IL FOTOVOLTAICO

Cos'è e com'è fatto un impianto fotovoltaico

Un impianto fotovoltaico è un impianto elettrico costituito essenzialmente dall’assemblaggio di più moduli fotovoltaici, che trasformano i fotoni delle radiazioni solari in volt, ovvero in energia elettrica. Grazie al collegamento in serie, le celle solari contenute nei moduli vengono attraversate dalla radiazione solare generando corrente continua tra il lato superiore e il lato inferiore a una tensione di circa 0,5 Volt, tramite l’effetto fotovoltaico: stesso principio utilizzato nelle radio e calcolatrici solari.

IL FUNZIONAMENTO DI
UN PANNELLO FOTOVOLTAICO

Dall’unione di più moduli nasce l’impianto fotovoltaico i quali sfruttano l’energia solare incidente per produrre energia elettrica mediante effetto fotovoltaico, della necessaria componente elettrica (cavi) ed elettronica (inverter) ed eventualmente di sistemi meccanici-automatici ad inseguimento solare.

COMPOSIZIONE DI
UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO

Gli impianti fotovoltaici sono generalmente suddivisi in tre grandi famiglie:

  • Impianti “indipendenti” (detti anche “stand-alone”): non sono connessi ad alcuna rete di distribuzione, per cui sfruttano direttamente sul posto l’energia elettrica prodotta e accumulata in un accumulatore di energia (batterie);

  • Impianti “grid-connect“: sono impianti connessi ad una rete elettrica di distribuzione esistente e gestita da terzi e spesso anche all’impianto elettrico privato da servire;

  • Impianti anti-blackout: funzionano secondo il sistema di connessione in rete, ma nel momento in cui vi è un blackout dovuto al vostro gestore elettrico e anche il vostro impianto fotovoltaico si blocca, questo sistema garantisce l’erogazione della corrente elettrica;

  • Impianti “ibridi“: restano connessi alla rete elettrica di distribuzione, ma utilizzano principalmente l’energia solare, grazie all’accumulatore. Qualora l’accumulatore sia scarico (ad esempio, dopo un lungo utilizzo notturno) una centralina predispone l’acquisizione di energia, collegando l’immobile alla rete elettrica per la fornitura.

IL PROBLEMA DEL RAPPORTO COSTO/EFFICIENZA

Il principale ostacolo all’installazione di questo tipo di impianti è stato, per lungo tempo, l’alto costo degli impianti stessi, a causa anche della bassa efficienza delle singole celle che compongono i pannelli, e di conseguenza dell’energia prodotta. Tali limiti sono stati largamente compensati negli ultimi anni dalla produzione in più larga scala, conseguenza diretta dell’incentivazione offerta alla abbattimento dei costi.

La ricerca sul silicio amorfo ha dato risultati inferiori alle aspettative, mentre risultati migliori sono stati ottenuti, in via sperimentale su diversi altri materiali (grafite, diseleniuro di indio e rame CiS, tellururo di cadmio, ecc.) che però in chiave futura porranno problemi sulla loro disponibilità in termini di materie prime su larga scala.

LE POTENZE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO

La potenza nominale di un modulo fotovoltaico (e quindi anche di un impianto) si misura in kWp, cioè “kilowatt di picco“. Nel caso del fotovoltaico non è possibile fare semplicemente riferimento a un dato di potenza nominale “oggettivo”, così come avviene ad esempio per le caldaie o per i motori endotermici. Infatti, a causa dell’estrema variabilità della radiazione solare, la potenza effettiva generata da un modulo fotovoltaico cambia continuamente.

I kWp individuano la potenza istantanea erogata da un modulo in condizioni standard di irraggiamento: 1.000 W/m² di radiazione solare e 25 °C di temperatura.

I MODULI O PANNELLI FOTOVOLTAICI

I moduli fotovoltaici sono costituiti da piccole celle solari, realizzate in silicio (materiale che vanta il maggior rendimento specifico a parità di superficie) amorfo, mono o policristallino, caratterizzate da strisce argentate sulla superficie, ovvero i contatti chimici predisposti per la connessione in serie di più celle, formando, così, un modulo fotovoltaico.

I contatti chimici sono denominati “barre di distribuzione”, che collegando le celle tra loro, ne derivano la corrente “prodotta”. In alcuni punti, queste barre di distribuzione vengono saldate tra di loro, possono modificarsi nel corso degli anni e comportare perdite parziali o totali di rendimento del modulo. Inoltre, le barre di distribuzione possono danneggiare la comune pellicola di protezione del lato posteriore con un conseguente rischio di delaminazione del modulo.

Queste problematiche di “gioventù” sono state superate nel tempo attraverso lo studio e l’implementazione di processi produttivi sempre più raffinati.

I MODULI IN SILICIO MONOCRISTALLINO

Le celle fotovoltaiche in silicio monocristallino sono realizzate utilizzando un singolo cristallo di silicio, ed hanno un grado di purezza più elevato (motivo per il quale il monocristallino viene impiegato anche nell’industria elettronica) rispetto alle celle in policristallino ed hanno un’efficienza maggiore (densità energetica) che va dal 14 al 18%, per questi motivi risultano generalmente più costose.

I pannelli che utilizzano celle con monocristallino appaiono di colore uniforme, blu scuro o nero, e vantano un’affidabilità garantita dai produttori per oltre 25 anni, anche se la loro vita media può superare anche i 30 anni. Le principali applicazioni riguardano gli impianti fotovoltaici isolati (stand-alone) che necessitano di elevata efficienza in relazione alla superficie ridotta da occupare.

Il calo di rendimento dei pannelli monocristallini si assesta in circa l’1% l’anno. Mediamente, quindi, funzioneranno al 90% della propria potenza nominale dopo 10 anni e all’80% dopo 20 anni e così via. Per questo motivo, nonostante la vita minima di un pannello fotovoltaico sia superiore ai 25 anni, la progressiva perdita di efficienza ne rende necessaria prima o poi la dismissione o la sostituzione.

Lo svantaggio del monocristallino è la sensibilità alle zone d’ombra ed alla diminuzione della radiazione solare.

I MODULI IN SILICIO POLICRISTALLINO

I moduli policristallini consentono rendimenti elettrici intermedi tra quelli dei moduli monocristallini e in silicio amorfo, fattore che si traduce favorevolmente in termini di costo dei moduli, che a parità di potenza installata, risulta normalmente inferiore.

I moduli policristallini sono composti da decine di celle, tipicamente 72, con celle realizzate a partire da più cristalli di silicio, ricavati dal riciclaggio degli scarti dell’industria elettronica. L’accostamento di più cristalli dona a queste celle, e quindi all’intero modulo, una caratteristica colorazione blu cangiante.

I valori di efficienza energetica sono variabili e si assestano tra l’11% e il 14%, ma questa deve spesso essere verificata “sul campo” perché diversi pannelli di ottima qualità possono avere rendimenti pari (se non superiori) ad altri monocristallini di qualità medio-bassa.

Le prestazioni dei pannelli policristallini e le condizioni di utilizzo, ovvero i punti deboli, ed il bilancio energetico, sono gli stessi dei moduli realizzati in monocristallino.

I MODULI IN SILICIO AMORFO

Nel caso del silicio amorfo è improprio parlare di celle fotovoltaiche perché il materiale viene disposto uniformemente e in piccolissime quantità su superfici plastiche o vetrate, formando un unico film sottile. I moduli così realizzati sono caratterizzati da rendimenti elettrici inferiori rispetto ai pannelli cristallini e imputabili al particolare processo produttivo con cui sono realizzati, hanno una colorazione omogenea, di solito nera o comunque scura, e hanno particolari doti di flessibilità e leggerezza. Lo spessore complessivo del modulo, telaio compreso, è di pochi millimetri e l’aspetto è complessivamente più accattivante rispetto ai “cugini” in silicio cristallino.

I moduli in silicio amorfo si prestano pertanto ad applicazioni architettoniche avanzate, quando la resa estetica assume importanza primaria rispetto alla resa energetica dell’impianto.

Lo svantaggio dei moduli in silicio amorfo è rappresentato quindi dal basso rendimento elettrico, con valori compresi tra il 6 e il 10%, per Watt installato, ovvero inferiore anche del 30-40% rispetto alle tecnologie in silicio cristallino, questo perché il sistema di disposizione del film di materiale comporta una bassa densità energetica finale dello stesso. Inoltre il sistema soffre a distanza di qualche mese, fenomeno previsto e ben conosciuto, di un calo di efficienza pari circa il 20%, stabilizzandosi però per tutto il restante periodo di vita utile del modulo. Si stima che dopo 25 anni di vita, un modulo in silicio amorfo renda il 75% della potenza iniziale.

Per questa ragione, ad esempio, i moduli con potenza di targa di 40 W, nei primi mesi assicurano una potenza del 20% superiore, corrispondente a 48 W.

A differenza del silicio cristallino, i moduli in silicio amorfo assicurano una migliore resa energetica quando la radiazione solare incidente sui pannelli non è ottimale (nuvolosità, ombreggiature, ecc.).

Infine, dal punto di vista ambientale, poiché trattando di fotovoltaico si parte sempre da un ragionamento “GREEN” da declinare in base alle esigenze che si incontrano di volta in volta, il silicio amorfo è la tecnologia fotovoltaica con il minor impatto ambientale in fase di produzione perché il processo produttivo, attraverso un limitato impiego di materiale si silicio, consente di ri-produrre o bilanciare, in circa 2 anni, la stessa quantità di energia utilizzata per la produzione (il cosiddetto EPBT, “Energy Pay-Back Time”), contro i 6 anni dei moduli in silicio cristallino.

Pertanto, nel corso dell’intera vita utile, la tecnologia del silicio amorfo consente ad ogni pannello di produrre fino a 10 volte l’energia impiegata per produrlo in origine.

I MODULI IN DISELENIURO DI RAME – INDIO (CIS) E DISELENIURO DI INDIO – RAME – GALLIO (CIGS)

Con i moduli CIS ritorniamo alla medesima tecnologia produttiva del “Thin Film” o film sottile, già vista con il silicio amorfo, la principale differenza nelle pellicole realizzate è il materiale semiconduttore impiegato, in questo caso una lega compatta di rame, indio e diselenide, ovvero “Diseleniuro di Rame e Indio” (CuInSe2), in acronimo CIS appunto, che permette loro di essere utilizzati con elevata integrazione architettonica per applicazioni domestiche e industriali.

I moduli fotovoltaici CIS di ultima generazione vantano un’efficienza che può arrivare al 12-13%, paragonabile a quella di un discreto silicio policristallino (14%), unitamente ad una buona stabilità di rendimento nel tempo. A differenza del fotovoltaico tradizionale, il principale valore aggiunto della tecnologia CIS è quello di offrire prestazioni eccezionali anche in condizioni di scarso irraggiamento (cielo nuvoloso e ombre), che li rende tranquillamente paragonabili alle migliori tecnologie al silicio cristallino, il tutto con ampie tolleranze alle alte temperature, garantendo affidabilità e alte prestazioni nel tempo anche in condizioni climatiche meno favorevoli.

La particolare disposizione delle celle lunghe e molto sottili dei moduli CIS li rende più vantaggiosi dei moduli in silicio cristallino in situazioni di ombreggiamento parziale, che si verificano ad esempio per la presenza elementi in rilievo in copertura, ma anche nei classici casi di un cielo nuvoloso o di sporcizia dei pannelli.

In ultima analisi si ottiene pertanto una maggior quantità di energia media prodotta, a parità di potenza. Per quanto riguarda le prestazioni nel tempo, il decremento di produzione negli anni di un modulo CIS è analogo a quello di un modulo cristallino, e cioè dopo 20 anni produce l’80% della potenza nominale.

Tecnicamente sono assenti le saldature che nel caso del silicio connettono le celle all’interno del modulo, perché con il CIS le celle vengono collegate tra di loro in un blocco monolitico già durante il processo di fabbricazione.

Al pari dell’amorfo, il CIS con tecnologia Thin Film consente di ottenere pannelli flessibili, rendendo il prodotto finito adattabile alle più svariate esigenze del cliente in relazione a forma e geometria, nonché alle caratteristiche elettriche richieste. Oltre all’impiego classico in impianti su tetti, i moduli CIS sono ideali anche per l’integrazione su facciata e come elementi di copertura, consentono inoltre soluzioni con moduli semitrasparenti per la regolazione dell’incidenza luminosa. Sono disponibili anche le cosiddette soluzioni integrate. Con questa variante è possibile rinunciare del tutto alle tegole. Sono altrettanto possibili soluzioni per piccole applicazioni quali pompe per lo stagno, illuminazione di numeri civici, parcometri.

I moduli fotovoltaici sul tetto sono ormai parte integrante del nostro panorama familiare. Purtroppo molti tetti hanno subito una deturpazione estetica per via del fotovoltaico. La tecnologia Thin Film invece presenta un aspetto elegante e gradevole dato da un estetica caratterizzata dalle strisce nere, contribuendo così a valorizzare esteticamente la superficie di destinazione. Funzionalità ed estetica sono integrate in modo praticamente perfetto.

I moduli CIS beneficiano infine di un costo di produzione inferiore determinato dall’utilizzo di materiali in linea di principio meno costosi del Silicio e da una tecnologia di produzione più economica.

Con l’aggiunta del gallio nella creazione del film semiconduttore, si può ottenere la tecnologia CIGS (Diseleniuro di Indio – Rame – Gallio), che presenta valori di efficienza ancora superiori rispetto al CIS.

ALTRE TIPOLOGIE DI MODULI

Sempre nell’ambito del Thin Film sono disponibili moduli fotovoltaici costruiti con Tellururo di cadmio (CdTE) quale materiale semiconduttore, che presentano efficienze di circa il 10%, ma in futuro probabilmente si potranno raggiungere rendimenti attorno al 20%.

Il CdTE inoltre non rappresenta un materiale pericoloso al pari del Cadmio puro, ma necessiterà comunque (come accade per altro oggi con i normali pannelli FV) di un corretto smaltimento e recupero.

In termini di efficienza di conversione, l’Arseniuro di gallio (GaAs) appare oggi in assoluto il materiale migliore, con rendimenti elettrici superiori al 25-30%, dato controvertito però sul piano pratico / economico dai costi proibitivi della materia prima che ne limitano l’utilizzo ad applicazioni dove il budget ed il conto economico non rappresentano un vincolo da prendere in considerazione.

IL FOTOVOLTAICO OGGI E IN FUTURO

Il fotovoltaico si inserisce oggi e sempre più come un settore in veloce espansione, per i suoi studi, le sue ricerche e le sue proposte innovative che si innestano nei più vasti campi della nostra vita quotidiana, sociale e lavorativa. Molte sono le aziende che continuano ad investire nella ricerca di sempre nuove soluzioni per lo sfruttamento delle risorse rinnovabili e sopratutto per la realizzazione e installazione di impianti solari. Le tecnologie fotovoltaiche sono in continua evoluzione, alla ricerca di materiali sempre più efficienti, economici ed eco-compatibili.

Molte speranze si possono ancora ragionevolmente riporre nel fotovoltaico, inoltre, quando integrato con gli altri sistemi di energia rinnovabile, (energia eolica, energia delle maree e energia da biomassa) nella sostituzione graduale delle energie a fonti fossili, in via di esaurimento e in un’ottica di sostenibilità. Segnali di questo tipo provengono da diverse esperienze europee. In Germania in particolare, leader mondiale del settore, sono state avviate molte centrali elettriche fotovoltaiche utilizzando zone dismesse o tetti di grandi complessi industriali. Più discussa è viceversa l’installazione su aree agricole e collinari, in Italia è comunque vietata dal 2012 l’installazione di impianti fotovoltaici sulle aree agricole.

Installazioni per consumi domestici, al di là delle situazioni di incentivazione, diventano ad oggi estremamente interessanti se improntate all’AUTOCONSUMO.

LA RICERCA SUL FOTOVOLTAICO ORGANICO

Una delle frontiere più interessanti della ricerca sul fotovoltaico riguarda l’utilizzo di composti organici del carbonio, sulla stregua del principio di funzionamento delle celle organiche che imitano il processo tipico della fotosintesi clorofilliana.

Le sperimentazioni si stanno concentrando su un’ampia gamma di materiali, che vanno dai pigmenti a base vegetale, ai polimeri, a materiali ibridi organico/inorganico.

I materiali organici promettono di utilizzare al meglio le potenzialità della tecnologia a film sottile (amorfo, CIS, ecc.) perché depositando la pellicola fotovoltaica di materiale organico su ampie superfici si ottengono spessori ridottissimi, pari a pochi milionesimi di millimetro, che permettono la realizzazione di pannelli su substrati plastici flessibili e leggeri, il tutto evitando tutti i dispendiosi ed energivori trattamenti richiesti dal silicio, e con il vantaggio di poter avere diverse colorazioni, favorendone l’applicazione su superfici di ogni tipo.

Al momento sono state raggiunte efficienze con le celle Dye Sensitized (DSSC), realizzate con molecole sintetiche e caratterizzate dalla presenza di nanocristalli in biossido di titanio, attorno all’11%.

Rendimenti meno soddisfacenti si ottengono con celle completamente organiche, ma in prospettiva risultano molto interessanti per la completa eco-compatibilità dei materiali utilizzati.