Guida al funzionamento degli impianti fotovoltaici: tecnologie, tipologie di celle, vantaggi installazione, tipi e dimensioni impianti

Il Solare Fotovoltaico e' una tecnologia che permette di utilizzare l'energia dal sole per la produzione di energia elettrica. Un dispositivo fotovoltaico è, infatti, in grado di produrre energia elettrica sfruttando direttamente l'energia solare attraverso specifici dispositivi (celle fotovoltaiche) che utilizzano il cosiddetto “effetto fotoelettrico”.
L'effetto fotoelettrico si realizza all'interno di alcuni materiali opportunamente trattati (es. silicio) nel momento in cui essi vengono colpiti dalle radiazioni solari, il risultato fisico di tale effetto è la produzione di energia elettrica. Il dispositivo elementare di un impianto fotovoltaico per la produzione di energia elettrica è la “cella solare”, una serie di celle collegate costituiscono un “modulo fotovoltaico”.

La potenza dei moduli fotovoltaici si misura in Wp (Watt di picco) che e' pari alla potenza erogata dai moduli in condizioni standard alla temperatura ambiente di 25°C e in presenza di una radiazione solare che sia di 1kW per metro quadro in una giornata serena a mezzogiorno.

 

Il principio di funzionamento di una cella solare è essenzialmente il duale di quello dei LED (Light Emitting diodes, diodi emettitori di luce), dispositivi che emettono luce quando sono attraversati da corrente elettrica. In un LED l’energia elettrica viene convertita (parzialmente) in energia luminosa (pur non essendo una lampada ad incandescenza). Nella cella fotovoltaica avviene il processo “inverso”: l’energia luminosa può essere parzialmente convertita in energia elettrica. La cella diventa una “pila” elettrica che può alimentare un circuito elettrico esterno. Il funzionamento delle celle fotovoltaiche si basa sui fenomeni elettronici che si verificano sulla superficie di contatto di due materiali diversi (in particolare due semiconduttori).

Principio della cella fotovoltaica: Le celle fotovoltaiche sono diodi fotosensibili che lavorano nel quarto quadrante della caratteristica V-I. Quanto i livelli di energia luminosa colpiscono la cella dei pannelli solari con valore R=0 si comporta come un normale diodo. Quando R è diverso da zero ed è crescente la corrente inversa si forma una differenza di potenziale ai capi della giunzione che dà luogo all'effetto fotovoltaico e il diodi eroga corrente a un carico. Nel punto di massima potenza il rendimento teorico di una cella fotovoltaica è di circa il 22%. Questo valore scende al 15% nel rendimento pratico. Normalmente da un metro quadro di pannelli solari possono essere prodotti al massimo 130-160 Watt. Ogni cella solare ha una tensione di uscita di circa 0,5 volt. Per produrre tensioni elettriche più elevate le celle fotovoltaiche sono collegate in serie, viceversa per produrre una corrente di uscita maggiore le celle fotovoltaiche sono collegate in parallelo.

Ovviamente la corrente prodotta varia con l'intensità della radiazione che raggiunge la cella, come si può vedere nell'esempio del grafico sopra. Più è intensa la luce che arriva più elettroni vengono liberati all'interno del semiconduttore e, conseguentemente, maggiore sar à il flusso di corrente. Il materiale più utilizzato per fabbricare una cella fotovoltaica è il silicio.

 

La conversione fotovoltaica è un fenomeno fisico che permette di trasformare direttamente l'energia luminosa in energia elettrica in strutture elementari, le celle fotovoltaiche. 
Questi dispositivi sono realizzati in materiali semiconduttori, materiali cioè che conducono la corrente elettrica e la cui resistività diminuisce al crescere della temperatura e per la presenza di impurità. 
L'effetto fotovoltaico consiste nella generazione di una differenza di potenziale elettrico, grazie all'integrazione di un flusso di energia radiante con la materia.

 

Attraverso il sole è possibile reperire fino al 100% del fabbisogno elettrico di una famiglia, la resa associata a tali impianti è, però, notevolmente inferiore a quella legata agli impianti di produzione acqua calda per uso domestico, ciò vale a dire che a parità di energia prodotta occorre una superficie di pannelli superiore. Gli impianti fotovoltaici possono avere una “taglia” superiore a quella strettamente neceesaria per supplire al fabbisogno del singolo utente dell'impianto in quanto l'eventuale surplus può essere ceduto all'ENEL.

 

Il funzionamento di una fotocellula semplice è basato sullo sfruttamento delle proprietà di alcuni materiali semiconduttori che opportunamente trattati e collegati tra loro producono elettricità ove colpiti dalla radiazione solare. La tensione elettrica prodotta da tali componenti elementari viene “incanalata” grazie a specifici elettrodi opportunamente collegati. Per dare un'idea, ogni cella di dimensioni 10cm x 10cm se ben irradiata genera una tensione di circa 0,5V e una corrente di circa 3A, vale a dire una potenza (P =V x I) di circa 1,5W. Per aumentare la potenza prodotta, le singole celle fotovoltaiche vengono collegate opportunamente a formare i moduli fotovoltaici.

 

A seconda dei loro processi di produzione, si distinguono i seguenti tipi di celle fotovoltaiche: 
Celle monocristalline: vengono prodotte tagliando una barra monocristallina. Il vantaggio principale é un alto rendimento (fino al 16%). Questo tipo di celle é peró molto costoso a causa del complicato processo di produzione. Le celle di tipo monocristallino sono caratterizzate usualmente da un'omogenea colorazione blu. 
Celle poli(multi-)cristalline: vengono colate in blocchi e poi tagliate a dischetti. Il rendimento é minore (10-12%), ma anche il prezzo. Questo tipo di celle é riconoscibile da un disegno ben distinguibile (a causa dei vari cristalli contenútivi). 
Celle amorfe: vengono prodotte mediante spruzzamento catodico di atomi di silicio su una piastra di vetro. Questo tipo di cella ha il rendimento minore (ca. 4-8%), ma si adatta anche al caso di irradiamento diffuso (cielo coperto, ecc.). Le celle cosí prodotte sono riconoscibili da un caratteristico colore scuro, inoltre sono realizzabili in qualsiasi forma geometrica (forme circolari, ottagonali, irregolari, e persino convesse sono realizzabili).

I moduli fotovoltaici sono costituiti da singole celle solari. Ogni modulo ha una dimensione variabile da 0,5 a 1 m² con potenze da 50Wp a 200Wp. Un insieme di moduli collegati elettricamente costituisce una stringa; un insieme di stringhe collegate in parallelo tra di loro, formano il campo fotovoltaico che, insieme ad altri componenti, consente di realizzare i sistemi fotovoltaici utilizzabili per la produzione di energia elettrica utile.

I sistemi fotovoltaici non producono emissioni di nessun tipo e durante la fase di esercizio non emettono gas aventi effetto serra. La produzione di un kWh di energia elettrica da fonte solare, se confrontata con pari produzione energetica da fonti fossili, consente di evitare l'emissione in atmosfera di 0,53 kg di anidride carbonica che e' uno tra i principali gas responsabili dell'effetto serra, ma le stesse considerazioni possono essere ripetute per le altre tipologie di inquinanti.

È comunque vero che, al momento attuale, la potenza installata complessiva degli impianti fotovoltaici su scala globale non e' sufficiente per poter assicurare un abbattimento apprezzabile delle emissioni inquinanti nell'atmosfera. Perche' cio avvenga, e' necessaria una maggior diffusione della tecnologia in modo da poter ottenere dei benefici concreti. Se la produzione di energia da fonte fotovoltaica presenta un impatto sull'ambiente molto basso, e che e' limitato agli aspetti di occupazione del territorio o di impatto visivo, la fase di produzione dei pannelli fotovoltaici comporta un certo consumo energetico e l'uso di prodotti chimici. Va considerato però che la maggior parte delle aziende produttrici di componenti fotovoltaici è certificata ISO14000, quindi impegnata a recuperare e riciclare tutti i propri effluenti e residui industriali sotto un attento controllo.

Nella fase di dismissione dell'impianto, i materiali di base quali l'alluminio, il silicio, o il vetro, possono essere riciclati e riutilizzati sotto altre fonti. Per quanto riguarda il consumo energetico necessario alla produzione di pannelli, quello che viene chiamato energy pay back time, ovvero il tempo richiesto dall'impianto per produrre altrettanta energia di quanta ne sia necessaria durante le fasi della loro produzione industriale, è sceso drasticamente negli ultimi anni ed è pari attualmente a circa 3 anni. Per i moduli in film sottile, l'energy pay back time scende addirittura a un anno. Questo significa che, considerando una vita utile dei pannelli fotovoltaici di circa 30 anni, per i rimanenti 29 anni l'impianto produrrà energia pulita.

Per determinare quale tipo di impianto scegliere tra le diverse soluzioni presenti sul mercato occorre, innanzitutto valutare le potenzialità solari del luogo in cui si vive. Ciò premesso, esistono due tipi di impianto:

Impianto a moduli fotovoltaici per utenze isolate (stand alone) - questo tipo di impianti solari fotovoltaici produce energia, che viene utilizzata per caricare delle batterie, tipicamente a 12-24 Volt, tale energia sarà, poi, utilizzata nel momento di utilità. Normalmente questo tipo di impianto è utilizzato laddove il gestore non arriva con le proprie linee, in particolare per località molto isolate. Anche se in realtà, staccarsi completamente dall'Enel, può creare seri problemi nel momento in cui ci siano guasti, o giornate particolarmente nuvolose, oltre al fatto che comunque in linea di massima, da un punto di vista ecologico e pratico è più conveniente cedere l'energia prodotta direttamente all'Enel, piuttosto che conservarla in batterie costose e che una volta in disuso diverranno materiale altamente inquinante.
Impianto a moduli fotovoltaici con connessione alla rete elettrica Enel in bassa tensione (grid connected) - questi tipi di impianti solari fotovoltaici producono corrente elettrica che viene immessa, una volta convertita in corrente alternata a 220 Volt, nella rete Enel, per essere usata da qualsiasi altro utente. Questo avviene attraverso un contatore speciale installato dall'Enel. La soluzione “grid connected” consente di cedere alla rete il surplus di energia prodotta e di assorbirne in caso di necessità, in tal modo potremmo pagare solo la differenza tra l'energia prodotta e quella consumata. Il costo di noleggio del contatore i cui sopra è di circa 30 euro l'anno e ciò costituisce un vantaggio economico (ma anche ambientale) se paragonato al costo delle batterie che servirebbero per immagazzinare l'energia prodotta; tale costo si aggira attorno ai 1000 euro ogni 10 anni circa; sotto il punto di vista ambientale va sottolineato, inoltre, il fatto che le batterie usate sono materiale molto inquinante e di difficile smaltimento.

Il consumo medio annuale di energia elettrica per una famiglia di 4 persone in Italia e' di circa 4000 kWh. Come visto in precedenza per sopperire a tali necessità è necessario un impianto di circa 3000 kWp ciò vuol dire che, per una utenza domestica occorre poter disporre di una superficie inclinata pari a circa 24 m2.

10/05/2011

Fonte:

http://www.retearchitetti.it