Tecnologia costruttiva dei modul

Fig. 1.48 : Struttura a strati del modulo fotovoltaico

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 estremamente fragili, elettricamente non isolate, prive di supporto meccanico e vengono, quindi, assemblate in modo opportuno a costituire un’unica struttura: il modulo fotovoltaico, una struttura robusta e maneggevole, in grado di garantire molti anni di funzionamento anche in condizioni ambientali difficili.

I moduli in commercio attualmente più diffusi, che utilizzano celle al silicio mono e policristallino, prevedono tipicamente 36 celle collegate elettricamente in serie a formare un rettangolo approssimativamente di dimensioni 1,00 m×0,5 m. Il modulo così costituito ha una potenza che va dai 50 agli 80 Wp, a seconda del tipo e dell’efficienza delle celle, e tensione di lavoro di circa 17 volt, che ne permette l’accoppiamento con gli accumulatori da 12 VCC (volt in corrente continua) nominali. I moduli comunemente usati nelle applicazioni commerciali hanno un rendimento complessivo del 10-13%. È recentemente cresciuta la domanda di moduli a 72 celle di potenza superiore (sino a 160÷170 Wp), utili

L’esigenza di risparmiare sul materiale, di semplificare le operazioni di montaggio e quella non trascurabile di rendere esteticamente più gradevoli i moduli, hanno portato al raggiungimento di potenze dell’ordine di 340 Wp (220 celle) e a dimensioni di 2,5 m×1,25 m.

Il processo di fabbricazione dei moduli è articolato in varie fasi: connessione elettrica;

incapsulamento;

montaggio della cornice;

montaggio della scatola di giunzione.

La connessione elettrica consiste nel collegare in serie-parallelo le singole celle per ottenere i valori di tensione e di corrente desiderati.

Al fine di ridurre le perdite per disaccoppiamento elettrico è necessario che le celle di uno stesso modulo abbiano caratteristiche elettriche simili tra loro.

L’incapsulamento consiste, in primo luogo, nel fissare le celle ad una lastra di vetro per mezzo di un foglio adesivo trasparente, generalmente di EVA (acetato viniletilenico), e successivamente apponendo, nella parte posteriore del sandwich, un altro foglio di EVA ed una lastra di rivestimento sintetico, per esempio in Tedlar; il sandwich così ottenuto, viene trattato in uno speciale forno, detto di laminazione, in cui, tramite riscaldamento a circa 150 °C, si realizza la sigillatura dei componenti, l’EVA (originariamente traslucida) diviene trasparente e si eliminano dall’interno della stratificazione l’aria ed il vapore contenuti fra gli interstizi, in modo da evitare possibili processi di corrosione; un trattamento termico finale conclude l’operazione di laminazione, cosicché l’intera lastra assume carattere di monoliticità.

È importante che l’incapsulamento, oltre a proteggere le celle, sia trasparente alla radiazione solare, stabile ai raggi ultravioletti ed alla temperatura, abbia capacità autopulenti e consenta di mantenere bassa la temperatura delle celle. In linea di principio la vita di una cella solare è infinita; è pertanto la durata dell’incapsulamento a determinare la durata di vita del modulo, oggi stimabile in 25-30 anni. Esistono, infine, altri due tipi di incapsulamento, ovvero in Teflon e in resina.

Il primo tipo di lavorazione è molto simile a quello precedentemente descritto, ma differisce per l’assenza del rivestimento aggiuntivo sulla parte anteriore poiché il Teflon è

resistente ai raggi UV, possiede buone caratteristiche di trasparenza, non si opacizza e non riflette la radiazione; inoltre questo materiale, dello spessore massimo di 0,5 mm, è un ottimo conduttore di calore, cosa che facilita il raffreddamento delle celle.

L’incapsulamento viene effettuato tramite fusione con colata di resina: fissati le celle tra due fogli di vetro, si riempie la cavità risultante con una resina fusa che, raffreddandosi, indurisce all’interno; il vantaggio di questo processo, con cui si producono moduli di dimensioni fino a 2,50×3,80 m, consiste nella precisione con cui è possibile posizionare le celle.

Segue infine il montaggio della cornice e della scatola di giunzione: la prima ha la funzione di conferire al modulo maggiore robustezza e di consentirne l’ancoraggio alle strutture di sostegno; la seconda, in materiale plastico e collocata sul lato posteriore, ha lo scopo di proteggere le bandelle terminali che fuoriescono dal sandwich e, contenendo generalmente diodi di by-pass, in caso di malfunzionamento del modulo, di isolarlo dal resto dell’impianto.

Prima di procedere è bene fare un cenno alla produzione dei moduli in silicio amorfo. Infatti mentre per quanto riguarda prodotti consolidati, quali quelli appena descritti, i procedimenti di fabbricazione del modulo sono generalmente indipendenti dalle dimensioni e abbastanza uniformati, nel caso del silicio amorfo tecniche e metodi di realizzazione innovativi costituiscono oggetto di continuo interesse.

Ne risultano componenti spesso originali, versatili ed efficaci, soprattutto se considerati in relazione ad una prospettiva di futuro allargamento del mercato e diversificazione delle applicazioni. Si assiste, così, all’elaborazione di fogli fotovoltaici flessibili, in cui le celle sono abbinate a materiali sintetici e trasparenti, oppure, a componenti di ridotte dimensioni, a cella unica esposta all’aria aperta.

Per il silicio amorfo ed i film sottili in genere (anche se gli altri materiali rimangono, più che altro, allo stadio sperimentale), non esistono, dunque, processi produttivi standard, ma tecniche variabili a seconda del tipo di componente desiderato.

l metodo più diffuso consiste nella realizzazione di moduli analoghi a quelli al silicio cristallino, nei quali il silicio amorfo viene depositato direttamente sulla lastra di vetro

possono essere realizzate in un unico processo. Dopo aver depositato sul vetro l’ossido di stagno che costituirà il contatto anteriore trasparente, questo strato viene suddiviso in una serie di strisce longitudinali, larghe 1-2 cm, che attraversano tutto il modulo, tramite incisione meccanica o mediante laser.

Dopodiché viene depositato su tutta la superficie il silicio amorfo (generalmente in una stratificazione a giunzione multipla), che si insinua nelle scanalature e ricopre lo strato precedente e che a sua volta viene inciso secondo solchi leggermente sfasati rispetto a quelli tracciati nell’ossido di stagno.

CRITERIO MODULI ESISTENTI

Tipologia cella

Moduli Monocristallini Moduli Policristallini

Moduli a film sottile (Amorfi, CdTe, CIS)

Materiale incapsulante Moduli in Teflon_{Moduli con colata di resina (EVA)}

Tecnologia di incapsulazione Laminazione (Teflon o EVA)

Substrato

Moduli con pellicola moduli con pellicola in vetro moduli con foglio metallico modulo in plastica

modulo vetro-vetro

Tipologia cornice Moduli con cornice_{Moduli senza cornice}

Caratteristiche specifiche di costruzione

Moduli con doppio vetro rinforzato Moduli con vetro di sicurezza laminato Moduli con vetro isolante

Moduli con doppio vetro per applicazione di lucernari

Moduli con vetro isolante calpestabile moduli con vetro laminato

Tab. 1.5 : Criteri di classificazione dei moduli

Infine viene depositato il contatto metallico posteriore, che riempie gli incavi nel silicio e lo ricopre, e viene successivamente inciso anch’esso, secondo solchi leggermente sfasati rispetto a quelli praticati nel silicio.

Il risultato è un modulo fotovoltaico, di dimensioni variabili, composto da celle longitudinali, connesse tra loro in serie. La cornice perimetrale e la scatola di giunzione possono essere aggiunte o meno, a seconda del tipo di impiego previsto.

In alternativa, il modulo può essere realizzato su supporti trasparenti flessibili oppure, ancora, connettendo tra loro celle amorfe di superficie di alcune centinaia di cm2 ciascuna, realizzate separatamente.

I moduli possono essere classificati in base ai seguenti criteri (Tab. 1.5).

In aggiunta ai precedenti criteri di classificazione è possibile distinguere i moduli anche in:

standard; speciali;

prodotti su richiesta.