Gli impianti fotovoltaici

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1 Gli impianti fotovoltaici 1. Principio di funzionamento degli impianti fotovoltaici La tecnologia fotovoltaica permette di trasformare direttamente l energia solare incidente sulla superficie terrestre in energia elettrica. Il principio di funzionamento dell impianto fotovoltaico è detto "effetto fotovoltaico", che si manifesta nel momento in cui una radiazione elettromagnetica, colpisce un particolare materiale semiconduttore opportunamente trattato (silicio), ed innesca un movimento di elettroni generando una corrente elettrica e quindi una differenza di potenziale. 2. Cella fotovoltaica La più piccola unità che consente di trasformare direttamente la luce del sole in energia elettrica è la cella fotovoltaica, costituita da un materiale semiconduttore opportunamente trattato e di spessore molto sottile, wafer ( μ). La materia prima, più utilizzata, per la produzione delle celle fotovoltaiche è il silicio. 1

2 Negli ultimi anni è stata avviata la sperimentazione di celle solari organiche (ancora non immesse sul mercato), che utilizzano una miscela di materiali in cui un pigmento a base vegetale assorbe la radiazione solare e gli altri componenti estraggono la carica per produrre elettricità. Per conoscere la potenza di utilizzo di una cella fotovoltaica bisogna conoscere i valori della corrente e della tensione. Le condizioni di massima potenza (MPP) sono importanti per conoscere il watt di picco Wp. Questi valori sono dati in condizioni standard di riferimento (STC), cioè mantenendo costanti i seguenti valori: Irraggiamento a 1000 W/m 2 Temperatura di esercizio della cella a 25 C Massa d aria AM = 1,5 La curva caratteristica Tensione Corrente può variare essenzialmente in funzione di due fattori: l irraggiamento e la temperatura. 3. Soluzioni impiantistiche Le soluzioni impiantistiche che utilizzano pannelli fotovoltaici per la produzione di elettricità possono dividersi in due categorie: collegate alla rete di distribuzione dell energia (Grid-connected) non collegate (Stand-alone). Impianti collegati alla rete con sistemi di accumulo Gli impianti Grid-connected immettono prevalentemente energia elettrica nella rete pubblica. Gli utilizzatori domestici ne possono utilizzare solo una parte direttamente per la loro alimentazione. Tale quota di energia fotovoltaica impiegata direttamente costituisce l'autoconsumo diretto. L'ammontare dell'autoconsumo diretto deriva dalle dimensioni dell'impianto fotovoltaico e dal profilo di carico dell abitazione. 2

3 Nei casi in cui sia impossibile o molto costoso (utenze isolate) l allacciamento alla rete si usano delle batterie di accumulo (Stand-alone) al fine di utilizzare l energia anche nelle ore notturne. Negli ultimi anni si stanno sviluppando sistemi per l'accumulo temporaneo dell'energia fotovoltaica in eccesso negli impianti connessi alla rete. In questo modo è possibile immagazzinare l'energia fotovoltaica in eccesso per alimentare gli utilizzatori in un secondo momento, nelle ore serali e notturne. 4. Principali componenti degli impianti fotovoltaici Strutture di sostegno dei moduli Sono le strutture che sorreggono i moduli e provvedono al loro orientamento, dando un inclinazione rispetto al piano orizzontale. In Italia l inclinazione ottimale è di circa 30 e 3

4 l orientamento dei moduli verso sud. Le strutture possono essere in acciaio zincato a caldo o in alluminio, e vengono vincolate sulla superficie di installazione mediante degli ancoraggi o delle zavorre. Modulo fotovoltaico Il modulo fotovoltaico è il collegamento in serie delle celle fotovoltaiche, tramite giunzione di contatti metallici. Le celle poi vengono incapsulate all interno di un materiale trasparente, per lo più vetro, in modo da isolarle dalle intemperie, da stress termici, meccanici ed elettrici. Il collegamento in serie di più moduli viene chiamato stringa. Il collegamento in serie influisce sulla tensione, mentre il collegamento in parallelo influisce sull intensità di corrente. Il collegamento in parallelo di più stringhe viene chiamato campo. I moduli fotovoltaici si differenziano, a seconda della tipologia di celle di cui sono costituiti, in silicio monocristallino e policristallino. I moduli in silicio monocristallino hanno un grado di maggior purezza del materiale e hanno un rendimento compreso tra il 16% e il 23%. Si presentano di colore blu scuro e uniforme. Quelli in silicio policristallino hanno una purezza minore, condizione che comporta una minore efficienza (rendimento compreso tra 12% e il 18%). Si presentano di un colore blu intenso ed è possibile scorgere la struttura cristallina ad occhio nudo. 4

5 Le tecnologie a film-sottile per la produzione di pannelli fotovoltaici sfruttano la deposizione (ad esempio su vetro) di un sottilissimo strato di materiali semiconduttori quali il silicio amorfo ed alcuni composti cristallini. La tecnologia in silicio amorfo consiste nella deposizione di uno strato sottilissimo di silicio cristallino (1-2 micron) su un supporto di vetro o di plastica. L efficienza di questi moduli varia tra 6% e 11%. I parametri fondamentali sono gli stessi che per la cella, vale a dire le tensioni, correnti e potenze. Le prestazioni del modulo fotovoltaico sono comunque molto variabili a seconda dell irraggiamento e della temperatura operativa e raramente funzionano in condizioni nominali (STC). Un problema tipico dei moduli fotovoltaici e l ombreggiamento delle celle. Quando una cella non è esposta a radiazione solare ed è in funzione, il suo effetto e opposto, cioè invece di fornire energia la assorbe e si riscalda fino a perdere di efficacia. 5

6 Inverter L inverter è un dispositivo che converte la corrente continua fornita dal generatore fotovoltaico in alternata. Per trasformare la corrente da continua ad alternata, l inverter dà una opportuna forma d onda all output, regolando il valore effettivo del voltaggio di uscita. Un compito importante è quello di massimizzare l energia prodotta dal generatore fotovoltaico per assicurare il miglior funzionamento nel punto di massima potenza (MPP). In base alla tipologia esistono inverter: di sistema, di stringa, di modulo. Solitamente l inverter viene dotato di un display mediante il quale e possibile visualizzare i dati di input e di output, la durata del periodo di funzionamento del generatore PV, l energia prodotta e lo stato del sistema nel caso di eventuali anomalie. Cavi e quadri elettrici Il quadro di campo svolge la funzione di mettere in parallelo le varie stringhe di moduli in modo da immettere nell inverter la corrente generata. Il quadro di campo protegge dalle sovratensioni i moduli e l inverter e contiene i fusibili di stringa per proteggere da sovraccarico i moduli fotovoltaici ad i cavi di stringa e l interruttore principale che permette di sezionare il campo fotovoltaico. 6

7 I cavi in corrente continua devono essere in grado di sostenere la corrente di corto circuito tra i poli e verso terra, devono resistere ai raggi UV, all acqua, al fuoco in caso di incendi (ed essere a bassa tossicità) e alle variazioni di temperatura e garantire una buona resistenza in un ampio campo di temperature (per esempio da -55 C a 125 C). Producibilità La produzione elettrica annua di un impianto fotovoltaico può essere stimata a partire dalla radiazione solare annuale del luogo. Bisognerà poi tener conto di fattori correttivi legati all orientamento e all angolo d inclinazione dell impianto, di eventuali ombre giornaliere e/o stagionali e delle prestazioni tecniche dei moduli fotovoltaici, dell inverter e degli altri componenti dell impianto. 5. Impianti fotovoltaici isolati (Stand Alone) Oltre ai componenti principali, già illustrati, al fine di accumulare energia elettrica nelle ore notturne, è necessario utilizzare anche dei regolatori di carica e delle batterie. Batterie Nelle batterie viene accumulata l energia proveniente dai moduli solari. La scelta del tipo e della capacità della batteria, in relazione ovviamente al tipo di utilizzo, è molto importante per la durata di vita della batteria stessa. I requisiti principali delle batterie sono: costante disponibilità ad assorbire ed erogare energia solare in grandi e piccole quantità, erogazione di corrente sufficientemente grande, lunga durata di vita nel funzionamento ciclico, esercizio con poca manutenzione, costi minimi, adeguato livello di protezione per la salute umana e per l ambiente (devono essere riciclabili). Tra le batterie disponibili sul mercato, la più idonea risulta sempre la batteria al piombo, grazie soprattutto all elevato rendimento di carica e scarica e al rapporto tra prezzo e prestazioni. La 7

8 carica avviene immettendo energia elettrica. Una carica troppo veloce potrebbe danneggiare le piastre. Le batterie adottate negli impianti fotovoltaici possono assorbire correnti di carica molto deboli, cosa che le normali batterie non potrebbero fare. Regolatori di carica I Regolatori di carica sono dei dispositivi elettronici indispensabili per il corretto funzionamento degli impianti fotovoltaici non connessi alla rete. Servono per fornire la giusta quantità di energia elettrica alle batterie, preservandole cosi dal possibile danneggiamento per le situazioni di carica eccessiva e di scarica eccessiva. 8