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Solare fotovoltaico


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LA CONVERSIONE FOTOVOLTAICA

Una tecnica molto promettente di produzione diretta di energia elettrica è la conversione fotovoltaica, che consente ditrasformare l’energia solare in elettricità ed è resa possibile dalla proprietà di alcuni materiali, detti semiconduttori, di generare energia elettrica quando sono colpiti dalla radiazione solare.
I semiconduttori sono materiali che possono comportarsi sia da conduttori sia da isolanti. I più noti sono il silicio e il germanio, i cui atomi sono dotati di quattro elettroni sull’ultima orbita. Per aumentare la conducibilità di un semi conduttore si introducono al suo interno delle “impurità” (atomi di altri elementi): questa operazione prende il nome di drogaggio del semiconduttore. Introducendo, per esempio, in un cristallo di silicio un certo numero di atomi di arsenico; ognuno di essi tende a stabilire cinque legami con gli atomi vicini, ma solo quattro elettroni si combinano con gli atomi di silicio; resta quindi libero un elettrone che costituisce un portatore di carica negativa. Un cristallo cosi costituito prende il nome di semiconduttore tipo N perché in esso la conduzione è dovuta principalmente alle cariche negative, cioè agli elettroni. Se nel cristallo di silicio si introducono invece atomi di boro, questi tendono a stabilire solo tre legami con gli atomi vicini; resta quindi un “buco”, o, come si dice, una lacuna, che gli elettroni degli atomi vicini tenderanno a riempire, spostandosi e lasciando a loro volta altre lacune, che verranno riempite da altri elettroni e cosi via. In questo modo si determina una corrente di lacune in senso opposto al movimento degli elettroni. Un cristallo cosi preparato viene detto semiconduttore di tipo P perché in esso la conduzione è dovuta prevalentemente al moto delle lacune (cariche positive).
Quando un semi conduttore di tipo N viene messo a contatto con uno di tipo P si ottiene una giunzione P-N. A causa del moto di agitazione termica gli elettroni di conduzione diffondono attraverso la giunzione dal semi conduttore di tipo N a quello di tipo P, mentre le lacune diffondono nel verso opposto. In prossimità della giunzione si forma un eccesso di cariche negative nel semi conduttore P e di cariche positive nel semi conduttore N. Tra i due semiconduttori si crea intenso campo elettrico che impedisce la successiva diffusione di elettroni e lacune. Un’applicazione importante dei semiconduttori è il diodo a semiconduttore, formato da una giunzione P-N e utilizzato nei circuiti per permettere il passaggio della corrente solo in un verso; infatti se il diodo è collegato ad un generatore, permette o impedisce il passaggio della corrente a seconda della direzione di passaggio della corrente.

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LE CELLE FOTOVOLTAICHE

Questa trasformazione diretta dell’energia solare in energia elettrica avviene all’interno di unità elementari dette celle fotovoltaiche (celle FV) nelle quali l’energia solare si converte in corrente continua. Collegando opportunamente un numero sufficientemente grande di celle è possibile ottenere una quantità di energia elettrica rilevante che puo’ essere accumulata in un pacco di batterie per l’accumulo,per essere poi utilizzata in assenza di soleggiamento. Dalla batterie l’energia puo’essere utilizzata direttamente per alimentare carichi in corrente continua, in utenze isolate dalla rete elettrica pubblica (rifugi montani, baite, fari marittimi, segnalatori pubblici). Oppure puo’ essere collegata a un convertitore (inverter) che la trasforma in corrente alternata, sempre per utilizzi disconnessi dalla rete o connessa alla rete elettrica pubblica (grid connected).
Un diodo (diodo di blocco) inserito sul circuito elettrico evita lo scaricamento della batteria quando, in assenza di luce, la cella FV si trasforma in un elemento passivo che assorbe energia anziché generarla.
Per ottenere quantità di energia elettrica apprezzabili è necessario disporre di un gran numero di celle, riunite in pannelli fotovoltaici.

Le celle fotovoltaiche sono costituite da strati di materiale di spessore estremamente ridotto, di forma e dimensioni variabili, le cui superfici interne sono trattate in modo da consentire il collegamento elettrico. Il materiale più utilizzato per la realizzazione delle celle fotovoltaiche è il silicio, che viene prodotto nei tipi monocristallino, policristallino o amorfo, ma sono in fase di sperimentazione altri materiali più economici come ad esempio il tellururo di cadmio (CdTe) oppure il “Diseleniuro di Rame e Indio” (CIS) che possono essere stesi in “film sottili” a bassissimo costo industriale .
Altro materiale non tradizionale è l’Arseniuro di Gallio (GaAs) in grado di assicurare rendimenti elevatissimi che viene impiegato soprattutto per applicazioni militari o scientifiche avanzate (come missioni spaziali). Il costo proibitivo del materiale monocristallino, a partire dal quale sono realizzate le celle, lo ha destinato ad un impiego di nicchia.

Per ottimizzare la captazione delle radiazioni solari, la parte esposta al sole delle celle FV è di solito rivestita con uno strato riflettente (ossido di titanio) che conferisce alla superficie un colore bluastro.
Il rendimento di una cella fotovoltaica, cioè il rapporto tra l’energia elettrica prodotta e l’energia luminosa incidente, varia secondo i tipi dal 6%(silicio amorfo a “film sottile”) al 18% (silicio monocristallino combinato con strati di silicio amorfo). I massimi rendimenti raggiunti oggi in laboratorio sono dell’ordine del 40%. Le cause principali di questo “basso” rendimento sono:

  • le celle sono sensibili solo a determinate lunghezza d’onda dello spettro solare;
  • parte dell’energia solare viene trasformata in calore che, oltre a danneggiare la cella, ne riduce il rendimento;
  • parte della radiazione viene riflessa;
  • i collegamenti elettrici tra le celle introducono una resistenza che dissipa energia.

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PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO

Una cella fotovoltaica esposta alla radiazione solare si comporta come un generatore di corrente continua con una curva caratteristica tensione/corrente che dipende fondamentalmente dalla intensità della radiazione solare, dalla temperatura e dalla superficie.
Le celle sono generalmente di forma quadrata (o leggermente arrotondata negli spigoli in base al processo produttivo) con superficie di circa a 100 cm2 . Si comportano come minuscoli generatori elementari a corrente continua fino a una tensione che in prima approssimazione è vicina alla tensione di massima potenza, producendo, nelle condizioni di soleggiamento tipiche italiane, una corrente di 3A (Ampère) con una tensione di 0.5 V (Volt), quindi una potenza di 1.5 W (Watt).
Questo valore di tensione, minore di quello necessario per il funzionamento della maggior parte delle apparecchiature elettriche, può essere aumentato collegando tra loro più celle in serie che, in questo modo, costituiscono un modulo. Storicamente i moduli erano costituiti da 36 celle collegate in serie per generare una tensione di picco di 18 V necessaria per alimentare batterie standard a 12 V. Tali moduli hanno indicativamente una superficie di circa mezzo metro quadrato ed erogano, in condizioni ottimali, tra i 40 e 50 W. Attualmente questa configurazione standard è stata ampiamente superata, per cui in commercio è facile trovare moduli con oltre 90 celle e potenze di 220/230 Wp (potenza di picco in condizioni standard).
La potenza erogata dal pannello è proporzionale all’energia solare intercettata, a parità di altri parametri e cresce ovviamente con l’aumentare della superficie ossia del numero di celle. L’aumentare della temperatura ha invece effetto negativo, nel senso che al crescere della medesima la tensione e la corrente erogata (e conseguentemente la potenza di picco istantanea) diminuiscono. In altri termini, il riscaldamento del pannello nel funzionamento estivo ne diminuisce la “resa energetica”andando a contrastare il maggior irraggiamento. Il surriscaldamento dei pannelli solari è anche una delle cause della progressiva perdita di efficienza valutabile in circa 0,8% annuo per il silicio mono e policristallino corrispondente a una perdita di efficienza, cioè perdita di potenza istantanea erogata, massima del 20% dopo 25 anni (come garantito dai buoni produttori).

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MODULI E IMPIANTI FOTOVOLTAICI

Per raggiungere livelli di potenza elettrica tali da rendere conveniente il ricorso al sistema fotovoltaico, occorre raggruppare i moduli collegandoli in serie in numero sufficientemente elevato in modo da creare una cosiddetta “stringa” di moduli. Un insieme di stringhe collegate elettricamente tra loro in serie e/o in parallelo costituiscono il cosiddetto “campo” fotovoltaico. Il campo fotovoltaico così connesso costituisce l’elemento base dell’ impianto fotovoltaico.
Gli impianti possono essere impiegati in forma autonoma, per servire utenze isolate (impianti stand-alone), come l’alimentazione della rete radiotelefonica di emergenza lungo le strade, la fornitura di energia elettrica a rifugi alpini, edifici isolati in montagna, fari su piccole isole ecc. . In questo caso l’energia elettrica viene immagazzinata in pacchi di batterie opportunamente dimensionati per garantire l’autonomia di funzionamento delle utenze nelle ore notturne o quando le condizioni atmosferiche impediscono la generazione elettrica. La corrente può essere erogata in forma continua , prelevandola direttamente dalle batterie o in forma alternata nel qual caso e necessario un convertitore ( inverter). L’altra modalità di impiego è il collegamento alla rete elettrica pubblica (impianti grid-connected ), nel qual caso è indispensabile garantire la presenza dell’inverter, che deve essere certificato dall’ENEL per essere connesso in sicurezza. In quest’ultimo caso avviene un vero e proprio scambio di energia con l’ENEL che funziona come un “serbatoio di energia” che compra l’energia prodotta oppure effettua un vero e proprio scambio, detto “scambio sul posto”, tra l’energia eventualmente prodotta in eccesso e non consumata al momento e quella prelevata, ad esempio nelle ore notturne quando l’impianto non produce.
La potenza massima ipoteticamente raggiungibile non ha limiti, per cui esistono vere e proprie centrali fotovoltaiche con potenze dell’ordine di svariati MW.

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VANTAGGI E SVANTAGGI

I vantaggi più significativi del sistema fotovoltaico sono: buone caratteristiche di semplicità e affidabilità, assenza di inquinamento (il fotovoltaico è la fonte di energia “rinnovabile” piu’ promettente insieme all’eolico) o rumore, discreta facilità di manutenzione, autogestione e possibilità di generare l’energia elettrica in modalità “distribuita” ossia vicino alle utenze, minimizzando al massimo le perdite di distribuzione dei sistemi centralizzati.
Convenzionalmente, considerando che la produzione di energia elettrica da sistema fotovoltaico sostituisce integralmente la produzione da fonte termoelettrica, la produzione di energia elettrica di 1 Kwp di pannelli consente il risparmio di 0,826 t/anno di CO2 e di 1,8 Kg/anno di ossidi di azoto NOx.
Per contro i pannelli fotovoltaici sono attualmente ancora molto costosi e hanno una efficienza di conversione bassa che rende costoso il costo unitario dell’energia prodotta in confronto ad altre modalità. La loro installazione richiede ampie aree, distanti da alberi o altri ostacoli alla radiazione solare ed è fortemente limitata all’orientamento verso direzione sud che garantisca adeguato irraggiamento durante il giorno in tutte le stagioni.

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CENNI SU COSTI E DIMENSIONAMENTO

A titolo del tutto esemplificativo diamo un cenno al dimensionamento e al costo di un impianto medio per una abitazione unifamiliare, considerando l’installazione sulla falda del tetto dei moduli nella configurazione parzialmente integrata cioè sopra la copertura esistente, con connessione alla rete elettrica pubblica ossia in regime di “scambio sul posto”. Il dimensionamento si basa fondamentalmente sul consumo medio annuo dell’utenza, sulla latitudine di posizionamento (Italia nord, centro o sud), sull’orientamento del tetto rispetto alla direzione sud (azimut) e sull’inclinazione della falda di posa (tilt).
Considerando una localizzazione nell’Italia del nord (esempio Torino) la produttività annua massima si ha con tilt=35° e azimut=0° ossia allineati verso sud. Variazioni di tilt di +/- 10° riducono la produttività di meno del 2%. Analogamente, a parità di tilt, direzioni di orientamento sud-est o sud-ovest con angolo di 35-40° sono del tutto accettabili comportando riduzioni di produttività del 3-4%. Sono assolutamente sconsigliati orientamenti in direzione est/ovest perché comportano perdite di produttività dell’ordine del 20-22 %, da considerare come riduzione nei conti economici della tariffa incentivante o come incremento della superficie dell’impianto per arrivare alla produttività richiesta sulla base dei consumi. Paradossalmente angoli di tilt molto basso (ad esempio 5° come si ha nei capannoni industriali) sono meno sensibili alla direzione di orientamento in quanto si avvicinano alla posa complanare su tetto piano: la riduzione di produttività in questo caso è dell’ordine del 12-15% rispetto alla produttività massima.
Fatte queste considerazioni preliminari, il dimensionamento va fatto partendo dal consumo medio annuo come ricavato dalle bollette elettriche. Alle latitudini dell’Italia settentrionale ogni Kwp di impianto produce nell’arco di un anno circa 1200 Kwh di energia elettrica nelle condizioni ideali sopra descritte. Quindi ad esempio se una famiglia consuma nell’arco dei 12 mesi 3000 Kwh (consumo medio delle famiglie italiane) avrà bisogno di un impianto di circa 2,5 Kwp (3000/1200). Poiché ogni Kwp con la tecnologia migliore (silicio mono o policristallino) occupa circa 8 m2 di superficie della falda, saranno necessari, in totale, circa 20 m2. Il costo indicativo di un tale impianto è di circa 7000 – 7500 €/kwp IVA compresa (piu’ è grosso l’impianto minori sono i costi unitari) per cui il costo totale “tutto compreso” di un tale impianto può variare tra 17500 e 19000 €. La progettazione dell’impianto avrà il compito di valutare eventuali perdite di produttività, dovute ad esempio a configurazioni non ideali del sito oppure ad ombreggiamenti per ostacoli vicini (altre abitazioni, piante etc.) o lontani (ad esempio per presenza di colline etc.).

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CENNI SU GUADAGNI DA INCENTIVO E RISPARMI IN BOLLETTA. CONFRONTO CON SOLARE TERMICO

Un impianto delle dimensioni sopra dette consente quindi di risparmiare il costo della bolletta annuale dell’energia elettrica pari a circa 540 € (considerando un costo medio dell’energia di 0,18 €/kwh si ha 0,18×3000) e di fruire di un incentivo (si veda sezione sul “conto energia”) pari a circa 0,44×3000 =1320 € all’anno (0,44 incentivo per impianto “parzialmente integrato” con potenza compresa tra 1 e 3 Kwp). I costi di installazione in definitiva possono essere ripagati in circa 11 anni se si paga l’impianto con propri fondi. In alternativa si può ricorrere a dei prestiti bancari che, se limitati a circa l’80% dell’investimento richiesto, consentono in 14-15 anni di rientrare del prestito semplicemente ripagandolo con l’incentivo sull’energia prodotta (pratica di “cessione del credito” dell’incentivo) senza ulteriore esborso di denaro.
Poiché la tariffa incentivante viene riconosciuta per 20 anni, in ogni caso una volta che l’impianto è stato ripagato (cioè al piu’ tardi dopo i 14-15 anni) l’incentivo e il risparmio sui costi sono integralmente fruibili.
A titolo di confronto un impianto solare termico dimensionato per la produzione di sola acqua calda sanitaria per una famiglia di 4 persone, anche se ha costi iniziali piu’ bassi, ha tempi di ritorno dell’investimento che sono variabili da 4 a 9 anni (e quindi relativamente comparabili con il fotovoltaico), poichè consente risparmi annui che variano tra 250€ (nel caso si vada a sostituire la produzione di una caldaietta istantanea a gas) e 600€ (nel caso si sostituisca un boiler elettrico). Considerando un impianto con 2 pannelli termici per totale di 4 m2 a circolazione forzata (adatto alle esigenze di una famiglia di 4 persone) la spesa per l’investimento è infatti di circa 5000€ (che con la detrazione IRPEF del 55% diventano 2250 €). Al termine della fase iniziale, dopo che ci si è ripagato l’investimento, il risparmio rimane però fondamentalmente costante e inferiore alla somma del risparmio sulla bolletta elettrica piu’ l’incentivo del “conto energia”.

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