Guida Fotovoltaico: cos’è, come funziona e conviene?

Fotovoltaico, cos’è?

La parola “fotovoltaico” unisce due termini – “foto” che significa luce e “voltaico”, l’equivalente di tensione. Un impianto fotovoltaico, in questo senso, utilizza celle fotovoltaiche per convertire direttamente la luce solare in energia elettrica.
Alcuni materiali posseggono una proprietà nota come effetto fotoelettrico, che consente loro di assorbire fotoni di luce e rilasciare elettroni. Quando questi elettroni liberi vengono catturati, il risultato è una corrente elettrica, che può essere impiegata come elettricità per uso domestico o aziendale.

Un po’di storia

L’effetto fotoelettrico fu notato per la prima volta da un fisico francese, Edmund Bequerel, nel 1839, il quale scoprì che alcuni materiali erano in grado di produrre piccole quantità di corrente elettrica se esposti alla luce. Nel 1905 Albert Einstein descrisse la natura della luce e l’effetto fotoelettrico su cui si basa la moderna tecnologia fotovoltaica, un lavoro che gli fece conquistare un premio Nobel per la fisica. Il primo modulo fotovoltaico fu costruito da Bell Laboratories nel 1954. Venne classificato come una batteria solare, ma non ebbe applicazioni nell’immediato perché era troppo costoso per una pubblica diffusione. Nel 1960, l’industria spaziale cominciò a fare il primo uso serio e concreto della tecnologia fotovoltaica per fornire energia a bordo di veicoli spaziali. Grazie a questi pionieristici utilizzi, la rivoluzionaria forma di tecnologia ebbe i suoi primi riconoscimenti concreti e l’opinione pubblica iniziò ad interessarsene, con un conseguente calo dei costi. Ma è solamente con il sopravvento della crisi energetica del 1970 che il fotovoltaico assurge a fonte energetica per applicazioni non spaziali, divenendo la fonte di energia alternativa, rinnovabile, che secondo molti potrà salvare il futuro dei nostri dalla inevitabile crisi energetica con la quale l’umanità ha già iniziato a confrontarsi.

Come funziona il fotovoltaico?

pannelli solari
L’elemento cardine del sistema fotovoltaico sono le celle solari.
Le celle solari sono realizzate con gli stessi tipi di materiale semiconduttore, come il silicio (in natura presente in abbondanza), comunemente utilizzati nell’industria microelettronica (ad esempio per i chip dei computer). Nel caso delle celle solari, una fetta di semiconduttore sottile è appositamente trattata per formare un campo elettrico che sia da un lato positivo e negativo dall’altro. Quando i raggi luminosi del sole colpiscono la cella solare, gli elettroni vengono espulsi dagli atomi nel materiale semiconduttore. Se i conduttori elettrici sono fissati ai lati positivi e negativi, formando un circuito elettrico, gli elettroni possono essere catturati sotto forma di corrente elettrica, ossia elettricità. Questa elettricità può quindi essere utilizzata per alimentare un carico, ad esempio una luce o un utensile. Delle celle parleremo più approfonditamente nella parte finale di questa pagina.
Un elevato numero di celle solari – solitamente 40 – collegate elettricamente tra loro e installate in un telaio di supporto viene chiamato modulo fotovoltaico. I moduli vengono assemblati in pannelli fotovoltaici e sono progettati allo scopo di fornire energia elettrica ad una certa tensione, ad esempio un comune sistema 12 volt. L’elettricità prodotta dalle celle è inviata nella forma di corrente continua ad un inverter, che la trasforma in corrente alternata fruibile nelle abitazioni comuni.

Introduzione generale ai sistemi fotovoltaici

La tecnologia impiegata nella realizzazione di impianti fotovoltaici è ben sviluppata e ogni giorno che passa assistiamo ad importanti progressi e miglioramenti che si esplicano in un maggior rendimento dei processi produttivi. I sistemi fotovoltaici sono ormai estremamente affidabili e vengono ben testati in applicazioni spaziali e terrestri.

L’ostacolo principale per un utilizzo “di massa” dei sistemi fotovoltaici è il loro elevato costo iniziale. La Riduzione dei costi dei dispositivi fotovoltaici è un argomento tenuto in gran considerazione, pertanto il rapporto qualità prezzo nel settore è in continua evoluzione. In alcune zone dette “off-grid” (letteralmente: senza rete), private e pubbliche, i sistemi fotovoltaici possono avere costi molto vantaggiosi anche nel breve periodo rispetto ai costi delle linee elettriche consuete.

Svariate Utilities hanno impiantato centrali elettriche fotovoltaiche centralizzate e hanno attivato nei loro contratti un’opzione chiamata “energia verde”, che consente ai clienti che lo desiderano di pagare una piccola tassa sulla normale bolletta mensile da destinare alla costruzione di ulteriori impianti di energia rinnovabile: fotovoltaico, eolico, biomasse, ecc. al fine di incrementare le fonti di energia rinnovabile per il fabbisogno energetico dell’intera città.

energia elettrica ed esternalità

Oggi, le opzioni di convenienza di energia elettrica vengono confrontate anche su presupposti che includono “esternalità”. Con il termine esternalità si suole riferirsi ai costi “nascosti” associati ad una fonte di alimentazione energetica non contabilizzata nel prezzo della potenza prodotta. Tali costi comprendono i danni ambientali causati dalla fonte di provenienza, il trattamento, il trasporto, l’utilizzo e il lavoro oggettivo di smaltimento. Da questo punto di vista, i costi necessari e le esternalità associate alle fonti energetiche tradizionali(carbone, petrolio, nucleare, gas naturale) utilizzate per la produzione di energia elettrica sono molto elevati e per per nulla inferiori ai costi associati ai sistemi fotovoltaici. Anzi, in molti casi, essi superano i costi del fotovoltaico. L’uso del fotovoltaico è molto meno inquinante di qualsiasi altro combustibile.

La strategia di utilizzare i sistemi fotovoltaici come fonte principale di alimentazione elettrica per le abitazioni private, sta riducendo la “fame” consumistica di energia elettrica che caratterizza il ventesimo e ventunesimo secolo. Frigoriferi, condizionatori, scaldabagni elettrici, cucine elettriche, essiccatori elettrici e lavatrici sono tutti elettrodomestici di uso comune che consumano grandi quantità di energia elettrica. Le energie alternative per il risparmio energetico e i dispositivi a gas sono disponibili per ridurre notevolmente i carichi elettrici.

Commercializzazione del fotovoltaico

Vediamo da un punto di vista commerciale quali sono i pro e i contro dei sistemi fotovoltaici, analizzando alcuni fra i parametri più importanti.

Tecnologia del fotovoltaico:

Affidabile e ben collaudata. La componentistica specifica qualitativa dei sistemi fotovoltaici è notevolmente migliorata rispetto a qualche anno fa. Tuttavia, un sistema così complesso e performante necessita di un importante lavoro ingegneristico di selezione e installazione per ogni singola applicazione.

Fornitori ed installatori:

Negli ultimi anni il fotovoltaico ha preso piede anche in Europa. Nuovi installatori sono stati formati e nuove società garantiscono un buon circuito concorrenziale che sta alla base della qualità di qualsiasi prodotto finito. Va però detto che le aziende valide e attive nel fotovoltaico non sono presenti in tutte le realtà del nostro paese, sia a causa di alcuni vincoli giuridici, sia per un interesse in questa tecnologia non ancora sufficientemente diffuso.

Costi del fotovoltaico:

I costi complessivi del sistema fotovoltaico sono fortemente influenzati nel bene e nel male dai costi di installazione, ma soprattutto da disposizioni locali, statali o dalla presenza o meno di programmi di sconti. Se vi affiderete ad un fornitore locale con poca esperienza, queste spese ricadranno per intero sul costo totale del sistema. 10, 20 0 30 mila euro possono essere spese per la creazione di un sistema fotovoltaico residenziale che soddisfi tutte le esigenze di una normale abitazione privata. Somme che nell’ottica dell’investimento possono essere recuperate nel giro di una decina d’anni risparmiando sulle normali bollette della luce.

Finanziamenti per i privati

I finanziatori saranno riluttanti ad investire su un impianto fotovoltaico, anche se gli incentivi che premiano l’utilizzo di energie rinnovabili hanno contribuito ad abbassare i costi dei sistemi fotovoltaici e ad introdurre questi ultimi nel “Mainstream”. In ogni caso, un impianto fotovoltaico “stand alone” avrà maggior possibilità di ottenere un finanziamento se è sostenuto da un generatore.
Per chi non trova il giusto finanziamento e non ha le disponibilità economiche per un investimento del genere esiste la possibilità di noleggiare un impianto fotovoltaico. Il concetto è molto simile al leasing di un’autovettura, con il proprietario e il cliente che devono accordarsi per un costo fisso mensile dell’intero sistema – generalmente inferiore al costo previsto dalla rete elettrica – per un determinato numero di anni. Attualmente (2014) Ci sono alcune questioni giudiziarie sorte a seguito di di alcuni contratti di locazione stipulati “all’acqua di rose” (essenzialmente a causa della vendita della casa da parte del proprietario originario). Pertanto, simili eventualità è meglio prevederle e discutere in anticipo, al momento dell’accordo.

L’opinione pubblica:

La gente tendenzialmente accetta l’idea del fotovoltaico come fonte energetica libera, che deriva dal sole e quindi non inquinante e rinnovabile. Tuttavia molte persone considerano ancora il fotovoltaico un qualcosa di futuristico e ritengono che i sistemi debbano essere migliorati ulteriormente, soprattutto per ridurne i costi elevati.

Due approcci All’utilizzo del fotovoltaico: stand-alone e grid-connected

Le Linee guida specifiche per la produzione di sistemi di alimentazione fotovoltaici ​​dovrebbero essere rese disponibili dal vostro fornitore di energia. Ci possono essere informazioni specifiche relative a tutti gli impianti fotovoltaici – stand-alone o grid connected.

Fotovoltaico stand-alone o indipendente

L’impianto fotovoltaico stand-alone richiede batterie per immagazzinare l’energia per i periodi in cui il sole non brilla. Esso non utilizza l’alimentazione della rete elettrica comune e per questo è sostanzialmente indipendente. Esistono anche impianti solari stand-alone senza batteria, ma quando il sole tramonta e i pannelli non assimilano più la luce diurna, l’abitazione rimane senza corrente elettrica.

Il sistema stand-alone è definito un “sistema separato” dal gestore della rete elettrica. Può utilizzare esclusivamente i pannelli solari ed eventualmente servirsene in combinazione con altri dispositivi come le turbine eoliche.
Tuttavia, un “sistema separato” nella terminologia del programma di utilities può esistere in una casa che ha anche un’alimentazione da Utilities, purché i due sistemi restino per l’appunto separati.

Impianto fotovoltaico grid-connected o grid tied

Questo sistema viene alimentato da una rete residenziale condivisa fra più utenti. Quando l’energia immagazzinata dai pannelli solari di una singola abitazione risulta “eccessiva” al fabbisogno energetico giornaliero della casa, essa viene viene rinviata nuovamente alla rete condivisa. Gli impianti fotovoltaici grid connected sono quasi sempre privi di batteria (il costo sarebbe proibitivo) ed è La rete sostanzialmente a fungere come batteria.
fotovoltaico

Progettazione di un impianto fotovoltaico

Calcolare il carico elettrico

Prima di cimentarsi nella progettazione e implementazione di un impianto fotovoltaico per uso domestico, è bene esaminare la quantità di energia utilizzata nelle tre funzioni essenziali: energia termica (calore), energia elettrica (illuminazione, elettrodomestici) e refrigerazione (aria condizionata). L’energia solare può essere conservata e ripartita in ognuna di queste categorie, andando ad incidere sul consumo elettrico complessivo dell’appartamento.

fabbisogno di energia termica per il riscaldamento degli ambienti vitali, per l’acqua calda e per la cucina

Riscaldamento elettrico di un ambiente, riscaldamento dell’acqua, e cottura richiedono una quantità enorme di energia elettrica. Non è affatto conveniente adoperare il fotovoltaico per generare elettricità atta ad assolvere a queste funzioni. L’energia solare può essere utilizzata per altri scopi, come il riscaldamento solare passivo e attivo o il riscaldamento solare dell’acqua. Il gas può essere utilizzato anche per i carichi termici in maniera più economica ed efficiente rispetto all’ elettricità.

Carichi elettrici: illuminazione, elettrodomestici e attrezzature di uso quotidiano

Il miglior utilizzo del fotovoltaico è sicuramente legato a questa categoria.

refrigerazione per l’aria condizionata e la conservazione degli alimenti

L’aria condizionata e la refrigerazione degli alimenti consumano inutilmente enormi quantità di potenza fotovoltaica. Per queste esigenze il gas si conferma ancora essere una valida alternativa. Per la conservazione del cibo esistono frigoriferi a gas molto efficienti che possono sostituirsi ai più comuni frigo elettrici.

Dimensione del sistema fotovoltaico e componenti

Diversi pannelli fotovoltaici produrranno grandezze di energia differenti. La potenza di wattaggio in uscita dal pannello è la quantità di watts che il pannello creerà in un’ora di esposizione diretta ai raggi del sole. Da questo punto di vista, la dimensione dei pannelli e la quantità incideranno significativamente sull’elettricità prodotta.

Inverter, cosa sono e perché sono necessari in un sistema fotovoltaico

Apparecchi convenzionali e attrezzature di uso comune sono alimentate da corrente alternata. I sistemi di alimentazione fotovoltaici producono invece corrente continua. Per convertire l’energia dei pannelli solari da continua ad alternata sono necessari gli inverters. Gli inverter di ultima generazione prodotti Recentemente sono affidabili ed efficienti. Essi hanno però anche un certo costo nell’economia del sistema fotovoltaico, con prezzi a partire da 400 euro, ovviamente a seconda dei KW che riescono a gestire.

Per motivi pratici – come l’acquisto delle apparecchiature domestiche e il rispetto di un codice elettrico – è meglio avere un convenzionale sistema di alimentazione elettrica a corrente alternata in casa: ciò consentirà l’utilizzo di elettrodomestici e apparecchi di illuminazione comunemente disponibili in commercio nei normali punti vendita. Tuttavia è risaputo che la conversione da corrente alternata a corrente continua e viceversa causa una perdita di potenza di circa il 30%, pertanto nell’ottica di una civiltà futura votata al fotovoltaico potremmo assistere a una piccola rivoluzione in tal senso.

La corrente continua in casa è teoricamente preferibile in un sistema fotovoltaico. Apparecchiature a corrente continua, anche se virtualmente più costose e meno adoperate rispetto ai loro omologhi a corrente alternata, necessitano di minor energia per funzionare. In alcuni casi (es: le pompe) i motori a corrente continua sono molto più efficienti. Se decidete di utilizzare un sistema a corrente continua all’interno di una casa, ricordate che è necessario un cavo più pesante. Generalmente un cavo #10 è sufficiente per applicazioni a corrente continua, ma un cavo ancora più grande può essere necessario se i cavi sono particolarmente lunghi.

Se al contrario preferite continuare ad utilizzare la corrente alternata, essa è cablata normalmente.

Montaggio pannelli fotovoltaici

I pannelli fotovoltaici devono essere piazzati in modo da ricevere quanta più luce solare possibile. Negli ultimi anni molti considerano opportuno orientare i pannelli solari verso la posizione in cui si trova il sole fra le 16:00 e le 17:00, quando le richieste di energia elettrica della popolazione sono nel complesso più elevate. L’obiettivo è quello di evitare un maggior inquinamento dell’aria causato dai generatori a gas e dalle centrali elettriche convenzionali, riducendo (nel nostro piccolo)la domanda globale di energia nei momenti di utilizzo di punta.

Ci sono diversi modi per montare i pannelli solari: fissi, fissati con angoli di inclinazione regolabili, con inseguitore solare manuale, con inseguitore passivo, e inseguitore attivo. Tutti questi approcci di montaggio possono essere assicurati indifferentemente a terra o su un tetto ad eccezione di alcuni inseguitori solari attivi che sono più adatti ad essere montati sul terreno.

Fra tutti questi, i supporti fissi sono i più economici. Una struttura in metallo, adatta a supportare le condizioni atmosferiche esterne, è un’ottima soluzione.

La montatura fissata con angoli di inclinazione regolabili e supporti di monitoraggio manuali richiederà un impegno più costante da parte del proprietario, che dovrà cambiare più volte al giorno l’angolazione dei pannelli fotovoltaici e provvedere ad assestamenti stagionali per mantenere i pannelli quanto più vicini possibile alla perpendicolare del sole.

Gli inseguitori solari sono utili se il sito di installazione è appropriato. Non ci devono essere ostacoli ad est e ovest che possano interferire con la luce del sole, in quanto gli inseguitori orienteranno i pannelli fotovoltaici per “accogliere” il sole dalla mattina presto fino al tardo pomeriggio. Gli inseguitori passivi sono strutturati in modo da monitorare il movimento del sole da est a ovest solamente, senza alcun cambiamento automatico nell’angolo di inclinazione. Gli inseguitori attivi invece oltre a tenere traccia meccanicamente del sole da est a ovest regolano l’angolo di inclinazione corretta. E’ importante rendersi conto che i maggiori vantaggi per gli inseguitori solari – attivi o passivi che siano – si hanno durante i giorni più lunghi dell’estate. Nei mesi invernale purtroppo non ci sono grossi margini di incremento.

Batterie per impianti fotovoltaici

Le batterie sono il metodo migliore per immagazzinare energia da un impianto fotovoltaico per i periodi in cui il sole non splende. Questo vale per gli impianti stand-alone o non per i sistemi grid alimentati da una rete comune. E’ molto importante calcolare il carico energetico giornaliero così da poter determinare le dimensioni della batteria.

Procedura per conoscere le dimensioni della batteria

Di che capienza deve essere la batteria da usare per l’impianto? Proviamo a scoprirlo.

1)Dividiamo il “Daily Energy Use” per la tensione della batteria (tipicamente 12 volt). Il risultato è in ampere-ore, che è il modo comune di misurare la capacità della batteria. Ad esempio, se il “Daily Energy Use” è di 2.000 (watt-ora), dividiamo 2.000 per 12 per ottenere 167 (amperora).

2)Moltiplicare le ampere-ore giornaliere per il numero di giorni previsti di deposito, nel caso in cui il sole non splenda adeguatamente. Da tre a cinque giorni è un’opzione raccomandata. Nel nostro esempio però sceglieremo quattro giorni. Moltiplicheremo quindi 167 ampere-ore al giorno per 4 giorni otterremo 668 ampere-ore.

3)Le batterie non devono mai essere scaricate eccessivamente. Una batteria deep cycle (la batteria più adoperata) durerà più a lungo se viene scaricata fino a un massimo del suo 50%. Dividendo il totale amp-ore del Punto 2 (668) per .50, la capacità ottimale della batteria è determinata; 668 / .50 = 1.336 ampere-ore a 12 volt.
celle solari

Selezione delle batterie

Le normali batterie per auto non sono adatte per le applicazioni fotovoltaiche in quanto non in grado di gestire le scariche profonde che possono aver luogo negli impianti fotovoltaici. Le batterie “marine” sono invece ottimali per gestire una scarica profonda, al contrario delle batterie per auto, e possono essere utilizzato in un sistema fotovoltaico. La loro durata oscilla fra i due e tre anni.

Le batterie ermetiche al gel vanno bene ma soltanto in condizioni particolari, tuttavia anche queste non sono affidabili per le scariche profonde.

Le batterie deep cycle sono disponibili in commercio per i carrelli da golf, e includono batterie a cloruro industriali. Queste batterie rappresentano la scelta ideale per gli impianti fotovoltaici. Mediamente una batteria di questo tipo durerà fra i 3 e i 5 anni. Ci sono però alcune batterie deep cycle di capacità maggiore che possono durare anche 7 o 10 anni. Le Batterie Cloruro industriali dureranno fra i 15 e i 20 anni.

Le Batterie non a base di piombo, come quelle nichel-cadmio o nichel-ferro, sono costose ma possono durare per moltissimo tempo se non vengono scaricate eccessivamente. Un nuovo tipo di batteria al nichel-cadmio con fibra in nichel-cadmio, ha dimostrato di avere una longevità eccezionale a un tasso di scarica del 25%. Le batterie Nichel-cadmio (NiCd)hanno diverse caratteristiche di funzionamento e di manutenzione rispetto alle batterie al piombo che devono essere considerate. Ricordatevi dunque di approfondire con i fornitori i vantaggi e gli svantaggi che offrono le batterie al nichel cadmio.

Per i sistemi fotovoltaici di grandi dimensioni, la scelta migliore verso cui orientarsi è la “true” deep cycle. Una certa cautela nell’uso di queste batterie deve essere osservata. Bisogna inoltre avere consapevolezza della risposta della batteria ai cambiamenti di temperatura e ai requisiti di ventilazione. Ad esempio, le batterie al piombo acido funzionano in modo meno efficiente a basse temperature.

Celle Fotovoltaiche

Il materiale semiconduttore, tipicamente silicio, viene utilizzato in liste sottili o nastri per la maggior parte delle cellule disponibili oggi in commercio. Un lato del materiale semiconduttore ha una carica positiva mentre l’altro è caricato negativamente. La luce solare che colpisce il lato positivo attiva gli elettroni secondari negativi e produce la corrente elettrica.

Tipi di cellule

silicio cristallino

Le cellule cristalline sono utilizzate già da diverso tempo e possono vantare una longevità eccezionale. Pensate che le cellule sviluppate quasi 40 anni fa nei primi impianti fotovoltaici sono ancora adesso in funzione, al punto che la maggior parte dei produttori offrono una garanzia di dieci anni o più al momento del loro acquisto. Le celle cristalline hanno due sotto categorie: monocristallo e policristallino. Entrambi funzionano in modo simile. L’efficienza delle celle cristalline è di circa il 13%.

silicio amorfo

Il silicio amorfo è una tecnologia molto recente impiegata nella realizzazione delle celle solari. Ha il vantaggio di essere più economico da produrre e offre una maggiore flessibilità, ma la sua efficacia è dimezzata rispetto alle celle cristalline. Inoltre, le celle di silicio amorfo sono destinate ad un degrado più rapido con l’uso.
Questo tipo di cellule produce energia anche in situazioni di scarsa illuminazione.

A lungo andare questa tecnologia dovrebbe offrire possibilità di applicazione superiori alla tecnologia cristallina, ma attualmente, la scelta migliore per le celle solari rimane comunque la varietà cristallina.

 

Scritto con il supporto tecnico di Qookka

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