Solare Fotovoltaico

L’utilizzo delle fonti rinnovabili rappresenta una scelta obbligata dal punto di vista ambientale. I sistemi fotovoltaici producono energia elettrica direttamente dall’energia del sole grazie a materiali semiconduttori, come il silicio, che colpiti dalla radiazione solare attraverso l’effetto fotovoltaico generano corrente elettrica continua.Il termine “photo” deriva dal greco “phos”, che significa luce, mentre “volt” prende le sue radici da Alessandro Volta primo a studiare il fenomeno elettrico . Il termine viene anche usato con il significato di “cella solare”.
La cella fotovoltaica è l'elemento più elementare realizzata con silicio monocristalino, policristallino o amorfo a seconda dei legami e della distribuzione degli atomi interni sia più o meno omogenea e uniforme.

 

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monocristallino

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policristallino

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amorfo

celle fotovoltaiche in silicio monocristallino: il silicio a cristallo singolo, o monocristallino, è ottenuto attraverso un processo detto “melting”: cristalli di silicio di elevata purezza vengono fusi e lasciati solidificare a contatto con un seme di cristallo. Le celle monocristalline sono generalmente le più costose ma offrono una maggiori rendimenti di conversione compresi tra 9 – 14%

 

celle fotovoltaiche in silicio policristallino: in alternativa al silicio monocristallino, l'industria fotovoltaica utilizza anche il silicio policristallino che ha costi di produzione inferiori e nel quale i cristalli si presentano ancora aggregati tra loro ma con forme e orientamenti differenti. Le celle fotovoltaiche in silicio policristallino hanno rendimenti di conversione leggermente inferiori e costi più bassi rispetto al monocristallino.

 

celle fotovoltaiche in silicio amorfo: a differenza della tecnologia cristallina nella quale il materiale semiconduttore si presenta solido in forma di wafers con spessore di qualche centinaio di micron, in questo caso la materia attiva può essere ottenuta in forma di gas con il vantaggio di poter essere depositata in strati spessi pochi micron e su di una grande varietà di superfici di appoggio. Si possono così ottenere film di spessore pari a 1-2 millimetri, anche flessibili (per esempio, silicio amorfo depositato su una lastra di 0,5 millimetri di alluminio) e leggerissimi. A causa della struttura irregolare del silicio amorfo, i rendimenti di conversione sono decisamente inferiori rispetto a quella del cristallino a cui si aggiungono una serie di problematiche legate alla stabilità delle prestazioni nel tempo. L'amorfo perde circa il10% delle prestazioni di potenza dichiarate dal costruttore nelle prime 300-400 ore di esposizione a fronte di un decadimento delle prestazioni di qualche punto percentuale nell’arco di 20-25 anni delle celle in silicio cristallino.

 

celle fotovoltaiche a film sottile: sono composte da strati di materiale semiconduttore depositati generalmente come miscela di gas su supporti a basso costo come vetro, polimero e alluminio che danno consistenza fisica alla miscela. La presenza di un gas ha l'immediato beneficio di un minore utilizzo del materiale attivo: lo spessore si riduce dai 300 micron delle celle cristalline ai 4-5 micron di quella a film sottile.

 

Gli impianti fotovoltaici

 

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Componenti impianto fotovoltaico

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1. generatore fotovoltaico 2. quadri di campo 3. Inverter 4. Contattori 5. Allaccio alla rete elettrica 6. Utenze

Più celle assemblate e connesse fra di loro in una unica struttura formano il modulo fotovoltaico. Un insieme di moduli collegati elettricamente tra loro, in serie o in parallelo, formano il campo fotovoltaico che, insieme ad altri componenti meccanici, elettrici ed elettronici, consente di realizzare il campo fotovoltaico. La potenza nominale del campo fotovoltaico viene misurata sommando tutti valori delle potenze dei singole moduli fotovoltaici, e viene espressa attraverso il kiloWatt picco (simbolo: kWp). Un impianto fotovoltaico risulta così costituito:

  • generatore (o campo fotovltaico) composto dall’insieme dei moduli fotovoltaici che convertono in energia elettrica la radiazione solare incidente. Le caratteristiche del campo fotovoltaico sono definite da due parametri: la Potenza nominale Pn che rappresenta la potenza elettrica massima dell’impianto pari alla somma delle singole potenze nominali di ogni singolo pannello fotovoltaico facente parte integrante dell’impianto, misurate alle condizioni standard STC (irraggiamento=1000 W/m², spettro AM= 1,5, temperatura cella= 25° C) e la Tensione nominale Vn che rappresenta la tensione alla quale viene erogata la potenza nominale.
  • BOS rappresenta l’insieme di tutti i componenti e di tutti i dispositivi necessari per trasformare e trasferire l’energia prodotta dai moduli fotovoltaici fino alla rete di utilizzazione (inverter, dispositivi di protezione, diodi, cavi di connessione, sezionatore di circuito)

La configurazione tipica del generatore si basa sul collegamento in paralelo di stringhe di moduli, ottenute mettendo in serie un certo numero di moduli Fv connessi fra loro in parallelo. Il collegamento in serie all’interno delle stringhe fornisce il valore voluto di tensione a seconda dei numeri di moduli utilizzati, mentre il numero delle stringhe collegate in parallelo determina la corrente di lavoro. La combinazione dei due parametri individua la potenza complessiva

 

Tipologie di impianto fotovoltaico

In base alla configurazione di un sistema fotovoltaico si possono individuare due principali tipi di impianti: impianti autonomi e impianti paralleli alla rete. Il primo rappresenta la realizzazione di un impianto elettrico completamente autonomo che consente di utilizzare solamente l’energia immagazzinata dal proprio sistema. Il secondo consente in base alle necessità dell'utenza di utilizzare l'energia o immetterla nella rete elettrica.

 

Impianti collegati alla rete elettrica (grid-connected)

grid-connect, sistema autonomo, fotovoltaicoDove la rete elettrica è presente si ricorre a questa tipologia di impianti che utilizzano, invece delle batterie, la rete stessa come accumulatore di capacità illimitata. Queste installazioni sono composte da più moduli collegati tra di loro, da uno o più inverter e da un allacciamento alla rete. L’energia prodotta dai pannelli fotovoltaici viene trasformata da corrente continua in corrente alternata attraverso l’inverter per poi essere utilizzata dall’utenza nel caso di richiesta o immessa direttamente nella rete. Un apposito contatore registrerà le quantità di energia prelevata e ceduta.
La configurazione tipica del generatore si basa sul collegamento in paralelo di stringhe di moduli, ottenute mettendo in serie un certo numero di moduli Fv connessi fra loro in parallelo. Il collegamento in serie all’interno delle stringhe fornisce il valore voluto di tensione a seconda dei numeri di moduli utilizzati, mentre il numero delle stringhe collegate in parallelo determina la corrente di lavoro. La combinazione dei due parametri individua la potenza complessiva

 

Impianti isolati dalla rete (stand-alone)

In presenza di utenze isolate (rifugi alpini,…) dove i costi di l’allacciamento alla rete sarebbero troppo elevati, si ricorre alla realizzazione di impianti autonomi in cui l’energia elettrica prodotta in eccesso viene accumulata in apposite batterie che garantiscono la continuità dell’alimentazione anche nei momenti in cui l’insolazione risulta insufficiente. Nonostante che le batterie vengono dimensionate per garantire una certa autonomia di più giorni, in contesti caratterizzati da situazioni climatiche difficili viene affiancato al generatore un gruppo elettrogeno per casi di emergenza.
Questa tipologia di impianto trova oggi ampie applicazione anche in contesti urbanizzati come per l'illuminazione di strade, per la segnaletica stradale, piazze, stazioni di rilevamento, parcheggi.

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Esempi di applicazioni impianti isolati

 

Funzionamento cella fotovoltaica

Il comportamento elettrico di una cella fotovoltaica viene generalmente descritto attraverso le curve caratteristiche tensione-corrente (V-I) che consentono di ricavare il punto di esercizio della cella in relazione ai valori di tensione e corrente prodotta. Queste curve sono ricavate tra i valori massimi di Voc e Isc dove:

  • Isc rappresenta la corrente di corto circuito: la corrente risulta massima per V=0
  • Voc rappresenta la tensione a circuito aperto: a circuito aperto non c’è passaggio di corrente e la tensione risulta max (V= Voc)

La potenza della cella massima è data da Pmax= V x I.
Un pannello fotovoltaico con una potenza di 150 Wp a 24 V, impiega circa 72 celle fotovoltaiche ed occorrono poco più di 7 m2 di superficie per ottenere una Pn di 1 kWp. Per rendere paragonabili le prestazioni delle celle sono state definite a livello internazionale delle condizioni di prova standard (STC).

 

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Andamento della curva caratteristica elettrica in funzione temperatura della cella per un dato valore di irraggiamento solare e valore di AM

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Andamento della curva caratteristica elettrica in funzione dell’irraggiamento per una data temperatura della cella e valore di AM

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Curva caratteristica di cella fotovoltaica rispetto a differenti valori di irraggiamento solare

 

efficienza, cella fotovoltaica, radiazioneLa curva caratteristica di una cella è influenzata dalla intensità di radiazione solare incidente e dalla temperatura alla giunzione (e ovviamente dall’area della cella). Dal grafico si ricava che al crescere della temperatura diminuisce la tensione e di conseguenza la potenza estraibile. Notiamo che la variazione di temperatura non influenza i valori della corrente di corto circuito al differenza dei valori di tensione a vuoto V=0 dove di registrano significative variazioni. Diversamente al crescere de valori di irraggiamento si hanno piccole variazioni di tensione a vuoto e crescenti variazioni dei valori di corrente. La disposizione migliore per captare la maggior quantità di energia solare per i sistemi fotovoltaici è l’orientamento a sud esatto (nord per l’emisfero australe) con inclinazione ideale rispetto all'orizontale per le nostre latitudini di 30°- 33°. Per le altre pendenze la perdita oscilla tra -10% per inclinazioni orizzontali (tetto piano) e -30% per inclinazioni completamente verticali (pareti esterne).
La massima quantità di energia solare catturata dall’impianto corrisponde ad una inclinazione in cui la radiazione incidente risulta perpendicolare al piano della cella solare.
In zone caratterizzate da un clima particolarmente nuvoloso dove la radiazione solare è prevalentemente composta dalla componente diffusa occorre una minore inclinazione per consentire alla superficie captante una maggiore visione della volta celeste.
Come si evince dal grafico scostamenti di orientamento compresi tra sud-est e sud-ovest (entro i 45° dal sud) non comportano perdite significative in termini di efficienza del sistema fotovoltaico.

 

Architettura fotovoltaica

Uno degli aspetti interessanti in cui l'applicazione della tecnologia fotovoltaica offre numerose possibilità di impiego è l’architettura e l’arredo urbano. Da alcuni anni stiamo assistendo a nuovi modi di pensare e concepire questa tecnologia che va oltre la semplice seppur importate funzione primaria. Grazie anche allo sviluppo del settore il sistema fotovoltaico può essere pensato, progettato e integrato in edifici a vario livello, dal tetto, le facciate, rivestimenti esterni, i frangisole fino a diventare elemento di arredo.
Ad oggi esempi di architetture fotovoltaiche sono sempre maggiori grazie anche a leggi e forme di incentivazione che rendono dal punto di vista economico più vantaggiosi e accessibili tali applicazioni.

 

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