Energia alternativa: L A N G O L O T E C N I C O. gli impianti fotovoltaici. obiettivo sicurezza. Come funziona il generatore fotovoltaico

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1 Adriano De Acutis, Claudio Mastrobattista e Giuseppe Grammatico Energia alternativa: Come funziona il generatore Un generatore è un dispositivo che, se esposto al sole, è capace di convertire la radiazione solare in energia elettrica. Il primo oggetto costruito dall uomo in grado di funzionare grazie al è stato il satellite Vanguard, lanciato nel I generatori fotovoltaici sono stati impiegati in usi terrestri per alimentare utenze difficilmente raggiungibili con la rete elettrica pubblica (ponti radio, impianti di segnalazione stradale, impianti rurali). Frequenti sono oggigiorno le realizzazioni di piccole centrali elettriche; in Italia le maggiori quantità di energia prodotta risultano di alcune migliaia di kw. L elemento base è la cella fotovoltaica costituita da un particolare materiale semiconduttore (tipicamente il silicio). Il semiconduttore, investito da un fascio di luce solare dà luogo ad una produzione di corrente continua proporzionale alla radiazione incidente. Il fenomeno descritto viene denominato effetto. Non tutti i pacchetti di energia costituenti la luce (fotoni) vengono però sfruttati, in quanto soltanto alcuni (con particolari valori di energia) danno luogo alla produzione di energia elettrica: questo meccanismo risulta essenziale per determinare il rendimento che, per una cella fotovoltaica realizzata con silicio, risulta pari a circa il 12 17% dell energia luminosa che la colpisce. Le applicazioni dell energia fotovoltaica richiedono caratteristiche di potenza, corrente e tensione elevate ottenibili usando sistemi di più celle. Pertanto le celle vengono assemblate in una struttura robusta e maneggevole, in grado di garanti- Quali sono i vantaggi? 1. Basso impatto ambientale: assenza di rumore e di emissione di gas inquinanti; 2. Bassi costi di manutenzione: assenza di parti in movimento e quindi di usura; 3. Elevata durata: un viene garantito per tempi di anni; 4. Ridotti costi di smaltimento: il componente base è tipicamente il silicio (che deriva dalla silice SiO 2 di cui è fatta la sabbia); 5. il grado di purezza del silicio per impieghi fotovoltaici è inferiore a quello utilizzato per la realizzazione dei chip elettronici con possibilità di utilizzo di scarti dell industria elettronica. Perché è poco diffuso? 1. elevato costo: l incremento del volume di produzione potrà ridurre i costi; 2. la disponibilità della sorgente (diurna) non coincide con le richieste dell utente il cui fabbisogno di energia è continuo nelle 24 ore: il fotovoltatico non potrà sostituire completamente altre fonti energetiche (termoelettrico, idroelettrico, nucleare, ecc.). 53

2 re molti anni di funzionamento anche in condizioni ambientali difficili: il. La potenza erogata da un modulo, in condizioni di sole pieno, può arrivare fino a 70 75Watt. Collegando tra di loro un insieme di moduli si ottiene un generatore con le caratteristiche desiderate di corrente e tensione. Affinché un impianto raccolga al meglio l energia solare incidente, la superficie attiva dovrà essere disposta perpendicolarmente ai raggi solari. Il generatore però è fissato ad una struttura di sostegno rigida, e non può inseguire il moto apparente del sole, pertanto lo si rivolge verso Sud con angolo di inclinazione rispetto al piano orizzontale (angolo di tilt) dipendente dalla ubicazione nella quale l impianto viene installato e dall impiego presunto. Come posizionare un generatore SUD angolo di tilt In Italia è consigliabile scegliere impianti con angoli di tilt: per impianti che funzionano prevalentemente in estate (impianti elettrici di camper o residenze estive); per assicurare la raccolta di energia anche in inverno (impianti per segnaletica stradale); 30 per ottimizzare la raccolta di energia nel corso dell intero anno (impianti a servizio di abitazioni). Impianti fotovoltaici in corrente continua... Un generatore eroga normalmente energia elettrica in corrente continua. Negli impianti più semplici un accumulatore elettrochimico (batteria) viene installato in parallelo al generatore per mantenere ad un valore costante la tensione di lavoro per l utilizzatore secondo lo schema riportato in figura. 54

3 Energia alternativa: L A N G O L O T E C N I C O Per impedire che durante le ore di buio la batteria possa scaricarsi sul generatore, si introduce nell impianto un diodo di blocco della corrente a ritroso che comunque consente nelle ore diurne la normale circolazione della corrente. Per impianti con potenze nominali di centinaia di Watt si utilizza lo schema seguente, in cui compare il, un dispositivo elettronico che riceve in ingresso ed eroga in uscita energia elettrica in corrente continua massimizzando la potenza disponibile sul....in corrente alternata... L esubero o il deficit di energia erogata dalla sorgente fotovoltaica vengono compensati dalla batteria, che ha la funzione di volano energetico. La rete pubblica, per evidenti vantaggi di gestione, trasporta e distribuisce corrente alternata; ciò ha contribuito a orientare il mercato degli elettrodomestici verso prodotti funzionanti in corrente alternata. Pertanto è necessario studiare impianti fotovoltaici in corrente alternata. Si possono definire due diverse configurazioni: Impianto funzionante in isola; Impianto collegato alla rete elettrica pubblica. 55

4 L impianto funzionante in isola con alimentazione in alternata è isolato dalla rete pubblica di distribuzione. Di seguito è rappresentato lo schema di principio....funzionante in isola... Il convertitore dc/ac (energia in ingresso continua, ed uscita in alternata) è collegato in ingresso alle due sorgenti in continua ( e batterie), e trasferisce in uscita l energia in alternata al, rendendo stabile la tensione d uscita. Gli impianti ad isola sono utilizzati quando l ubicazione degli apparecchi utilizzatori rende antieconomico l allaccio con rete elettrica pubblica (rifugi alpini, ponti radio, ecc.). L inconveniente di un impianto funzionante in isola è di richiedere un pacco batterie, il cui dimensionamento è legato alla autonomia desiderata espressa come numero di giorni di buio completo in cui l alimentazione deve essere comunque garantita. Negli impianti collegati alla rete elettrica pubblica l utilizzatore è collegato alla rete pubblica di distribuzione, e l impianto è connesso alla stessa rete, riversando su di essa l energia elettrica prodotta....o collegato alla rete pubblica RETE PUBBLICA 56

5 Energia alternativa: L A N G O L O T E C N I C O Non è più necessario il pacco batterie, in quanto l energia può essere fornita dalla rete pubblica con evidenti riduzione dei costi e vantaggi nell installazione e nell esercizio migliorando il rendimento complessivo dell impianto. A fronte di questi vantaggi, deve essere installato un convertitore dc/ac che mantenga il sincronismo con la tensione di rete e disconnetta l impianto dalla rete pubblica in caso di guasto o manutenzione della stessa per evitare che la rete stessa sia mantenuta in tensione dal generatore. Nelle postazioni di alta montagna, dove trovano ricovero i ponti radio del Corpo nazionale dei vigili del fuoco, spesso non si trova l allaccio dell energia elettrica trasportata dal gestore locale per cui è necessario sopperire a tale mancanza con sistemi in grado di erogare energia alternativa per consentire il corretto funzionamento delle apparecchiature installate. Storicamente diversi sono stati i sistemi di produzione dell energia elettrica studiati ed utilizzati dal Corpo nazionale dei vigili del fuoco (impianti a gas, impianti eolici, gruppi elettrogeni) ma quello che ha riscontrato il maggior successo è stato l impianto. Il generatore appare anche conveniente dal punto di vista economico infatti al giorno d oggi la realizzazione da parte del gestore di una linea di energia elettrica in quota viene a costare circa ,00 euro/km senza considerare poi il costo di utilizzo al kwh. Di contro per la realizzazione di un impianto si ha soltanto il costo iniziale che per un impianto di media dimensione si aggira intorno ai euro, con una vita media attesa di circa 20 anni. In un tipico utilizzo del sistema di produzione di energia da pannelli fotovoltaici per i ponti radio VF si sfrutta un regolatore di tensione che stabilizza la corrente che viene erogata al pacco batterie per la ricarica. Il generatore utilizzato dal Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco Ponti radio dei vigili del fuoco alimentati con pannelli fotovoltaici 57