 12 o 24 volt) in una tensione alternata (AC) più alta (in genere 110 o 230 volt per impianti fino a qualche kW, a 400 volt per impianti con potenze oltre i 5 kW).

Il campo fotovoltaico in genere impiegato per gli impianti ad isola è ottimizzato per una specifica tensione di sistema, valutata in fase di progettazione.
Le tensioni più utilizzate sono 12 o 24 V.
Conseguentemente, dato che la maggior parte dei moduli fotovoltaici utilizzati in questa tipologia di impianti ha tensioni in uscita pari a 12 o 24 V, le cosiddette stringhe elettriche che formano il campo sono costituite da pochissimi moduli, fino al limite del singolo modulo per stringa.
In quest'ultimo caso, in pratica, il campo fotovoltaico è costituito da semplici paralleli elettrici tra moduli, dotati di diodi di stringa per la protezione dalle cosiddette correnti inverse di cui tratteremo più oltre.
L'accumulatore è in genere costituito da monoblocchi, o elementi singoli specificamente progettati per cariche e scariche profonde e cicliche.
Negli impianti che devono garantire continuità di servizio anche alle più severe condizioni non sono, in genere impiegati accumulatori per uso automobilistico, che pur funzionando a dovere hanno bassa "vita utile" ossia, tollerano un minor numero di cicli di carica e scarica, rispetto ad accumulatori progettati e costruiti appositamente, per questa tipologia di impiego.
Nel caso di installazioni degli accumulatori su palo o in altezza (per es. pubblica illuminazione o lampione fotovoltaico) non possono essere utilizzati accumulatori per uso automobilistico in quanto eventuali perdite di elettrolita (che è costituito da una soluzione altamente corrosiva) persone, animali e cose potrebbero riportare seri danni.
In queste installazioni si utilizzano appositi accumulatori nel quale l'elettrolita liquido è sostituito da uno speciale gel.

Il regolatore di carica è un dispositivo elettronico che possiede le seguenti funzionalità minime:

sezionamento automatico del campo fotovoltaico (inteso come insieme di tutti i moduli) dalla batteria di accumulatori nel caso in cui la tensione erogata dai moduli sia inferiore a quella minima di ricarica degli accumulatori (cielo molto coperto, notte, guasti, interruzioni per manutenzioni etc.); in questo caso infatti i moduli si comporterebbero come dei carichi resistivi scaricando gli accumulatori;
sezionamento automatico del campo fotovoltaico dagli accumulatori in caso di ricarica completa ed eventuale bypass della corrente prodotta dai moduli in modo da inviarla direttamente all'inverter nel caso ci sia richiesta di energia da parte degli apparecchi utilizzatori;
sezionamento automatico del campo fotovoltaico dagli accumulatori in caso di scarica totale di questi ultimi (batteria ormai esaurita) ed eventuale bypass della corrente prodotta dai moduli in modo da inviarla direttamente all'inverter nel caso ci sia richiesta di energia da parte degli apparecchi utilizzatori.

Impianti fotovoltaici "Grid Connect"

Questa famiglia identifica quelle utenze elettriche già servite dalla rete nazionale in AC, ma che immettono in rete la produzione elettrica risultante dal loro impianto fotovoltaico, opportunamente convertita in corrente alternata e sincronizzata a quella della rete, contribuendo alla cosiddetta generazione distribuita.

I principali componenti di un impianto fotovoltaico connesso alla rete sono:

campo fotovoltaico, deputato a raccogliere energia mediante moduli fotovoltaici disposti opportunamente a favore del sole;
cavi di connessione, componente spesso sottovalutata, devono presentare un'adeguata resistenza ai raggi UV ed alle temperature.
inverter, deputato a stabilizzare l'energia raccolta, a convertirla in corrente alternata e ad iniettarla in rete;
quadristica di protezione e controllo, da situare in base alle normative vigenti tra l'inverter e la rete che questo alimenta.

Un impianto BIPV a facciata

Una menzione a parte va al cosiddetto BIPV, acronimo di Building Integrated PhotoVoltaics, ovvero Sistemi fotovoltaici architettonicamente integrati.
L'integrazione architettonica si ottiene posizionando il campo fotovoltaico dell'impianto all'interno del profilo stesso dell'edificio che lo accoglie.
Le tecniche sono principalmente 3:

sostituzione locale del manto di copertura (es. tegole o coppi) con un rivestimento idoneo a cui si sovrappone il campo fotovoltaico, in modo che questo risulti affogato nel manto di copertura;
impiego di tecnologie idonee all'integrazione, come i film sottili;
impiego di moduli fotovoltaici strutturali, che svolgono anche la funzione di infisso, con o senza vetrocamera.

I costi per ottenere un impianto BIPV sono dunque più alti rispetto a quello tradizionale, ma il risultato estetico è talmente pregevole che la normativa stessa del Conto energia li tutela e valorizza, riconoscendo una tariffa incentivante sensibilmente più elevata.

Caratteristiche tecniche

La potenza nominale, di un impianto fotovoltaico, si misura, con la somma dei valori di potenza nominale di ciascun modulo fotovoltaico, di cui è composto il suo campo e l'unità di misura [Watt] (simbolo: W).

La superficie occupata da un impianto fotovoltaico è in genere poco maggiore rispetto a quella occupata dai soli moduli fotovoltaici, che richiedono, per la tecnologia silicio policristallino e silicio monocristallino, circa 8 m² / kW (se esposti a Sud) ai quali vanno aggiunte eventuali superfici occupate dai coni d'ombra prodotte da ostacoli tipo (camini, antenne TV etc.), se montati in modo complanare alle superficie, invece se montati in modo non complanare si deve tenere conto dell'ombra che gli stessi pannelli producono e quindi la superficie impiegata è di circa 20 m²/kW.

Da osservare che ogni tipologia di cella ha un tipico ingombro superficiale, con le tecnologie a silicio amorfo oltre i 20 m²/ kW e 9 m² / kW per la tecnologia CIS. Negli impianti su terreno o tetto piano, è prassi comune distribuire geometricamente il campo su più file, opportunamente sollevate singolarmente verso il sole, in modo da massimizzare l'irraggiamento captato dai moduli.
Queste file vengono stabilite per esigenze geometriche del sito di installazione e possono o meno corrispondere alle stringhe.

In entrambe le configurazioni di impianto, ad isola o connesso, l'unico componente disposto in esterni è il campo fotovoltaico, mentre regolatore, inverter e batteria sono tipicamente disposti in locali tecnici predisposti (es. shelter).

L'energia prodotta è tanto maggiore quanto più l'impianto gode di un'esposizione favorevole all'irraggiamento solare, che è funzione dell'eliofania e massima con determinati angoli di inclinazione rispetto ad un piano orizzontale al suolo e per esposizioni il più possibile verso sud.

Per massimizzare la captazione dell'irraggiamento solare si progettano e si realizzano sempre più moduli fotovoltaici ad inseguimento solare che adattano cioè l'inclinazione del pannello ricevente all'inclinazione dei raggi solari durante il giorno e la stagione.

Potenze e Conto Energia

La prassi vuole che gli impianti fotovoltaici vengano suddivisi per dimensione in 3 grandi famiglie, con un occhio di riguardo soprattutto a quelli connessi alla rete:

Piccoli impianti: con potenza nominale inferiore a 20 kW;
Medi impianti: con potenza nominale compresa tra 20 kW e 50 kW;
Grandi impianti: con potenza nominale maggiore di 50 kW.

Questa classificazione è stata in parte dettata dalla stessa normativa italiana del Conto energia, tuttavia il 2° Conto Energia (febbraio 2007) definisce tre nuove tariffe incentivanti: da 1 a 3 kW, da 3 a 20 kW e oltre i 20 kW.

Radiazione Solare in Italia

Con l'entrata in vigore del 4° Conto Energia (maggio 2011) vi è stato un'ennesima modifica alla normativa: la tariffa corrispondente per il 2012 è divisa per fasce di potenza, impianti su edifici od altri impianti e per semestre, es. nel 2º semestre per impianti su edificio fino a 3 kW avremo una tariffa pari a 0,252 €/kWh di energia generato.
Le nuove fasce per gli impianti su edificio sono: da 1 a 3 kW, da 3 a 20 kW, da 20 a 200 kW (limite Scambio Sul Posto), da 200 kW a 1MW (limite piccoli), da 1 a 5MW e oltre i 5MW.

L'Stmg e il Testo Unico della Produzione Elettrica definisco i criteri di allacciamento per impianti fotovoltaici superiori a 1 kWp fino ad impianti di grandi dimensioni.

Dimensionamento

Nell'ambito della progettazione, il dimensionamento di un impianto domestico si fa usualmente tenendo in conto:

la potenza media desiderata o necessaria a coprire un certo fabbisogno (ad es. se si vuole solamente coprire parzialmente o totalmente i propri consumi elettrici (KWh/annuo) (sottodimensionamento o dimensionamento pari al fabbisogno) oppure disporre di un surplus aggiuntivo di energia da vendere con relativo guadagno (sovradimensionamento));
le condizioni di insolazione del luogo di installazione strettamente dipendenti dall'eliofania del posto a sua volta dipendente principalmente dalla latitudine, dall'esposizione, inclinazione e superficie disponibile, dalle condizioni medie di nuvolosità, dalle perdite (efficienza) dell'inverter.

Controversie

Esistono tuttavia delle controversie riguardanti le energie rinnovabili: gli impianti eolici e solari, ad esempio nel caso di installazione su terreni, sono accusati di sfigurare l'ambiente paesaggistico e naturale e di provocare danni all'agricoltura, agli allevamenti e agli animali, impoverendo i terreni e aumentandone il rischio di desertificazione.
Un altro aspetto che deve essere attentamente considerato è lo smaltimento ed il riciclaggio degli impianti obsoleti, in quanto il loro ciclo di vita che è strettamente connesso ai progressi tecnologici.

Moduli Fotovoltaici

Tecnologia di costruzione

Il modulo fotovoltaico è il cuore dell'impianto. É un dispositivo in grado di convertire l'energia solare in energia elettrica, mediante effetto fotovoltaico, che viene impiegato come generatore di corrente.
I moduli sono costituiti da celle, realizzate con una lamina di materiale semiconduttore, che, opportunamente eccitato dai raggi solari, converte l'energia della radiazione solare in energia elettrica.
Il semiconduttore più utilizzato per le celle è il silicio, nelle sue due forme: monocristallino, in cui ogni cella è realizzata a partire da un wafer la cui struttura cristallina è omogenea, e policristallino, in cui il wafer non è strutturalmente omogeneo ma organizzato in grani localmente ordinati.
I moduli fotovoltaici vengono realizzati seguendo le seguenti fasi:

Classificazione

Le celle vengono classificate e suddivise in classi omogenee di corrente o potenza in modo da evitare durante il funzionamento del modulo diversi valori di tensione e corrente tra le stringhe che provocano una perdita di potenza, un'elevata temperatura di esercizio e quindi un degrado accelerato.

Saldatura

Una volta individuate classi omogenee di celle, queste vengono saldate sul fronte in corrispondenza del bus-nar con bandelle di rame stagnate (ribbon). Saldando fra loro più celle si realizzano delle stringhe (array) che a loro volta consentono la configurazione del modulo.

Laminazione

Dopo aver saldato fra loro le stringhe viene eseguita la laminazione, che consiste nel posizionare, in ambiente privo di umidità, i vari strati di materiale che compongono il “sandwich” nella giusta sequenza (vetro-EVA-celle-Tedlar) e con il corretto allineamento, estrarre l'aria, riscaldare e polimerizzare i materiali plastici, raffreddare il pannello fotovoltaico.

Rifinitura e collegamenti

Infine i moduli vengono ripuliti dai residui della laminazione, dotati di una cornice di alluminio e di una scatola di connessione dove vengono alloggiati i morsetti e i diodi di BY-PASS.

Collaudo

I moduli vengono collaudati con simulatori solari che mediante impulsi luminosi ne verificano le caratteristiche elettriche e i rendimenti.
I moduli in silicio mono o policristallini rappresentano la maggior parte del mercato; ad essi, negli ultimi anni, si sono affiancati i moduli in silicio amorfo in cui gli atomi silicei vengono deposti chimicamente in forma amorfa, ovvero strutturalmente disorganizzata, sulla superficie di sostegno.
Questa tecnologia, completamente diversa da quella sopra esposta, impiega quantità molto esigue di silicio. I moduli in silicio amorfo mostrano in genere un'efficienza meno costante delle altre tecnologie rispetto ai valori nominali, ma permettono di sfruttare al massimo la luce diffusa quando l'esposizione del modulo non è ottimale.

Criteri di scelta

Impianti fotovoltaici a terra o fissi: vengono realizzati con moduli in silicio policristallino caratterizzati da rendimenti costanti anche con irraggiamento non ottimale.
Impianti a inseguimento: vengono realizzati con moduli in silicio monocristallino caratterizzati da un rendimento elevato quando la luce solare incide perpendicolarmente al modulo; l'unico modo per realizzare questa condizione è quello di orientare costantemente la superficie dei moduli verso il sole tramite sistemi ad inseguimento.
Impianti con esposizione non ottimale o su superfici non lineari: vengono realizzati con moduli in silicio amorfo caratterizzati da buoni rendimenti anche quando i raggi solari non incidono ortogonalmente sulla superficie del modulo; permettono di sfruttare al massimo la luce diffusa.