Fotovoltaico
Fotovoltaico

Un impianto fotovoltaico permette di trasformare direttamente l'energia solare in energia elettrica in corrente continua grazie all'effetto fotovoltaico.

Tale fenomeno si manifesta nei materiali detti "semiconduttori", usati anche nella produzione di tetto fotovoltaico totalmente integrato, a componenti elettronici, il più conosciuto dei quali è il silicio.

Gli aspetti positivi della tecnologia fotovoltaica possono riassumersi in:

  • assenza di qualsiasi tipo d'emissione inquinante durante il funzionamento dell'impianto;
  • risparmio dei combustibili fossili;
  • estrema affidabilità poichè, nella maggior parte di casi, non esistono parti in movimento (vita utile, di norma, superiore a 20 anni);
  • costi di esercizio e manutenzione ridotti;
  • modularità del sistema (per aumentare la taglia basta aumentare il numero dei moduli).

A fronte di tali vantaggi, bisogna mettere in conto aspetti penalizzanti rappresentati da:

  • variabilità ed aleatorietà della fonte energetica (l'irraggiamento solare);
  • costo degli impianti attualmente elevato, a causa di un mercato che non ha ancora raggiunto la piena maturità tecnica ed economica.

 
 
 

Le principali applicazioni dei sistemi fotovoltaici sono:

  1. impianti (con sistema d'accumulo) per utenze isolate dalla rete;
  2. impianti per utenze collegate alla rete di bassa tensione;
  3. centrali di produzione di energia elettrica, generalmente collegate alla rete in media tensione.

Per rendere compatibile l'energia generata dai moduli fotovoltaici con le apparecchiature per usi civili ed industriali, occorre trasformare la corrente da continua in alternata alla frequenza e alla tensione di funzionamento della rete elettrica pubblica. Questo si ottiene interponendo tra i moduli e la rete un inverter.

In definitiva un sistema fotovoltaico è composto da:

  • moduli o pannelli fotovoltaici;
  • struttura di sostegno per installare i moduli sul terreno, su un edificio o qualsiasi struttura edilizia;
  • inverter;
  • quadri elettrici, cavi di collegamento e locali tecnici per l'alloggiamento delle apparecchiature.

 
 
 
EFFICIENZA DEI MATERIALI
 

Solo una parte dell'energia radiogena che colpisce la cella è convertita in energia elettrica; l'efficienza di conversione dipende in alta percentuale dalle caratteristiche del materiale costitutivo e non supera generalmente il 20%.

Naturalmente la resa energetica da parte del dispositivo è anche in funzione di fattori quali: fattori geografici e metereologici, orientamento ed inclinazione della superficie dei moduli. Per le latitudini italiane il rendimento massimo si ottiene orientando i moduli verso sud con un angolo di inclinazione rispetto all'orizzonte di 32-45°.
In condizioni standard (a 25°C con 1kW/m² di irraggiamento) una cella eroga circa 1.5 Watt di potenza (Wp – potenza di picco). Attualmente, il materiale più usato è il silicio cristallino (mono/poli o amorfo), impiegato in una sottile fetta di spessore compreso tra 0,25 e 0,35 mm.

Il monocristallino ha rendimenti di conversione pari al 15-17%.

Il policristallino, caratterizzato da un minore costo di produzione, presenta rendimenti del 12-14%, più bassi per la presenza di un maggior grado di impurità.

Il silicio amorfo, utilizzato nella tecnologia a "film sottile", viene invece spruzzato sotto forma di gas su una superficie di supporto. Tale tecnologia presenta una convenienza maggiore rispetto alle precedenti, in quanto, per la produzione delle celle viene usata una quantità inferiore di materiale, abbassando quindi il costo di produzione. Inoltre, possiede un'ampia versatilità e flessibilità di impiego. L'unico svantaggio, non ancora risolto, è la bassa efficienza dovuta alla struttura cristallina instabile del silicio amorfo.

Sono sistemi a film sottile anche quelli con semiconduttori CIS, CIGS, tellururo di cadmio (CdTe). CIS e CIGS hanno efficienze fino al 13% e costi attuali leggermente inferiori ai sistemi in silicio. Tuttavia la scarsa disponibilità di indio e selenio costituiscono un ostacolo per uno sviluppo su larga scala.

Per un maggiore rendimento si stanno studiando celle fotovoltaiche multigiunzione, celle a tripla giunzione (Split spectrum cell o Vertical Multijunction Cell). Sono costituite da differenti materiali semiconduttori disposti l'uno sull'altro che permettono di avere un più largo spettro del livello assorbente di energia e quindi un rendimento maggiore, aumentando l'efficienza totale di conversione della radiazione solare (raggiungimento di efficienze superiori al 30%).

Ancora in fase di sviluppo sono le celle organiche, note come DSSC (Dye-Sensitized Solar Cell), ottenute con la nanotecnologia. Questo tipo di unità utilizza un pigmento organico fotosensibile (in grado d'assorbire la luce e generare un flusso d'elettroni), applicato su un film sottile costituito da uno strato d'ossido metallico nanoporoso e polimeri conduttori o elettroliti liquidi. La peculiarità delle DSSC è di essere notevolmente flessibili e adatte ad essere conformate in diverse forme e applicazioni, oltre a costituire un prodotto più economico rispetto alle celle tradizionali.

 
 
GLI INVERTER
 

Un inverter è un apparato elettronico in grado di convertire corrente continua in corrente alternata eventualmente a tensione diversa, oppure una corrente alternata in un'altra di differente frequenza.

Gli inverter per uso fotovoltaico sono progettati espressamente per convertire l'energia elettrica sotto forma di corrente continua prodotta da modulo fotovoltaico, in corrente alternata da immettere direttamente nella rete elettrica. Queste macchine estendono la funzione base di un inverter generico con funzioni estremamente sofisticate e all'avanguardia, mediante l'impiego di particolari sistemi di controllo software e hardware che consentono di estrarre dai pannelli solari la massima potenza disponibile in qualsiasi condizione meteorologica.

Questa funzione prende il nome di MPPT, un acronimo di origine Inglese che sta per Maximum Power Point Tracker. I moduli fotovoltaici infatti, hanno una curva caratteristica V/I tale che esiste un punto di lavoro ottimale, detto appunto Maximum Power Point, dove è possibile estrarre tutta la potenza disponibile.

Questo punto della caratteristica varia continuamente in funzione del livello di radiazione solare che colpisce la superficie delle celle. È evidente che un inverter in grado di restare "agganciato" a questo punto, otterrà sempre la massima potenza disponibile in qualsiasi condizione. Ci sono svariate tecniche di realizzazione della funzione MPPT, che si differenziano per prestazioni dinamiche (tempo di assestamento) e accuratezza. Sebbene la precisione dell'MPPT sia estremamente importante, il tempo di assestamento lo è, in taluni casi, ancor più. Mentre tutti i produttori di inverter riescono ad ottenere grande precisione sull'MPPT (tipicamente tra il 99-99,6% della massima disponibile), solo in pochi riescono ad unire precisione a velocità.

È infatti nelle giornate con nuvolosità variabile che si verificano sbalzi di potenza solare ampi e repentini. È molto comune rilevare variazioni da 100W/m² a 1000-1200W/m² in meno di 2 secondi. In queste condizioni, che sono molto frequenti, un inverter con tempi di assestamento minori di 5 secondi riesce a produrre fino al 5%-10% di energia in più di uno lento.

Alcuni inverter fotovoltaici sono dotati di stadi di potenza modulari, e alcuni sono addirittura dotati di un MPPT per ogni stadio di potenza. In questo modo i produttori lasciano all'ingegneria di sistema la libertà di configurare un funzionamento master/slave o a MPPT indipendenti. L'utilizzo di MPPT indipendenti fornisce un vantaggio oggettivo in condizioni di irraggiamento non uniforme dei pannelli. Infatti non è infrequente che la superficie dei pannelli solari sia esposta al sole in modo disuniforme su tutto il campo. Questo perchè disposto su due diverse falde del tetto, perchè i moduli non sono distribuiti su stringhe di uguale lunghezza o a causa di ombreggiamenti parziali dei moduli stessi. In questo caso l'utilizzo di un solo MPPT porterebbe l'inverter a lavorare fuori dal punto di massima potenza e conseguentemente la produzione di energia ne sarebbe danneggiata.

Un'altra caratteristica importante di un inverter fotovoltaico, è l'interfaccia di rete. Questa funzione, generalmente integrata nella macchina, deve rispondere ai requisiti imposti dalle normative dei diversi enti di erogazione di energia elettrica.

In Italia, ENEL ha rilasciato la normativa DK5940, attualmente giunta all'edizione 2.2. Questa normativa prevede una serie di misure di sicurezza tali da evitare l'immissione di energia nella rete elettrica qualora i parametri di questa, siano fuori dai limiti di accettabilità.

 
 
IRRAGGIAMENTO SOLARE
 

La radiazione solare si propaga uniformemente nello spazio, raggiungendo la fascia esterna dell'atmosfera terrestre con una potenza di 1353W per metro quadro e il suolo, a causa dei fenemeni di assorbimento e di diffusione, con una potenza di 1 kW per metro quadro.

L'energia solare che arriva annualmente sulla superficie terrestre supera di 10.000 volte la domanda di energia annuale della popolazione mondiale ed è maggiore delle riserve di energia fossile e nucleare.

L'energia fornita annualmente dal sole per metro quadro varia in funzione della stagione e della latitudine (in Europa Centrale vale circa 1.1 kWh/m²) ed equivale all'energia contenuta in 100 litri di petrolio.

L'Italia offre condizioni meteorologiche molto buone per l'uso dell'energia solare. Il valore di irraggiamento è compreso tra 1200 e 1750 kWh/m² all'anno con una differenza tra nord e sud del 40%. Solo una parte dell'energia radiogena che colpisce la cella è convertita in energia elettrica; l'efficienza di conversione dipende in alta percentuale dalle caratteristiche del materiale costitutivo e non supera generalmente il 20%.

Naturalmente la resa energetica da parte del dispositivo è anche in funzione di fattori quali: fattori geografici e metereologici, orientamento ed inclinazione della superficie dei moduli.

Per le latitudini italiane il rendimento massimo si ottiene orientando i moduli verso sud con un angolo di inclinazione rispetto all'orizzonte di 32-45°.

In condizioni standard (a 25°C con 1kW/m² di irraggiamento) una cella eroga circa 1.5 Watt di potenza (Wp – potenza di picco).