Un impianto fotovoltaico consente la trasformazione diretta dell'energia solare in energia elettrica in corrente continua sfruttando l’effetto fotovoltaico. Tale fenomeno si manifesta nei materiali detti "semiconduttori", usati anche nella produzione di componenti elettronici. Il materiale di più largo utilizzo è il silicio cristallino, uno degli elementi chimici più diffusi sulla crosta terrestre sotto forma di biossido di silicio non puro o silice (SiO2). Il componente alla base della conversione fotovoltaica è noto come cella. Le prestazioni di una cella fotovoltaica sono influenzate prevalentemente dalla quantità di luce o irraggiamento e dalla temperatura; in particolare la corrente di corto circuito risulta proporzionale all’irraggiamento mentre la tensione a vuoto si riduce considerevolmente con l’aumentare della temperatura (per il silicio cristallino la tensione si riduce del 4 % per ogni 10°C di aumento della temperatura).
L’efficienza di conversione varia tra l’8 e il 20% secondo il tipo di cella utilizzato. Le tecnologie commercialmente più diffuse impiegano:
- Silicio monocristallino;
- Silicio policristallino;
- Silicio amorfo (film sottile).
Nella tecnologia a film sottile i materiali maggiormente utilizzati per la produzione di dispositivi fotovoltaici sono il silicio amorfo (a-Si), il solfuro di cadmio (CdS), il telloruro di cadmio (CdTe), il diselenuro di indio rame (CIS), il diselenuro di indio rame gallio (CIGS) e l’arseniuro di gallio (GaAs).
Altri materiali utilizzati per la produzione di dispositivi fotovoltaici sono l’arseniuro di gallio e di alluminio, solfuro di cadmio, il telloruro di cadmio, il solfuro di rame e materiali plastici. Quasi tutti sfruttano la tecnologia del film sottile. Un sistema fotovoltaico è composto da:
- moduli o pannelli fotovoltaici;
- struttura di sostegno per installare i moduli sul terreno, su un edificio o qualsiasi struttura edilizia;
- inverter;
- quadri elettrici, cavi di collegamento, locali tecnici per l’alloggiamento delle apparecchiature ed eventuale trasformatore per allaccio alla rete di media tensione.
Le celle solari costituiscono un prodotto intermedio dell’industria fotovoltaica: forniscono valori di tensione e corrente limitati in rapporto a quelli normalmente richiesti dagli apparecchi utilizzatori, sono elettricamente non isolate e prive di un supporto meccanico. Esse vengono quindi assemblate in modo opportuno a costituire un’unica struttura: il modulo fotovoltaico. Il modulo è il componente principale di un impianto FV ed è formato da più celle collegate tra loro in modo da ottenere valori di tensione e corrente adatti ai comuni impieghi. Nel modulo le celle sono protette dagli agenti atmosferici da un vetro e sul lato posteriore da materiali isolanti e plastici.
E’ previsto che un impianto fotovoltaico duri per alcuni decenni, di conseguenza è di grande importanza la qualità dei materiali utilizzati per la fabbricazione. I moduli devono essere espressamente certificati da istituti accreditati secondo la norma UNI CEI EN ISO/IEC 17025, rispettivamente in accordo alle norme di riferimento seguenti:
- CEI EN 61215: Moduli fotovoltaici i silicio cristallino per applicazioni terrestri. Qualifica del progetto e omologazione del tipo;
- CEI EN 61416: Moduli fotovoltaici a film sottile per applicazioni terrestri. Qualifica del progetto e omologazione del tipo.
- Caratteristiche del modulo fotovoltaico
Per valutare un modulo fotovoltaico occorre conoscere le sue caratteristiche in termini di tipologia di cella, dimensioni, peso e prestazioni elettriche; ogni modulo fotovoltaico è di conseguenza accompagnato da una scheda tecnica che deve riportare dei dati tecnici stabiliti dalla norma CEI EN 50380 “Fogli informativi e dati di targa per moduli fotovoltaici”. Tale norma stabilisce che nei fogli dati dei moduli devono essere inoltre riportati:
- la potenza nominale o di picco PMP con relativa indicazione della tolleranza;
- la tensione VMP e la corrente IMP nel punto di massima potenza;
- la tensione di circuito aperto VOC;
- la corrente di corto circuito ISC;
- i coefficienti di temperatura per la potenza, la corrente e la tensione, determinati in condizioni standard (STC), ovvero con irraggiamento pari a 1000 W/m2, temperatura di esercizio del modulo pari a 25°C , massa d’aria AM (Air Mass: la radiazione solare, per giungere al suolo terrestre, deve attraversare una massa d’aria atmosferica che è minima quando il sole è allo allo Zenith e che aumenta via via che il sole si abbassa sull’orizzonte. Si indica con AM0 (Air Mass 0) la densità di radiazione solare oltre l’atmosfera (1.353 kW/m2). Si indica con AM1 la densità di radiazione solare sul suolo terrestre a mezzogiorno, in una giornata serena. Si indica con AM 1.5 la densità di radizione nei test, STC) pari a 1,5.
Oltre alle caratteristiche elettriche e le specifiche tecniche occorre conoscere anche i parametri delle condizioni ambientali (limiti di temperatura e di umidità entro i quali il modulo può operare). Normalmente i moduli possono operare da -40° a 90°C con un massimo di umidità fino al 90%. L’efficienza del modulo è definita come il rapporto espresso in % tra l’energia prodotta dal modulo fotovoltaico in condizioni standard (STC) e la superficie del modulo stesso e determina i m2 necessari per fare i Wp richiesti. Tali efficienze variano tra il 6 ed il 16% a seconda della tecnologia di cella fotovoltaica utilizzata. Esse sono, in generale, maggiori per celle monocristalline o multilayers e decrescono per le celle policristalline e in silicio amorfo. Il relativo costo di produzione segue invece una legge inversa per cui la convenienza economica di una soluzione piuttosto che un’altra va determinata caso per caso.
Si definisce stringa l’insieme dei moduli fotovoltaici collegati elettricamente in serie fra loro per ottenere una tensione richiesta. Il collegamento elettrico di più stringhe in parallelo costituisce il generatore fotovoltaico o campo fotovoltaico e consente di ottenere la potenza elettrica installata desiderata. Un’opportuna scelta della configurazione serie/parallelo del campo PV consente di limitare le perdite e di incrementare l'affidabilità del sistema. Ogni modulo è dotato di diodo di bypass, la cui presenza consente l'isolamento del modulo nel caso di malfunzionamento dovuto a ombreggiamenti, limitando di fatto la riduzione della potenza erogata dal modulo e/o dalla stringa. Generalmente in serie ad ogni stringa sono installati dei diodi di blocco il cui scopo è di impedire l'erogazione sbilanciata di potenza delle singole stringhe e che gli squilibri di tensione tra le stesse possano provocare dei ricircoli di corrente verso quelle a tensione minore. Le stringhe vengono quindi collegate in parallelo ad un quadro di campo collegato che, a sua volta, ad un gruppo di conversione “inverter” che trasforma la corrente continua prodotta dai moduli in corrente alternata. Il quadro di parallelo, il sistema di conversione ed il quadro di consegna devono essere dotati di tutte le protezioni ai vari livelli richieste dalle norme di sicurezza.
- Inverter
Per valutare L'inverter, o anche detto convertitore statico è un dispositivo in grado di convertire la corrente continua prodotta da un generatore fotovoltaico in corrente alternata con tensione nominale di 230 V o 400 V a seconda se si parli di impianti con correnti monofasi o trifasi. Essi possono essere suddivisi in due macrocategorie, ovvero inverter per applicazioni isolate o stand-alone e inverter per il funzionamento in parallelo alla rete elettrica ovvero grid-connected. Gli inverter dedicati alle applicazioni fotovoltaiche devono rispondere a requisiti che ne attestino l’elevata affidabilità ed efficienza, il basso costo e dimensioni e peso contenuti. La maggior parte degli inverter di ultima generazione per poter realizzare la conversione impiega semiconduttori di tipo IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oppure MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor); mentre i tiristori, che hanno trovato largo impiego nel passato, sono tuttora utilizzati solo per le grandi potenze. Sia per sistemi fotovoltaici in isola che per quelli connessi alla rete elettrica la tecnologia di realizzazione dei dispositivi si basa quasi esclusivamente su gruppi a commutazione forzata, che utilizzano la tecnica di modulazione degli impulsi (PWM, Pulse Width Modulation).
Gli inverter grid-connected vengono utilizzati negli impianti collegati alla rete e devono essere conformi alle norme ed alle prescrizioni richieste dal gestore della rete. Gli inverters per il collegamento alla rete elettrica sono dotati di un dispositivo elettronico che permette di estrarre la massima potenza, istante per istante, dal generatore fotovoltaico. Tale dispositivo è l’inseguitore del punto di massima potenza (MPPT) ed ha appunto lo scopo di adattare le caratteristiche di produzione del campo fotovoltaico alle esigenze del carico. Gli inverter stand-alone vengono utilizzati per impianti collegati ad accumulatori e necessitano di un regolatore di carica. Alcuni inverter possono avere le due funzioni incorporate.
- Producibilità elettrica
La producibilità elettrica media annua di un impianto fotovoltaico può essere valutata attraverso un calcolo che tenga conto:
- della radiazione solare annuale del sito;
- dell'orientamento, dell'angolo d'inclinazione dei moduli fotovoltaici ed eventuali ombre temporanee;
- delle prestazioni tecniche dei moduli fotovoltaici, dell'inverter e degli altri componenti dell’impianto;
- delle condizioni ambientali di riferimento del sito nelle quali devono operare i moduli fotovoltaici.
Per massimizzare la radiazione in ingresso alle celle è possibile installare dei dispositivi che garantiscano sempre l’orientamento ottimale del pannello nel corso della giornata. Tali dispositivi sostituiscono la struttura di sostegno fisso e vengono denominati “inseguitori” o “tracker” e possono essere a singolo o doppio asse.
L’affidabilità di lungo termine di tali inseguitori e la convenienza economica della loro installazione sono fattori che ancora oggi ne limitano le applicazioni.
Prendendo come riferimento un impianto da 1 kW di potenza nominale, con orientamento ed inclinazione ottimali ed assenza di ombreggiamento, non dotato di dispositivo di “inseguimento” del sole, in Italia è possibile stimare le seguenti producibilità annue massime:
- regioni settentrionali 1.000 – 1.100 kWh/anno
- regioni centrali 1.200 – 1.300 kWh/anno
- regioni meridionali 1.400 – 1.500 kWh/anno
La tipologia dei sistemi fotovoltaici connesse alla rete comprende gli impianti destinati ad essere connessi in parallelo alla rete elettrica pubblica alla quale cedono tutta o parte dell’ energia elettrica da loro prodotta. Nelle ore in cui non c’è produzione energetica fotovoltaica (notte), la rete provvede al soddisfacimento energetico delle utenze. La rete, per questi impianti, è assimilabile ad un accumulo di capacità illimitata che assorbe energia nei periodi di surplus di produzione energetica rispetto alle richieste dei carichi e la restituisce nei periodi di deficit.
Si suddividono in due grandi categorie: impianti collegati alla rete elettrica di distribuzione in bassa tensione ed impianti collegati alla rete elettrica di distribuzione in media tensione. La connessione alla rete degli impianti fotovoltaici è regolata dalla normativa CEI 11-20 e dalla normativa CEI 82-25. Tuttavia, ciascun distributore stabilisce le regole e le condizioni tecniche per l’allacciamento dell’impianto alla rete di distribuzione. La connessione avviene in bassa tensione (BT) monofase per potenze nominali d’impianto inferiori a 6 kW, in BT trifase fino a una potenza di 50 kW, per potenze superiori a 75 kW gli impianti vengono generalmente allacciati in media tensione (MT) attraverso l’interposizione di un trasformatore. Per potenze comprese tra 50 e 100 kW l’allacciamento deve essere realizzato in accordo col gestore della rete.
Laddove la rete elettrica di MT non sia in grado di ricevere la potenza fotovoltaica prodotta, vengono realizzate cabine di conversione MT/AT per connettere il sistema fotovoltaico direttamente alla rete di alta tensione. La possibilità per un utilizzatore locale di cedere energia in eccesso e riceverla quando difetta è garantita dalla legge (scambio sul posto) per potenze fino a 200 kW, fermo restando la fattibilità del collegamento alla rete elettrica.
La tipologia di sistemi fotovoltaici su utenza isolata è preposta ad assicurare una disponibilità di energia elettrica in zone non elettrificate, dove è importante assicurare nell’arco di un giorno tipo la continuità della fornitura di energia elettrica. Tali impianti necessariamente prevedono l’utilizzo di batterie di accumulatori per la fornitura di energia nelle ore notturne e di assenza di radiazione solare. La figura che segue mostra uno schema a blocchi e dei flussi energetici di un tipico impianto PV su utenza isolata nell’ipotesi di carichi in corrente continua e corrente alternata (inverter).
(Fonte del documento: Ansaldo Energia, Unità Business Energie Rinnovabili e Distribuite)
