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Impianti Fotovoltaici

Ogni giorno il sole produce enormi quantità di energia sotto forma di calore e onde elettromagnetiche che si propagano nello spazio e raggiungono il nostro pianeta. In un anno è stato stimato che giunge nell’atmosfera terrestre una quantità di energia pari a circa 15.000 volte il consumo annuale energetico da parte dell’uomo.
Soltanto una piccola parte di questa energia diviene disponibile per sostenere e alimentare la vita sul nostro pianeta. Purtroppo l’uomo ne utilizza per il suo fabbisogno energetico una parte ancora più esigua rinunciando a priori a una fonte di energia con i seguenti vantaggi:

 

  • Pulita, cioè a bassissimo impatto ambientale. 
  • Gratuita, perché non legata agli onerosi processi di estrazione e di lavorazione di combustibili e materie prime 
  • Illimitata nel tempo (per lo meno per i prossimi 5 miliardi di anni dopo dei quali è stato stimato che il sole si “spegnerà”.)


Un’interessante mappa solare elaborata dall'Unione Europea permette di calcolare la produzione di energia elettrica da un impianto a pannelli solari nelle varie regioni italiane. Su una scala da 900 a 1500 kWh (chillowattora) il centro studi della Commissione europea ha ricostruito la quantità di energia prodotta da un impianto fotovoltaico della potenza di 1 kW. Un impianto da 1 kW equivale a 8 metri quadri di pannelli fotovoltaici ed è considerato un impianto di piccole dimensioni, quello più acquistato da condomini e famiglie. Le informazioni sulla mappa solare sono pertanto di grande utilità per tutti.

 

In Italia mediamente in un anno, su una superficie di un metro quadrato inclinata di un angolo pari alla latitudine, arrivano 3.6 kWh/m2 al giorno sulla pianura padana, 4.7 kWh/m2 al centro sud e addirittura fino a 5.4 kWh/m2 al giorno sulla Sicilia.

 

L’intensità della radiazione solare al suolo dipende dall’angolo d’inclinazione della radiazione stessa: minore è l’angolo che i raggi del sole formano con una superficie orizzontale e maggiore, è lo spessore di atmosfera che essi devono attraversare, con una conseguente minore radiazione che raggiunge la superficie.

EFFETTO FOTOVOLTAICO

Ogni giorno il sole produce enormi quantità di energia sotto forma di calore e onde elettromagnetiche che si propagano nello spazio e raggiungono il nostro pianeta. In un anno è stato stimato che giunge nell’atmosfera terrestre una quantità di energia pari a circa 15.000 volte il consumo annuale energetico da parte dell’uomo.
Soltanto una piccola parte di questa energia diviene disponibile per sostenere e alimentare la vita sul nostro pianeta. Purtroppo l’uomo ne utilizza per il suo fabbisogno energetico una parte ancora più esigua rinunciando a priori a una fonte di energia con i seguenti vantaggi:

La conversione diretta dell'energia solare in energia elettrica, realizzata con la cella fotovoltaica, utilizza il fenomeno fisico dell'interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nei materiali semiconduttori, denominato effetto fotovoltaico.

L’effetto fotovoltaico è il processo di conversione dell’energia solare in energia elettrica, e più precisamente della radiazione solare in una corrente di elettroni.

Questo processo utilizza il fenomeno fisico dell’interazione di un fotone (radiazione solare) con gli elettroni esterni di alcuni materiali (semiconduttori) che grazie all’energia ricevuta dal fotone si liberano dall’atomo originario lasciando una lacuna; gli elettroni degli atomi vicini si spostano occupando le lacune creatasi negli atomi adiacenti e così via. Si origina così un vero e proprio flusso di elettroni (corrente elettrica).

 LA CELLA FOTOVOLTAICA

 

La conversione della radiazione solare in una corrente di elettroni avviene nella cella fotovoltaica.
Consideriamo per semplicità il caso di una convenzionale cella fotovoltaica di silicio cristallino. 
L'atomo di silicio possiede 14 elettroni, quattro dei quali sono elettroni di valenza, che quindi possono partecipare alle interazioni con altri atomi, sia di silicio sia di altri elementi. In un cristallo di silicio puro ogni atomo è legato in modo covalente ad altri quattro atomi: quindi due atomi affiancati di un cristallo di silicio puro hanno in comune una coppia di elettroni, uno dei quali appartenente all'atomo considerato e l'altro appartenente all'atomo vicino. 

 Esiste quindi un forte legame elettrostatico fra un elettrone e i due atomi che esso contribuisce a tenere uniti. Questo legame elettrostatico può essere spezzato con una quantità di energia che permetta ad un elettrone di passare ad un livello energetico superiore, cioè dalla banda di valenza alla banda di conduzione, superando la banda proibita: se l'energia fornita è sufficiente - per l'atomo di silicio 1.08 eV (eV significa elettronvolt, 1 eV = 1.602 * 10-19 J), un valore intermedio tra quello dei conduttori e quello degli isolanti - l'elettrone viene portato ad un livello energetico superiore (banda di conduzione), dove è libero di spostarsi, contribuendo così al flusso di elettricità. Quando passa alla banda di conduzione, l'elettrone si lascia dietro una buca, cioè una lacuna dove manca un elettrone. Un elettrone vicino può andare facilmente a riempire la lacuna, scambiandosi così di posto con essa.

Quando un flusso luminoso investe il reticolo cristallino del silicio, si ha la liberazione di un certo numero di elettroni al quale corrisponde un egual numero di lacune. Nel processo di ricombinazione ogni elettrone che capita in prossimità di una lacuna la può occupare, restituendo una parte dell'energia cinetica che possedeva sotto forma di calore.

Per sfruttare l’elettricità è necessario creare un moto coerente di elettroni (e di lacune), ovvero una corrente, mediante un campo elettrico interno alla cella. Il campo si realizza con particolari trattamenti fisici e chimici, creando un eccesso di atomi caricati positivamente in una parte del semiconduttore ed un eccesso di atomi caricati negativamente nell’altro.

 

Illuminando la giunzione p-n dalla parte del silicio tipo n, si generano delle coppie elettrone-lacuna in entrambe le zone n e p. Il campo elettrico separa gli elettroni in eccesso generati dall’assorbimento della luce dalle rispettive lacune, spingendoli in direzioni opposte (gli elettroni verso la zona n e le lacune verso la zona p). Una volta attraversato il campo, gli elettroni liberi non tornano più indietro, perché il campo, agendo come un diodo, impedisce loro di invertire la marcia. (Un diodo è un dispositivo in cui il passaggio di corrente è ostacolato in una direzione e facilitato in quella opposta). 

Quindi, se si connette la giunzione p-n con un conduttore, nel circuito esterno si otterrà un flusso di elettroni che parte dallo strato n, a potenziale maggiore, verso lo strato p, a potenziale minore. Fino a quando la cella resta esposta alla luce, l'elettricità fluisce con regolarità sotto forma di corrente continua. E' importante che lo spessore dello strato n sia tale
da garantire il massimo assorbimento di fotoni incidenti in vicinanza della giunzione.

 


 In sintesi la conversione da luce a energia elettrica effettuata dalla cella fotovoltaica avviene essenzialmente perché questi portatori di carica liberi (elettroni e lacune), generati dalla luce, sono spinti in direzioni opposte dal campo elettrico interno creato attraverso la giunzione di due semiconduttori drogati in modo diverso. Una volta attraversato il campo, le cariche non tornano più indietro, perché il campo impedisce loro di invertire la marcia. Le cariche positive (lacune) sono spinte verso un lato della cella e le cariche negative (elettroni) verso l'altro. Se le due facce (inferiore e superiore della cella) sono collegate mediante un conduttore, le cariche libere lo attraversano e si osserva una corrente elettrica. Fino a quando la cella resta esposta alla luce, l'elettricità fluisce sotto forma di corrente continua.


 

 TIPI DI CELLE

 

In questo periodo, e secondo il processo di produzione, possiamo distinguere nel settore commerciale:

Celle Monocristalline

  • È prodotto tagliando una barra monocristallina.
  • Alto rendimento (dal 14 al 18%)
  • Più costose per il complicato processo di produzione

Caratteristica

colorazione blu omogenea

Celle Policristalline

Sono colate in blocchi e poi tagliate a dischetti.
Rendimento minore (dal 10 al 14%)
Costo minore
Disegno ben distinguibile a causa dei vari cristalli contenutivi.

Film Sottile

Pellicola trasparente racchiusa fra due lastre di vetro.
Basso Rendimento (aggira attorno all’8%.)
Minor costo rispetto alle celle
Garantisce buone performance pur alla presenza di tempo nuvoloso e per elevate temperature dei moduli.
Vastissime possibilità di utilizzo (Finestre, facciate, ecc.)

 

 Off-Grid impianti in isola

Gli impianti fotovoltaici a isola sono caratterizzati dall'assenza dell'allaccio alla rete di distribuzione dell'elettricità. In questo caso l'impianto fotovoltaico provvede direttamente alla produzione e all'erogazione dell'elettricità necessaria per l'intero fabbisogno energetico. Questa tipologia di impianti è anche conosciuta con il termine di impianti Stand Alone e si distingue appunto dagli impianti Grid Connected, ovvero collegati alla rete elettrica.
Gli impianti fotovoltaici a isola hanno un'ampia applicazione e diffusione nel settore della segnaletica stradale e visiva e anche in utenze isolate o collocate lontano dalla rete elettrica, come baite, camper, barche ecc.. 
Il pannello fotovoltaico cattura l'energia solare nelle ore diurne ed alimenta una batteria accumulatore. Nelle ore notturne l'energia accumulata viene rilasciata per alimentare la lampada e il sistema elettronico di controllo.

I componenti di un impianto fotovoltaico a isola sono i seguenti:

Campo fotovoltaico
E' il sistema dedicato alla raccolta dell'energia solare, ovvero i moduli fotovoltaici orientati in direzione del sole.

Regolatore di carica 
E' il sistema in base al quale l'energia prodotta viene gestita e stabilizzata. Normalmente l'energia elettrica ha una tensione stabilizzata di 12 o 24 Volt. Il regolatore di carica provvede a distaccare il campo fotovoltaico dalla batteria nel caso in cui quest'ultima sia carica e nei casi di bassa tensione (es. fascia oraria serali) o di ritorni di tensione dalla batteria al pannello.

Batteria di accumulo
E' il sistema dedicato ad accumulare l'energia, prodotta dai moduli fotovoltaici e stabilizzata dal regolatore di carica, per consentire un uso differito nel tempo. Si tratta di un sistema chimico di stoccaggio dell'energia.

Inverter
Con il termine Inverter si definisce il sistema di conversione della corrente continua in corrente alternata. La corrente in uscita dal Inverter ha normalmente una tensione standard pari a 110 o 220 volt per consentire l'alimentazione dei dispositivi elettronici di destinazione.

Il campo fotovoltaico in genere impiegato per gli impianti ad isola è ottimizzato per una specifica tensione di sistema, decisa solitamente in fase di progettazione del sistema stesso. Le tensioni più utilizzate sono 12 o 24 V. Conseguentemente, essendo la maggior parte dei moduli fotovoltaici in commercio a 12 o 24 V, le stringhe elettriche che formano il campo sono molto corte, fino al limite del singolo modulo per stringa. In quest'ultimo caso, in pratica, il campo fotovoltaico è costituito da semplici paralleli elettrici tra moduli, occasionalmente dotati di diodi.

Il regolatore di carica ha tra le sue funzionalità più tipiche quelle di:

stacco del campo fotovoltaico dalla batteria in caso di tensione inferiore a quello utile a quest'ultima, come ad esempio dopo il tramonto; stacco del campo fotovoltaico dalla batteria in caso di ricarica totale di quest'ultima; stacco dei carichi elettrici dalla batteria in caso di scaricamento (batteria ormai esaurita).

L'accumulatore è in genere costituito da monoblocchi, o elementi singoli specificamente progettati per cariche e scariche profonde e cicliche.

In un impianto ad isola l’energia catturata dal pannello solare viene accumulata nelle batterie (al piombo /gel).
Il dispositivo interposto tra il pannello e la batteria è chiamato regolatore di carica e riveste una grande importanza nell’efficienza dell’impianto.
Il suo compito è quello di regolare in modo ottimale il flusso di energia elettrica dai pannelli alle batterie, evitando che queste ultime si carichino o si scarichino troppo, in quest’ultimo caso il regolatore provvede ad isolare il carico dalla batteria finchè le batterie non si caricano nuovamente.
Di regolatori di carica ce ne sono basilarmente di due tipi, PWM e MPPT, per realizzare un impianto efficiente è conveniente prendere gli MPPT, ( Maximum Power Point Tracker), ovvero a tracciamento del punto della massima potenza.
I regolatori classici a commutazione PWM (Pulse Width Modulator) non fanno altro che commutare il pannello sulla batteria con un certo Duty cycle. Il regolatore MPPT invece riporta tutta la potenza disponibile del pannello sulla batteria (meno le inevitabili ma trascurabili perdite di conversione).

Altra cosa per realizzare un impianto più efficiente è quella di prevedere un sistema di inseguimento solare, per fare in modo che i moduli siano per il maggior tempo possibile perpendicolari ai raggi del Sole.

La tensione delle batterie va trasformata in una tensione utilizzabile dagli apparati in funzione.
Se tutti i nostri utilizzatori sono in corrente continua (12 o 24 volt) l’impianto è più o meno fatto, ma se intendiamo alimentare carichi che funzionano in corrente alternata occorre un inverter che trasformi la corrente da continua in alternata.
Nella scelta dell’inverter occorre tener presente che a parità di potenza erogata di solito quelli che partono da una tensione continua più alta sono più efficienti, per cui potrebbe essere conveniente usarne uno che parte da 24 o 48 Volt piuttosto che da 12.
Tenere anche presente che potremmo avere la necessità di caricare le batterie con un caricabatterie (alimentato da un gruppo elettrogeno) in caso di prolungati periodi di cattivo tempo: mentre è relativamente facile trovare un caricabatterie a 12 o 24 Volt, potrebbe non essere cosi’ facile trovarne uno a 48 o più.
Se intendiamo alimentari motori elettrici (frigoriferi, etc) occorre utilizzare un inverter che produce in uscita una sinusoide piuttosto che un’onda quadra ( detto anche “ad onda pura” ).
In tutta la realizzazione dell’impianto soprattutto a basse tensioni è molto importante usare fili elettrici della giusta sezione, per potenze elevate le correnti in gioco possono essere veramente alte.
Il cavo elettrico deve trasportare la corrente e non dissiparla: l’uso di un cavo sottodimensionato, oltre ad essere pericoloso ( si può surriscaldare con tutte le conseguenze del caso ), fa perdere potenza.
Quindi i cavi devono essere della giusta sezione.
Se le tratte a bassa tensione sono lunghe, occorre prevedere la caduta di potenziale che un cavo produce, pur essendo la sezione adeguata a trasportare la corrente,la potenza si potrebbe dissipare inutilmente su una lunga tratta.
Occorre sempre minimizzare le distanze degli elementi a bassa tensione: si risparmiano i soldi dei cavi e si guadagna in efficienza.