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Fotovoltaico

    Principi di funzionamento

    Il principio di funzionamento di un impianto fotovoltaico si basa su un fenomeno fisico, il cosiddetto effetto fotovoltaico o più propriamente effetto fotoelettrico che si verifica nei materiali semiconduttori che vengono colpiti da radiazione luminosa.

    Sfruttando tale effetto l’energia radiante solare può essere convertita direttamente in energia elettrica.

    La conoscenza dell’effetto fotovoltaico risale al 1839 quando il fisico francese Becquerel, dopo una serie di esperimenti, scoprì che alcuni materiali avrebbero prodotto una piccola quantità di corrente elettrica se esposti alla luce.

    Ad oggi, uno dei materiali semiconduttori di gran lunga più utilizzato negli impianti fotovoltaici è il silicio. In esso, come del resto negli altri materiali semiconduttori, l’energia luminosa incidente provoca la “liberazione” di cariche elettriche che vengono raccolte da un circuito elettrico elementare (diodo) che prende il nome di cella solare.

    Per incrementare l’effetto fotovoltaico presente “naturalmente” nei materiali semiconduttori, le celle solari vengono opportunamente trattate mediante l’aggiunta di elementi chimici. Questo processo viene definito drogaggio e gli elementi chimici solitamente impiegati sono il fosforo e il boro, che rispettivamente incrementano il numero di cariche negative (elettroni) e positive libere di muoversi, e quindi, a parità di irraggiamento, il flusso di energia generato all’interno del materiale risulta superiore.

    L’energia solare è infatti composta da fotoni i quali contengono una certa quantità di energia a seconda delle diverse lunghezze d’onda della luce. Quando i fotoni raggiungono una cella solare, essi possono essere riflessi, assorbiti oppure possono attraversare la cella. Quando un fotone viene assorbito, la sua energia è trasferita ad un elettrone di un atomo della cella (che chiamiamo semiconduttore). Tale elettrone, con la nuova energia ricevuta, è in grado di “scappare” dalla posizione originale associata all’atomo a cui appartiene, divenendo una piccola porzione di corrente continua in un circuito elettrico.

    La prima applicazione commerciale di una cella fotovoltaica in silicio avvenne negli Stati Uniti nel 1954, presso i laboratori Bell e nonostante i costi proibitivi pose le basi allo sviluppo dell’attuale mercato del fotovoltaico.

    Da non dimenticare che quando si parla di energia elettrica ottenuta dal sole attraverso pannelli solari fotovoltaici, bisogna ben distinguerli rispetto ai pannelli solari termici. Si tratta infatti di due tecnologie ben distinte e nonostante entrambe sfruttino la luce solare vengono applicate per usi pratici molto differenti.

    I pannelli solari termici producono infatti del calore, utile ad esempio per scaldare l’acqua, ma non producono la cosiddetta corrente elettrica continua, generata invece dai pannelli solari fotovoltaici.

    Questi ultimi inoltre si distinguono in impianti isolati ed impianti connessi alla rete. Per essere collegati alla rete i pannelli fotovoltaici occorrono di un inverterovvero un dispositivo in grado di convertire la tensione continua generata dal pannello in una tensione alternata.

    Come si compone un impianto fotovoltaico

    Un impianto fotovoltaico è composto da più pannelli solari sostenuti da una struttura (l’insieme di questi componenti prende il nome di campo fotovoltaico) e, se connessi alla rete elettrica, di un inverter.

    Gli impianti fotovoltaici, possono essere suddivisi in base al loro livello di integrazione architettonica in impianti non integrati, impianti parzialmente integrati ed impianti totalmente integrati.

    Il più classico tra gli impianti non integrati è quello appoggiato al suolo per mezzo di una struttura fissa o di un inseguitore solare mobile.

    Gli impianti ad integrazione parziale sono invece quelli che vengono montati su edifici o componentistica di arredo urbano, senza sostituire il materiale da costruzione delle strutture stesse, cosa che invece avviene nel caso di impianti totalmente integrati. Questa tipologia prevede infatti che il modulo fotovoltaico venga impiegato in sostituzione dei materiali da costruzione divenendo quindi parte inscindibile e componente attiva dell’involucro edilizio, come ad esempio la copertura dei tetti o le finestrature.

    La cella solare

    E’ l’elemento di base ed è composta da tante piccole “piastrelline” nere o blu scure, che illuminate dalla luce solare generano corrente continua.

    La tipica cella fotovoltaica, generalmente di forma quadrata, ha uno spessore compreso tra 0,25 e 0,35 mm e misura circa 125×125 mm.

    Con un irraggiamento di 1 kW/mq ad una temperatura di 25°C produce mediamente una corrente compresa tra i 3 e i 4 Ampere e una tensione di circa 0,5 Volt, con una potenza corrispondente di 1,5 – 2 Wp (watt di picco).

    Il pannello o modulo solare

    E’ composto da diverse celle solari messe insieme e ricoperte con del vetro o del materiale sintetico. Grazie ad un collegamento in serie forniscono una tensione continua di 12 o 24 Volt.

    I più comuni moduli fotovoltaici sono composti da 48-72 celle e hanno un’efficienza media pari a circa il 15%. Questi pannelli non hanno parti mobili perciò necessitano di pochissima manutenzione. In pratica pulendoli periodicamente la loro durata operativa può raggiungere i 25/30 anni.

    La struttura di sostegno

    La struttura di sostegno deve assolutamente essere robusta per poter reggere il proprio peso più quello dell’impianto e allo stesso tempo resistere all’azione degli agenti atmosferici, come ad esempio neve e vento.

    Deve inoltre poter durare nel tempo e per fare in modo che questo accada deve essere fabbricata a regola d’arte.

    Gli inverter o convertitori statici

    Sono gli appositi apparecchi elettronici, del peso di circa 20 kg e delle dimensioni di circa 40x40x15 cm., che trasformano la corrente continua in corrente alternata.

    La funzione di questi dispositivi è permettere l’immissione  dell’energia generata nella rete di distribuzione elettrica nazionale, convertendo la tensione da continua ad alternata, e proprio per questo sono solitamente dotati di un display dal quale è possibile monitorare l’energia prodotta e lo stato dell’impianto stesso.

    Box di approfondimento    

    I principali player del fotovoltaico provengono da Giappone, Germania, USA e Cina.
    Giappone
    • Celle e moduli: Sharp
    • Moduli a fil sottile: Solar Frontier, Sharp, Kaneka
    Germania
    • Celle e moduli: SolarWorld, Q-Cells, Conergy, Solon, Aleo Solar, Centro Solar
    USA
    • Celle e moduli: First Solar
    • Moduli a film sottile: First Solar, United Solar Ovonic
    Cina
    • Celle e moduli: Suntech, Yingli Solar, LDK Solar Co. Ltd, Trina Solar, Canadian Solar, JA Solar, Hanwha SolarOne, Jinko Solar
    • Moduli a fil sottile: Trony Solar, GS Solar, Sungen Anwell, QS Solar

    Quali tipologie d’impianto esistono?

    In linea di massima, da un punto di vista applicativo, è possibile raggruppare le diverse tecnologie di impianti in due macro-categorie:

    1. Impianti isolati dalla rete elettrica (detti stand-alone oppure off-grid)

    2. Impianti collegati alla rete elettrica (detti grid-connected)

    Impianti isolati

    Sono i cosiddetti impianti stand alone, non connessi alla rete, ma dotati di accumulatori propri, cioè di “batterie ricaricabili” che servono per immagazzinare parte dell’energia non utilizzata per successivi utilizzi. Vengono applicati dove la rete elettrica non c’è oppure non è agilmente raggiungibile, come ad esempio in luoghi isolati di montagna, sui camper o per segnalazioni marittime, per ripetitori telefonici o lampioni fotovoltaici, etc…

    Gli impianti isolati sono costituiti da:

    • un insieme di pannelli (composti da celle), che trasformano l’energia solare in corrente continua;
    • un accumulatore.
    Fig. 1: Impianto fotovoltaico stand alone, schema di funzionamento.

    Impianti connessi alla rete

    Per essere collegati alla rete elettrica locale è necessario che la corrente continua venga trasformata in corrente alternata, e questo avviene solo grazie ad un apposito dispositivo chiamato inverter. In questa maniera l’impianto fotovoltaico lavora a regime di scambio sul posto con la rete, nella quale, in base all’occorrenza, viene immessa o prelevata energia. Questi impianti richiedono l’installazione di:

    • un insieme di pannelli (composti da celle), che trasformano l’energia solare in corrente continua
    • un inverter che converte l’energia elettrica in corrente alternata
    • due contatoriuno subito a valle dell’impianto per misurare l’energia prodotta ed un secondo che valuta il bilancio energetico verso la rete di distribuzione ovvero quanta energia è stata prodotta ed immessa nella rete dall’impianto e quanta è stata prelevata dalla rete nei momenti di indisponibilità delle propria fonte solare.

    Quali tipologie di modulo esistono?

    Da un punto di vista costruttivo ad oggi, la tipologia dei moduli fotovoltaici è basata per lo più sul silicio e si distingue, in base al rendimento ed ai costi, in queste tre tipologie:

    Modulo in silicio mono-cristallino

    Le celle sono realizzate con silicio purissimo che garantisce rendimenti “alti” – intorno al 15%.

    Sono di colore blu scuro ed hanno forma ottagonale. Si tratta ormai di una tecnologia affidabile e consolidata, ma caratterizzata da un’elevata complessità costruttiva che rende difficile la copertura di superfici estese senza sprecare materiale o spazio.

    Prezzo medio: 0,65€/W

    • Il “rendimento” di un modulo è determinato dalla percentuale di energia che questo cattura e trasforma rispetto all’energia totale che giunge sulla sua superficie.
    • Valore medio del prezzo sul mercato spot europeo – Dicembre 2013¹.

    Modulo in silicio poli-cristallino

    Le celle sono realizzate con del silicio poli-cristallino che è meno pregiato del precedente, perciò i rendimenti sono leggermente inferiori rispetto al mono-cristallino – circa il 13%. Di colore blu intenso e dalla forma quadrata, la cella in silicio poli-cristallino è molto facile da tagliare per cui si presta facilmente ad essere unite in moduli.

    Prezzo medio: 0,60€/W

    • Valore medio del prezzo sul mercato spot europeo – Dicembre 2013¹

    Modulo in silicio amorfo (modulo a Film Sottile o Thin Film)

    E’ composto da celle in serie che ottengono rendimenti massimi del 10%. I moduli in silicio amorfo mostrano in genere un’efficienza meno costante rispetto ai moduli in silicio cristallino, sia mono che poli.

    Richiedono una lavorazione meno complessa rispetto alle precedenti tecnologie e perciò presentano costi minori.

    Prezzo medio: 0,46€/W

    • Valore medio del prezzo sul mercato spot europeo – Dicembre 2013¹.

    Anche se il silicio è al momento il semiconduttore più diffuso in commercio, esistono altri materiali adatti alla produzione di moduli a Film sottile, tra cui ad esempio il Tellururo di Cadmio (CdTe), un cosiddetto materiale di seconda generazione.

    Prezzo medio: 0,56€/W

    • Valore medio del prezzo sul mercato spot europeo – Dicembre 2013¹.

    [¹] ENERGY & STRATEGY GROUP, (2014). Solar Energy Report. Il sistema industriale italiano nel business dell’energia solare. Ed. Aprile 2014. Dipartimento di Ingegneria Gestionale, Politecnico di Milano. 

    Fig. 2: Distribuzione pannelli fotovoltaici per tipologia nelle regioni (2018) – Fonte: “Rapporto Statistico Solare Fotovoltaico 2018”, GSE
    Box di approfondimento
    LETTURA DEI DATI DI TARGA DI UN PANNELLO FOTOVOLTAICO

    Per legge – Norma CEI EN 50380 “Fogli informativi e dati di targa per moduli fotovoltaici – ogni pannello fotovoltaico deve riportare i suoi dati di targa nbsp;che altro non rappresentano che la sua “carta d’identità”.

    Module efficiencyEfficienza con cui il modulo converte l’energia solare in energia elettrica. L’efficienza media è pari a circa il 15%.
    Cell efficiencyEfficienza con cui la cella fotovoltaica, montata nel modulo, converte l’energia solare in energia elettrica. Dovrebbe sempre essere maggiore dell’efficienza del modulo.

    Power Peak
    Pmp [Wp]

    Potenza nominale dell’impianto, ovvero la massima potenza ottenibile.La potenza nominale di un modulo fotovoltaico viene rilevata alle seguenti condizioni standard: temperatura di 25°C; radiazione di 1.000 W/mq. La potenza nominale di un impianto fotovoltaico si calcola sommando le potenze nominali dei singoli moduli fotovoltaici dell’impianto. Ad esempio: 10 moduli fotovoltaici con potenza nominale 180 Wp (watt di picco) formano insieme un campo fotovoltaico con potenza nominale di 1.800 Wp.
    Power ToleranceQuesto dato è un indice indiretto di qualità in quanto si riferisce alla percentuale di scostamento della potenza del modulo rispetto al suo valore nominale dichiarato (Power Peak).

    Ad esempio: un modulo con potenza nominale di 25 watt e una tolleranza del +/-5% può generare da un minimo di 24,25 watt a un massimo di 25,75 watt. 

    A parità di potenza nominale dichiarata, è quindi migliore il modulo che ha una tolleranza minore: l’ideale è il modulo con tolleranza negativa uguale a zero (per esempio -0/+5%), che assicura il massimo della produzione di energia.

    Maximum System VoltageE’ la tensione massima tollerata dal modulo inserito in un impianto fotovoltaico con numerosi pannelli.
    Voc [V]Tensione di circuito aperto, ovvero la massima tensione ottenibile
    Vmp [V]Tensione d’esercizio ottimale, in condizioni normali d’esercizio
    Isc [A]Corrente di corto circuito, ovvero la massima corrente ottenibile
    Imp [A]Corrente di esercizio ottimale, in condizioni normali d’esercizio

    Coefficienti standard di riferimento

    Temperatura = 25°C

    Radiazione = 1.000W/mq

    Massa d’aria = 1,5 AM

    Le taglie del fotovoltaico

    Le taglie attuali di riferimento degli impianti fotovoltaici sono stabilite in base alla loro potenza, parametro che ne determina anche il differente tipo di impiego e di conseguenza il differente segmento di mercato.

    In termini di utilizzo dell’energia elettrica prodotta da un impianto è quindi possibile identificare tre segmenti di mercato.

    • Il segmento residenziale: impianti di piccola taglia, da 1 a 20 kW, impiegati a servizio di utenze domestiche residenziali o small business.
    • Il segmento industriale: impianti di taglia media e grande, dai 20 fino ai 1.000 kW che trovano applicazione presso utenze commerciali small business (fino a 200 kW) o industriali (tra i 200 e i 1.000 kW).
    • Il segmento delle centrali: impianti da oltre 1.000 kW in cui l’energia elettrica prodotta viene venduta. E’ questo il caso delle utilities, dei grandi gruppi industriali o dei fondi di investimento.

    I tre segmenti di mercato si differenziano sotto molteplici aspetti: la distribuzione geografica degli impianti e la loro numerosità, il processo di acquisto, le modalità di incentivazione dell’energia prodotta e i motivi che spingono il titolare all’acquisto dell’impianto.

    Fig. 3: Numerosità e potenza impianti fotovoltaici per classe e settore di attività. Fonte: “Rapporto Statitstico Solare Fotovoltaico 2018”, GSE.

    I costi del fotovoltaico

    In generale la distribuzione delle varie voci di costo di un impianto fotovoltaico dipende dalla potenza dell’impianto stesso: più l’impianto è piccolo e maggiormente pesano le voci di costo legate ai servizi di installazione e progettazione e diminuisce il potere di acquisto dei moduli.

    In linea di massima si può stimare che è l’acquisto dei moduli ad incidere maggiormente sui costi di investimento (CAPEX – Capital Expenditures), corrispondendo al 40-60% delle spese complessive, a seconda della potenza dell’impianto.

    I costi per i servizi di progettazione ed installazione, variano invece dal 15% per gli impianti di grande potenza, al 30% per gli impianti più piccoli. Le rimanenti voci di costo – inverter, strutture di sostegno, cavi e quadri – incidono invece per circa il 10%.

    Più nel dettaglio, l’investimento richiesto per impianti residenziali è pari a circa 1.800 €/kW (1-20 kW),  fino a scendere a 700 €/kW per le grandi taglie, >1.000 kW (Renewable Energy Report Maggio 2019 – Energy & Strategy Group Politecnico di Milano)

    Ipotizzando che i costi di gestione, esercizio e manutenzione, di un impianto fotovoltaico oscillino tra lo 0,3 – 1% del costo di installazione, le spese relative a tale voce oscillano dalle 60-400 €/anno degli impianti residenziali agli oltre 10.000 €/anno delle centrali solari. Tra questi due estremi troviamo gli impianti small business con 200-800€ annui e gli impianti industriali con spese di gestione che possono variare dagli 800 ad oltre 10.000€ all’anno.

    Analoga è invece la durata di vita dell’impianto che si attesta attorno ai 20-25 anni, mentre i tempi di costruzione variano al variare della taglia dell’impianto. In linea generale la costruzione di un impianto fotovoltaico in bassa tensione (<100 kW) richiede meno tempo (mediamente qualche settimana) rispetto alla realizzazione di impianti in media tensione, la cui costruzione può durare anche diversi mesi.

    Per gli impianti di piccola taglia residenziali occorrono dagli 1 ai 5 giorni, per utenze small business dai 3 ai 15 giorni, per installazioni industriali si va dai 15 ai 60 giorni, mentre per le centrali dai 60 ai 180 giorni.

    Per quanto riguarda invece il cosiddetto Fattore di Utilizzo o Capacity Factor,non vi è distinzione per taglia in quanto dipende dalla combinazione di fattori quali la latitudine, l’orientamento, l’inclinazione e l’ombreggiamento dei pannelli.

    E’ infatti in base a questi elementi che si possono stimare le ore equivalenti di funzionamento alla potenza nominale, ovvero il rapporto tra la produzione elettrica e la potenza installata (kWh/kW) alla potenza massima a cui una macchina può funzionare.

    Analisi condotte dal GSE riportano una media nazionale di 1.312 kWh/kW. Più nel dettaglio: valori di medi di 1.100 ore equivalenti di funzionamento per il Nord Italia, di 1.250 per il Centro e di 1.400 per il Sud.

    Da tenere in conto anche il degrado dei pannelli, che riduce l’efficienza dei moduli intorno all’1% ogni anno.

    Per ultimo, vanno considerati in un calcolo economico dell’impianto i costi di dismissione/bonifica fine vita che possono variare dai 0,07 c€/kWh per impianti fino a 100 kW ai 0,08 c€/kWh per impianti da oltre 100 kW.

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    Latitudine – L’energia solare disponibile cambia a seconda della località e delle caratteristiche morfologiche ed atmosferiche. Ecco alcuni valori medi di irraggiamento di 3 località del Nord, del Centro e del Sud Italia:

    • Milano 1.372,4 kWh/mq anno
    • Roma  1.737,4 kWh/mq anno
    • Trapani 1.963,7 kWh/mq anno

    Orientamento a Sud – Per un’insolazione ideale i moduli fotovoltaici devo sempre esser orientati verso Sud, con uno scostamento massimo di 45° rispetto ad Est o Ovest.

    Inclinazione dei moduli fotovoltaici – In Italia l’inclinazione ideale dei pannelli rispetto al terreno varia dai 45° ai 55° in base alla località specifica in cui l’impianto viene istallato. Tanto più si va a Nord, tanto più l’inclinazione dovrà essere minore, ovvero il pannello dovrà essere più rialzato per ricevere appieno i raggi del sole. Per calcolare l’inclinazione ideale dei pannelli è sufficiente aggiungere 10° alla latitudine della località prescelta per l’installazione.

    Assenza di ombreggiamentiE’ molto importante evitare che ogni tipo di ombreggiamento vada ad oscurare i moduli fotovoltaici, in quanto l’ombreggiamento anche parziale potrebbe provocare sensibili perdite di potenza dell’impianto.

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