Solare fotovoltaico

L'irraggiamento, come già visto nella pagina dedicata alla diffusione del calore nelle murature, è una delle tre modalità di trasmissione dell'energia tra i corpi.

 

L’irraggiamento solare è una forma di trasmissione di energia associata alla radiazione elettromagnetica che dal Sole raggiunge la Terra.

 

L'effetto fotovoltaico è, per definizione, il generarsi di una forza elettromotrice in un mezzo (ad es. in un materiale semiconduttore) investito da radiazioni elettromagnetiche (come quella solare).

Dunque, l'incremento della radiazione da cui è investito un semiconduttore, è causa di un corrispondente  aumento della forza elettromotrice generata.

 

Sul territorio italiano si hanno valori di irraggiamento medi significativamente variabili, compresi tra  1.200 e 2200 kWh/m2anno, con picchi delle differenze tra nord e sud anche maggiori al 50%.

La mappa riportata, proveniente dal sito del Joint Research Centre (JRC) della Commissione Europea, è utile per visualizzare la distribuzione geografica della radiazione solare media per m2 su territorio nazionale.

Queste riferimenti numerici vengono forniti per chiarire fin da subito che la produttività di un impianto solare, essendo legata indissolubilmente alla collocazione geografica dell'impianto stesso, deve essere oggetto di analisi approfondita, precedentemente della realizzazione, in caso contrario il rientro economico non è per nulla scontato.

 

Quando si considera l'istallazione di un impianto solare, entrano in gioco molti parametri.

E' consigliabile valutare approfonditamente, in particolare:

 

  • la tipologia dei pannelli e dei componenti,

  • l'impiantistica domestica che utilizza energia elettrica

  • il costo di tutti gli investimenti

  • il costo di un impianto alimentato con altri combustibili da paragonare

Tipi di celle più diffuse

 

I sistemi fotovoltaici la utilizzano per produrre energia elettrica mediante tecnologie molto sofisticate, delle quali si proverà a dare conto in questa breve analisi.

 

Silicio Mono cristallino

 

Il silicio a cristallo singolo o monocristallino è il materiale che, ad oggi, presenta i valori di resa energetica maggiori (15%), tra le tecnologie disponibili sul mercato.

Si ottiene mediante un processo chiamato melting, nel quale si opera la fusione di cristalli di silicio di elevata purezza che, successivamente, vengono fatti solidificare a contatto con un seme di cristallo di silicio.

Durante il raffreddamento, il silicio gradualmente si solidifica nella forma di un lingotto cilindrico di monocristallo del diametro dai 13 ai 20 cm , con una lunghezza che può raggiungere i 200 cm.

Successivamente il lingotto viene tagliato con speciali seghe a filo in fettine dette wafers con spessore dai 300 ai 350 micrometri. Il ridotto spessore dei wafers ottenuti consentono un ottimo sfruttamento del lingotto, hanno però come principale aspetto negativo una notevole fragilità.

Le celle che si ottengono sono di forma quadrata con gli angoli smussati e sono disposte in serie a comporre i moduli.

Silicio policristallino

 

La realizzazione di questo tipo di celle ha costi di produzione inferiori rispetto al tipo monocristallino (13%) e i cristalli si presentano ancora aggregati tra loro ma con forme e orientamenti differenti.

L’affinamento del processo produttivo delle celle di silicio policristallino consente ormai di realizzare celle con prestazioni elettriche poco inferiori rispetto a quelle in silicio monocristallino.

Il silicio fuso viene colato in blocchi e poi tagliato in wafers, nel corso della solidificazione del silicio fuso si formano strutture cristalline di varie dimensioni che presentano alcuni difetti sui contorni.

Tali difetti riducono l’efficienza della cella, ma ciò è di norma compensato nel modulo finale, in quanto, diversamente dal monocristallino, si ottengono celle di forma squadrata che consentono un migliore sfruttamento della superficie di captazione.

 

 

Silicio amorfo

 

La materia attiva (semiconduttore) può essere ottenuta in forma di gas con il vantaggio di poter essere depositata in strati spessi pochi micrometri (10) su una grande varietà di superfici di appoggio (tecnica dei film sottili).

Presentano alcuni vantaggi, dei quali il più rilevante, probabilmente, è l'impiego di quantitativi minimi di silicio, rispetto al silicio cristallino.

Inoltre possono facilmente essere creati moduli flessibili, adattabili quindi a moltissime applicazioni non solo in architettura.

La natura stessa del silicio amorfo, purtroppo, che non presenta una struttura molecolare definita, limita notevolmente le prestazioni del prodotto in termini di efficienza e di conversione, la quale rimane ben al di sotto rispetto al cristallino, infatti il valore varia da 5 a 8 % per le migliori celle amorfe.

A3r
Architettura

Funzionamento, l'Effetto fotovoltaico

 

 

La conversione diretta dell’energia solare in energia elettrica, utilizza il fenomeno fisico dell’interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nei materiali semiconduttori, denominato Effetto Fotovoltaico.

La conversione dell'energia solare in elettrica si opera sfruttando l'effetto generato da un flusso luminoso (radiazione solare) su un materiale semiconduttore opportunamente "drogato".

Il materiale più comunemente utilizzato è il Silicio, lavorato in wafers (come detto in precedenza) in cui sono inserite delle piccole impurità o droganti che rendono predominanti le cariche negative ossia gli elettroni (drogatura al Fosforo) o le cariche positive o "lacune" (drogatura al Boro).

 

La cella è composta da (immagine a lato):

  • strati di Silicio di tipo "n", drogati al Fosforo, alternati a

  • strati di silicio di tipo "p", drogati al Boro.

Quando la cella, così composta, viene colpita da un fascio di fotoni (particelle che compongono la radiazione luminosa) si crea una coppia di cariche elettriche di segno opposto, un elettrone (carica di segno negativo) ed una “lacuna” (cioè una carica positiva). Si dice allora che queste cariche sono “disponibili per la conduzione di elettricità”.

 

Tali cariche danno origine alla circolazione di corrente elettrica quando il dispositivo viene connesso ad un circuito.

La connessione elettrica nelle celle è realizzata con l'applicazione di due contatti metallici, uno su ciascuna faccia della cella, tra i quali, a seguito di irraggiamento solare, si innescherà, dunque, il passaggio degli elettroni (corrente elettrica).

La quantità di energia elettrica generata è tanto maggiore quanto maggiore è la quantità di radiazione incidente.

 

Componenti di un impianto fotovoltaico

 

Moduli e pannelli fotovoltaici

 

Le celle solari costituiscono un prodotto intermedio dell’industria fotovoltaica, forniscono valori di tensione e corrente limitati in rapporto a quelli normalmente richiesti dagli apparecchi utilizzatori, sono estremamente fragili, elettricamente non isolate, prive di supporto meccanico; esse vengono quindi assemblate in modo opportuno a costituire un’unica struttura: il modulo fotovoltaico.

 

Il modulo rappresenta di fatto il componente elementare dei sistemi fotovoltaici, una struttura robusta e maneggevole, in grado di garantire molti anni di funzionamento anche in condizioni ambientali difficili.

I pannelli fotovoltaici sono costituiti da più moduli assemblati ed incapsulati, delle dimensioni di circa 160 x 80 cm (variabili a seconda dei produttori e del tipo di celle).

 

In linea di principio la vita di una cella solare è infinita; è pertanto la durata dell’incapsulamento a determinare la durata di vita del modulo, oggi stimabile in 25-30 anni.

Stringhe fotovoltaiche

  

Le stringhe fotovoltaiche sono costituite da singoli pannelli fotovoltaici collegati in serie.

 

Il numero di pannelli dipende dalla tensione del singolo pannello (nota una volta individuato il tipo di prodotto) e da quella dell’intera stringa.

 

NOTA:

 

In una stringa l'irraggiamento deve essere uniforme.

 

Può capitare, infatti, che un ombra su un solo modulo ne riduca la produzione di energia.

Essendo collegato in serie con gli altri moduli della stringa il modulo che produce meno energia, riduce la potenza di tutti gli i moduli ed i pannelli della stringa.

 

Generatore fotovoltaico

 

L'impianto fotovoltaico, composto da pannelli e stringhe installati, costituisce il generatore fotovoltaico, detto anche "campo fotovoltaico".

Il campo fotovoltaico può essere costituito da più sotto-campi, ciascuno con le proprie stringhe e pannelli.

 

La potenza nominale (o massima, o di picco) del generatore fotovoltaico è la potenza determinata dalla somma delle singole potenze nominali (o massima, o di picco) di ciascun modulo costituente il generatore fotovoltaico, misurate alle condizioni standard (STC, Standard Test Conditions).

STC, Standard Test Conditions

 

Per Standard Test Conditions si intendono le condizioni di riferimento per la misurazione della potenza di picco.

Queste vengono ricreate in laboratorio in modo da poterle riprodurre univocamente, cosa che sarebbe quasi impossibile nell'ambiente esterno, e sono:

 

  • irraggiamento pari a 1000 W/m2;

  • spettro solare riferito ad un Air Mass di 1,5;

  • temperatura di cella di 25 °C.

 

 

Oggetto di misurazione e di certificazione sono normalmente due parametri:

 

  1. la Potenza Nominale (Pv), ossia la potenza erogata dal generatore,      

  2. la Tensione nominale (Vnom), ossia la tensione alla quale la potenza nominale viene erogata.

Generatore fotovoltaico costituito da moduli/pannelli in serie collegati in stringhe.

Ciascuna stringa è poi connessa in parallelo a costituire il campo fotovoltaico.

Tutte le stringhe sono collegate al convertitore di corrente continua in alternata (DC/AC), detto anche inverter.

 

Da tener presente che il modulo con il rendimento peggiore, in un collegamento in serie, determina la riduzione della potenza di tutta la stringa al livello della sua potenza, quindi bisogna fare molta attenzione ad ombreggiamenti e qualità dei moduli.

Generatore fotovoltaico costituito da moduli/pannelli, con batteria di accumulo ed inverter.

questi sistemi consentono di stivare l'energia prodotta durante il giorno ed utilizzarla al bisogno.

Da considerare però che la l'energia immagazzinata è modesta ed inoltre la batteria ha una perdita della capacità di acccumulo di circa il 40% nei primi 10 anni.

Il prezzo di acquisto dell'accumulatore (batteria) determina la reale fattibilità economica dell'investimento.

A3r
Architettura

Fattori che influenzano la produttività

 

 

In questo paragrafo si esamineranno in breve alcuni aspetti di base riguardanti la resa elettrica e la fattibilità economica dell'investimento di un sistema di generazione fotovoltaico.

Da considerare in primo luogo che:

 

 

  • La radiazione totale incidente dipende da inclinazione e orientamento della superficie di captazione (il piano del pannello fotovoltaico).       

La quota massima annua si ottiene per una superficie orientata a sud e inclinata di 33°- 35°.

Una superficie con la stessa inclinazione ma con orientamento Sud-Est o Sud-Ovest registra una diminuzione della radiazione globale media annuale di circa il 5% ed un calo della produzione di energia elettrica corrispondente a circa il 7%.  

  • Circa il 75% della quantità di energia irradiata è da ascrivere ai mesi estivi, da aprile a settembre, il restante 25% è invece distribuito nei mesi invernali.                                                                                         

 

                    

  • L’angolo di inclinazione ottimale (Tilt) dipende anche dal tipo di impiego previsto (ad esempio per il riscaldamento degli ambienti può essere vantaggiosa una inclinazione maggiore, più adatta alla captazione in inverno).

 

NOTA:

 

Per farsi un'idea della produttività di un impianto, in fase di progettazione, uno strumento di calcolo gratuito può risultare molto utile. Il seguente Link rimanda al calcolatore messo a disposizione dal Joint Research Centre (JRC)-Commissione Europea per la Ricerca:

 

 

http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php?lang=it&map=europe

Questo strumento, semplicissimo da utilizzare, fornisce utili informazioni sulla produzione media mensile ed annuale dell'impianto (espressa in kWh) e sulla radiazione incidente (espressa in kWh/m2anno).

 

  • Per avere un'idea della resa delle varie tipologie di pannelli, si riporta un estratto dell'Allegato H al Decr. n. 6480 / 2015  della  Reg. Lombardia attualmente in vigore, che fornisce i valori di calcolo utilizzati nella procedura di Certificazione energetica in caso di mancanza di dati certificati (ricavati da Norma UNI TS 11300-4):

 

Come si evince da questo prospetto, la resa elettrica (rappresentata dai fattori di potenza di picco) varia sensibilmente tra le tipologie in commercio.

Da notare che i pannelli in silicio amorfo presentano valori di resa pari circa alla metà di quelli in silicio monocristallino, quindi, a parità di kW installati, il numero di pannelli dovrà essere circa il doppio.

 

  • Altro parametro da valutare attentamente è il prezzo che viene pagato dal GSE (Gestore dei Servizi Energetici, l’ente che gestisce lo Scambio sul Posto) per l'energia immessa in rete, ossia il prezzo di cessione.                                                                                                       

 

Non ci si dilungherà volontariamente su esempi di calcolo di risparmio o di recupero dell'investimento, per questo si rimanda a fonti più autorevoli ed alle condizioni commerciali del GSE.       

                                               

 

Da considerare che oggi, in linea generale, la fonte di maggior ricavo non è la cessione in rete, ma l’autoconsumo, unico fattore che genera vero risparmio in bolletta.                                                                              

 

Infatti il legislatore ha ormai abbandonato da anni la politica di incentivi per l'immissione in rete dell'energia prodotta, favorendo così una diffusione più controllata di questi sistemi.

Concludendo

La logica che deve necessariamente guidare l'installazione di un impianto fotovoltaico, oggi, è quella di abbinare un'impiantistica alimentata con energia elettrica.

 

Abbinando ad un generatore fotovoltaico un impianto a pompa di calore si potrà supplire al fabbisogno dell'edificio sia per il riscaldamento ed il raffrescamento che per la produzione di acqua sanitaria attingendo il minimo di energia dalla rete, e quindi risparmiando.

 

Gli impianti a pompa di calore, per questi ed altri motivi legati alla maggiore efficienza, sembrano essere gli eredi designati degli impianti termici alimentati a combustibili fossili.

La reale efficienza del funzionamento degli impianti così fatti, rapportandoli al fabbisogno dell'edificio (sistema edifico-impianto) non è scontata, ed il relativo risparmio energetico e recupero economico dell'investimento possono essere compromessi da errori progettuali e di dimensionamento.

Chi si approccia ad un'installazione deve essere ben consapevole della necessità di affidarsi a tecnici competenti che utilizzino softwares per analisi energetiche in regime dinamico, ad oggi l'unica vera arma esistente contro l'approssimazione.

Costo del kWh prodotto da piccoli impianti fotovoltaici (Pnom < 5 kWpicco)

A3r
Architettura

Generatore fotovoltaico abbinato ad impianti di riscaldamento, raffrescamento e acqua sanitaria.

Con un sistema impiantistico di questo tipo si sfrutta al massimo la produzione di energia elettrica.

Bisogna, però, prestare attenzione alla reale produttività del generatore fotovoltaico, in quanto potrebbe non essere sempre sufficiente alle necessità, in particolare nella stagione invernale.  

C.so Matteotti, 62

26100  Cremona (CR)

Cell.    328.966.15.74

info@a3rarchitettura.it