Un impianto solare fotovoltaico è un sistema in grado di trasformare l’Energia Solare in energia elettrica; i dispositivi utilizzati per la conversione sono le celle fotovoltaiche.
Le celle fotovoltaiche consentono di trasformare la radiazione solare in energia elettrica, sfruttando il cosiddetto “effetto fotovoltaico”. Questo effetto si basa sulla proprietà di alcuni materiali semiconduttori (p.es. il Silicio), opportunamente trattati, di generare energia elettrica quando vengono colpiti dalla radiazione solare. Una cella fotovoltaica esposta alla radiazione solare si comporta come un piccolo generatore di corrente, il cui funzionamento è fortemente influenzato dall’intensità della radiazione solare, dalla temperatura e dalla dimensione della superficie esposta al Sole.
A titolo di esempio, la cella fotovoltaica, generalmente di forma quadrata e con superficie di circa 100 cm , produce nelle condizioni di irraggiamento medie italiane, una corrente di 3 A (Ampère) con una tensione di 0.5 V (Volt), quindi una potenza di 1.5 W (Watt).
A seconda dei diversi processi di produzione delle celle, si distinguono diverse tipologie:
- Monocristallina
- Policristallina
- Amorfa
L’energia solare
L’energia solare rappresenta la più importante fonte energetica rinnovabile. È stato calcolato che, in termini dimensionali, questa energia è circa 15.000 volte superiore al consumo energetico annuo di tutto il pianeta.
Non tutta l’energia prodotta dal Sole può però essere utilizzata.
In proposito occorre fare una piccola premessa. Il flusso di energia solare incidente su una superficie unitaria perpendicolare ai raggi solari (al di fuori dell’atmosfera) è definito “costante solare” e il suo valore è di circa 1.367 . La radiazione solare, attraversando l’atmosfera, viene in parte riflessa, in parte assorbita e in parte trasmessa. La somma della radiazione solare che raggiunge direttamente il suolo (radiazione diretta) e di quella che arriva al suolo perché diffusa dall’atmosfera (radiazione indiretta) è definita “radiazione totale”. Quest’ultima è proprio quella che ci interessa per ottenere la nostra energia termica e/o elettrica. Essa dipende dalla posizione geografica del luogo considerato e dal microclima locale.
I dispositivi utilizzati per la conversione elettrica dell’energia solare sono le celle fotovoltaiche, che sfruttano l’effetto fotoelettrico con materiali semiconduttori.
Celle monocristalline
Le celle monocristalline vengono prodotte tagliando a fette una barra di Silicio monocristallino. Il vantaggio principale é il rendimento, che può arrivare al 18%. Sono però celle molto costose, per via di un processo di produzione complesso. Hanno un colore uniforme blu scuro/nero.
Celle policristalline
Le celle policristalline vengono colate in blocchi e poi tagliate a dischetti. La struttura cristallina è fatta di grani di dimensione ridotta (1-100mm), ai bordi dei quali vi sono le impurità; i confini tra i grani, con le loro caratteristiche disomogenee, determinano il minore rendimento rispetto alla cella monocristallina. Il rendimento é del 12÷14%, a fronte però di un costo più contenuto. Hanno un aspetto ben distinguibile.
Celle amorfe
Le celle amorfe vengono prodotte attraverso la gassificazione del silicio, che viene spruzzato sulla superficie di supporto. Questa tecnologia ha permesso di ridurre gli spessori di silicio (sono anche dette “celle a film sottile”). Hanno il rendimento minore (4÷6%), ma sono adatte anche al caso di irradiamento diffuso (cielo coperto, ecc.) e sono meno penalizzate dall’aumento di temperatura. Queste celle hanno un caratteristico colore scuro e sono realizzabili in qualsiasi forma geometrica.
La ricerca
La ricerca è attualmente orientata verso la costruzione di celle che garantiscano un rapporto sempre migliore tra qualità (rendimento) e costo; si stanno studiando sistemi innovativi che sfruttano le nanotecnologie e altri che utilizzano composti organici del carbonio, ispirandosi alla fotosintesi clorofilliana.
Infine, una tecnologia molto promettente dal punto di vista del rendimento è quella delle celle con concentratore. L’idea di base è che rispetto ai sistemi “tradizionali”, può essere più conveniente produrre energia con una cella piccola, molto efficiente e costosa, con uno specchio che concentri su di essa la radiazione solare.
Dalla cella fotovoltaica al sistema
La singola cella solare costituisce il componente elementare di base di ogni sistema fotovoltaico.
Un modulo fotovoltaico è costituito da un insieme di celle solari collegate tra loro, più moduli formano un pannello e, analogamente, più pannelli in serie formano una stringa. Più stringhe collegate in fra di loro formano il campo fotovoltaico.
I moduli fotovoltaici trasformano l’energia luminosa in energia elettrica a corrente continua in tempo reale. Questo significa che la produzione di energia elettrica è contemporanea alla captazione dell’energia solare da parte delle celle.
Anche per questa ragione, in un impianto fotovoltaico, oltre ai moduli sono necessari altri componenti: tra questi gli accumulatori e gli inverter. I primi servono a immagazzinare l’energia prodotta dall’impianto. Forniscono energia elettrica quando i moduli non possono produrne, per mancanza di irraggiamento solare. Gli inverter trasformano la corrente continua proveniente dai moduli e/o dagli accumulatori in corrente alternata a 220V.
L’impianto fotovoltaico è quindi un insieme di componenti che capta l’energia solare e la trasforma in energia elettrica, sino a renderla disponibile all’utenza.
Le tipologie di impianto sono essenzialmente due:
- impianti isolati
- impianti connessi a una rete elettrica di distribuzione
Impianti isolati
Negli impianti isolati l’energia generata alimenta direttamente il carico elettrico. L’energia in eccesso viene accumulata nelle batterie, che la rilasciano quando il generatore fotovoltaico non è in grado di produrne. Questi impianti sono adatti per utenze isolate.
Impianti connessi a una rete elettrica di distribuzione
Negli impianti connessi alla rete di distribuzione, la corrente continua generata viene convertita in corrente elettrica alternata, che può alimentare le normali utenze oppure essere immessa nella rete e venduta o immessa in regime di scambio. In quest’ultimo caso, presso l’utente vengono installati due contatori: uno contabilizza l’energia elettrica fornita dall’impianto fotovoltaico alla rete, l’altro che contabilizza l’energia elettrica che l’utente preleva dalla rete.
I benefici ambientali
L’energia elettrica prodotta da un impianto fotovoltaico in esercizio è rinnovabile e non comporta emissioni inquinanti. L’impatto ambientale dei sistemi fotovoltaici è pressoché nullo, nel caso di sistemi collegati alla rete. Ai sistemi non allacciati può essere attribuito un impatto minimo derivante dalla sostituzione degli accumulatori.
I benefici ambientali dei sistemi fotovoltaici sono spesso espressi in termini di emissioni di gas clima-alteranti evitate: si quantificano, cioè, le emissioni che si sarebbero prodotte a parità di energia elettrica generata tramite sistemi termoelettrici. Queste emissioni si misurano convenzionalmente in kg CO2eq.
È da notare che la produzione dei pannelli fotovoltaici richiede quantità di energia elettrica tutt’altro che trascurabili. Il processo, inoltre, comporta emissioni di CO2.
I benefici generati da un sistema fotovoltaico, che rimane in esercizio mediamente per 20-25 anni, sono comunque largamente superiori al danno ambientale provocato in fase di produzione dei pannelli.
Gli impianti fotovoltaici sono economicamente convenienti?
Il Gestore dei Servizi Elettrici (GSE) paga per 20 anni all’utente i kWh prodotti dall’impianto fotovoltaico. La misura del pagamento è determinata in base a una tariffa incentivante, che ha l’obiettivo di rimborsare interamente l’esborso iniziale, compresi gli eventuali oneri finanziari.
La tariffa incentivante varia in base al tipo di impianto e alla potenza espressa in (potenza di picco), secondo la seguente tabella:
| Taglia di potenza dell’impianto | Non integrato (€/kWh) | Parzialmente integrato (€/kWh) | Integrato (€/kWh) |
| 1 kW <= P <= 3 kW | 0,384 | 0,422 | 0,470 |
| 3 kW < P <= 20 kW | 0,365 | 0,403 | 0,442 |
| P > 20 kW | 0,346 | 0,384 | 0,422 |
Oltre a questo incentivo, il Conto Energia prevede che l’energia prodotta venga scontata dalla fattura del fornitore di energia elettrica, tramite il cosiddetto meccanismo dello “scambio sul posto” (per impianti fino a 200 ), qualora il produttore di energia ne consumi una parte sul luogo di produzione.
Per il produttore che preferisca rivendere tutta l’energia alla rete è prevista la formula del “ritiro dedicato”, che prevede che il Gestore dei Servizi Energetici acquisti tutta l’elettricità immessa in rete dall’impianto.
Di seguito è riportato lo schema dei ricavi di un impianto fotovoltaico:
