Gli impianti fotovoltaici

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1 Gli impianti fotovoltaici 1. Principio di funzionamento Il principio di funzionamento dei pannelli fotovoltaici è detto "effetto fotovoltaico". L' effetto fotovoltaico si manifesta nel momento in cui una radiazione elettromagnetica, colpisce un particolare materiale semiconduttore opportunamente trattato, ed innesca un movimento di elettroni generando una corrente elettrica e quindi una differenza di potenziale. 2. Cella fotovoltaica La cella è l unità fondamentale di un sistema fotovoltaico e da sola produce una potenza da 1 a 2 W. Più celle vengono connesse insieme per formare unità di maggiore potenza dette moduli. Le celle in silicio si differenziano in silicio monocristallino con efficienza dei moduli del 15 20% e celle in silicio policristallino, con efficienza dei moduli del 15 18%. 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. Per conoscere la potenza di utilizzo di una cella fotovoltaica bisogna conoscere i valori della corrente e della tensione. I valori della tensione ai due morsetti è la tensione di circuito aperto Voc mentre la corrente di corto circuito Isc si misura con un amperometro a circuito chiuso. Le condizioni di massima potenza o 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/m2 Temperatura di esercizio della cella a 25 C Massa d aria AM = 1,5 Il punto di massima potenza MPP da i seguenti valori: potenza Pmp, tensione Vmp, corrente Imp. Per celle 10x10 cm, la corrente Isc è di circa 3 A, maggiore della Imp di circa il 15%, la tensione Voc varia tra 0,5 V e 0,6 V per celle in silicio monocristallino e tra 0,6 V e 0,9 V per celle amorfe. La curva caratteristica può variare essenzialmente in funzione di due fattori: l irraggiamento e la temperatura.

2 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. 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 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.

3 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 parametri fondamentali sono gli stessi che per la cella, vale a dire le tensioni, correnti e potenze al MPP (Vmp, Imp, Pmp), la tensione di circuito aperto (Voc) e la corrente di corto circuito (Isc). 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. Inverter L inverter è un dispositivo che converte la corrente continua fornita dal generatore fotovoltaico in alternata di qualità comparabile con quella della rete elettrica per l immissione in rete (gridconnected) o alimentano i carichi domestici (stand-alone). 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 (VDC, IDC e PDC), di output (VAC, IAC, PAC e la frequenza f), la durata del periodo di funzionamento del generatore PV, l energia prodotta e lo stato del sistema nel caso di eventuali anomalie. L inverter centralizzato deve possibilmente essere alloggiato il più vicino al contattore, magari direttamente nei pressi della scatola di giunzione del generatore.

4 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 con due sole connessioni. 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. Esso contiene l interruttore principale in modo da sezionare il campo fotovoltaico, inoltre può contenere i collegamenti per sensori ausiliari per monitorare le singole stringhe e per la gestione di un sistema antifurto. 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). Il dimensionamento deve essere fatto in modo tale che le perdite siano contenute al minimo (devono essere minori del 2%). Altre caratteristiche importanti sono la flessibilità, sottigliezza, leggerezza e maneggevolezza. Batterie Nelle batterie viene accumulata l energia proveniente dai moduli solari. Bisogna fare attenzione ad utilizzare batterie specifiche per impianti fotovoltaici, che sono differenti dalle normali batterie per autotrazione. 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. Durante la carica gli elettrodi emettono acido; durante la scarica si produce il processo inverso. La

5 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.