Tecnologia fotovoltaica: l’elettricità dal sole

La tecnologia fotovoltaica (FV) trasforma direttamente l’energia solare in elettrica. Essa si basa sulle proprietà di alcuni materiali semiconduttori (fra cui il silicio, elemento molto diffuso in natura) che, opportunamente trattati ed interfacciati, sono in grado di generare elettricità, se colpiti da radiazione solare, senza l’uso di alcun combustibile. La fonte solare può contribuire in misura significativa alla diminuzione dell’impiego di fonti fossili, soprattutto in quei paesi, come l’Italia, dove i livelli di insolazione sono elevati.
Il fotovoltaico può dare un apporto allo sviluppo sostenibile e rappresentare un aiuto rilevante per il sistema energetico futuro, contribuendo ai piani di risoluzione dell’inquinamento atmosferico. Questa tecnologia si pone in sintonia con le tendenze del costruire, orientate verso strutture autosufficienti in grado di sopperire al proprio fabbisogno energetico e capaci di stabilire un rapporto sinergetico con l’ambiente circostante.

Cella, modulo e campo fotovoltaico
Il dispositivo più elementare capace di operare una conversione dell’energia solare in elettrica è la cella fotovoltaica, che è in grado di produrre circa 1,5 Watt di potenza in condizioni standard: vale a dire quando si trova ad una temperatura di 25° C ed è sottoposta ad un irraggiamento pari a 1000 W/m2. La potenza in uscita, quando lavora in condizioni standard, prende il nome di potenza di picco (Wp) ed è un valore che viene usato come riferimento, la potenza in esercizio è in realtà minore a causa delle temperature più elevate e dei valori più bassi della radiazione.
Il materiale che sta alla base delle celle è il silicio, sotto forma di singolo cristallo (silicio monocristallino, con superficie omogenea e colore nero), di più cristalli adiacenti (silicio multicristallino o policristallino, con struttura di cristallo e colore blu brillante) o di silicio amorfo: prodotto in assenza d’aria mediante deposito catodico su lastre di vetro di colore bruno, utilizzato generalmente per le celle a film sottile.
Più celle assemblate e collegate tra loro in un’unica struttura formano il modulo fotovoltaico.
Il modulo FV tradizionale è costituito dal collegamento in serie di 36 celle, per ottenere una potenza in uscita pari a circa 50 Watt, oggi ci sono sul mercato moduli costituiti da un numero di celle più alto e quindi di più elevata potenza.
Secondo la tensione necessaria all’alimentazione delle utenze elettriche, più moduli possono essere collegati in serie in una stringa.
La distanza tra le celle può variare in base alla luminosità che si vuole ottenere nell’ambiente interno alla copertura fotovoltaica. Un insieme di moduli, o di stringhe, connessi elettricamente tra loro, costituisce il campo FV che, insieme con altri elementi meccanici, elettrici ed elettronici, consente di realizzare i sistemi FV.

Il sistema fotovoltaico
I principali componenti del sistema fotovoltaico sono: il campo, l’inverter e gli accumulatori.
Il trasferimento dell’energia dall’impianto solare all’utenza avviene attraverso dispositivi, necessari per trasformare ed adattare la corrente continua prodotta dai moduli alle esigenze finali. Il complesso di tali elementi prende il nome di BOS (Balance of System), una parte essenziale di esso è l’inverter, dispositivo che converte la corrente continua (CC) in uscita dal generatore FV in corrente alternata (AC).
L’inverter è un elemento necessario negli impianti collegati alla rete elettrica, ma può non essere presente nei sistemi isolati (in tal caso tutte le apparecchiature presenti dovranno funzionare in corrente continua).
Secondo il tipo d’applicazione, la struttura del sistema fotovoltaico varia in sistemi isolati (stand-alone) e sistemi collegati alla rete (grid connected).

Utenze isolate (sistemi con batteria) Negli impianti isolati, in cui la sola energia è quella prodotta dal FV, occorre prevedere un sistema d’accumulo (tipo le batterie delle automobili), reso necessario dal fatto che il generatore FV può fornire energia solo nelle ore diurne, mentre solitamente la richiesta energetica si ha durante tutte le ore del giorno, anche in caso di basso o nullo irraggiamento o guasto temporaneo dei generatori.
È inoltre opportuno prevedere un dimensionamento del campo fotovoltaico in grado di permettere, durante le ore di insolazione, sia l’alimentazione del carico, sia la ricarica delle batterie di accumulo.
Spesso i sistemi isolati sono impiegati in combinazione con gruppi elettrogeni a motore diesel, questi ultimi vengono inserito in caso di consumi elevati o in caso d’emergenza.

Un impianto fotovoltaico isolato è composto dai seguenti elementi:
-moduli solari;
-regolatore di carica (apparecchio che regola la carica degli accumulatori);
-accumulatori;
-eventuale inverter;
-utenze (apparecchi alimentati dall’impianto);
-eventuale contatore solare.

Connessione in rete
Nei sistemi connessi alla rete elettrica l’energia solare può essere consumata direttamente dall’edificio stesso oppure, in caso di esubero, rimessa nella rete di distribuzione, con la quale l’impianto lavora in regime d’interscambio.
L’energia continua proveniente dai moduli è convertita direttamente in corrente elettrica alternata dall’’inverter, che è sempre presente, mentre generalmente non è previsto il sistema d’accumulo poiché nelle ore notturne, o in caso di necessità, il carico locale è alimentato dalla rete.
L’impianto deve essere dotato di due contatori. Uno contabilizza l’energia fornita dal fotovoltaico alla rete e uno l’energia elettrica che l’utente preleva dalla rete. Un sistema di questo tipo è, sotto il punto di vista della continuità di servizio, più affidabile di un sistema isolato, la mancanza delle batterie riduce inoltre i costi iniziali e di esercizio (le batterie dopo un certo numero di anni si esauriscono).

Integrazione edilizia
I moduli fotovoltaici sono da considerarsi veri e propri componenti edilizi con collegamenti elettrici (sono generalmente forniti completi dell’impianto elettrotecnico).
Molti interventi tuttavia si limitano alla sovrapposizione della tecnologia energetica alla struttura edilizia, con riscontri estetici ed economici poco incoraggianti. Le potenzialità dei prodotti disponibili sono in realtà molto maggiori e offrono soluzioni costruttive ad elevato contenuto ecologico e tecnologico. Gli elementi FV possono essere utilizzati combinati ai tradizionali materiali da costruzione o sostituirli in toto, soddisfacendo i dovuti requisiti di resistenza, isolamento, impermeabilità, schermatura, protezione, ecc.
Ampia è ormai la scelta tra le diverse tipologie utilizzabili per le differenti finalità di intervento: dai moduli incapsulati in singole o doppie lastre di vetro ai pannelli curvi, capaci di adeguarsi alle forme fluide di molta architettura contemporanea; dai pannelli stratificati alle tegole solari; dai laminati, che non richiedono le strutture di sostegno impegnative dei moduli tradizionali, fino ai pannelli flessibili, completamente arrotolabili, che trovano la loro applicazione soprattutto in imbarcazioni, strutture provvisorie e come unità elettriche d’emergenza.
Tetti inclinati e piani (in caso di installazione su tetti non inclinati i moduli sono in genere montati su strutture portanti che garantiscono la corretta inclinazione e orientamento), zone di parapetto, torri ascensori, attici o altre superfici chiuse di facciata, parti trasparenti o semitrasparenti come atri, verande, serre, nonché lucernari, pensiline, schermature solari mobili o fisse, sono potenziali produttori di energia elettrica.
Esistono inoltre veri e propri sistemi di facciata fotovoltaica (Schuco, ecc.) che permettono la realizzazione dell’intero frontespizio come superficie di assorbimento termico, trasformando l’edificio in una sorta di “centrale solare”.
Per la tecnologia fotovoltaica sono più adatte le facciate e le coperture ventilate, poiché tanto più bassa è la temperatura dei moduli durante l’irraggiamento solare (l’efficienza nominale del modulo, definita condizioni standard di 25° C, viene ridotta per ogni grado di temperatura superiore), tanto più è elevato il loro rendimento energetico.
Il corretto orientamento e il non trovarsi in zone ombreggiate, rimane una conditio sine qua non per le applicazioni del solare.
I laminati fotovoltaici si basano sulla tecnologia delle celle di silicio amorfe a film sottile, la loro estrema flessibilità li rende adatti a seguire i raggi di curvatura imposti dalle moderne architetture.
Trovano la loro migliore applicazione in combinazione con le coperture metalliche
Vengono applicati usando le tecniche standard dei laminati metallici, mediante graffe o listelli, senza bisogno di strutture di sostegno pesanti come avviene per i moduli incapsulati in vetro.
Laminati solari speciali trovano applicazione per le coperture dei tetti piani, dove sono direttamente applicati sulle membrane sintetiche per l’impermeabilizzazione.
La maggior parte delle abitazioni mono o bifamiliari possiedono sul tetto uno spazio sufficiente a produrre l’energia elettrica necessaria al loro fabbisogno annuali.
Soluzione di facile installazione è rappresentata dai kit modulari che consentono il montaggio su strutture esistenti e possono essere apposti su tetti piani o inclinati.
Facili da installare includono tutto il necessario per convertire con facilità la luce del sole in energia elettrica, sono indicati per installazioni con tegole laterizie, con scadole o lastre di ardesia, largamente diffuse nelle abitazioni civili e nei piccoli edifici. I connettori in corrente continua consentono la rapida interconnessione dei moduli ed eliminano gli errori di montaggio.
Un contatore digitale mette a disposizione vari dati dell’impianto, tra i quali l’energia prodotta.

Invisibilità dell’impianto
Il fotovoltaico può essere integrato negli involucri edilizi anche tramite operazioni di retrofit sull’esistente, senza comportare stravolgimenti sostanziali o irreversibili dell’edificio.
Nel caso di edifici vincolati e di centri storici l’invisibilità e la silenziosità di questa tecnologia diventano caratteristiche vantaggiose che rendono possibile l’intervento. Dove i vincoli sono strutturali, come per esempio in caso di edifici storici di pregio, il FV può essere aggiunto al tetto dell’edificio in modo da risultare non-invasivo nel corpo dell’edificio e non visibile dal livello stradale; nel caso di ulteriori restrizioni di impatto visivo si può prevedere un sistema di celle fotovoltaiche integrate sottoforma di tegole (le connessioni elettriche passano attraverso l’intelaiatura del tetto e permettono di effettuare gli allacciamenti nel sottotetto), lucernari, ecc.
In questi casi sarà opportuno scegliere anche elementi non troppo riflettenti (trattati con ossido di titanio) e di colorazione adatta alla mimetizzazione con i materiali presenti.

Rendimento
Di tutta la radiazione solare che investe una cella solo una parte viene convertita in energia elettrica.
Per “rendimento” del campo fotovoltaico si intende il valore dell’irraggiamento solare diretto e indiretto che, compreso tra i 4% e il 24 %, viene trasformato dalle celle in energia elettrica. L’efficienza delle celle al silicio monocristallino, è in genere circa del 15%, per raggiungere valori fino al 20-24% in realizzazioni speciali; per altri tipi di moduli questi valori si abbassano ulteriormente: al 12-17% per il silicio policristallino; intorno al 4%-10% per il silicio amorfo. Quest’ultimo ha minore rendimento ma, utilizzando la tecnologia del film sottile, è realizzabile in qualsiasi forma, perfino convessa, e può risultare la scelta migliore per superfici estese e nel caso di irraggiamento prevalentemente diffuso (cielo coperto).
Le celle policristalline hanno solitamente una colorazione blu scuro, derivante da un rivestimento antiriflettente (ossido di titanio), importante per ottimizzare la captazione dell’irraggiamento solare. Richiedendo colori differenti, ottenibili variando lo spessore del rivestimento, si verificano sostanziali perdite di efficienza.

Esposizione
Alle nostra latitudine le temperature raggiungibili rendono necessario, per compensare le possibili penalizzazioni dovute alle caratteristiche termo-fisiche del materiale (l’efficienza nominale del modulo definita alle standard test condition di 25° alla giunzione della cella, viene ridotta dello 0,4% per ogni grado di temperatura superiore), una installazione che permetta la retroventilazione dei pannelli e la dissipazione del calore in eccesso.
Il massimo irraggiamento solare è ottenibile, alla nostra latitudine e su base annua, orientando l’impianto fotovoltaico verso Sud e inclinandolo, rispetto all’orizzontale, di circa 30°, in modo da ottimizzare l’energia raccolta sul piano dei moduli.
Spesso però s’interviene su edifici già esistenti che non presentano superfici disponibili correttamente orientate. Rivolgendo ad esempio l’impianto verso Est o Ovest si perde circa il 10 % dell’energia massima ottenibile rispetto ad un preciso orientamento a Sud (con riferimento ad un’inclinazione di 30°). Nel caso in cui la superficie su cui si applica l’impianto fotovoltaico è verticale, se l’orientamento è verso Sud si perde circa 1/3 dell’irraggiamento solare annuale disponibile (rispetto alla massima captazione di energia che si verifica con l’inclinazione di 30° a Sud), mentre se è verso Est o Ovest solo il 55 % dell’energia disponibile è effettivamente sfruttabile.
L’angolo di inclinazione e lo spostamento del sole durante l’anno sono elementi da tenere in considerazione per offrire al raggio incidente la massima superficie possibile.
La quantità di energia elettrica prodotta da un sistema fotovoltaico dipende da numerosi fattori:
-superficie dell’impianto;
-posizione dei moduli FV (angolo di inclinazione rispetto all’orizzontale ed angolo di orientamento rispetto al Sud);
-valori della radiazione solare incidente nel sito di installazione;
-efficienza dei moduli FV;
-efficienza del BOS;
-altri parametri (temperatura di funzionamento, ecc.)

Incentivazioni
Il Programma “ 10000 Tetti Fotovoltaici” ha dato a tutto il comparto una forte accelerazione. Il programma pluriennale, promosso dal Ministero dell’Ambiente e dal Ministero dell’Industria, del Commercio e dell’Artigianato si propone la diffusione della tecnologia fotovoltaica mediante l’erogazione di contributi pubblici per la realizzazione di impianti fotovoltaici di piccola potenza (inferiori ai 50 kW) collegati alla rete elettrica e preferibilmente integrati nelle strutture edili, come tetti, terrazze, facciate, elementi di arredo urbano, ecc…
Il nuovo sistema di incentivazione tramite il cosiddetto “conto energia” (già delineato con l’approvazione del Dlgs n.387 del 29 gennaio 2004 in attuazione della Direttiva 2001/77/CE sulla energia elettrica da fonti rinnovabili) valorizza l’energia elettrica prodotta e ne riconosce il valore aggiunto di tutela all’ambiente, definendo una tariffa che permetta un’equa remunerazione dei costi di investimento e di esercizio. Le esperienze delle nazioni maggiormente impegnate nel settore (Germania, Spagna, Austria, Francia) e i risultati positivi già raggiunti da questo sistema, con crescita quasi esponenziale di installazioni in Germania e Austria, ne dimostrano la validità.
Durante il “Workshop on PV Energy Incentive Programs” tenutosi l’8 marzo 2004 presso l’Università “La Sapienza” di Roma, organizzato dal GIFI – in collaborazione con EPIA, ISES ITALIA e AIEE- si è fatta una ponderata previsione di un vero e proprio boom di installazioni, anche in Italia a partire dal 2005.
Tra gli strumenti per la crescita delle tecnologie che utilizzano fonti rinnovabili devono essere menzionati i nuovi regolamenti edilizi che prevedono l’obbligatorietà del loro inserimento negli edifici. Un esempio significativo è quello del Regolamento Edilizio del Comune di Carugate (MI) che, sull’esempio di Barcellona, prevede impianti solari termici obbligatori per le nuove costruzioni otre ad altri interventi di risparmio energetico (vedi: Ilsolea360gradi, n. 4/2003).
I principali operatori del fotovoltaico in Italia sono l’Università, l’ENEA (che svolge ricerca sia sui materiali che sui sistemi), l’ISES (International Solar Energy Society), l’ENEL (ricerca sui sistemi ed applicazioni su larga scala) e il GIFI (Gruppo Imprese Fotovoltaiche Italiane).

ALCUNI SITI INTERNET DI INTERESSE

www.infobuildenergia.it
www.isesitalia.it
www.ilsolea360gradi.it
www.enelgreenpower.it

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