Impianto fotovoltaico: cos’è, come funziona e quali sono i vantaggi

Impianto fotovoltaico: cos’è. La guida di base per comprendere come funziona un impianto di generazione e quali sono i vantaggi per installazioni residenziali

In questo primo focus sugli impianti fotovoltaici analizziamo i principi e i concetti di base, partendo dall’effetto fotovoltaico fino a definire le tipologie di impianti.

Nei focus successivi, analizzeremo i componenti di un impianto fotovoltaico e gli altri concetti fondamentali per la corretta progettazione dell’impianto.

Silicio ed effetto fotovoltaico

L’effetto fotovoltaico è un fenomeno naturale che avviene nel momento in cui la radiazione solare passa attraverso un materiale semiconduttore, come ad esempio il silicio cristallino.

Quando la struttura di un cristallo di semiconduttore silicio trattato con opportuni materiali (drogato) viene colpito dalla luce del sole (radiazione elettromagnetica incidente), questa in parte viene riflessa, in parte si trasforma in calore e in parte è energia sufficiente per rompere legami nella struttura cristallina e produrre spostamento di carica (negativa elettroni e positiva lacune) al suo interno.

La luce solare è composta di particelle di energia dette fotoni. Quando i fotoni colpiscono il materiale semiconduttore della cella fotovoltaica, una parte di energia viene riflessa, una parte si trasforma in calore e un’ultima parte provoca uno spostamento degli elettroni degli atomi nel materiale semiconduttore.

L’energia del flusso di fotoni libera un certo numero di elettroni. Gli elettroni spostati nella struttura atomica del semiconduttore iniziano a scorrere, producendo una corrente elettrica nel corpo del semiconduttore.

La corrente elettrica risulta proporzionale sia alla superficie della cella sia alla intensità della radiazione solare. In linea generale, una cella quadrata di lato 10 cm, esposta a raggi solari che la colpiscono perpendicolarmente, in condizioni di luce piena , è in grado di erogare una potenza elettrica di circa 1,3 W con una tensione di 0,5 V.

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Le applicazioni dell’energia fotovoltaica richiedono per la maggior parte caratteristiche di potenza, corrente e tensione piuttosto elevate, e queste sono ottenibili usando più celle contemporaneamente, collegate in serie o in parallelo.

Quindi varie celle vengono assemblate in una struttura, che è il modulo fotovoltaico.

Naturalmente nei moduli fotovoltaici per ottenere tensioni più elevate vengono sfruttati i collegamenti tipo serie o parallelo tra più celle elementari fotovoltaiche.

In particolare, l’insieme di più celle forma un modulo; più moduli assemblati in una struttura comune danno vita al pannello. Più pannelli collegato in serie formano una stringa e l’insieme di stringhe costituisce il generatore fotovoltaico.

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Il silicio è un elemento presente in natura in quantità elevatissime: dopo l’ossigeno è il secondo elemento più diffuso sulla superficie terrestre.

In base alla sua struttura cristallina, il silicio può essere:

  • silicio monocristallino
  • silicio policristallino
  • silicio amorfo

Silicio monocristallino

Il silicio monocristallino è il materiale di base dell’industria elettronica. È costituito da un cristallo singolo di silicio che ha un reticolo cristallino continuo senza alcuna interruzione. Può essere intrinseco, cioè contenente solo silicio puro o contaminato da piccolissime quantità di altri elementi che permettono di modificare in modo controllato le sue proprietà di semiconduttore.

Silicio policristallino

Il silicio policristallino (o polisilicio) è un materiale costituito da cristalli di silicio disallineati (policristallo).

Trova notevoli applicazioni in elettronica ed è utilizzato per la realizzazione di pannelli fotovoltaici.

Silicio amorfo

Il silicio amorfo è la forma allotropica non cristallina del silicio.

Nel silicio cristallino la struttura tetraedrica si ripete su larga scala a formare un reticolo cristallino ordinato. Nel silicio amorfo questo ordine a lungo raggio non è presente e gli atomi formano un reticolo disordinato e continuo.

Uno dei principali vantaggi del silicio amorfo rispetto a quello cristallino sta nella tecnica di produzione che è più semplice.

Cos’è un impianto fotovoltaico

Un impianto fotovoltaico è un sistema che sfrutta le radiazioni solari per generare corrente elettrica continua tramite l’effetto fotovoltaico.

Collegando poi in serie/parallelo un insieme di questi moduli fotovoltaici si ottiene un generatore fotovoltaico con le caratteristiche di corrente e tensione desiderate. Quindi caratteristica essenziale dei sistemi fotovoltaici è la loro modularità, che consente una grande flessibilità di impiego.

In una prima fase viene generata corrente di tipo continuo che poi viene trasformata in alternata mediante un inverter.

Tale corrente può essere utilizzata per alimentare apparecchi elettrici o immessa in rete.

Si hanno dunque 2 tipi principali di impianti fotovoltaici:

  1. gli impianti isolati
  2. gli impianti integrati alla rete elettrica

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Impianti isolati (stand alone)

Gli impianti isolati sono sistemi autonomi normalmente utilizzati per elettrificare le utenze difficilmente collegabili alla rete perché situate in aree poco accessibili, oppure le utenze con bassissimi consumi di energia, che non rendono conveniente il costo dell’allacciamento.

Un impianto isolato è caratterizzato dalla necessità di coprire la totalità della domanda energetica dell’utenza. Gli elementi che lo costituiscono sono:

  • moduli fotovoltaici
  • regolatore di carica
  • sistema di accumulo (batterie)
  • inverter

Questi impianti risultano economicamente vantaggiosi nei casi in cui la rete elettrica sia assente o difficilmente raggiungibile.

Sistemi connessi alla rete (grid connected)

I sistemi fotovoltaici connessi alla rete possono scambiare energia elettrica con la rete elettrica.

Lo scambio può avvenire in due direzioni: se la produzione del campo foto voltaico eccede per un certo periodo il consumo, l’eccedenza viene immessa in rete. Nelle ore in cui il generatore non fornisce energia elettrica sufficiente per soddisfare le utenze, l’energia è prelevata dalla rete. In genere sono presenti due contatori che contabilizzano l’energia scambiata nelle due direzioni. E’ comunque presente un inverter che 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.

Tipologia di pannelli fotovoltaici

I pannelli fotovoltaici possono essere di tre tipi, in funzione della tipologia di silicio adottata:

  • Pannelli fotovoltaici monocristallini
  • Pannelli fotovoltaici policristallini
  • Pannelli amorfi

Pannelli fotovoltaici monocristallini

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I pannelli fotovoltaici monocristallini sono costituiti da celle omogenee di silicio, tagliate da lingotti estratti in natura. Questa tipologia presenta un costo più elevato, in quanto il costo del silicio allo stato libero è maggiore. Di solito i pannelli monocristallini hanno i rendimenti maggiori a parità di superficie.

Pannelli fotovoltaici policristallini

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I pannelli fotovoltaici policristallini sono, invece, generati dagli scarti del taglio dei lingotti monocristallini. È un silicio meno omogeneo, di prestazioni un po’ inferiori, ma di costo più contenuto.

Pannelli amorfi

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I pannelli in silicio amorfo sono costituiti da una lastra trasparente di silicio amorfo (privo di struttura) trattato chimicamente per aumentare la conducibilità. Per questo motivo, sono la soluzione più economica tra i pannelli fotovoltaici, ma presentano un basso rendimento termico.

Caratteristiche dei moduli fotovoltaici

I moduli FV sono contraddistinti spesso in base a:

  1. fabbisogno di superficie per kWp di potenza
  2. grado di rendimento del modulo
  3. rendimento specifico annuo

Il fabbisogno di superficie esprime la superficie necessaria per generare la potenza di un kWp

Il grado di rendimento del modulo è il rapporto tra la potenza elettrica prodotta da un modulo FV e la potenza irraggiata dal sole, in condizioni di test standard. Tale parametro da solo non è sufficiente per determinare la reale efficienza di un modulo FV in quanto
si riferisce a condizioni di test standard che solo raramente si verificano durante il funzionamento dell’impianto FV.

Il rendimento specifico annuo fornisce informazioni sulla quantità di energia che 1 kWp di potenza dell’impianto produce alle reali condizioni climatiche del sito.

Di seguito proponiamo una tabella con i valori medi di queste 3 grandezze in base alla tipologia del modulo.

Tipo di modulo Superficie FV necessaria per 1 kWp Grado di rendimento del modulo Rendimento energetico annuo
Moduli monocristallini 5-7,5 m² 14-18% 850-1150 kWh/kWp
Moduli policristallini 6-9 m² 12-15% 850-1100 kWh/kWp
Moduli in silicio amorfo 12-24 m² 6-8 % 900-1150 kWh/kWp

Nei prossimi focus analizzeremo in dettaglio i componenti di un impianto fotovoltaico.

 

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