Proseguiamo per la rubrica Energia e Futuro con i post sull’energia dal sole, dopo avere introdotto i concetti generali e la radiazione extraterrestre ed avere parlato dell’energia al suolo e su un piano inclinato, entriamo ora nello specifico dei sistemi di conversione, ed in particolare parlando di impianti solari fotovoltaici.
FOTOVOLTAICO: CELLE E PANNELLI
Senza volere entrare in spiegazioni tecniche sul processo dir realizzazione dei pannelli e sui principi di funzionamento delle celle (i quali esulerebbero dallo scopo di questi post), possiamo però dire che una cella fotovoltaica (ovvero l’unità base che poi verrà assemblata con altre per costituire il pannello) sfrutta l‘effetto fotoelettrico per produrre energia elettrica a partire dall’energia contenuta nella radiazione solare.
Ai capi della singola cella si misurerà quindi una differenza di potenziale (Tensione) che dipenderà dalle caratteristiche della cella e della radiazione solare incidente.
Di tutta la radiazione (in termini di lunghezza d’onda) solo una parte viene sfruttata dai pannelli in funzione delle loro caratteristiche costruttivem in particolare il silicio cristallino è sensibile a partire dal campo visibile fino al campo infrarosso, mentre il silicio amorfo a tripla giunzione è in grado di sfruttare una banda più estesa, anche se la maggiore quantità di energia irraggiata dal Sole si concentra comunque tra il visibile e l’infrarosso compresi.
Per ottenere una tensione adeguata all’impiego si collegano più celle su un unico supporto, collegate tra loro in un mix tra serie e parallelo, in modo da poter ottenere tensioni e (una volta chiuso il circuito su un carico) correnti adeguate.
Tale “assieme” di celle interconnesse in un’unica struttura di supporto prende il nome di Pannello Fotovoltaico, e rappresenta l’unità fotovoltaica unitaria che si può acquistare.
L’immagine che segue mostra una tipica cella fotovoltaica, dove è possibile notare le connessioni elettriche della cella (le due strisce bianche) che permetteranno la sua interconnessione con le restanti celle del pannello:
GLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI
Gli impianti fotovoltaici si distinguono prima di tutto per la loro tipologia nei confronti dell’utenza e della rete elettrica, infatti si parla di impianti isolati (Stand Alone) e di impianti connessi in rete (Grid Connected):
- Impianti stand alone: sono impianti collegati esclusivamente all’utenza e non presentano connessioni con la rete elettrica nazionale, pertanto devono operare producendo l’energia necessaria all’utenza in ogni momento della giornata.
Poiché la fonte solare risulta scarsamente adeguabile alle richieste dell’utenza, essendo fortemente influenzata dagli eventi atmosferici, tali impianti sono solitamente dotati di un sistema di accumulo che consenta di sopperire agli squilibri tra produzione e richiesta durante le varie fasi della giornata.
In tali impianti è evidente come per il dimensionamento non vengano tenuti in grande considerazione gli aspetti economici, in quando dovendo sempre e comunque soddisfare la richiesta dell’utenza non è possibile ottimizzare le dimensioni dell’impianto su parametri che non siano legati alla sola produzione elettrica.
Tali impianti risultano dimensionati con un certo margine per garantire che l’energia accumulata in condizioni di eccesso di produzione sia sempre sufficiente per garantire in fabbisogno durante ore di bassa o zero produzione.
E’ anche evidente come questi impianti siano scarsamente impiegati per utenze residenziali, in quanto la necessaria flessibilità che questo tipo di utenze necessitano è scarsamente soddisfabile da questo tipo di installazione.
- Impianti grid connected: sono impianti connessi alla rete elettrica tradizionale, la cui normale logica di funzionamento prevede di utilizzare direttamente l’energia prodotta dall’impianto quando questa viene prodotta e richiesta contemporaneamente, e permette di sopperire ad eventuali sottoproduzioni rispetto alle richieste attingendo energia dalla rete, inoltre consente di immettere in rete eventuali sovrapproduzioni quando le richieste delle utenze sono inferiori all’energia prodotta dall’impianto.
Per tali tipi di impianto l’approccio per il dimensionamento tiene conto del giusto mix tra aspettative di produzione, costi dell’impianto, tempi di ritorno dell’investimento, i cui pesi sono funzione delle intenzioni del committente.
Fatta questa prima distinzione, si può ulteriormente suddividere il tipo di impianto in funzione della possibilità o meno di seguire il percorso solare, in particolare si parla di impianti ad inclinazione fissa ed impianti ad inseguimento, i quali possono essere ad inseguimento semplice (su un solo asse) o totale (su due assi).
Appare evidente come la prima tipologia (inclinazione fissa) sia la più semplice dal punto di vista delle strutture di supporto, necessitando solamente degli ancoraggi e delle eventuali staffe necessarie per fissare i pannelli al terreno od al tetto od a qualsivoglia superficie di appoggio, come evidente nelle seguenti figure:
Gli impianti ad inseguimento necessitano di strutture motorizzate che possano modificare costantemente l’orientamento dei pannelli, con conseguenti aggravi di costi (e di superfici di appoggio necessarie a parità di superficie dei pannelli per tenere conto degli ombreggiamenti tra file di pannelli durante il moto di inseguimento) difficilmente giustificabili da un’utenza residenziale.
Nella figura che segue viene mostrato un inseguitore a due assi:
Resta un ulteriore parametro che permette di caratterizzare e differenziare questo tipo di soluzione, ed è la tipologia del pannello utilizzato, si parla infatti di pannelli in silicio monocristallino, silicio policristallino e silicio amorfo.
Il silicio monocristallino rappresenta il top per qualità (e purtroppo anche per i costi) e resa energetica, i rendimenti di queste soluzioni sono i più elevati tra le tre soluzioni proposte, ma i costi sono i più elevati.
Il silicio policristallino permette un buon compromesso tra rendimento e costi, mentre il silicio amorfo (costituente primario dei pannelli a “film sottile“) rappresenta da un punto di vista del rendimento la soluzione meno valida, ma i costi ridotti uniti alla possibilità di essere modellato in qualsiasi forma consente il suo utilizzo laddove si vuole rendere il pannello parte integrante del supporto, infatti è possibile realizzare coperture curve, tegole ed elementi esterni dalle forme più svariate.
Nel prossimo post verrà illustrato un esempio di impianto fotovoltaico con valori della radiazione sul sito, produzione di energia e costi, quindi vi aspetto numerosi lunedì prossimo per la nostra rubrica Energia e Futuro.
