Impianto fotovoltaico: come funziona e come produce energia

Impianto fotovoltaico: come funziona e come riesce a produrre elettricità con la sola energia del sole? Oggi giorno tutti sappiamo cosa è il fotovoltaico, che è una tecnologia che permette di produrre energia pulita sfruttando la luce del sole. Tutti sappiamo che si tratta di una fonte rinnovabile che permette di ridurre le emissioni inquinanti in atmosfera. Come fonte di energia pulita, siamo tutti consapevoli che sarà il futuro di un nuovo modello energetico che scalzerà le fonti fossili in esaurimento; ma non tutti sappiamo come funziona.

Come funzionano gli impianti fotovoltaici

I pannelli fotovoltaici, costituiti dall’unione di più celle fotovoltaiche, convertono l’energia dei fotoni in elettricità. Il processo che crea questa “energia” viene chiamato effetto fotovoltaico, ovvero il meccanismo che, partendo dalla luce del sole, induce la “stimolazione” degli elettroni presenti nel silicio di cui è composta ogni cella solare.

Semplificando al massimo: quando un fotone colpisce la superficie della cella fotovoltaica, la sua energia viene trasferita agli elettroni presenti sulla cella in silicio. Questi elettroni vengono “eccitati” e iniziano a fluire nel circuito producendo corrente elettrica. Un pannello solare produce energia in Corrente Continua, in inglese: DC (Direct Current).

Sarà poi compito dell’inverter convertirla in Corrente Alternata per trasportarla ed utilizzarla nelle nostre reti di distribuzione. Gli edifici domestici e industriali, infatti, sono predisposti per il trasporto e l’utilizzo di corrente alternata.

I componenti di un impianto fotovoltaico

Come molti sanno ogni sistema fotovoltaico è formato da almeno due componenti di base:

• i moduli fotovoltaici, composti da celle fotovoltaiche che trasformano la luce del sole in elettricità,
• uno o più inverter, apparecchi che convertono la corrente continua in corrente alternata. I moderni inverter integrano sistemi elettronici di gestione “intelligente” dell’energia e di ottimizzazione della conversione. Possono inoltre integrare dei sistemi di stoccaggio temporaneo dell’elettricità: batterie AGM, batterie al Litio o di altro tipo.

Oltre a queste componenti principali ci sono poi i quadri elettrici, i cavi solari, le strutture di supporto, centraline, ecc.

I fattori che condizionano l’efficienza del fotovoltaico

Non tutti sanno che l’efficienza di conversione di ogni impianto fotovoltaico non è del 100%. Cioè: i pannelli, le celle solari, che vengono colpiti dai raggi del sole, non trasformano tutta l’energia ricevuta in elettricità. Riescono a convertirne solo una parte: questa è l’efficienza di conversione.  I migliori moduli hanno un’efficienza di conversione intorno al 20-22%. Ciò significa che solo un quinto dell’energia solare che colpisce il pannelli viene effettivamente convertita in elettricità. Alcuni moduli “sperimentali” riescono ad ottenere efficienze di conversione anche oltre il 30%, ma per questi i costi di produzione sono ancora troppo elevati.

Oltre a questo fattore “fisiologico”, molti altri determinano l’effettivo rendimento di ogni impianto. Si tratta sia di “perdite” dovute a fattori ambientali, sia di inefficienze dovute a varie dispersioni elettriche (cavi, apparecchi, trasporti..)

Tipicamente i fattori che determinano il rendimento degli impianti fotovoltaici sono:

1. La temperatura.
   L’efficienza dei moduli fotovoltaici varia in funzione della temperatura di esercizio: più la temperatura di funzionamento è elevata, meno i pannelli sono efficienti. Il surriscaldamento delle celle ha un impatto negativo sull’efficienza dei moduli e sul rendimento dell’intero impianto.
2. La sporcizia.
   I materiali che si possono accumulare sulla superficie dei pannelli (terra, sabbia, inquinamento, escrementi di volatili, foglie, resine, ecc…) hanno un impatto negativo sulla piena ricezione della luce solare e ostacolano il rendimento dell’impianto fotovoltaico. Alla lunga potrebbero anche compromettere il ritorno economico previsto dal piano d’investimento. Le perdite di rendimento dovute a questo tipo “inefficienza” possono essere molto variabili e dipendono molto dalle condizioni ambientali e dalla frequenza di pulizia dei pannelli. La pulitura non è, in questo caso, solo un elemento “estetico”, ma “funzionale”.
3. Gli ombreggiamenti.
   Possono essere “passeggeri” (in alcune fasce orarie) e possono derivare dalla presenza circostante di alberi, altri edifici o anche di camini presenti sul tetto stesso. Queste sono inefficienze “calcolabili”. Hanno un alto indice di variabilità, invece, gli altri ombreggiamenti passeggeri provocati da nuvole e dell’ambiente circostante. Ci sono comunque tecnologie in grado di ridurre al minimo l’incidenza degli ombreggiamenti sul rendimento dell’impianto fotovoltaico.
4. Cablaggi e Connettori.
   Anche l’utilizzo di cavi e connettori causano piccole perdite di rendimento. Si tratta, in questo caso, di dispersioni elettriche che incidono solo in minima parte sul rendimento complessivo dell’impianto.
5. Mismatch.
   Potremmo tradurre il termine Mismatch come “mancata corrispondenza” o, meglio, come “irregolarità”. Che significa? Significa che non tutti i pannelli della stessa marca, della stessa potenza e dello stesso modello, producono in maniera perfettamente omogenea. Tra pannelli simili, sottoposti alle stesse condizioni di funzionamento, ci sono sempre minime variazioni di rendimento. Si tratta di minime variazioni “di fabbrica” che danno ai pannelli caratteristiche elettriche leggermente differenti. Anche questo “mismatch” può essere uno dei fattori da prendere in considerazione per stimare le perdite di rendimento di un impianto.
6. Efficienza dell’Inverter.
   Il processo di conversione da corrente continua a corrente alternata per mezzo di un inverter ha normalmente un’efficienza intorno al 96-97%. Gli inverter hanno tipicamente un’efficienza di conversione ottimale quando la potenza della corrente continua “in ingresso” è elevata, ma sempre al di sotto della potenza nominale dichiarata.
7. Anzianità.
   Le celle fotovoltaiche, che durano dai 20 ai 25 anni, non producono in maniera omogenea durante tutto il loro periodo di vita: hanno un calo del rendimento che viene stimato a 0,5% l’anno. A fine vita un impianto fv, potrà dunque avere un rendimento di circa il 10-12 per cento inferiore rispetto a quello che aveva all’inizio. Questo dipende da un degrado “fisiologico” dei materiali e dei componenti e deve venire considerato fin dall’inizio nel piano di ammortamento dell’impianto.

Come dimensionare un Impianto Fotovoltaico partendo dalla Bolletta

Normalmente la bolletta ci da alcune importanti indicazioni su come dimensionare correttamente un impianto fotovoltaico: ci indica quali sono i nostri consumi e ci indica, soprattutto, in quali fasce orarie avvengono. L’altro elemento che ci indica la bolletta è.. il costo: quanto spendiamo mensilmente per far fronte ai bisogni energetici della nostra abitazione o della nostra attività?

Con queste importanti informazioni siamo già in grado di fare i nostri calcoli per capire se e quanto il fotovoltaico può esserci utile, se e quanto può farci risparmiare, considerando che l’impianto produce molto di giorno “inseguendo” i cicli giorno/notte e estate/inverno.

La bolletta elettrica, dunque, rivela informazioni su costi e consumi elettrici. Con queste informazioni è possibile stimare le dimensioni più adatte per il nostro impianto fotovoltaico che possono compensare i nostri consumi in maniera ottimale.

Avremo bisogno di un impianto che produca, in media, 16 kWh/giorno. La produzione giornaliera è molto variabile in base alle stagioni: d’inverno l’impianto produrrà meno di questa media. D’estate dovrà produrre di più. Il meccanismo dello scambio sul posto andrà a compensare (in parte) queste fluttuazioni produttive stagionali.

Oltre al fabbisogno giornaliero dobbiamo considerare il valore dell’irraggiamento solare che varia in base a dove viene installato il fotovoltaico. Come parametro di riferimento vengono utilizzate le Ore di Sole Equivalenti per ogni specifica zona. Per individuare le “ore di sole equivalenti” ci sono apposite tabelle, ma indicativamente possiamo definirle come il numero ipotetico di ore giornaliere in cui l’irraggiamento a 1.000 Watt/m² produrrebbe l’energia prodotta in media da quella zona. Per esempio: “6 ore equivalenti” significa che in una zona l’energia ricevuta dal sole in un giorno equivale all’energia che avrebbe ricevuto la stessa zona in sei ore con un irraggiamento pari a 1.000 Watt/m². E’ una sorta di “normalizzatore” per misurare il potenziale di produzione di un luogo e poterlo confrontare con altri luoghi. Il dimensionamento ottimale di un impianto fotovoltaico per un fabbisogno di circa 16 kWh/giorno in una zona con circa 5 Ore Picco di Sole Equivalenti è dunque di 4 kWp. Ovviamente l’esempio non prende in considerazione l’incidenza di eventuali ombreggiamenti.

Gli effetti degli ombreggiamenti sulla produzione dell’impianto fotovoltaico

Siccome ogni impianto fotovoltaico produce energia elettrica sulla base della luce del sole che riceve, lo studio delle ombre è una questione fondamentale per calibrare bene ogni installazione solare.

Gli effetti dell’ombreggiamento di un albero, per esempio, che magari colpisce solo un pannello, può essere peggiore di quello che si possa immaginare perché condiziona a catena il rendimento di tutti gli altri moduli. Al contrario di quello che l’intuito potrebbe suggerire, inoltre, la perdita di rendimento dell’impianto non è proporzionale alla superficie coperta dalle ombre.

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