Come funziona un impianto fotovoltaico

Impianti fotovoltaici

Un impianto solare fotovoltaico converte la radiazione emanata dal sole direttamente in energia elettrica utilizzabile dalle utenze domestiche. Ad oggi esistono due tipologie di impianto:

• Impianti connessi alla rete elettrica
• Impianti ad isola (o stand alone)

Funzionamento per immissione in rete
Lo schema che rappresenta l’impianto fotovoltaico connesso alla rete elettrica in un’abitazione è quello di figura 1.
Figura1. Impianto Fotovoltaico Connesso alla rete.

Qui si possono distinguere i diversi dispositivi che rendono funzionale l’impianto:

• Generatore fotovoltaico: è costituito dal collegamento di moduli fotovoltaici ed è in grado di trasformare l’irraggiamento solare in corrente elettrica continua.
• Convertitore statico DC/AC: converte la corrente elettrica continua prodotta dai moduli in corrente elettrica alternata, quella cioè, normalmente usata in ogni edificio. Il convertitore è anche in grado di allineare la corrente elettrica alla frequenza di rete normalmente 50 Hz e alla tensione di funzionamento (230V monofase, 400V trifase).
• Quadro elettrico: è l’elemento di protezione in lato continuo ed in lato alternato dell’impianto. E’ costituito prevalentemente da scaricatori di tensione e da interruttori automatici.
• Contatori: tipicamente sono installati due contatori; il primo monitora tutta la corrente prodotta dall’impianto fotovoltaico. Questo contatore, in linea di principio, è installato subito a valle dell’inverter. Al contatore è associato il meccanismo di finanziamento statale. Il secondo contatore sostituisce quello esistente della rete di distribuzione: è bidirezionale per cui è in grado di fare un bilancio tra l’energia immessa dall’impianto verso la rete elettrica, e quellaprelevata dalla rete elettrica verso l’utenza. A questo secondo contatore è associato il risparmio sulla bolletta elettrica.

In questo modo l’impianto fotovoltaico lavora in parallelo alla rete di distribuzione che, sostanzialmente, funziona da accumulatore per l’energia prodotta dall'impianto. Facciamo un esempio che chiarisce la metodologia di funzionamento denominata "scambio sul posto":

è piena estate, il signor Gino ha un impianto fotovoltaico sulla sua abitazione e oggi è tutto il giorno fuori per lavoro: tutta l’energia prodotta dall'impianto e non utilizzata in casa, viene immessa nella rete di distribuzione e contabilizzata in uscita dal contatore di scambio sul posto. Domani il signor Gino è a casa e, dato il caldo, accenderà per tutto il giorno il condizionatore. In questo caso potrà prelevare gratuitamente tutta l'energia precedentemente immessa e il contatore di scambio contabilizza l'energia prelevata dalla rete.

Ovviamente il conguaglio dell'energia (immessa e prelevata) va fatto su base annuale; si deve ricordare, però, che l'impianto fotovoltaico per utenza domestica deve essere sottodimensionato rispetto al fabbisogno energetico (circa il 75% dei consumi) per almeno due motivi:

1. il costo dei primi 900 KWh incide con una percentuale più bassa sul totale (vedi figura 2) della bolletta, per cui non ha molto senso agire lì.
2. Ogni kWh eventualmente prodotto in eccesso al proprio fabbisogno energetico domestico viene solo incentivato in conto energia e non porta vantaggio sulla bolletta.

Funzionamento di impianti ad isola
Si ricorre a questa tipologia di impianto solamente quando il fotovoltaico diventa un’esigenza. Alcuni esempi possono essere: baite montane, camper, barche, case isolate e non raggiunte dalla rete elettrica. Inoltre fanno parte di questa tipologia di impianto anche tutte quelle applicazioni quali ad esempio l’illuminazione della segnaletica stradale o l’illuminazione nei giardini domestici. In questo caso lo schema di riferimento diventa quello di figura 3.

I componenti fondamentali di questa tipologia di impianto fotovoltaico sono i seguenti:

• Pannelli fotovoltaici: trasformano l’irraggiamento solare in corrente elettrica continua
• Convertitore statico: in questo caso il convertitore può essere del tipo DC/DC (chopper) o DC/AC (inverter) a seconda delle applicazioni. In alcuni sistemi, dove la tensione di alimentazione è già in linea con i moduli fotovoltaici, il convertitore può non essere presente
• Regolatore di carica: è il dispositivo che in qualche modo protegge gli accumulatori impedendo, ad esempio, che al loro interno si verifichino eccessi di carica o scariche troppo veloci.
• Accumulatori: sono una parte fondamentale dell’impianto ad isola, infatti sono loro che accumulano l’energia necessaria quando i moduli non sono in grado di produrne a causa delle condizioni ambientali (ad esempio nelle giornate estremamente nuvolose o nelle ore notturne). Il problema principale di questi componenti è che a causa dei frequenti cicli di carica/scarica devono essere sostituiti almeno 3 o 4 volte nel tempo di vita dell’impianto (circa 25 anni).

Dimensionamento di un impianto fotovoltaico
Per progettare correttamente un impianto fotovoltaico si devono considerare due aspetti principali:

• Economico
• Tecnico

Dal punto di vista economico, infatti, è possibile oggi ricorrere a molti incentivi statali o comunali (per esempio per gli impianti connessi in rete è in vigore il decreto denominato “Conto Energia”) e a volte persino regionali. Può succedere che questi siano incompatibili tra di loro, oppure no. Per poter accedere a tali finanziamenti è necessario, chiaramente, presentare una documentazione appropriata.Dal punto di vista tecnico, invece, si deve tener conto di diversi fattori. I principali sono:

• Dimensionamento appropriato al consumo medio annuo dell’utenza connessa
• Posizionamento ottimale dei pannelli sia in termini di inclinazione che in termini di orientamento
• Determinazione del fattore di ombreggiamento a seguito di un accurato studio delle ombre
• Dimensionamento del generatore fotovoltaico in accordo con le specifiche dell’inverter
• Dimensionamento dell’accumulatore per garantire la giusta autonomia al sistema ad isola

Altre tipologie di impianto fotovoltaico
Esistono, oltre a quelle descritte, altre tipologie di impianto fotovoltaico, per esempio:

• Impianti orientabili: sono sistemi in grado di “seguire” l’andamento giornaliero del sole garantendo così che i moduli siano sottoposti alla migliore condizione di irraggiamento possibile. Questi impianti possono muoversi o su un singolo asse o addirittura su più assi (in questo caso correggono entrambi gli angoli fondamentali, tilt e azimut). A fronte di un irraggiamento sempre ottimale, però, questo tipo di impianto ha un costo iniziale elevato e richiede manutenzione continua nel tempo.
• Impianti a concentrazione: è la nuova concezione degli impianti fotovoltaici. In questo caso si cerca di aumentare il rendimento delle celle anche di fattori di diverse unità (10 – 50 ) attraverso a dei sistemi di specchi e lenti (molto costosi) che di fatto moltiplicano il numero dei raggi solari incidenti sulle celle (questa tecnica viene comunemente chiamata “i cento soli”). In questo caso si può ridurre notevolmente l’area di silicio esposta al sole. Le controindicazioni di questa tipologia di impianti, però, sono ancora tante, ma la più problematica riguarda ilsistema di raffreddamento delle celle indispensabile per garantirne l’integrità nel tempo.
• Sistemi per alimentazione diretta: in questo caso il pannello alimenta direttamente il dispositivo a cui è associato, ma il sistema non prevede la possibilità di immagazzinare energia. Di questa categoria fanno parte, ad esempio, le calcolatrici solari.

Aspetti fisici del fotovoltaico

Effetto fotoelettrico
L’effetto fotoelettrico è stato osservato per la prima volta da Alexandre Edmond Becquerel nel 1839. Questo effetto è legato alla proprietà di alcuni materiali semiconduttori, opportunamente trattati, che riescono ad assorbire fotoni (particelle elementari della radiazione solare caratterizzati da un’energia h*䀀€) rilasciando elettroni; questa conversione può determinare un flusso di corrente elettrica.

Cella fotovoltaica
La cella fotovoltaica (vedi figura 4) è l’elemento di base che costituisce i moduli fotovoltaici nella quale avviene l’effeto fotoelettrico. La cella fotovoltaica è costituita da un sottile strato, di circa tre decimi di mm, di materiale semiconduttore. Quasi sempre tale materiale è il silicio (amorfo o cristallino) che, nonostante non si trovi libero in natura, è l’elemento più diffuso sulla Terra dopo l’ossigeno. La fetta di silicio viene, di norma, intrinsecamente drogata, mediante l’inserimento nella struttura cristallina di atomi di tipo P, solitamente boro, e di atomi di tipo N, spesso fosforo.

Nella zona di contatto tra i due strati a diverso drogaggio (zona di svuotamento), quando la cella è esposta al sole, si generano delle cariche elettriche, in misura tanto maggiore quanto più elevato è l’irraggiamento solare. Attraverso a dei contatti elettrici posti alle estremità superiore ed inferiore della cella è possibile collegare la cella stessa ad un utilizzatore (carico) e così si avrà in esso un flusso di elettroni sotto forma di corrente elettrica continua.

Vedi approfondimenti fisici

Efficienza della cella fotovoltaica
Si caratterizza ogni cella fotovoltaica in base alla sua efficienza che è definita come il rapporto tra la potenza elettrica fornita rispetto all’irraggiamento solare. Tale efficienza è limitata da vari fattori di perdita, quali ad esempio:

• Riflessione dei raggi solari incidenti
• Dispersione degli elettroni inizialmente eccitati dai fotoni che non riescono a produrre corrente elettrica
• Resistenze parassite associate, ad esempio, ai contatti elettrici

Tipologie comuni di celle fotovoltaiche
Ad oggi, nel mercato del fotovoltaico, si possono trovare comunemente tre tipi di cella con caratteristiche differenti in base alla struttura del silicio che la compone:

• Silicio monocristallino: è la cella che ha il rendimento maggiore (compreso tra 13% - 16 %), ma anche il maggior costo. E’ ottenuta partendo dai wafer di silicio purissimo monocristallino
• Silicio policristallino: è la cella costituita da silicio caratterizzato da un grado di purezza inferiore rispetto al silicio monocristallino. Il suo rendimento è leggermente inferiore (11% - 14%) a fronte però di un costo inferiore.
• Silicio amorfo: è la cella costituita da un sottile strato di silicio (film) che viene depositato chimicamente su un supporto. La forma chimica dello strato non è più cristallina. Il rendimento di questo tipo di cella è molto più basso rispetto al silicio cristallino (6%-8%), ma il costo è nettamente il più favorevole.

In generale un’altra caratteristica delle celle fotovoltaiche cristalline è che il loro rendimento si mantiene nel tempo tanto che oggi i costruttori garantiscono che le perdite dei loro prodotti saranno inferiori al 20% dopo 25 anni. Per quanto riguarda le celle di silicio amorfo, invece, si hanno perdite stimabili attorno al 30% nei primi due anni; solo dopo questo periodo il rendimento delle celle amorfe mostra un assestamento quasi costante nel tempo.

Pannelli fotovoltaici
Le celle fotovoltaiche sono quasi sempre di forma quadrata (10 cm di lato), ma con gli spigoli leggermente arrotondati. L’area della cella così composta è di circa 100 cm2 e le sue caratteristiche elettriche a vuoto, cioè in assenza di carico, sono:

• Tensione 䀀€ 0.6 V
• Corrente 䀀€ 2 A
• P_erogata = I*V 䀀€ 1.2 W

La cella costituisce la “mattonella” del pannello; in particolare più celle in serie formano i moduli fotovoltaici (solitamente si cerca di avere moduli da 12 V o da 24 V), mentre l’assemblaggio di più moduli porta alla costituzione dei pannelli fotovoltaici (vedi fig.5).

Caratteristica elettrica di una cella fotovoltaica
La caratteristica elettrica corrente – tensione di una cella fotovoltaica (considerata come un generatore di corrente) esposta ad irraggiamento ha l’andamento stilizzato di figura 6.

La caratteristica I-V delle celle è importante per determinare il punto di lavoro in cui la cella offre massima potenza. In realtà la caratteristica elettrica di figura 6 è influenzata da alcuni fattori esterni, quali ad esempio l’irraggiamento solare e la temperatura di lavoro come mostrato in figura 7. In particolare si nota come la potenza fornita dalla cella cali al diminuire dell’irraggiamento solare e come, invece, il punto di lavoro ottimo si sposti al variare della temperatura. Nella pratica, succede quasi sempre, che si cerchino dei compromessi tra tutti i fattori in gioco.