Impianti fotovoltaici

La tecnologia fotovoltaica consente di trasformare direttamente in energia elettrica l'energia associata alla radiazione solare. Tale tecnologia, infatti, sfrutta l’effetto fotovoltaico, per mezzo del quale alcuni semiconduttori opportunamente “drogati”

generano elettricità se esposti alla radiazione solare. La produzione elettrica annua di un impianto fotovoltaico dipende dalla fonte primaria che è rappresentata dalla radiazione solare.

Nel nucleo del Sole avvengo incessantemente reazioni di fusione termonucleare a milioni di gradi che liberano enormi quantità di energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche. Parte di questa energia raggiunge l’esterno dell’atmosfera terrestre con un irraggiamento medio (costante solare) di circa 1367 W/m² che varia del 3% in più o in meno in funzione della distanza Terra-Sole (figura). Infatti, a causa dell’orbita ellittica, la Terra si trova alla minima distanza dal Sole (perielio) a dicembre-gennaio ed alla massima distanza (afelio) nei mesi di giugno-luglio.

Figura

La grandezza riportata in figura è l’irraggiamento solare che, per definizione, è l’intensità della radiazione elettromagnetica solare incidente su una superficie di area unitaria [kW/m²]. Tale intensità e pari all’integrale della potenza associata a ciascun valore di frequenza dello spettro della radiazione solare.

L’altra grandezza fondamentale è la radiazione solare che, per definizione, è l’integrale dell’irraggiamento solare su un periodo di tempo specificato [kWh/m²].

Nell’attraversare l’atmosfera la radiazione solare si attenua, poiché in parte viene riflessa ed assorbita (soprattutto dal vapore d’acqua e dagli altri gas atmosferici). La radiazione che giunge su una superficie orizzontale è pertanto composta da una radiazione diretta, associata all’irraggiamento diretto sulla superficie, da una radiazione diffusa che arriva sulla superficie dal cielo in ogni direzione e da una radiazione riflessa dal terreno e dall’ambiente circostante una data superficie. La radiazione riflessa dipende dalla capacità di una superficie di riflettere la radiazione solare e viene misurata tramite il coefficiente di albedo calcolato per ciascun materiale. Si osserva che d’inverno e con il cielo coperto la componente diffusa e molto maggiore di quella diretta.

In Italia la radiazione media annuale può essere ottenuta dall’Atlante Solare che fornisce i dati per tutto il territorio nazionale mediante il portale http://www.solaritaly.enea.it/CalcComune/Calcola.php . La radiazione varia dai 3.6

kWh/m2/giorno della Pianura Padana ai 4.7 kWh/m2/giorno del centro sud e ai 5.4 kWh/m2/giorno della Sicilia. Dal portale è possibile conoscere l’energia media annua per la zona geografica selezionata in termini di kWh/m2 per anno.

Il componente elementare del generatore fotovoltaico è la cella fotovoltaica in cui avviene la conversione della radiazione solare in corrente elettrica. La cella è costituita da una sottile fetta di materiale semiconduttore, generalmente silicio opportunamente trattato che sfrutta l’effetto fotovoltaico. Il silicio, che ha quattro elettroni di valenza (tetravalente), viene “drogato” mediante l’inserimento su una “faccia” di atomi trivalenti (es. boro – drogaggio P) e sull’altra faccia con piccole quantità di atomi pentavalenti (es. fosforo – drogaggio N). La regione tipo P ha un eccesso di lacune, mentre la regione tipo N ha un eccesso di elettroni, come mostrato in figura.

Dalla figura si evince che, nella zona di contatto tra i due strati a diverso drogaggio (giunzione P-N), gli elettroni tendono a diffondersi dalla regione ad alta densità di elettroni (N) alla regione a bassa densità di elettroni (P) creando pertanto un accumulo di carica negativa nella regione P. Un fenomeno duale avviene per le lacune, con un accumulo di carica positiva nella regione N. Si viene quindi a creare un campo elettrico interno alla giunzione che si oppone all’ulteriore diffusione di cariche elettriche. Se si applica una tensione dall’esterno, la giunzione permette il passaggio di corrente in un solo senso (funzionamento da diodo).

(a) (b)

Figura

Figura

L’effetto fotovoltaico consiste nel fatto che un elettrone presente nella banda di valenza di un materiale (generalmente semiconduttore) passa alla banda di conduzione a causa dell’assorbimento di un fotone sufficientemente energetico incidente sul materiale. Quando la cella è esposta alla luce, per effetto fotovoltaico, vengono a crearsi delle coppie elettrone-lacuna sia nella zona N che nella zona P. Il campo elettrico interno permette di dividere gli elettroni in eccesso (ottenuti dall’assorbimento dei fotoni da parte del materiale) dalle lacune, e li spinge in direzioni opposte gli uni rispetto agli altri. Gli elettroni, una volta oltrepassata la zona di svuotamento non possono quindi più tornare indietro, perché il campo impedisce loro di invertire il

“senso di marcia”. Connettendo la giunzione con un conduttore ed un carico esterno, si otterrà un circuito chiuso nel quale la corrente fluisce dallo strato P, a potenziale maggiore, verso lo strato N, a potenziale minore fintanto che la cella resta illuminata.

La Figura mostra lo schema della struttura interna di una tradizionale cella fotovoltaica al silicio monocristallino.

Figura - Struttura interna di una cella fotovoltaica al silicio monocristallino La cella fotovoltaica o cella solare è l’elemento base nella costruzione di un modulo fotovoltaico. Le prestazioni di una cella fotovoltaica sono influenzate prevalentemente dalla temperatura e dall’irraggiamento complessivo. Nelle condizioni di funzionamento standard (irraggiamento di 1kW/m2 alla temperatura di 25°C) una cella fotovoltaica fornisce una corrente di circa pochi Ampere con una tensione di frazioni di Volt ed una potenza di picco pari a qualche Watt, come mostrato in Figura dove si riportano la caratteristica I-V di una cella al variare della temperatura e la caratteristica in potenza.

(a) (b)

Figura

Dati i ridotti valori di tensione e potenza, per usufruire di tale generatore è necessario connettere più celle in serie/parallelo. Infatti, più celle in serie formano un modulo; un insieme di moduli assemblati fra loro forma un pannello solare. A titolo di esempio in Figura si riporta la caratteristica I-V di un modulo fotovoltaico al variare della radiazione solare.

Un insieme di pannelli collegati elettricamente costituisce una stringa; un insieme di stringhe collegate in parallelo tra di loro formano il campo fotovoltaico che, insieme ad altri componenti, consente di realizzare sistemi fotovoltaici utilizzabili per la produzione di energia elettrica utile.

La potenza nominale di un impianto fotovoltaico si esprime in kWp ed è la potenza teorica massima che esso può produrre nelle condizioni standard di insolazione e temperatura dei moduli (indicate con la sigla STC: temperatura di 25 °C e irradiazione di 1000 W/m2). In Figura sono rappresentati schematicamente la cella, il modulo fotovoltaico, il pannello, la stringa e il generatore fotovoltaico.

Figura - Cella, modulo, pannello, stringa e generatore fotovoltaico

Figura - Cella, modulo, pannello, stringa e generatore fotovoltaico

La corretta esposizione all’irraggiamento solare dei moduli fotovoltaici rappresenta un fattore chiave al fine di ottenere le prestazioni ottimali dell’impianto in termini di producibilità di energia elettrica. Ad esempio in Italia l’esposizione ottimale è verso Sud con una inclinazione di circa 30° - 35° rispetto ad un piano parallelo al suolo. Nel territorio italiano un impianto fotovoltaico da 1kWp, ottimamente orientato ed inclinato, installato su una struttura fissa è capace, passando da Nord al Sud, di una produzione specifica variabile tra 1000 e 1400 kWh annui per ogni kWp installato. Inoltre ogni kWp installato richiede uno spazio netto di circa 8-10 m² qualora i moduli siano installati in modo complanare alle superfici di pertinenza degli edifici; occorre invece uno spazio maggiore se l’impianto è installato in più file successive su strutture di supporto inclinate collocate su superfici piane. In questo caso deve essere calcolata anche la distanza minima tra le file dei pannelli per non avere ombreggiamento.

Come mostra la figura, per evitare che una o più celle ombreggiate vanifichino la produzione in un’intera stringa, a livello dei moduli vengono inseriti dei diodi di by-pass che cortocircuitano la parte di modulo in ombra o danneggiata. Così facendo si garantisce il funzionamento del modulo pur con un’efficienza ridotta. I diodi di stringa si usano per isolare tra loro le stringhe ed assicurare che, a seguito di un corto circuito o di ombreggiamenti, le altre stringhe continuino a lavorare indisturbate e non si crei un’inversione di corrente nella stringa inattiva.

Il generatore fotovoltaico fornisce energia in corrente continua. Per completare l’impianto è necessario almeno un convertitore statico DC/AC (inverter) che consenta la connessione con la rete ed i carichi in alternata. Il convertitore serve anche a garantire la massima potenza prelevata dalla fonte primaria. Infatti, la potenza fornita da un generatore fotovoltaico dipende dal punto in cui esso si trova ad operare (vedi anche la caratteristica in potenza prima illustrata). Per ottimizzare l’energia prodotta dall’impianto si deve adeguare il generatore al carico, in modo che il punto di funzionamento in tensione (lato DC) corrisponda sempre a quello di massima potenza.

A tal fine viene utilizzato nell’inverter un sistema denominato inseguitore del punto di massima potenza (MPPT: Maximum Power Point Tracking) che individua istante per istante la coppia di valori tensione corrente del generatore per la quale la potenza fornita è massima.

In figura è mostrato un esempio di impianto fotovoltaico e sono mostrati alcuni esempi di configurazioni di inverter per diverse tipologie di campo fotovoltaico. Nel caso di singolo inverter, la sua tensione di ingresso fissa anche la tensione della singola stringa (serie di pannelli) mentre la potenza di picco dell’impianto fissa il numero di stringhe da collegare in parallelo.

Figura

Figura

(a) (b)

Figura

Gli impianti fotovoltaici possono essere classificati in impianti connessi alla rete (“grid connected” nella letteratura anglosassone) o in isola. Due possibili schemi a blocchi con i componenti principali sono riportati in figura.

(a)

(b) Figura

Lo schema di impianto fotovoltaico connesso alla rete, al di là dei componenti già discussi in precedenza è caratterizzato da quadro di interfaccia che include i sistemi di misure, di protezione di impianto e di interfaccia verso la rete. In questo caso un sistema di accumulo non è strettamente necessario. Un componente fondamentale, invece, dell'impianto fotovoltaico in isola è il sistema di accumulo dell'energia. Infatti disponibilità e richiesta di energia non sono uguali istante per istante; ad esempio, l'energia solare captata varia nelle ore della giornata ed è nulla di notte, varia inoltre sensibilmente nel corso delle stagioni, mentre il carico richiesto varia arbitrariamente in base alle esigenze dell'utente. Quindi i pannelli fotovoltaici possono non essere collegati direttamente al carico, ma ad un sistema di accumulo, costituito da batterie, in grado di fornire energia all'utente ogni volta che l'utente lo desidera. Lo schema in isola ha necessità anche di un regolatore di carica che consente di utilizzare il sistema di accumulo in maniera da garantirne la massima vita utile e di gestire le fasi carica e scarica prevenendo problemi stato di carica troppo elevato o troppo basso.

Per effettuare una pianificazione economica per l’installazione di un pimpianto fotovoltaico è necessario conoscere sia i costi di installazione e manutenzione necessari, sia i ricavi che cono disponibili per tali impianti.

I costi di installazione sono relativamente elevati, in quanto ammontano attualmente a circa 1500-5000€/kWp installato al variare della tecnologia dei pannelli e delle taglie considerate. Con riferimento ai ricavi, essi sono legati:

 alla vendita dell’energia prodotta

 agli incentivi previsti per l’energia immessa in rete

 al costo evitato in caso di autoconsumo di parte dell’energia.

Con riferimento alla vendita, si possono stipulare due tipi di contratto con il GSE:

 Ritiro Dedicato

 Scambio sul Posto (è necessaria la presenza di un impianto utilizzatore per l’autoconsumo)

Nel caso di ritiro dedicato, l’energia elettrica immessa in rete dai produttori e ritirata dal Gestore dei Servizi Energetici viene valorizzata dal GSE al “prezzo medio zonale orario”, ovvero al prezzo medio mensile per fascia oraria - formatosi sul mercato elettrico - corrispondente alla zona di mercato in cui è connesso l’impianto. Inoltre, i produttori di piccola taglia con impianti di potenza nominale elettrica fino a 1 MW, possono ricevere dal GSE i cosiddetti “prezzi minimi garantiti” per i primi 2 milioni di kWh annui immessi in rete, senza pregiudicare la possibilità di ricevere di più nel caso in cui la remunerazione a prezzi orari zonali dovesse risultare più vantaggiosa. I prezzi minimi garantiti sono aggiornati annualmente dall’Autorità per l'energia elettrica e il gas (AEEG).

Il Ritiro dedicato dell’energia è un meccanismo non cumulabile con lo scambio sul posto, con la Tariffa omnicomprensiva e con le incentivazione previste dai Decreti Interministeriali del 5 luglio 2012 (V Conto Energia) e del 6 luglio 2012 (incentivi per fonti rinnovabili diverse dal fotovoltaico). D’altra parte, il ritiro dedicato dell’energia è un meccanismo cumulabile con i TEE.

Lo scambio sul posto è una particolare modalità di valorizzazione dell’energia elettrica che consente, al Produttore, di realizzare una specifica forma di autoconsumo immettendo in rete l’energia elettrica prodotta ma non direttamente autoconsumata, per poi prelevarla in un momento differente da quello in cui avviene la produzione. Lo

scambio sul posto consente al Produttore di ottenere una compensazione tra il valore economico associabile all’energia elettrica prodotta e immessa in rete e il valore economico associato all’energia elettrica prelevata e consumata in un periodo differente da quello in cui avviene la produzione. Lo scambio sul posto non è compatibile con il Ritiro dedicato dell'energia e con la Tariffa omnicomprensiva.

Oltre al ricavo dalla vendita dell’energia esistono diversi meccanismi di incentivazione. Tali meccanismi di incentivazione sono fondamentali nella diffusione degli impianti fotovoltaici. Fino all’ultimo Conto Energia (Quinto Conto Energia, approvato nel 2012), gli impianti fotovoltaici di potenza non inferiore a 1 kW e non superiore a 5 MW che utilizzavano moduli non convenzionali e componenti speciali, sviluppati specificatamente per integrarsi e sostituire elementi architettonici di edifici, energeticamente certificabili secondo la normativa nazionale, avevano diritto a tariffe incentivanti particolarmente vantaggiose rispetto agli impianti fotovoltaici tradizionali.

Potevano accedere alle tariffe incentivanti gli impianti fotovoltaici che utilizzano moduli e componenti che sostituiscano componenti architettonici degli edifici o che svolgano una funzione di rivestimento di parti dell’edificio altrimenti svolta da componenti edilizi, e che al contempo presentino le seguenti caratteristiche:

 moduli e componenti speciali, sviluppati specificatamente per integrarsi e sostituire elementi architettonici di edifici, energeticamente certificabili, quali coperture degli edifici, superfici opache verticali, superfici trasparenti o semitrasparenti sulle coperture, superfici apribili e assimilabili quali porte, finestre e vetrine anche se non apribili comprensive degli infissi;

 moduli progettati e realizzati industrialmente per svolgere, oltre alla produzione di energia elettrica anche funzioni architettoniche fondamentali quali: protezione o regolazione termica dell’edificio, tenuta all’acqua e impermeabilizzazione della struttura edilizia sottesa, tenuta meccanica comparabile con l’elemento edilizio sostituito.

I fondi destinati al quinto conto energia sono stati esauriti, dunque attualmente gli incentivi che possono essere utilizzati sono le Detrazioni Fiscali e i TEE. Per impianti di potenza minore o uguale a 6 kW è possibile usufruire della detrazione fiscale del 50%

(fino al 31/12/2015) o del 36% (dopo il 31/12/2015) per i lavori di manutenzione ordinaria e straordinaria. La quota in detrazione è restituita dallo stato in 10 anni consecutivi con rate uguali. Tale incentivo è cumulabile con lo scambio sul posto ma non con i TEE. Per impianti di potenza di picco minore di 20 kW è possibile usufruire dei titoli di Efficienza Energetica attraverso la scheda tecnica n. 7T.

Per completare la panoramica sui ricavi, si consideri che nelle ore in cui l’energia viene consumata dallo stesso produttore (ore di autoconsumo) il ricavo è legato al mancato acquisto dell’energia dalla rete interconnessa. Il costo evitato si può calcolare facilmente utilizzando la propria bolletta e mediando i costi nelle varie fasce.

3. Modellistica per la Gestione Ottimale dell’Energia