Fotovoltaico

Gli impianti fotovoltaici consentono di trasformare, direttamente e istantaneamente, l’energia solare in energia elettrica senza l’uso di alcun combustibile. Producono elettricità là dove serve, non richiedono praticamente manutenzione, non danneggiano l’ambiente e offrono il vantaggio di essere costruiti “su misura”, secondo le reali necessità dell’utente.

Il termine “photo” deriva dal greco “phos”, il cui significato è luce, mentre “volt” prende le sue radici da Alessandro Volta (1745-1827), primo a studiare il fenomeno elettrico.

“Fotovoltaico”, viene tradotto letteralmente come “luce-elettrica”.

Il termine viene però anche comunemente usato con il significato di “cella solare”.

Il costo per la realizzazione di un impianto è ancora piuttosto elevato, ma installare un impianto fotovoltaico diventa economicamente conveniente quando intervengono forme di incentivazione finanziaria da parte dello Stato come è avvenuto negli anni passati con il programma “Tetti fotovoltaici” e come sta avvenendo adesso con il “Conto energia”.

La tecnologia fotovoltaica, sfrutta il cosiddetto “effetto fotoelettrico”, cioè la capacità che hanno alcuni semiconduttori opportunamente trattati, “drogati”, di generare elettricità se esposti alla radiazione luminosa.

Conosciuto fin dalla prima metà del XIX secolo, l’effetto fotoelettrico ha visto la sua prima applicazione commerciale nel 1954 quando, nei laboratori della BELL, fu realizzata la prima cella fotovoltaica in silicio monocristallino.

LA RADIAZIONE SOLARE

Il pianeta Terra dista dal Sole circa 150 milioni di chilometri, all’interno del sole, a temperature di alcuni milioni di gradi centigradi, avvengono incessantemente reazioni termonucleari di fusione che liberano enormi quantità di energia sottoforma di radiazioni elettromagnetiche.

Una parte di questa energia, dopo aver attraversato l’atmosfera, arriva al suolo con un’intensità di circa 1.000W/m2 (irraggiamento al suolo in condizioni di giornata serena e Sole a mezzogiorno).

Questo enorme flusso di energia che arriva sulla Terra è pari a circa 15.000 volte l’attuale consumo energetico mondiale.

La quantità di energia solare che arriva sulla superficie terrestre e che può essere utilmente “raccolta” da un dispositivo fotovoltaico dipende dall’irraggiamento del luogo.

L’irraggiamento è, infatti, la quantità di energia solare incidente su una superficie unitaria in un determinato intervallo di tempo, tipicamente un giorno (kWh/m2/giorno).

Il valore istantaneo della radiazione solare incidente sull’unità di superficie viene invece denominato radianza(kW/m2).

L’irraggiamento è influenzato dalle condizioni climatiche locali (nuvolosità, foschia ecc..) e dipende dalla latitudine del luogo, cresce cioè quanto più ci si avvicina all’equatore.

In Italia, l’irraggiamento medio annuale varia dai 3,6kWh/m2/giorno della pianura padana ai 4,7kWh/m2/giorno del centro Sud e ai 5,4kWh/m2/giorno della Sicilia.

Nel nostro paese, quindi, le regioni ideali per lo sviluppo del fotovoltaico sono quelle meridionali e insulari anche se, per la capacità che hanno di sfruttare anche la radiazione diffusa, gli impianti fotovoltaici possono essere installati anche in zone meno soleggiate.

In località favorevoli è possibile raccogliere annualmente circa 2.000kWh da ogni metro quadrato di superficie, il che è l’equivalente energetico di 1,5 barili di petrolio per metro quadrato.

IMPIANTO FOTOVOLTAICO

Un impianto fotovoltaico è essenzialmente costituito da un “generatore”, da un “sistema di condizionamento e controllo della potenza” e da un eventuale “accumulatore” di energia, la batteria, e naturalmente dalla struttura di sostegno.

IL GENERATORE FOTOVOLTAICO

Il componente elementare di un generatore fotovoltaico è la cella. È lì che avviene la conversione della radiazione solare in corrente elettrica.

Essa è costituita da una sottile fetta di un materiale semiconduttore, quasi sempre silicio opportunamente trattato, dello spessore di circa 0,3mm. Può essere rotonda o quadrata e può avere una superficie compresa tra i 100 e i 225cm2.

La cella si comporta come una minuscola batteria e nelle condizioni di soleggiamento tipiche dell’Italia (1kW/m2), alla temperatura di 25°C fornisce una corrente di 3A, con una tensione di 0,5V e una potenza pari a 1,5-1,7Wp In commercio troviamo i moduli fotovoltaici che sono costituiti da un insieme di celle.

I più diffusi sono costituiti da 36 celle disposte su 4 file parallele collegate in serie. Hanno superfici che variano da 0,5 a 1m2 e permettono l’accoppiamento con gli accumulatori da 12Vcc nominali.fotovoltaico_1

Più moduli collegati in serie formano un pannello, ovvero una struttura comune ancorabile al suolo o ad un edificio.

Più pannelli collegati in serie costituiscono una stringa.

Più stringhe, collegate generalmente in parallelo per fornire la potenza richiesta, costituiscono il generatore fotovoltaico. (fonte Enea)

Dal punto di vista elettrico non ci sono praticamente limiti alla produzione di potenza da sistemi fotovoltaici, perché il collegamento in parallelo di più file di moduli, le “stringhe”, consente di ottenere potenze elettriche di qualunque valore. Il trasferimento dell’energia dal sistema fotovoltaico all’utenza avviene attraverso ulteriori dispositivi necessari a trasformare la corrente continua prodotta in corrente alterna, adattandola alle esigenze dell’utenza finale.

IL SISTEMA DI CONDIZIONAMENTO E CONTROLLO DELLA POTENZA

È costituito da un inverter, che trasforma la corrente continua prodotta dai moduli in corrente alternata; da un trasformatore e da un sistema di rifasamento e filtraggio che garantisce la qualità della potenza in uscita. Trasformatore e sistema di filtraggio sono normalmente inseriti all’interno dell’inverter.

È chiaro che il generatore fotovoltaico funziona solo in presenza di luce solare.

L’alternanza giorno/notte, il ciclo delle stagioni, le variazioni delle condizioni meteorologiche fanno sì che la quantità di energia elettrica prodotta da un sistema fotovoltaico non sia costante né al variare delle ore del giorno, né ne al variare dei mesi dell’anno. Ciò significa che, nel caso in cui si voglia dare la completa autonomia all’utenza, occorrerà o collegare gli impianti alla rete elettrica di distribuzione nazionale o utilizzare dei sistemi di accumulo dell’energia elettrica che la rendano disponibile nelle ore di soleggiamento insufficiente.

LE APPLICAZIONE DEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI

Gli impianti fotovoltaici sono dunque sistemi che convertono l’energia solare direttamente in energia elettrica.

Le potenze generate da questi dispositivi variano da pochi a diverse decine di Watt, a seconda delle dimensioni e delle tecnologie adottate.

Secondo il tipo di applicazione a cui l’impianto è destinato, le condizioni di installazione, le scelte impiantistiche, il grado di integrazione nella struttura edilizia con cui si interfaccia, si distinguono due tipologie di impianto.

IMPIANTI ISOLATI (STAND-ALONE)

Sono impianti non collegati alla rete elettrica e sono costituiti dai moduli fotovoltaici, dal regolatore di carica e da un sistema di batterie che garantisce l’erogazione di corrente anche nelle ore di minore illuminazione o di buio. La corrente generata dall’impianto fotovoltaico è una corrente continua. Se l’utenza è costituita da apparecchiature che prevedono una alimentazione in corrente alternata è necessario anche un convertitore, l’inverter.

Questi impianti risultano tecnicamente ed economicamente vantaggiosi nei casi in cui la rete elettrica è assente o difficilmente raggiungibile. Infatti, spesso sostituiscono i gruppi elettrogeni.

In Italia sono stati realizzati molti impianti fotovoltaici di elettrificazione rurale e montana soprattutto nel Sud, nelle isole e sull’arco alpino.

Attualmente le applicazioni più diffuse servono ad alimentare:

  • apparecchiature per il pompaggio dell’acqua, soprattutto in agricoltura;
  • ripetitori radio, stazioni di rilevamento e trasmissione dati (meteorologici e sismici), apparecchi telefonici;
  • apparecchi di refrigerazione, specie per il trasporto medicinali;
  • sistemi di illuminazione;
  • segnaletica sulle strade, nei porti e negli aeroporti;
  • alimentazione dei servizi nei camper;
  • impianti pubblicitari, ecc.

IMPIANTI COLLEGATI ALLA RETE (GRID-CONNECTED)

Sono impianti stabilmente collegati alla rete elettrica. Nelle ore in cui il generatore fotovoltaico non è in grado di produrre l’energia necessaria a coprire la domanda di elettricità, la rete fornisce l’energia richiesta. Viceversa, se il sistema fotovoltaico produce energia elettrica in più, il surplus può essere trasferito alla rete o accumulato. Un inverter trasforma la corrente continua prodotta dal sistema fotovoltaico in corrente alternata.

I sistemi connessi alla rete, ovviamente, non hanno bisogno di batterie perché la rete di distribuzione sopperisce alla fornitura di energia elettrica nei momenti di indisponibilità della radiazione solare.

Grazie agli incentivi pubblici, questa soluzione si và sempre più diffondendo, realizzando numerosi impianti con potenze tra 1,5 e 3 KWp., i quali contribuiscono a soddisfare la domanda di energia elettrica degli utenti.

ENERGIA PRODOTTA DA UN  IMPIANTO FOTOVOLTAICO

La quantità di energia prodotta da un generatore fotovoltaico varia nel corso dell’anno e dipende da una serie di fattori come la latitudine e l’altitudine del sito, l’orientamento e l’inclinazione della superficie dei moduli, e le caratteristiche di assorbimento e riflessività del territorio circostante.

A titolo indicativo alle latitudini dell’Italia centro-meridionale un metro quadrato di moduli può produrre in media 0,3-0,4kWh al giorno nel periodo invernale, e 0,6-0,8kWh in quello estivo.

La tabella seguente dà un’indicazione di massima della “capacità produttiva” di un impianto fotovoltaico connesso alla rete.

Sono indicati, per tre localizzazioni diverse, i kWh elettrici generati mediamente in un anno e immessi in rete, per ogni metro quadrato di moduli in silicio monocristallino e in silicio policristallino, per un impianto di potenza nominale pari ad 1kWp (si tenga conto che esso corrisponde a circa 8m2 di moduli in silicio cristallino e a 10m2 di quelli in silicio policristallino).

 

CAPACITÀ PRODUTTIVA DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO

Localizzazione dell’impianto

Moduli in silicio monocristallino

Moduli in silicio policristallino

Energia utile per 1 KWp installato

kWh/(m2 anno)

kWh/(m2 anno)

kWh/(kWp anno)

NORD

150

130

1080

CENTRO

190

160

1350

SUD

210

180

1500

POSIZIONAMENTO DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO

Per ottenere la massima produzione di energia, in fase di progettazione di un impianto, bisogna studiare l’irraggiamento e l’insolazione del sito. Questo consente di decidere l’inclinazione e l’orientamento della superficie del dispositivo captante.

Per la latitudine del nostro Paese, la posizione ottimale della superficie del pannello risulta quella a copertura dell’edificio con esposizione a Sud e con un angolo di inclinazione di circa 20-30° rispetto al piano orizzontale. Ma anche la disposizione sul piano verticale del palazzo, cioè in facciata, riesce a conseguire ottimi risultati. L’importante è, naturalmente, posizionare il pannello in modo da evitare zone d’ombra.

DIMENSIONI E COSTI

La dimensione dell’impianto sarà funzione dell’energia richiesta. Questa determinerà, la potenza da installare, il numero di moduli necessari, il costo del sistema e il costo del kilowattora elettrico generato. Per confrontare i costi tra l’energia prodotta tra la fonte solare e quella tradizionale, bisognerebbe parlare di “valore” dell’energia piuttosto che di costo: il kWh prodotto con la fonte fotovoltaica non ha la stessa qualità di quello prodotto con le fonti convenzionali. La produzione di elettricità da impianti termoelettrici tradizionali, infatti, è gravata da un costo nascosto che viene pagato, spesso inconsapevolmente, dalla collettività.

Bisogna infatti tener conto dei danni sociali e ambientali che le forme tradizionali di generazione energetica comportano, che sono difficilmente monetizzabili, ma che meritano una più adeguata considerazione.

I costi di un impianto fotovoltaico sono anche fortemente dipendenti dal tipo di applicazione e d’installazione, e sono in continua evoluzione.

Ad esempio, il costo di realizzazione, chiavi in mano, di un impianto fotovoltaico connesso alla rete può essere stimato nell’ordine dei 2.000 – 3.000€/kWp., dove il valore superiore si riferisce ad impianti di piccola taglia e quello inferiore a quelli di taglia elevata.

I BENEFICI AMBIENTALI

L’energia elettrica prodotta con il fotovoltaico ha un costo nullo per combustibile: per ogni kWh prodotto si risparmiano circa 250 grammi di olio combustibile e si evita l’emissione di circa 700 grammi di CO2, nonché di altri gas responsabili dell’effetto serra, con un sicuro vantaggio economico e soprattutto ambientale per la collettività.

Si può valutare in 30 anni la vita utile di un impianto (ma molto probabilmente essi dureranno molto di più); il che significa che un piccolo impianto da 1,5kWp, in grado di coprire i due terzi del fabbisogno annuo di energia elettrica di una famiglia media italiana (2.500kWh), produrrà, nell’arco della sua vita efficace, quasi 60.000kWh, con un risparmio di circa 14 tonnellate di combustibili fossili, evitando l’emissione di circa 40 tonnellate di CO2.

ALCUNE RACCOMANDAZIONI

Realizzare un impianto fotovoltaico non è troppo complesso, ma è un lavoro che va affidato a degli specialisti. È utile comunque conoscere alcune prescrizioni e raccomandazioni cui attenersi nelle fasi di progettazione e poi di messa in opera.

Le strutture di supporto devono essere realizzate in modo da durare almeno quanto l’impianto, cioè 25-30 anni e devono essere montate in modo da permettere un facile accesso ai moduli per la sostituzione e la pulizia, e alle scatole di giunzione elettrica, per l’ispezione e la manutenzione.

Esse devono, altresì, garantire la resistenza alla corrosione e al vento.

I generatori fotovoltaici collocati sui tetti e sulle coperture non devono interferire con l’impermeabilizzazione e la coibentazione delle superfici e in alcuni casi possono richiedere la creazione di passerelle fisse o mobili.

Fra i moduli è necessario interporre uno spazio vuoto, da un minimo di 5 mm, per i generatori posti parallelamente e a poca distanza da altre superfici fisse, fino a 5cm, per i generatori sui quali la pressione del vento può raggiungere valori elevati.

In caso di montaggio dei moduli su tetti o su facciate, è indispensabile che fra i moduli e la superficie rimanga uno spazio (4-6cm) tale da assicurare una buona circolazione d’aria e quindi un buon raffreddamento della superficie del modulo.

I cavi elettrici e le scatole di derivazione e d’interconnessione devono essere di dimensione idonea, rispondenti alle norme elettriche e assicurare il prescritto grado di isolamento, di protezione e di impermeabilizzazione richiesto.

LA MANUTENZIONE

La manutenzione di un impianto fotovoltaico è riconducibile a quella di un impianto elettrico.

I moduli, che rappresentano la parte attiva dell’impianto che converte la radiazione solare in energia elettrica sono costituiti da materiali praticamente inattaccabili dagli agenti atmosferici, come è dimostrato da esperienze in campo ed in laboratorio.

È consigliabile eseguire con cadenza annuale un’ispezione visiva, volta a verificare l’integrità del vetro che incapsula le celle fotovoltaiche costituenti il modulo.

Per la parte elettrica è necessario eseguire una verifica, con cadenza annuale, dell’isolamento dell’impianto verso terra, della continuità elettrica dei circuiti di stringa e del corretto funzionamento dell’inverter.

GLI INCENTIVI STATALI

Già da qualche anno il governo italiano promuove la diffusione della tecnologia fotovoltaica attraverso un sistema di incentivi finanziari.

Ricordiamo il Programma Tetti Fotovoltaici (2001-2003) che ha erogato contributi in conto capitale per la costruzione di impianti fotovoltaici di piccola potenza (da 1 a 50kWp) collegati alla rete elettrica.

Col decreto interministeriale del 28 luglio 2005 il Conto Energia” che prevedeva un contributo per la costruzione dell’impianto fotovoltaico e una remunerazione dei kWh prodotti a un prezzo superiore a quello di mercato per un periodo di 20 anni.

In questo momento li incettivo che si può ottenere installando un impianto fotovoltaico è quello della detrazione fiscale del 50% sull’IRPEF in dieci anni.