FOTOVOLTAICO: energia dal sole

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1 CONSUMI ENERGETICI FOTOVOLTAICO: energia dal sole Tutti gli oggetti, per essere prodotti, e tutti i macchinari, per funzionare, hanno bisogno di energia. La combustione di ossidi di carbonio, zolfo, idrocarburi a fini energetici provoca modifiche ambientali e aumento delle malattie respiratorie. Le necessità e i consumi energetici delle famiglia italiane, composte da tre persone, negli ultimi vent anni, sono raddoppiati arrivando a 3000 kwh/anno; pari ad un costo energetico medio di circa 550 all anno (3000 kwh x ). ENERGIA SOLARE La terra riceve dal sole un flusso luminoso che attiva i processi vitali, produce i venti, produce i venti, fa crescere le piante, decompone i resti animali e vegetali. Questa energia potrebbe bastare e avanzare per produrre tutto il fabbisogno energetico del pianeta (un esempio 1 metro/quadrato di terreno in Sicilia, riceve energia solare pari all energia contenuta in un barile di petrolio). PROTOCOLLO DI KYOTO

2 CHE COS'E' IL FOTOVOLTAICO I governi hanno stabilito di limitare la dipendenza dalle fonti energetiche non rinnovabili nel periodo tra 2001 e A questo scopo, i governi, si sono reciprocamente impegnati per ridurre la produzione di CO2 di un quinto. Per arrivarci, c è una sola possibilità: è necessario aumentare la quota di energia derivante da fonti rinnovabili, raddoppiandola dalla quota attuale del 6% fino al 12%. La tecnologia fotovoltaica consente di trasformare direttamente la luce solare in energia elettrica senza necessità di meccanismi in movimento. Essa sfrutta il cosiddetto effetto fotovoltaico che è basato sulle proprietà di alcuni materiali semiconduttori (ossia con caratteristiche sia di conduttore eletttrico sia di isolante elettrico come, ad esempio, il silicio) che sono in grado di generare elettricità quando vengono colpiti dalla radiazione solare. SILICIO Dopo l ossigeno, il silicio, è l elemento più diffuso sulla crosta terrestre (28%). Allo stato puro ha struttura cristallina simile a quella del diamante. Tutte le moderne tecnologie dei computer sono possibili grazie al silicio elettronico. I microchips, le schede integrate, i microcircuiti sono tutti realizzati con silicio elettronico. Per ottenere il silicio si parte da sabbia di rocce silicee e quarzose. Attraverso processi di riduzione, la silice, in fase di fusione perde atomi di carbonio che vengono assimilati da sostanze riducenti (sodio, carbone). Dopo varie fasi di fusione/cristallizzazione si ottiene silicio metallurgico, usato per le cellule FV, che è un prodotto di scarto del silicio elettronico perché meno puro. Il silicio utilizzato per le celle fotovoltaiche può essere: policristallino, monocristallino e amorfo (cioè che non ha struttura cristallina). COSTRUZIONE DELLA CELLULA

3 Il silicio metallurgico fuso in lingotti (diametro cm) viene affettato in sezioni di 0,25-0,35 mm di spessore. La cellula FV è costituita da due strati di silicio drogato (cioè silicio a differente potenziale elettrico) posti tra le due facce delle sezioni ricavate dai lingotti. La differenza di potenziale si ottiene attraverso la diffusione controllata, nei forni, di atomi di fosforo e di atomi di boro sui due strati opposti della cellula. I primi creano carenza di elettroni, quindi, i secondi creano esubero di elettroni. Dal primo si ottiene silicio tipo p, dall altro silicio tipo n. Nella giunzione tra i due strati, per effetto del bombardamento di fotoni (esposizione alla luce solare), le cariche elettriche tendono a separarsi creando la circolazione di corrente elettrica tra le due facce della cellula, ossia, i due poli (negativo e positivo) della cella. Ovvero tra il contatto elettrico inferiore, ottenuto per serigrafia di una pasta d argento, e il contatto elettrico superiore, costituito da una griglia frontale. FUNZIONAMENTO DELLA CELLULA FOTOVOLTAICA MODULO FOTOVOLTAICO La cellula fotovoltaica è la giunzione di due sottili materiali semiconduttori (silicio tipo p e silicio di tipo n ). Quando un raggio di luce colpisce la cellula le cariche positive si separano da quelle negative creando una differenza di potenziale. Tra i due semiconduttori si genera una piccola corrente elettrica. Una cellula ha una superficie di 100 mmq, alle condizioni di normale insolazione (25 C 1 kw/mq) produce corrente elettrica di 3 Ampere di intensità, 0,5 Volt di tensione e 1,5 Watt di potenza. Il silicio è praticamente una macchina che produce energia ma, come tutte le macchine, ha delle perdite di efficienza. I moderni motori a scoppio arrivano al 27%, le centrali elettriche arrivano al 50%. Così il silicio policristallino ha rendimenti bassi pari al 12-14%, il monocristallino ha rendimento del 18% e il silicio amorfo ha efficienza di conversione (7%) ancora più bassa del policristallino, costa meno ma ha un tempo di vita di 10 anni mentre, un modulo policristallino, ha garanzia di vita per anni. Il collegamento di più cellule consente di ottenere tensioni (Volts) più alte. Una volta connesse in serie/parallelo, le 36 cellule vengono incapsulate in uno spessore di EVA (Etil-Vinil-Acetato) e poi laminate su una lastra di vetro ad alta resistenza, trasparenza e antiriflesso per ottenere il modulo incorniciato da un telaio di alluminio. Così connesse le cellule formano il modulo di mezzo metro quadro che produce 50 Wp (per le perdite di accoppiamento), ad una tensione di 17V (Volts x Amps = Watts). Pesa circa 6 chilogrammi, ha uno spessore di 4 centimetri. Più moduli sono una stringa e, più stringhe insieme, sono un campo fotovoltaico. EVOLUZIONE STORICA

4 PARADOSSO ITALIA La prima intuizione delle potenzialità dei materiali conduttori si fa risalire ad Alessandro Volta alla fine del 700. La possibilità di trasformare la luce in energia elettrica fu possibile dopo gli esperimenti di A. Bequerel nel Ma i periodi di maggior espansione furono gli anni 50 e l era dello sviluppo dei programmi spaziali per ottenere energia, in modo affidabile, in luoghi privi di risorse. Ormai la tecnologia fotovoltaica è disponibile dovunque: le minicalcolatrici, gli orologi, gli esposimetri delle macchinette fotografiche e le cellule fotoelettriche dei cancelli. Il primo impianto fotovoltaico per la produzione di energia elettrica è stato realizzato nel 1982 in Svizzera. Almeno due sono le forti contraddizioni del fotovoltaico in Italia: L Italia ha un insolazione praticamente doppia rispetto alla Germania ma, in Italia ci si accontenta di lanciare un piano per tetti fotovoltaici, mentre in Germania il programma è di almeno tetti fotovoltaici (in Giappone se ne vogliono raggiungere e in U.S.A ). In Italia, a Serre in Campania, c è una centrale per la produzione di 3,3 Mwp, la più grande d Europa che dovrebbe essere da esempio per tutti i piccoli impianti. Viceversa il numero di impianti è molto esiguo. APPLICAZIONI DEL FOTOVOLTAICO Sistemi autonomi (stand alone): Costituiti da pannelli, regolatori di carica e batterie di accumulo. Se gli impianti servono apparecchiature a corrente alternata è necessario anche un convertitore di carica. Le batterie (al litio ione) hanno cariche elevate e un tempo di vita media di 3-5 anni (Applicazioni: ripetitori radio pompe e filtraggio acqua monitoraggi ambientali piattaforme off-shore). Sistemi connessi alla rete (grid connected): Il surplus (mancato utilizzo o limitata richiesta) viene ceduto all ente erogatore grazie ad un doppio contatore che registra i flussi di entrata e di uscita. Caratteristica esclusiva dell impianto grid connected è l inverter, ossia il regolatore che trasforma la corrente continua in alternata. CONSUMI MEDI A CONFRONTO Calcolatori Orologi: da 0,001 a 0,1 W Stazioni meteo Telemonitoraggio: da 0,1 a 10 W Ripetitori radio Segnaletica stradale: da 1 a 10 W Televisori Frigoriferi: da 10 a 100 W Case isolate Pompaggio acqua: da 100 a 1k W Sistemi di irrigazione Depurazione acque: da 1k a 100k W QUANTA ENERGIA PRODUCE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO

5 La quantità di energia prodotta da un sistema fotovoltaico dipende da: a) Efficienza dei moduli Un metro quadrato di moduli in silicio policristallino ha un efficienza di conversione del 12,5% e, quindi, in condizioni standard crea una potenza elettrica di 125 Wp. Per creare 1kWp servono 8 metri quadrati di moduli; b) Radiazione solare incidente Dipende dalla latitudine, dalla stagione (distanza e angolo di incidenza) e dalla frazione riflessa dal terreno; c) Posizione dei moduli (orientamento e inclinazione) Azimut (+ 45 ) Tilt (+ 15 ); d) Efficienza del B.O.S. (Balance Of System) Si può calcolare anche la produttività di un sistema in base alle efficienze dei moduli e del BOS (mediamente 85%) ossia: il calcolo dell energia elettrica prodotta in un anno: (insolazione media annua x efficienza moduli x efficienza del BOS) = 1715 kwh/mq x 12,5% x 85% = 182 kwh/mq; e) altro (temperatura di funzionamento). PRODUZIONE DEL MERCATO FOTOVOLTAICO Il mercato mondiale di energia prodotta con tecnologie fotovoltaiche, in dieci anni ( ) e più che quintuplicato, passando da 45 MWp a 290 MWp. Gli incrementi più elevati sono in Giappone, Stati Uniti e Germania che, non solo, incentivano con sussidi l installazione degli impianti, ma comprano l energia immessa in rete ad un prezzo superiore al prezzo di vendita. In Italia, alla scadenza del primo programma tetti fotovoltaici, nel 2007 è previsto un nuovo programma per impianti. ECOLOGIA DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO L impianto fotovoltaico può essere utilizzato senza spreco del territorio (sopra i tetti) o su pannelli con altre funzioni (barriere acustiche pensiline frangisole). E un materiale che può sostituire i materiali di finitura dei fabbricati (tegole,lastre ondulate, ). Ha il grosso vantaggio di produrre energia la dove c è bisogno, evitando gli sprechi delle dispersioni attraverso i cavi. Non produce nessun tipo di inquinamento durante il suo ciclo di vita e neanche per lo smaltimento dei suoi componenti (silicio, vetro, ferro, rame, plastica, alluminio).

6 Infine, il suo utilizzo riduce la produzione di CO² delle caldaie o delle centrali termoelettriche. (1 kwh elettrico produce 0,53 kg di CO²). La tecnologia FV ha grosse potenzialità nel futuro più immediato: riduzione dei costi, miglioramenti dell efficienza di conversione. LA PROGETTAZIONE DI UN IMPIANTO: dati significativi (Casa isolata - 4 persone - Alto Adige) Parametri geografici: insolazione (kwh/mq), temperatura Consumo annuo di energia elet. (media triennio): 4300 kwh/anno Costo energia (4300 kwh x 372 Lire): Lire/anno Azimut: scostamento dal Sud geografico (+ 45 ) Tilt: inclinazione rispetto al piano ( + 15 ) Dimensionamento: 36 moduli x 75 Wp = 2,7 kwp (pot. nominale) = 3280 kwh/anno (elet. utile) Componenti: moduli, struttura, quadro protezione, inverter (2x1,5 kwp), kit cablaggio. Costi: Manodopera = 120 ore (3 persone x 5 giorni) Totale = Lire ( Euro) Incidenza componenti moduli (54%), installazione (19%), inverter (13%), cablaggio (8%), progetto (6%) Produzione annua di energia elettrica dell impianto fv: 3288 kwh/anno dovuto all enel: = 1012 kwh x 118 lire = = Lire Risparmio: = Lire Tempo di recupero dell investimento: / = 6,6 anni I costi scendono molto progettando l impianto prima della costruzione dell edificio

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