Gli impianti fotovoltaici

Gliimpianti fotovoltaicisonosistemi che convertono direttamente l’energia solare in energia elettrica, utilizzando l’effetto fotovoltaico.Rappresentano una soluzione ecologica per la produzione di energia e offrono diversi vantaggi, tra cui il risparmio in bolletta e la riduzione delle emissioni inquinanti. 

Come funzionano

Il funzionamento si basa su pochi passaggi chiave: 

1. Cattura dell’energia:Imoduli fotovoltaici(pannelli), composti da celle di silicio, assorbono i fotoni (particelle di luce solare).
2. Generazione di corrente continua (CC):L’energia solare assorbita stimola il movimento degli elettroni nelle celle, generando un flusso di corrente elettrica continua.
3. Conversione in corrente alternata (CA):La corrente continua viene inviata a uninverterche la trasforma in corrente alternata che è il tipo di energia utilizzato nelle case e nelle industrie.
4. Utilizzo o immissione in rete:L’energia in corrente alternata può essere utilizzata immediatamente per alimentare gli apparecchi domestici, immagazzinata inbatterie di accumuloper un uso successivo (ad esempio di notte), o immessa nella rete elettrica nazionale. 

Componenti principali

I principali elementi di un impianto sono: 

• Moduli fotovoltaici:il “cuore” dell’impianto, catturano l’energia solare.
• Inverter:converte la corrente continua in corrente alternata.
• Sistemi di accumulo (opzionali):batterie che immagazzinano l’energia in eccesso.
• Strutture di supporto e cablaggi:per l’installazione e la connessione sicura dei moduli.
• Contatore:misura l’energia prodotta e quella scambiata con la rete. 

Tipologie di impianti

Si possono distinguere in base alla loro connessione: 

• Grid-connected (connessi alla rete):la maggior parte degli impianti installati. Sono collegati alla rete elettrica nazionale, permettendo lo scambio di energia (immissione dell’eccedenza e prelievo in caso di bisogno).
• Stand-alone (a isola o off-grid):sistemi completamente autonomi, non connessi alla rete. Utilizzano batterie per garantire la disponibilità di energia in assenza di sole. 

Vantaggi e svantaggi

Vantaggi:

• Risparmio economico:riduzione significativa dei costi in bolletta.
• Sostenibilità ambientale:produzione di energia pulita e riduzione delle emissioni di CO2.
• Aumento del valore dell’immobile:migliora la classe energetica dell’edificio.
• Indipendenza energetica:maggiore autonomia dalle fluttuazioni del mercato energetico. 

Svantaggi:

• Costi iniziali:l’investimento iniziale può essere elevato, sebbene esistano incentivi e detrazioni fiscali.
• Intermittenza della fonte:la produzione di energia dipende dalle condizioni meteorologiche e dalla presenza di luce solare (non produce di notte o in giornate molto nuvolose).
• Spazio richiesto:necessitano di superfici adeguate (tetti o terreni) per l’installazione dei pannelli. 

Costi e incentivi

Il costo di un impianto varia in base a dimensione e componenti (es. presenza di accumulo), ma si stima intorno ai 2.500-3.000 euro per kW installato. In Italia sono disponibili vari incentivi statali e detrazioni fiscali per favorire l’installazione di questi sistemi. 

Dove può essere installato

I moduli fotovoltaici possono essere collocati sul tetto(sia piano che a falda) su facciata o a terra.

La decisione in merito alla fattibilità tecnica si basa sull’esistenza nel sito d’installazione dei seguenti requisiti, che dovranno essere verificati dal progettista/installatore in sede di sopralluogo:

•disponibilità dello spazio necessario per installare i moduli (per ogni kWp di potenza installata occorrono circa 8 mq di moduli);

• corretta esposizione ed inclinazione della suddetta superficie;

• assenza di ostacoli in grado di creare ombreggiamento.

Le condizioni ottimali per l’Italia sono:

• esposizione SUD (accettata anche Sud-Est, Sud-Ovest, con limitata perdita di produzione);

• inclinazione 30-35° gradi.

Quanta elettricità produce

La produzione elettrica annua di un impianto fotovoltaico può essere stimata attraverso un calcolo che tiene conto:

• radiazione solare incidente sul sito d’installazione;

•di un fattore correttivo calcolato sulla base dell’orientamento, dell’angolo d’inclinazione dell’impianto e di eventuali ombre temporanee;

• assenza/presenza di ombreggiamenti;

•delle prestazioni tecniche dei moduli fotovoltaici, dell’inverter e degli altri componenti dell’impianto;

• delle condizioni operative dei moduli (con l’aumento della temperatura di funzionamento diminuisce l’energia prodotta).

La potenza di picco di un impianto fotovoltaico si esprime in kWp (chilowatt di picco), cioè la potenza teorica massima che l’impianto può produrre nelle condizioni standard di insolazione e temperatura dei moduli (1000 W/mq e 25°C).

Quanti anni può  funzionare

Nelle analisi tecniche ed economiche che si usa accreditare, l’impianto ha una vita complessiva di 25-30 anni.

Se si considerano separatamente i componenti economicamente più rilevanti, si evince che:

• i moduli hanno una durata di vita da 25 a 30 anni, con una diminuzione delle prestazioni energetiche inferiori al 20%.

• gli inverter, apparecchi ad elevata tecnologia, hanno una durata nel tempo abbastanza lunga, ma generalmente inferiore a quella dei moduli; il loro costo è relativamente contenuto.

Un impianto fotovoltaico è un sistema completamente modulare, e la sostituzione di un qualsiasi componente è generalmente facile e veloce, a condizione che questa sostituzione sia prevista nella fase di progetto.

Autorizzazioni per l’installazione

Nei casi in cui l’immobile non sia in una zona sottoposta a vincoli (di

tipo ambientale, storico, artistico, paesaggistico…), l’impianto fotovoltaico può essere installato senza alcuna autorizzazione; è sufficiente una semplice dichiarazione di inizio attività (DIA), come richiesto per qualsiasi tipo di lavoro di manutenzione straordinaria.

Se si tratta di un edificio in costruzione è preferibile integrare l’impianto fotovoltaico nella licenza stessa dell’edificio in costruzione.

Qualora l’impianto venga installato in un’area protetta, bisognerà richiedere all’autorità competente sul territorio (l’ente locale, l’ente parco, la sovrintendenza ai beni culturali…) un “nulla osta”.

I moduli fotovoltaici

I moduli o pannelli fotovoltaici, hanno la capacità di generare corrente elettrica quando vengono esposti alla luce del sole. Trasformano direttamente l’energia solare in energia elettrica. Questa è anche la principale caratteristica che differenzia il pannello fotovoltaico da quello solare termico che serve invece per produrre acqua calda a scopo sanitario o integrazione al riscaldamento domestico.

La produzione di moduli solari

L’elemento principale delle celle fotovoltaiche è il silicio, che dopo l’ossigeno è l’elemento più frequente della crosta terrestre. In natura esso non compare in forma pura, ma sotto forma di composti insieme ad altri elementi. Per la

produzione di celle fotovoltaiche però il silicio deve essere purissimo, ed è proprio la purificazione il processo più impegnativo e dispendioso.

Dalle purissime barre di silicio vengono tagliati dei dischetti molto fini che vengono successivamente lisciati mediante levigatura e trattamento con acido. Un altro metodo consiste nel ricoprire una piastra di vetro di atomi di silicio attraverso spruzzamento catodico (silicio amorfo).

Un ulteriore processo prende il nome di ‘drogatura’. Consiste nell’aggiunta programmata di impurità ai dischetti di silicio sotto forma di atomi estranei.

Il dischetto cosí trattato puo’ già essere chiamato cella fotovoltaica, dato che in questo stato possiede le proprietà di semiconduttore e in principio può già funzionare.

Per raggiungere la potenza desiderata e per proteggere le celle dai fattori atmosferici (vento, neve, pioggia/ghiaccio, ecc.), esse vengono collegate elettricamente, inserite in un telaio metallico e protette da una lastra di vetro.

I principali vantaggi degli impianti fotovoltaici sono:

• l’inesauribilità della fonte d’energia(il sole)

• nessuna produzione di scorie(gas combusti, residui, ecc.)

•alta affidabilità poiché non esistono parti in movimento(vita utile superiore a 25 anni);

• costi di manutenzione ridotti al minimo(pulizia annua);

•modularità del sistema (per aumentare la taglia basta aumentare il numero dei moduli).

• approvvigionamento energetico decentralizzato, cioè indipendenza da crisi energetiche

•un impatto ambientale estremamente basso.

• tutti i materiali sono riciclabili e riutilizzabili: considerando l’intero ciclo di vita dei componenti e l’energia complessiva per produrli, la produzione di energia elettrica ottenuta con tecnologia fotovoltaica è una delle più ecologiche.

• gli impianti fotovoltaici riducono la domanda di energia da altre fonti tradizionali e contribuiscono perciò alla riduzione dell’inquinamento atmosferico.

I componenti di un impianto fotovoltaico

• I moduli fotovoltaici

I moduli o pannelli fotovoltaici, costituiscono l’elemento principale dell’impianto fotovoltaico in quanto la loro esposizione alla radiazione solare determina la produzione di energia elettrica (continua).

All’interno del modulo ci sono le celle fotovoltaiche, generalmente costituite da “fette” sottilissime di silicio (monocristallino, policristallino oppure amorfo) che convertono direttamente l’energia solare in energia elettrica.

I moduli più diffusi sono di forma rettangolare con una superficie di 1-1,5 m2, un peso di 15-20 kg e una potenza compresa fra 80 e 300 Wp.

• Le strutture di sostegno dei moduli

Sono le strutture che sorreggono i moduli e provvedono al loro orientamento. In Italia l’inclinazione ottimale varia da 25° a 30°.

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.

• L’inverter

E’ un dispositivo elettronico che consente di adeguare l’energia elettrica prodotta dai moduli alle esigenze delle apparecchiature elettriche e della rete, operando la conversione da corrente continua a corrente alternata con una frequenza di 50 Hz.

• I misuratori di energia

Sono degli apparati che vengono installati sulle linee elettriche e misurano l’energia che li attraversa, ad esempio vengono utilizzati per conteggiare l’energia prodotta dall’impianto e quella immessa in rete.

• I quadri elettrici e cavi di collegamento

Quadri, cavi, interruttori ed eventuali ulteriori dispositivi di protezione sono i componenti elettrici che completano l’impianto.

I vari tipi di celle solari

A seconda dei loro processi di produzione, si distinguono i seguenti tipi di celle fotovoltaiche:

• Celle monocristalline: vengono prodotte tagliando una barra monocristallina. Il vantaggio principale è un alto rendimento (fino al 16%). Questo tipo di celle è però molto costoso a causa del complicato processo di produzione. Le celle di tipo monocristallino sono caratterizzate usualmente da un’omogenea colorazione blu.

• Celle poli(multi-)cristalline: vengono colate in blocchi e poi tagliate a dischetti. Il rendimento è minore (10-12%), ma anche il prezzo. Questo tipo di celle è riconoscibile da un disegno ben distinguibile (a causa dei vari cristalli contenutivi).

• Celle amorfe: vengono prodotte mediante spruzzamento catodico di atomi di silicio su una piastra di vetro. Questo tipo di cella ha il rendimento minore(ca. 4-8%), ma si adatta anche al caso di irradiamento diffuso(cielo coperto, ecc.).

Le celle così prodotte sono riconoscibili da un caratteristico colore scuro, inoltre sono realizzabili in qualsiasi forma geometrica(forme circolari, ottagonali, irregolari, e persino convesse sono realizzabili).

I tipi di impianti fotovoltaici

Tutti gli impianti fotovoltaici sono classificabili nelle seguenti categorie:

• Alimentazione diretta: l’apparecchio da alimentare viene collegato direttamente al modulo fotovoltaico. Il grande svantaggio di questo tipo di impianti è che l’apparecchio collegato non funziona in assenza di sole (di notte). Applicazioni: piccole utenze come radio, piccole pompe, calcolatrici tascabili, ecc.

• Funzionamento ad isola(stand-alone): il modulo FV alimenta uno o più apparecchi elettrici. L’energia fornita dal modulo, ma momentaneamente non utilizzata, viene usata per caricare degli accumulatori.

Quando il fabbisogno aumenta, o quando il modulo fotovoltaico non funziona (p.e. di notte), viene utilizzata l’energia immagazzinata negli accumulatori. Applicazioni: zone non raggiunte dalla rete di distribuzione elettrica

• Funzionamento a immissione in rete(grid-connected): il modulo solare alimenta le apparecchiature elettriche collegate. L’energia momentaneamente non utilizzata viene immessa nella rete pubblica. Il gestore di un impianto di questo tipo fornisce dunque l’energia eccedente a tutti gli altri utenti collegati alla rete elettrica, come una normale centrale elettrica.

Nelle ore serali e di notte la corrente elettrica può essere nuovamente prelevata dalla rete pubblica. Applicazioni: abitazioni, uffici, stabilimenti industriali, officine, banche, scuole, edifici pubblici, ecc.