Ing. FLAVIO CONTI LUVINATE (Varese) http//:

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1 Come Funziona un impianto Solare Fotovoltaico Ing. FLAVIO CONTI LUVINATE (Varese) http//:

2 La Radiazione Solare Extraterrestre Solar radiation incident outside the earth's atmosphere is called extraterrestrial radiation. On average the extraterrestrial irradiance is 1367 Watts/meter 2 (W/m 2 ). This value varies by ±3% as the earth orbits the sun. The earth's closest approach to the sun occurs around January 4th and it is furthest from the sun around July 5th. The extraterrestrial radiation is I o = 1367 * (R av / R) 2 W/m 2 where R av is the mean sun-earth distance and R is the actual sun-earth distance depending on the day of the year.

3 La rivoluzione terrestre

4 LA RADIAZIONE SOLARE Air Mass AM = 1/sin(h) AM = AM0 = 0 Limite sup. dell'atmosfera assorbente AM = AM1 = 1 AM = 1/sen(h) h Angolo di zenit Orizzonte locale ~ 100 km Superficie Terrestre

5 LA RADIAZIONE SOLARE Spettro della radiazione solare [W /m²] DENSITA' SPETTRALE DI POTENZA W /m² (AM0) 1000 W /m² (AM1) RADIAZIONE VISIBILE DALL'OCCHIO UM ANO LUNGHEZZA D'O NDA 0,3 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 [µm]

6 Componenti della Radiazione Solare

7 LA RADIAZIONE SOLARE La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre si distingue in: (1) diretta (2) diffusa (3) riflessa Le proporzioni di radiazione (1), (2) e (3) ricevuta da una superficie dipendono da: (a) condizioni meteorologiche (b) inclinazione della superficie (c) presenza di superfici riflettenti

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9 Tipi di impianti solari Gli impianti che sfruttano l energia solare si possono distinguere tra: Impianti solari Termici Impianti solari FotoVoltaici Gli impianti termici convertono la radiazione solare in energia termica che viene asportata da un fluido che può essere acqua, aria o glicole. Gli impianti fotovoltaici (FV) invece che convertono direttamente l energia solare in energia elettrica.

10 Impianti solari termici

11 Impianti solari termici

12 ACS e Riscaldamento I più moderni impianti solari termici consentono oggi di ridurre drasticamente (>50%) le vostre spese annue di combustibile e di poter sfruttare completamente ogni apporto di calore da fonti rinnovabili tradizionali, come ad es. caminetti.

13 2. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica 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 Caratteristiche elettriche di un semiconduttore

14 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO La Conversione Fotovoltaica La BANDA DI ENERGIA è l insieme di 3 livelli energetici posseduti dagli elettroni: - La BANDA DI VALENZA con gli elettroni con livello energetico più basso, che restano nelle vicinanze dell atomo d appartenenza - La BANDA di CONDUZIONE - L ENERGY GAP che comprende livelli energetici NON consentiti quantisticamente. L energy gap è la quantità d energia necessaria all elettrone per passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione.

15 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Silicio La Conversione Fotovoltaica L atomo di silicio possiede 14 elettroni di cui 4 di valenza; in un cristallo di silicio puro ciascun atomo è legato in modo covalente con altri quattro atomi: ogni elettrone di valenza si lega con un elettrone di valenza di un altro atomo. Il passaggio dalla banda di valenza a quella di conduzione avviene trasmettendo all elettrone una opportuna quantità di energia. In tale passaggio l elettrone si lascia dietro una buca detta lacuna che può venire occupata da un altro elettrone. Il movimento degli elettroni comporta così anche quello delle lacune. Silicio

16 Cos è l effetto FV Gli impianti FV sono formati da celle di materiale semiconduttore, (di solito Silicio (Si)), opportunamente dopato con impurità che consentono di creare una differenza di potenziale allorquando la cella è colpita dalla radiazione solare. Gli elettroni (-) liberati si spostano lasciando dei vuoti (o lacune) di segno (+). Quanto più intensa è la luce, tanto maggiori sono le coppie di elettroni-lacune create e quindi la differenza di potenziale.

17 La cella FV Le celle FV sono fatte con lo stesso Si usato nell industria elettronica. L alto costo è dovuto non solo ai costi di produzione ma anche in base alla domanda/offerta del Si sul mercato internazionale. I materiali usabili sono: Si mono-cristallino η = 15-17% Si poli-cristallino η = 12-14% Si Amorfo η = 7-9% Le celle sono assemblate fra uno strato superiore di vetro ed uno di plastica (Tedlar), Il tutto è cotto in un forno ad alta temperatura sotto vuoto. Ne esce un laminato robusto e maneggevole.

18 I Pannelli CIS L'acronimo CIS sta per Copper (=Rame), Indium (=Indio), Selenium (=Selenio). Si tratta quindi di pannelli fotovoltaici che non utilizzano il silicio come materiale sensibile alla luce solare, ma il "Diseleniuro di Rame e Indio" (CuInSe 2 ) Quali sono i vantaggi di un pannello CIS? 1) Il minor costo di produzione di un pannello CIS è dovuto sia all'utilizzo di materiali meno costosi del Si, sia ad una tecnologia di produzione più economica, e questo genera il vantaggio di un costo inferiore del prodotto finito. Il materiale viene depositato secondo la tecnologia Thin Film (=Film sottile), cioè uno strato di pochi micron di materiale fotovoltaico contro i micron delle celle al Silicio cristallino.

19 Pannelli CIS 2) Miglior resa all'illuminazione parziale. In caso di irraggiamento solare ottimale il silicio cristallino è, tra i pannelli oggi in produzione industriale, il materiale con la maggior resa fotovoltaica specifica (cioè il materiale che produce il maggior numero di Watt x m 2 ). Quando però l'irraggiamento non è ottimale, ad es. in caso di ombreggiamento parziale, un pannello in silicio cristallino ha un brusco calo di produzione, in quanto la minor efficienza di una cella si ripercuote su tutte le celle ad essa connesse. I moduli fotovoltaici CIS di ultima generazione hanno invece un'efficienza che può arrivare al 12-13%, paragonabile a quella del silicio policristallino (14%), e subiscono un minor calo di produttività in caso di ombreggiamento parziale: in ultima analisi si ottiene pertanto una maggior quantità di energia media prodotta, a parità di potenza. Inoltre, grazie alla particolare configurazione del materiale, la tecnologia Thin Film consente di ottenere pannelli CIS flessibili Ci sono aspetti negativi? Un aspetto da valutare nella scelta di un modulo CIS è la maggior dimensione del pannello rispetto ad un modulo in silicio cristallino, a parità di potenza.

20 Assemblaggio

21 Gli inverter Poiché le corrente in uscita da un generatore FV è continua e in bassa tensione ( Volt) è necessario un dispositivo che la converta in corrente alternata a 200 Volt affinché si possano usare gli elettrodomestici normali. Questo apparecchio è l INVERTER.

22 Tipo di impianti Le potenze di un impianto FV variano da pochi Watt a diverse centinaia di kw a seconda della tecnologia usata. Si distinguono in: Sistemi FV isolati (STAND ALONE) Sistemi connessi in rete

23 Produzione e Consumo Un impianto solare produce energia ovviamente solo durante i periodi di insoleggiamento. Il consumo di energia avviene invece durante altri periodi della giornata, a seconda del tipo di utilizzo. V è quindi la necessità di immagazzinare l energia durante i periodi di produzione e poterla utilizzare quando se ne ha il bisogno. I sistemi FV stand-alone devono pertanto essere dotati di batterie per l accumulo dell energia elettrica I sistemi collegati alla rete non necessitano delle batterie, in quanto è la rete stessa che funziona da sistema di immagazzinamento dell energia. La rete distribuisce l energia prodotta a chi la richiede in quel momento e fornisce altra energia ai produttori di energia FV nei periodi in cui la richiedono.

24 Impianti Stand- Alone Gli impianti stand-alone o non allacciati alle rete elettrica, debbono dotarsi di: un sistema di accumulo dell energia (batterie al Pb) sistema di Regolazione della tensione Possono utilizzare elettrodomestici che funzionano a bassa tensione e c.c. evitando la spesa dell inverter, anche se è poco consigliabile.

25 Connessioni alla rete

26 Schema elettrico

27 Installazione

28 Potenza e Potenza di Picco Non bisogna confondere la Potenza di cui si ha bisogno all utilizzo con la Potenza dell Impianto FV. La potenza dell impianto FV si misura in kwpicco ossia è la potenza massima fornibile nelle migliori condizioni di insolazione e di esposizione. Il dato della Potenza di picco indica: L energia che si può ottenere nell anno (kwh/a) La superficie necessaria per installare moduli (m2) e La spesa di investimento ( )

29 Utilizzo

30 Quanta elettricità produce un impianto fotovoltaico? La produzione elettrica annua di un impianto fotovoltaico dipende da diversi fattori: radiazione solare incidente sul sito d installazione; orientamento ed inclinazione della superficie dei moduli; assenza/presenza di ombreggiamenti; prestazioni tecniche dei componenti dell impianto (moduli, inverter ed altre apparecchiature).

31 Quanto produce un impianto fotovoltaico? Tetto FV da 1 kwp (8 m2) a: Energia elettrica generabile in un anno Milano Roma Trapani kwh per kw kwh per kw kwh per kw

32 Quali autorizzazioni? Le autorizzazioni possono variare da Regione a Regione, E necessario che il richiedente verifichi presso l Ufficio tecnico del Comune di competenza. Normalmente per un impianto fotovoltaico di piccola taglia (potenza nominale fino a 20 kw) da installare su un edificio o sul terreno, è sufficiente una semplice dichiarazione di inizio attività (D.I.A.) come per qualsiasi altro intervento di manutenzione straordinaria. Nel caso in cui il sito di installazione ricada in un area protetta, soggetta a vincoli paesaggistici o architettonici, occorre richiedere un nulla osta alla competente autorità sul territorio (Ente locale, Ente parco, Sovrintendenza,.).

33 Dove può essere installato? I moduli fotovoltaici possono essere collocati su qualsiasi pertinenza di un immobile (tetto, facciata, terrazzo) o sul terreno. La decisione deve essere presa in base all esistenza sul sito d installazione dei seguenti requisiti: disponibilità di spazio necessario per installare i moduli; corretta esposizione ed inclinazione della superficie dei moduli. Le condizioni ottimali in l Italia sono: esposizione SUD (accettabile anche SUD-EST, SUD-OVEST, con ridotta perdita di produzione); inclinazione dei moduli compresa fra 25 (latitudini più meridionali) e 35 (latitudini più settentrionali); assenza di ostacoli in grado di creare ombreggiamento.

34 Fattori di correzione

35 Verifica delle Ostruzioni Bisogna accuratamente verificare che nelle condizioni peggiori di insolazione non vi siano ostacoli che riducano la produzione di energia fotovoltaica.

36 Applicazioni Si hanno 4 fondamentali tipi: 1) tetti fotovoltaici strutturali utilizzando moduli solari semitrasparenti si possono ottenere interessanti giochi di luce 2) installazioni su tetti piani: facili da applicare innumerevoli sono gli edifici esistenti che potrebbero accogliere questo tipo di impianti. 3) facciate fotovoltaiche :Quest applicazione è particolarmente richiesta dalle società che dispongono di palazzi di uffici con facciate rivolte a Sud, che già devono predisporre dei vetri oscurati per ridurre il passaggio della luce; 4) frangisole: Non è poi necessario che tali impianti debbano sempre essere di grandi dimensioni. Disponendosi su delle pareti esistenti, l installazione è più semplice e quindi più economica.

37 Esempi applicativi

38 Esempi applicativi : Case

39 L integrazione architettonica L integrazione architettonica dei sistemi solari si basa sulla possibilità di utilizzare il modulo fotovoltaico nella più ampia libertà. Si possono realizzare moduli aventi forma, misura, colore, caratteristiche strutturali diverse a seconda della situazione in cui s interviene. Le aziende in grado di offrire simili prodotti sono molto poche e vanno scelte con cura.

40 Esempi applicativi : Balconi

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42 Esempi applicativi

43 I moduli trasparenti Nella creazione dei moduli semitrasparenti, le celle sono fissate con una resina tra due lastre di vetro distanziate tra di loro circa 2 mm. I cavi della corrente in uscita sono solitamente fatti passare attraverso dei corridoi creati nella cornice, in modo da rimanere nascosti, oppure si utilizzano le tradizionali junction box di connessione. Nei casi in cui la facciata trasparente debba anche soddisfare requisiti di isolamento termico, il modulo solare è integrabile in un doppio vetro, ottenendo un valore di dispersione termica di 1,1 W/m 2 K. Tutti i moduli prodotti sono testati elettricamente e meccanicamente secondo un rigido controllo di qualità. Viene così garantito lo standard IP65 contro il rischio dato dalle infiltrazioni di umidità.

44 Pensiline di ricarica per auto elettriche

45 Building Integration GRID CONNECTION - BUILDING INTEGRATION

46 Building Integration

47 Come si dimensiona l impianto FV L impianto si dimensiona in funzione del: La località ove si vuole installare l impianto La superficie disponibile e sua inclinazione ed orientamento Consumo annuale (kwh/a) (Una famiglia consuma circa 3000 kwh/a) Risparmi d energia elettrica possibili Fattore di copertura scelto (% consumo) Tipo di celle FV scelto (Si amorfo, mono o poli-cristallino)

48 FAQ1. Durata di Vita di un Impianto Fotovoltaico Qual è la durata di vita di un impianto FV? La durata di un sistema FV si aggira intorno ai 30 anni, con un decadimento della produttività negli anni piuttosto limitato. Tuttavia alcuni esperti in Giappone stimano che un impianto possa produrre energia anche con 80 e più anni di vita. La durata di vita dell Inverter è più breve (10-12 anni) La garanzia standard è di 2 anni, ma pagando, può essere estesa. Questa limitazione dovrebbe essere superata, tenuto conto anche del ridotto peso economico rispetto al totale. Per prudenza si può assumere anni come durata di vita dei pannelli. La garanzia sui pannelli è di 25 anni.

49 FAQ2. ALTRE DOMANDE Quali vantaggi offre l'installazione di un impianto fotovoltaico? La produzione di energia elettrica da impianti fotovoltaici permette di ottenere benefici ambientali ed economici. Infatti, per ogni kwh di elettricità prodotta da fonte solare si evita di bruciare 0,25 Kg di petrolio e di immettere in atmosfera 0,7 Kg di anidride carbonica! Per ogni kw installato si possono produrre circa 1000 kwh l'anno, con una riduzione della bolletta elettrica di circa 180 Euro.

50 FAQ3. Domande Frequenti E vero che un modulo fotovoltaico deve lavorare decenni per restituire l energia che è servita per produrlo Non è vero. Un recente studio della Commissione Europea ha mostrato che il Tempo di Ritorno Energetico è compreso tra 1,5 e 4,4 anni a seconda della tecnologia considerata e della località d installazione dell impianto.

51 FAQ4. I moduli fotovoltaici contengono elementi molto inquinanti che creeranno problemi di smaltimento e quindi non è una tecnologia pulita. Falso. Solo i ricchi possono comprarsi un sistema fotovoltaico, perché ancora troppo costoso. Falso. Al contrario, con i contributi del Conto Energia diventa un investimento profittevole.