La luce solare possiede importanti caratteristiche, oltre all illuminamento, che sono state scoperte ed usate nella storia fin tempi remoti: il più famoso è l assedio di Siracusa, quando gli apparecchi costruiti da Archimede permisero la concentrazione del fascio luminoso grazie a specchi orientabili (212 a.c.). Anche nell antico Egitto questo principio era noto. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 1
Applicazioni scientifiche moderne sono in atto da decenni, fin dalle prime missioni spaziali all esterno dell atmosfera terrestre, dove l intensità della radiazione solare è massima. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 2
La conoscenza scientifica moderna ci insegna che la radiazione solare è l energia elettromagnetica emessa dai processi di fusione atomico degli elementi presenti nel sole. La radiazione solare è composta da diversi tipi di raggi, alcuni visibili ad occhio nudo ed altri individuabili solo tramite apposita strumentazione. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 3
Solo una parte della radiazione solare può essere usata per la produzione di energia elettrica tramite effetto fotovoltaico. Infatti la tecnologia esistente permette l assorbimento solo di una parte dello spettro disponibile, a seconda della tipologia di cella solare utilizzata. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 4
Inoltre la radiazione solare che può essere convertita in energia elettrica è la radiazione diretta che giunge sulla superficie ricevente della cella solare, pari mediamente a 1000 W/mq. Tale valore cambia con la quota altimetrica, le condizioni meteo, l inquinamento atmosferico ed altri fattori. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 rif. biblio pg. 5 5
La scelta della tecnologia e del sito sono fondamentali per poter sfruttare al massimo la radiazione solare ed ottenere il massimo rendimento possibile. La quantità di radiazione varia sul territorio italiano e i metodi di installazione dell impianto possono garantire il raggiungimento dei risultati ottimali. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 rif. biblio pg. 6 6
Le normative vigenti indicano la quantità di radiazione solare incidente sul territorio italiano, durante le ore del giorno, mediamente su base annuale. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 7
La conversione diretta dell energia solare in energia elettrica utilizza il fenomeno fisico dell interazione della radiazione luminosa con gli elettroni nei materiali semiconduttori, denominato effetto fotovoltaico. L oggetto fisico in cui tale fenomeno avviene è la cella solare, o cella fotovoltaica, che ha spessore pari a circa 0,25 0,35 mm. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 rif. biblio pg. 7 8
La cella solare è formata da strati di silicio che, colpiti dalla radiazione luminosa, generano il campo elettrico. Esistono differenti tipi di lavorazione del silicio per la realizzazione di celle solari, con rendimenti differenti: monocristallino, poli-cristallino, amorfo. Il più usato è il monocristallino, che ha anche maggiore durata oltre al miglior rendimento. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 rif. biblio pg. 10 9
Le celle solari forniscono valori di tensione e corrente limitati rispetto a quelli normalmente richiesti dagli apparecchi utilizzatori, pertanto vengono assemblate in modo opportuno a costituire un unica struttura: il modulo fotovoltaico. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 rif. biblio pg. 12 10
Le caratteristiche elettriche principali di un modulo fotovoltaico si possono riassumere nelle seguenti: - Potenza di Picco (Wp): potenza erogata dal modulo alle condizioni standard (Irraggiamento = 1000 W/m2; Temperatura = 25 C; A.M. = 1,5) - Corrente nominale (A): Corrente erogata dal modulo nel punto di lavoro; - Tensione nominale (V): Tensione di lavoro del modulo Il Wp (Watt picco) è l unità di misura di riferimento di un modulo fotovoltaico ed esprime la potenza elettrica erogabile dal modulo in condizioni standard. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 rif. biblio pg. 11 11
Celle solari assemblate costituiscono un modulo fotovoltaico, che a sua volta assemblato con altri moduli realizza il pannello fotovoltaico. Nelle celle solari i raggi colpiscono lo strato di silicio, in cui si crea un campo elettrico che, a regime, produce la corrente elettrica. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 12
I pannelli fotovoltaici sono montati su strutture dimensionate idoneamente per sostenere i pannelli ed orientarli in maniera da garantire il massimo sfruttamento della radiazione luminosa. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 13
La quantità di energia prodotta varia nel corso dell anno, in funzione del soleggiamento della località e della latitudine. Si considera che alle latitudini dell Italia centrale, un m2 di moduli fotovoltaici di buona qualità possa produrre 0,35 kwh/g nel periodo invernale 0,65 kwh/g nel periodo estivo pari 180 kwh/anno Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 rif. biblio pg. 13 14
La quantità di energia elettrica prodotta dipende prevalentemente dai seguenti fattori: - quantità di radiazione luminosa ricevuta (dovuta anche ad ombreggiamenti, condizioni climatiche, ); - rendimento dell impianto (dovuto alla tipologia e qualità dei materiali impiegati); - dimensione dell impianto (la quantità di energia è direttamente proporzionale alla superficie dell impianto). Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 15
L impianto fotovoltaico crea corrente elettrica che viene inviata ad un contatore dedicato: serve per quantificare l energia prodotta. Successivamente la linea è collegata alle utenze, che assorbono parte o tutta l energia prodotta. Se viene prodotta energia in eccesso rispetto a quella consumata, la parte in eccesso viene ceduta alla rete nazionale ricevendo una compensazione economica in base alle leggi vigenti. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 16
Viene interposto un contatore bidirezionale tra l impianto e la rete nazionale, per poter calcolare quanta energia viene acquisita dalla rete nazionale e quanta viene prodotta dall impianto e ceduta alla rete nazionale, dietro compenso per ogni kw ceduto. Esistono anche impianti dedicati alla sola produzione, che non sono collegati ad utenze locali e cedono interamente l energia prodotta alla rete nazionale dietro compenso economico. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 17
Esistono due tipologie di impianti di produzione di energia elettrica tramite effetto fotovoltaico: - impianti fotovoltaici tradizionali ; Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 18
- impianti a concentrazione, ove la radiazione viene riflessa tramite specchi, per aumentare l intensità della radiazione ricevuta. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 19
Le differenti tipologie di lavorazione del silicio citate in precedenza sono differenziate per i rendimenti ottenibili: -monocristallino 15 20% -poli-cristallino 12 15% -amorfo <10% aventi differenti prestazioni e costi. La differenza tecnologica risiede nella purezza del materiale impiegato e nella modalità di lavorazione del silicio le operazioni di purificazione e cristallizzazione. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 rif. biblio pg. 10 20
Dopo aver selezionato la tecnologia da utilizzarsi, la scelta delle modalità di installazione dell impianto deve essere svolta al fine di massimizzare la quantità di radiazione luminosa ricevuta dai pannelli. In particolare si deve porre attenzione a: - presenza di ombre; - nebbie o foschie mattutine; - nevosità; - ventosità. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 rif. biblio pg. 19 21
Queste informazioni determinano il collocamento dell impianto fotovoltaico, la sua esposizione rispetto al Sud geografico, la maggiore inclinazione sul piano orizzontale, le caratteristiche delle strutture di sostegno. Nell emisfero Nord la migliore orientazione dei pannelli è verso Sud. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 22
L angolazione con cui sono orientati i pannelli permette di ottimizzare la quantità di radiazione ricevuta: è un compromesso poiché l orientamento del Sole rispetto ai pannelli non è costante, e quindi la quantità di radiazione varia durante le ore diurne e durante il corso dell anno. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 23
Per ovviare la differente angolazione della luce solare, si possono impiegare pannelli dotati di motore detto ad inseguimento, cioè montati su una struttura che ruota l angolazione della struttura durante le ore di esposizione per aumentare la quantità di radiazione ricevuta complessivamente nella giornata. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 24
Si deve innanzi tutto precisare che, dal punto di vista della riduzione dell uso di fonti di energia non rinnovabili (quali combustibili fossili come petrolio, carbone, ) il solare fotovoltaico risulta conveniente in quanto non sono presenti costi per l approvvigionamento della materia prima e non esistono emissioni di inquinanti. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 25
Risulta tuttavia avere un rendimento basso, se paragonato ad altre tipologie di impianti di produzione di energia elettrica, quindi la convenienza economica deve essere valutata attentamente in base a diversi fattori. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 26
Il principale aspetto da tenere in considerazione riguarda le utenze collegate all impianto: poiché l energia prodotta è elettrica, risulta conveniente l installazione quando i consumi prevalenti sono di natura elettrica. È possibile quindi prevedere la convenienza economica sottraendo al consumo attuale la potenza elettrica prodotta. Anche in assenza di utenze elettriche, è possibile comunque l installazione al fine di cedere alla rete nazionale l energia prodotta dietro compensazione economica in base alle norme vigenti, che sarà descritta nel seguito. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 27
Mediamente per produrre 1 kwp sono necessari circa 8mq. Il metodo più semplice per verificare la convenienza è la lettura dei consumi, da cui ricavare i mq necessari per sopperire i consumi. Successivamente si stabilisce se e come sia possibile installare un impianto che produca i kw necessari. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 28
Per impianti domestici la convenienza maggiore si trova con l autoconsumo, cioè il consumo sul posto dell energia prodotta: risulta economicamente più vantaggioso consumare in proprio l energia prodotta piuttosto che cederla alla rete nazionale. Questo è possibile se gli impianti collegati utilizzano prevalentemente energia elettrica (es. pompe di calore, ). Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 29
Il DM 5/5/11 stabilisce i criteri per incentivare la produzione di energia elettrica da impianti solari fotovoltaici. Il DM fissa i limiti per ottenere gli incentivi e le condizioni per le quali vengono erogati gli stessi, in funzione della tipologia di impianto e della quantità di energia elettrica prodotta. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 30
Il DM 5/5/11 distingue tra impianti installati su edifici e non, associando tariffe differenti. Le tariffe inoltre variano a seconda della potenza prodotta. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 31
Il DM 5/5/11 favorisce il consumo sul posto dell energia prodotta rispetto alla vendita, con tariffe incentivanti superiori per la prima tipologia. Studio Ing. Giuseppe Fratelli Febbraio 2012 32