L’energia fotovoltaica è l'energia elettrica prodotta utilizzando la fonte solare attraverso le tecnologie degli impianti fotovoltaici, costituiti da pannelli solari che prendono la luce del sole e la trasformano in energia elettrica.
Un pannello fotovoltaico (PV) contiene celle fotovoltaiche che esposte alla luce solare producono elettricità.
Queste celle, costituite da un semiconduttore come il silicio, sono collegate insieme per formare un pannello.
Quando il semiconduttore nei pannelli fotovoltaici viene irradiato dalla luce solare, libera gli elettroni che possono fluire nel semiconduttore. Questi elettroni spostati, ciascuno con una carica negativa, fluiscono attraverso la cella verso la superficie anteriore, creando uno squilibrio di carica tra la parte anteriore e quella posteriore.
Se la superficie anterioree e la superficie posteriore sono collegati elettricamente ad un carico esterno, il moto degli elettroni costituisce una corrente continua che attraversa la cella e si richiude sul carico cedendo al carico potenza elettrica.
Le singole celle fotovoltaiche vengono connesse in serie e/o in parallelo, al fine di ottenere una tensione ed una corrente di taglia maggiore, assemblandole in un’unica struttura, il pannello fotovoltaico. I pannelli possono avere dimensioni diverse e prevedono tipicamente 36, 64 o 72 celle collegate.
Le singole celle fotovoltaiche vengono connesse in serie e/o in
parallelo, al fine di ottenere una tensione ed una corrente di taglia
maggiore, assemblandole in un’unica struttura: il pannello fotovoltaico.
Più pannelli collegati costituiscono un impianto fotovoltaico.
Pannello fotovoltaico monocristallino, policristallino e amorfo
Il silicio viene sottoposto a un processo che prevede il riscaldamento fino a 3000°C così da ottenere silicio allo stato liquido che viene depurato e solidificato in lingotti, successivamente tagliati in sottili strisce chiamate wafer.
Si possono ottenere celle di siliscio monocristallino e policristallino.
La differenza principale tra il silicio monocristallino e il policristallino risiede nella struttura cristallina del materiale:
Il silicio monocristallino è costituito da un singolo cristallo di silicio, ottenuto tramite il processo di estrusione di un lingotto.
Il silicio policristallino è composto da un mosaico di cristalli di silicio, risultante dall'utilizzo dei residui di silicio monocristallino.
I pannelli fotovoltaici monocristallini si riconoscono per la loro colorazione blu scura, quasi nera.
Le celle sono costituite da cristalli di silicio monocristallino, tutti orientati nella stessa direzione. Questo fa si che la produzione di energia sia maggiore in presenza di luce perpendicolare.
Sono generalmente più efficienti: hanno cioè bisogno di una superficie inferiore rispetto ai moduli policristallini per generare lo stesso quantitativo di energia.
Il silicio monocristallino riesce a raggiungere un rendimento prossimo al 23%, ma la media dei pannelli solari in commercio si aggira intorno al 19%.
I pannelli fotovoltaici policristallini sono di colore blu cangiante, costituite da cristalli di silicio orientati in modo casuale. Questo fa si che abbiano un’efficienza inferiore se colpite perpendicolarmente dai raggi del sole. Tuttavia questa pecca rappresenta anche la loro peculiarità: riescono a sfruttare meglio la luce del sole durante l’arco della giornata.
La produzione dei moduli in silicio policristallino è meno costosa di quella dei moduli monocristallini e questo si riflette anche sul prezzo finale.
Il silicio policristallino ha un rendimento massimo del 17%.
Il rendimento si riferisce alla quota di radiazione solare ricevuta dai pannelli fotovoltaici e trasformata in energia elettrica.
Esistono anche moduli in silicio amorfo, più flessibili dei precedenti ma con una resa inferiore del circa 30%, dovuta al particolare procedimento attraverso il quale sono prodotti.
I moduli in silicio amorfo non sono composti da celle fotovoltaiche: sono formati da uno strato in vetro o superfici plastiche su cui è applicato uniformemente uno strato di silicio dal piccolissimo spessore (si parla di millesimi di millimetro), e si caratterizzano da una colorazione omogenea e scura.
Sono presenti sul mercato sia nella tradizionale struttura rigida, sia in rotoli flessibili, molto utili per applicazioni architettoniche particolari.
Esposizione dei pannelli solari
Una
corretta esposizione dei pannelli solari consente di sfruttare al
massimo l’irraggiamento solare e di generare un maggior quantitativo di
energia elettrica. L'inclinazione dei pannelli solari fotovoltaici è fondamentale per ottenere il massimo rendimento energetico. L’orientamento ottimale è sud con inclinazione dei pannelli alle nostre latitudini tra i 30° ed i 40°.
Non sempre si può installare l’impianto fotovoltaico con queste angolature ottimali, bisogna comunque sapere in tal caso quanto potrà produrre l’impianto, anche se non in condizioni ottimali.
Nella tabella sotto si può vedere come varia la produzione annua di un impianto da 1 Kwp al variare dell'orientamento sud–est–ovest, dell'inclinazione dei moduli fotovoltaici rispetto a terra e della latitudine.
Dalla tabella è facile tratte le seguenti conclusioni:
- al diminuire della latitudine, cioè spostandosi verso sud dell'Italia, cresce la produzione dell’impianto fotovoltaico;
- la produzione maggiore è garantita da moduli fotovoltaici orientati a Sud;
- la produzione maggiore è garantita da un inclinazione che varia in funzione della latitudine e nel caso specifico a Milano a 40°, Roma 30°.
Per massimizzare le prestazioni dell’impianto fotovoltaico e la sua produzione di energia durante l’anno, l’ideale sarebbe installare un sistema di inseguitori solari come quello in figura. Questa soluzione non è pratica per gli impianti a uso domestico a causa delle difficoltà nell’installare sistemi motorizzati sui tetti delle abitazioni.
Potenza di picco ed irraggiamento solare
La potenza di picco, o potenza nominale di un impianto fotovoltaico è la potenza elettrica massima che l’impianto fotovoltaico è in grado di produrre nelle condizioni standard di temperatura 25 °C e radiazione solare incidente di 1000 Watt/m2.
L'irraggiamento con una radiazione solare di 1000 Watt/m2 non si raggiunge quasi mai come si vede dalla figura sotto. Pertanto la potenza di picco non è la potenza reale che è in grado di erogare l'impianto normalmente.
La potenza di picco viene usata come riferimento per calcolare l'energia prodotta dall’impianto durante l'anno. Per ottenere la potenza di picco di un impianto fotovoltaico bisogna sommare tutte le singole potenza di piccolo di ciascun modulo che compone l’impianto. La potenza nominale viene espressa in kilowatt picco (kWp).
Un impianto da 1kWp equivale a circa 7 metri quadri di pannelli fotovoltaici ed è considerato un impianto di piccole dimensioni.
Impianto fotovoltaico stand alone
Un impianto fotovoltaico stand alone è un tipo di installazione fotovoltaica che non è connessa alla rete elettrica nazionale, ma è connessa ad un sistema autonomo di accumulo di energia, in genere batterie elettriche, in grado di raccogliere l’elettricità prodotta dall’impianto e restituirla all’utenza nel momento del bisogno.
Il fotovoltaico stand alone costituisce quindi un sistema indipendente ed autonomo di approvvigionamento energetico utilizzabile nei più svariati contesti. Questo sistema “ad isola” , scalabile esattamente come le classiche installazioni fotovoltaiche, può essere realizzato su piccola scala, ad esempio per i lampioncini elettrici ad energia solare, come su grande scala, fino a costituire vere e proprie reti elettriche locali autonome in grado di rifornire di elettricità pulita intere aree disconnesse dalla rete.
I pannelli solari fotovoltaici trasformano la luce solare in corrente continua che, attraverso un regolatore di carica, viene stoccata nelle batterie di accumulo o viene portata all’ inverter che la trasforma in corrente alternata per l’autoconsumo immediato da parte dell’utenza.
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| Schema di impianto stand alone |
- I moduli fotovoltaici che catturano i raggi del sole e trasformano l’energia in elettricità
- Il regolatore di carica che distribuisce l’energia raccolta dai pannelli solari e la rende compatibile con gli standard dell’impianto fotovoltaico, distribuendola al carico in corrente continua e alle batterie
- Il sistema di accumulo, elemento opzionale, che raccoglie e conserva l’energia prodotta durante il giorno per permetterne il riutilizzo in un secondo momento
- L’inverter, che converte la corrente
continua in corrente alternata affinché possa essere utilizzata dai carichi in corrente alternata 220V
Impianto fotovoltaico grid connected
- il generatore fotovoltaico, costituito da una o più serie di moduli fotovoltaici (stringhe), disposte in parallelo tra loro;
- l'inverter fotovoltaico, dispositivo di conversione della corrente continua (prodotta dal campo fotovoltaico) ad alternata (della rete elettrica), necessario per scambiare con la rete nazionale l'energia prodotta dal campo fotovoltaico;
- I contatori, di cui uno contabilizza l’energia elettrica prodotta dal
campo fotovoltaico, e l’altro quella che fluisce da e verso la rete
(bidirezionale).
L’energia solare viene trasformata in energia elettrica da poter utilizzare nell’immediato (Frecce Verdi).
L’energia prodotta dall’Impianto Fotovoltaico e non consumata viene ceduta alla Rete Elettrica (Frecce Gialle) e ti viene rimborsata (bonifico) per compensare le bollette pagate in precedenza, grazie al meccanismo di “Scambio Sul Posto”.
Le bollette che pagherai riguarderanno solo l’energia acquistata dalla Rete Elettrica (Frecce Rosse) nel momento in cui l’Impianto Fotovoltaico non produce (ad esempio la notte).
Impianto fotovoltaico ibrido
Un impianto fotovoltaico ibrido è un sistema dotato di batterie di accumulo ed anche connesso ad una seconda fonte di energia, per esempio un generatore o la rete elettrica. Deve essere dotato di un inverter ibrido.
L’inverter ibrido può alimentare i carichi prelevando l’energia direttamente dall’impianto fotovoltaico e nel caso in cui l’energia elettrica proveniente dall’impianto fotovoltaico non è sufficiente, l’inverter la preleverà dalle batterie, oppure commuterà sulla rete elettrica (verificare che tali inverter rispettino la normativa CEI 0-21), o a un generatore quando l’energia del fotovoltaico o quella proveniente delle batterie non sono in grado di alimentare il carico.
- il generatore fotovoltaico, costituito da una o più serie di moduli fotovoltaici (stringhe), disposte in parallelo tra loro;
- l'inverter ibrido, converte la corrente continua in alternata, ed è in grado di gestisce e coordinare i flussi di energia elettrica tra fotovoltaico, batterie e rete;
- Il sistema di accumulo,
elemento opzionale, che raccoglie e conserva l’energia prodotta durante
il giorno per permetterne il riutilizzo in un secondo momento
Quando colleghiamo moduli fotovoltaici in serie, si collega il terminale positivo di un modulo al terminale negativo del modulo successivo. In questo modo si sommano le tensioni dei singoli moduli, mentre la corrente rimane la stessa.
Caratteristiche del collegamento in serie:
- Tensione (V): La tensione totale è la somma delle tensioni di ciascun modulo. Ad esempio, se un modulo ha una tensione di 12 V e ne colleghiamo 3 in serie, la tensione totale sarà di 12x3=36V.
- Corrente (A): La corrente rimane uguale alla corrente nominale di un singolo modulo. Quindi, se ogni modulo ha una corrente di 3.5 A, anche la corrente totale rimarrà 3.5 A.
Vantaggi del collegamento in serie:
- Permette di ottenere una tensione più alta, che è necessaria per l'uso di inverter o regolatori di carica che richiedono una certa tensione minima.
- La corrente che circola è minore.
- Aumentando la Tensione si hanno meno perdite di energia lungo i cavi
Se dovessimo avere dei pannelli solari con tensione uguale e corrente diversa non possiamo collegarli in serie
- Tensione (V): La tensione totale rimane uguale a quella di un singolo modulo. Ad esempio, se si collegano tre pannelli da 12 V in parallelo, la tensione totale sarà ancora 12 V.
- Corrente (A): La corrente totale è la somma delle correnti fornite da ciascun modulo. Se ogni pannello fornisce 3.5 A, la corrente totale sarà 3.5x3=10.5A
