COS’ E’ IL FOTOVOLTAICO? 

L’energia dal sole

Il significato letterale Energia Fotovoltaica (FV) è “energia prodotta dalla luce”. Foto deriva infatti dal greco “phos” (cioè luce) e “Volt”(= unità di misura della tensione elettrica) trae origine dal nome di Alessandro Volta, lo scienziato inventore della pila.

Il sole è una fonte di energia rinnovabile, cioè una fonte che per sua natura non è “esauribile”,  e ci rifornisce gratuitamente  energia pulita. Parte di questa energia può essere utilizzata per produrre, tramite la tecnologia fotovoltaica, energia elettrica.

Qual è la  differenza  tra un impianto fotovoltaico ed un impianto solare termico?

Entrambe le tipologie d’impianto utilizzano il sole come fonte energetica, catturandone la radiazione attraverso superfici captanti: mentre i moduli fotovoltaici trasformano direttamente la radiazione solare in energia elettrica, i pannelli solari termici utilizzano l’energia termica del sole per riscaldare l’acqua da utilizzare per uso igienico sanitario o per il riscaldamento degli ambienti

Gli unici "svantaggi" da tener conto sono l'investimento iniziale che può essere più o meno importante a seconda delle esigenze e il rendimento non omogeneo legato alla disponibilità di luce solare nei vari periodi dell'anno e all'alternarsi del giorno e della notte. 

La storia 

Sebbene l’effetto fotovoltaico venne scoperto già nel 1839, le prime applicazioni pratiche nacquero solo negli anni cinquanta. Il FV (fotovoltaico) venne sviluppato per i primi satelliti, che furono messi in orbita in quel periodo. Le tradizionali pile, batterie a combustione e l’energia nucleare non erano adatte alle esigenze di allora: dopo un breve periodo l’energia immagazzinata si sarebbe consumata ed il satellite sarebbe divenuto inutilizzabile.

Con lo sviluppo di celle solari al silicio ad alto rendimento, il FV si rivelò la soluzione ideale per questo impiego. I vantaggi erano evidenti:

• l’inesauribilità della fonte d’energia (il sole)

• nessuna produzione di scorie (gas combusti, residui, ecc.)

• l’assoluta assenza di necessità di manutenzione dei componenti ed alta affidabilità grazie all’assenza di parti in movimento

Cos’ è e come funziona la cellula fotovoltaica?

Una cella fotovoltaica, il componente base di un impianto FV, permette di convertire l’energia solare in energia elettrica tramite l’effetto fotovoltaico.

Effetto fotovoltaico: alcuni materiali semiconduttori infatti, opportunamente trattati, sono in grado di generare elettricità quando vengono colpiti dalla radiazione solare, senza dover ricorrere ad alcun combustibile. Il materiale semiconduttore più utilizzato nella tecnologia del fotovoltaico è il silicio, che costituisce l'elemento chiave per le celle fotovoltaiche.

Il silicio, dopo l’ossigeno,  è l’elemento più frequente della crosta terrestre. In natura esso non compare in forma pura, ma sotto forma di composti insieme ad altri elementi. Per la produzione di celle FV però il silicio deve essere purissimo, ed è proprio la purificazione il processo più impegnativo e dispendioso. Dalle purissime barre di silicio vengono tagliati dei dischetti molto fini che vengono successivamente lisciati mediante levigatura e trattamento con acido. Un altro metodo consiste nel ricoprire una piastra di vetro di atomi di silicio attraverso spruzzamento catodico (silicio amorfo).

Una superficie della cella fotovoltaica di silicio, per godere della proprietà dell’effetto fotovoltaico,  deve subire un processo di drogaggio (doping)  con l'inserimento di atomi di boro (silicio di tipo P, presenta lacune di elettroni), mentre l'altra è drogata con piccole quantità di fosforo inserite ad alta temperatura (silicio di tipo N, presenta un numero di elettroni in eccesso); ponendo a contatto i due cristalli di silicio di tipo P e di tipo N si ottiene una giunzione P-N. Le lacune (spazi vuoti nelle orbite) presenti nel cristallo P tendono a spostarsi nel cristallo N. Allo stesso modo, gli elettroni in eccesso nel cristallo N tendono a spostarsi verso il cristallo P.

   Quando i fotoni (particelle di energia) della luce solare colpiscono la cella fotovoltaica, una parte di energia si trasforma in calore, una parte viene riflessa, ed 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/lacune: gli elettroni spostati nella struttura atomica del semiconduttore iniziano a scorrere, producendo una corrente elettrica continua, senza bisogno di parti meccaniche in movimento,  nel corpo del semiconduttore.

La cella fotovoltaica è in grado di produrre circa 1,5 Watt di potenza in condizioni standard, vale a dire quando essa si trova ad una temperatura di 25 °C ed è sottoposta ad una potenza della radiazione pari a 1000 W/m².

L'efficienza di conversione della  cella fotovoltaica, è data dal  rapporto tra la potenza massima ottenuta dalla cella e la potenza della radiazione incidente sulla sua superficie frontale. per  le celle  al silicio è in genere compresa tra il 13 % e il 20%

I vari tipi di celle solari

 A seconda dei loro processi di produzione, cioè che il reticolo cristallino  del silicio sia  perfettamente regolare o no, si distinguono i seguenti tipi di celle fotovoltaiche:

1.      Celle monocristalline: vengono prodotte tagliando una barra monocristallina. Il vantaggio principale è un alto rendimento (fino al 16%). Questo tipo di celle è però molto costoso a causa del complicato processo di produzione. Le celle di tipo monocristallino sono caratterizzate usualmente da un’omogenea colorazione blu.

2.      Celle poli(multi-)cristalline: vengono colate in blocchi e poi tagliate a dischetti. Il rendimento è minore (10-12%), ma anche il prezzo. Questo tipo di celle è riconoscibile da un disegno ben distinguibile (a causa dei vari cristalli contenutivi).

3.       Celle amorfe: vengono prodotte mediante spruzzamento catodico di atomi di silicio su una piastra di vetro. Questo tipo di cella ha il rendimento minore (ca. 4-8%), ma si adatta anche al caso di irradiamento diffuso (cielo coperto, ecc.). Le celle così prodotte sono riconoscibili da un caratteristico colore scuro, inoltre sono realizzabili in qualsiasi forma geometrica (forme circolari, ottagonali, irregolari, e persino convesse sono realizzabili).

Mettendo assieme più celle si ottiene il modulo o pannello  fotovoltaico

Per raggiungere la potenza desiderata e per proteggere le celle dai fattori atmosferici (vento, neve, pioggia/ghiaccio, ecc.), esse vengono collegate elettricamente, inserite in un telaio metallico e protette da una lastra di vetro.

Come è composto un impianto fotovoltaico?

Le componenti dell’impianto FV sono: 

•  Pannelli fotovoltaici, definiti anche moduli; essi sono fissati ad una struttura di supporto e rappresentano la parte più importante e visibile dell'impianto, in quanto la loro funzione è quella di catturare l'energia del Sole e trasformarla in energia elettrica.

•  L'Inverter, detto anche convertitore statico, è un dispositivo elettronico che si occupa della conversione della corrente continua prodotta dai pannelli in alternata, con tensione nominale di 230v o 400 v a seconda che si tratti di corrente monofase o trifase, ai quali è connesso tramite quadri elettrici e cavi di collegamento ed è anche provvisto di un dispositivo di controllo, l'MPPT, che ottimizza la produzione di elettricità consentendo ai pannelli di lavorare sempre al massimo del rendimento, in ogni condizione ambientale e meteorologica. 

Le tipologie di inverter applicate al fotovoltaico sono essenzialmente due, e si differenziano in base alle esigenze:

*Inverter per Grid Connected – è utilizzato negli impianti connessi alla rete elettrica e si occupa del controllo della tensione e della frequenza della corrente alternata in uscita.

* Inverter per Stand Alone – è installato negli impianti isolati e deve convertire la corrente continua accumulata nelle batterie dai pannelli fotovoltaici.

Sistemi di accumulo

Il sistema di accumulo è un dispositivo che permette, tramite le batterie, di accumulare l’energia prodotta e non consumata da un impianto fotovoltaico e di prelevarla quando l’impianto non produce energia  per scarsa insolazione..

Questo sistema è necessario per gli impianti fotovoltaici ad isola  che non connessi alla rete elettrica e quindi devono produrre da soli l’energia necessaria ai consumi dell’utente.

Per gli altri impianti il sistema di accumulo può essere connesso alla rete (grid-connected) oppure no (off-grid)

Quali sono i vantaggi  del sistema di accumulo?

• Ottimizzazione dell’autoconsumo: permette di massimizzare l’autoconsumo dell’elettricità prodotta con il sole, perché immagazzina l’energia nel momento in cui la produzione supera i consumi e la preleva in caso contrario e quindi di ridurre notevolmente la bolletta elettrica

La percentuale di autoconsumo dell’energia di una famiglia media  è stimata intorno al 30% di quella prodotta dall’impianto. Con la batteria la percentuale di autoconsumo sale  a circa il 50-60%.

• Indipendenza dal fornitore di energia elettrica:  in caso di interruzione dell’energia elettrica, poiché gli impianti fotovoltaici vengono scollegati dalla rete elettrica,   il sistema di accumulo garantisce la continuità nell’erogazione dell’energia.
  
  
• protezione dell’impianto: Il sistema di accumulo permette di eliminare gli sbalzi ti tensione sulla rete

Il GSE ha escluso la possibilità di utilizzare sistemi di accumulo per gli impianti fotovoltaici che stanno ricevendo l’incentivo del Conto energia.

Per chi ha scelto di non avere alcun incentivo e di usufruire della detrazione fiscale del 50%, ed usufruisce dello Scambio sul posto, il recupero  dell’energia non consumata e ceduta al GSE non avviene attraverso una compensazione con l’energia prelevata quando l’impianto non produce, ma attraverso dei corrispettivi, con pagamenti semestrali da parte del GSE che coprono  in parte il costo dell’energia prelevata dalla rete.

In questo caso sarebbe conveniente utilizzare  un sistema di accumulo, ma Il costo dei piccoli accumulatori, considerata la durata media di 10 anni delle batterie, è ancora troppo alto per garantire, in assenza di incentivi specifici come previsti in Germania, un recupero dell’investimento con il solo risparmio che si ottiene con l’accumulatore,   in tempi accettabili.

L’Anie, l'associazione confindustriale delle imprese elettrotecniche e elettroniche,  ha da poco pubblicato uno studio sui possibili benefici degli incentivi ai microsistemi di accumulo ed afferma che, supportata da diversi studi,  il costo delle batterie si dimezzerà nei prossimi tre-cinque anni. E così avanza alcune proposte normative per facilitare la diffusione, da un nuovo conto energia che premi l'autoconsumo all'estensione del bonus fiscale del 50% (per ristrutturazioni edilizie e risparmio energetico) all'acquisto dei sistemi di accumulo: l'agevolazione è ora riservata solo per l’acquisto dei  pannelli fotovoltaici (e compatibile con lo scambio sul posto).

I tipi di impianti FV

Tutti gli impianti fotovoltaici sono classificabili nelle seguenti categorie:

1.        Alimentazione diretta: l’apparecchio da alimentare viene collegato direttamente al modulo FV. Il grande svantaggio di questo tipo di impianti è che l’apparecchio collegato non funziona in assenza di sole (di notte). Applicazioni: piccole utenze come radio, piccole pompe, calcolatrici tascabili, ecc.

2.       Funzionamento ad isola:

Gli impianti fotovoltaici ad isola funzionano, come fa intuire già il nome, indipendentemente dalla rete elettrica pubblica.

il modulo FV alimenta uno o più apparecchi elettrici. L’energia fornita dal modulo, ma momentaneamente non utilizzata, viene usata per caricare degli accumulatori. Quando il fabbisogno aumenta, o quando il modulo FV non funziona (p.e. di notte), viene utilizzata l’energia  immagazzinata negli accumulatori.

Questo tipo di impianto viene dunque impiegato principalmente per l’alimentazione di apparecchi in zone isolate, non raggiunte dalla rete di distribuzione  elettrica o nel caso sia richiesta grande mobilità

Un semplice impianto fotovoltaico ad isola è :

1.Campo fotovoltaico: per la trasformazione di energia solare in energia elettrica. Per ricavare più potenza vengono collegate tra loro diversi pannelli.

2. Regolatore di carica: è un apparecchio elettronico che regola la ricarica e la scarica degli accumulatori. Uno dei suoi compiti è di interrompere la ricarica a accumulatore pieno.

3.Accumulatori: sono i magazzini di energia (batterie) di un impianto fotovoltaico. Essi forniscono l’energia elettrica quando i moduli non sono in grado di produrne, per mancanza di irradiamento solare.

4.Invertitore: trasforma la corrente continua proveniente dai moduli e/o dagli accumulatori in corrente alternata convenzionale a 230V. Se l’apparecchio da alimentare necessita di corrente continua si può fare a meno di questa componente.

5.Utenze: apparecchi alimentati dall’impianto fotovoltaico. 

Spesso vengono impiegati anche degli impianti composti. Per esempio impianti fotovoltaici in combinazione con gruppi elettrogeni a motore Diesel.

3.       Impianti a immissione in rete

Gli impianti solari fotovoltaici collegati alla rete hanno la particolarità di lavorare in regime di interscambio con la rete elettrica locale. In pratica, nelle ore di luce l’utenza consuma l’energia elettrica prodotta dal proprio impianto, mentre quando la luce non c’è o non è sufficiente, oppure se l’utenza richiede più energia di quella che l’impianto è in grado di fornire, sarà la rete elettrica che garantirà l’approvvigionamento dell’energia elettrica necessaria, fungendo da batteria di capacità infinita. Se succede che l’impianto solare produce più energia di quella richiesta dall’utenza, tale energia può essere immessa in rete. In questo caso si parla di “cessione delle eccedenze” all’azienda elettrica locale. Il passaggio tra queste diverse situazioni è completamente automatico.

Applicazioni: abitazioni, uffici, stabilimenti industriali, officine, banche, scuole, edifici pubblici, ecc.

Questi tipi di impianti possono essere  realizzabili in forma ridotta (potenza di pochi watt) fino ai grandi impianti (potenza di diversi megawatt).

Un impianto FV a immissione in rete è principalmente composto dai seguenti componenti:

1. Campo fotovoltaico: per la trasformazione di energia solare in energia elettrica. Per ricavare più potenza vengono collegate tra loro diversi pannelli FV.

2. Invertitore: trasforma la corrente continua proveniente dai moduli in corrente alternata

convenzionale a 230V di tensione. Questo adattatore è assolutamente necessario per il corretto funzionamento delle utenze collegate e per l’alimentazione della rete.

Nel caso di impianti in rete, se l'inverter rileva cambiamenti o cali di tensione nella rete e quindi se ci sono momentanee interruzioni di elettricità, esso disattiva immediatamente l'impianto solare, cioè l’inverter non potrà distribuire l’energia prodotta né nella rete né nel circuito interno, come previsto dalla legge, questo anche per evitare pericoli in caso di manutenzione alle linee elettriche.

3. Quadro elettrico: in esso avviene la distribuzione dell’energia. In caso di consumi elevati o in assenza di alimentazione da parte dei moduli FV la corrente viene prelevata dalla rete pubblica

(4). In caso contrario l’energia FV eccedente viene di nuovo immessa in rete. Inoltre esso misura la quantità di energia fornita dall’impianto fotovoltaico alla rete.

4. Rete: allacciamento alla rete pubblica dell’azienda elettrica.

5. Utenze: apparecchi alimentati dall’impianto FV.