Introduzione agli Impianti Fotovoltaici

La radiazione solare che raggiunge il pianeta Terra può essere convertita in energia elettrica mediante:

  • la conversione fotovoltaica, che permette la trasformazione diretta dell’energia solare in elettricità sfruttando il fenomeno fisico dell’effetto fotovoltaico che si genera quando la luce colpisce particolari materiali;
  • la conversione termica (termodinamica), che utilizza differenti sistemi tecnologici per raccogliere e concentrare la radiazione solare su un fluido termovettore. Il calore immagazzinato dal fluido è successivamente trasferito al circuito di una convenzionale centrale per la produzione di energia elettrica.

Il dispositivo elementare che è alla base della tecnologia fotovoltaica è la cella fotovoltaica costituita da un materiale semiconduttore (in genere silicio) opportunamente trattato. Un insieme di celle fotovoltaiche collegate tra loro in serie o in parallelo costituisce il modulo fotovoltaico, il componente base commercialmente disponibile. Più moduli, connessi elettricamente fra loro ed installati meccanicamente nella loro sede di funzionamento, compongono un campo fotovoltaico.
Un impianto fotovoltaico è costituito da uno o più campi fotovoltaici, dai convertitori di corrente continua in corrente alternata (inverter) e dai componenti di protezione e controllo da situare in base alle normative vigenti.

Gli aspetti positivi della tecnologia fotovoltaica possono riassumersi in:

  • assenza di qualsiasi tipo d’emissione inquinante durante il funzionamento dell’impianto;
  • risparmio dei combustibili fossili;
  • estrema affidabilità poiché, nella maggior parte dei casi, non esistono parti in movimento (vita utile superiore ai 20 anni);
  • costi di esercizio e manutenzione ridotti;
  • modularità del sistema (per aumentare la taglia basta aumentare il numero dei moduli).

A fronte di tali vantaggi, bisogna mettere in conto aspetti penalizzanti rappresentati da:

variabilità ed aleatorietà della fonte energetica (l’irraggiamento solare);
costo degli impianti attualmente elevato, a causa di un mercato che non ha ancora raggiunto la piena maturità tecnica ed economica

A causa dell’elevato costo d’investimento, richiesto per realizzare un impianto fotovoltaico, in molti paesi (Germania, Francia, Spagna, Grecia) lo sviluppo di questa tecnologia è guidato e sostenuto da programmi e meccanismi d’incentivazione governativi, che hanno innescato una forte crescita del mercato, attualmente caratterizzato dal più alto tasso di crescita annuo dell’intero settore elettrico (30-40%).

 

Approfondimenti

Un impianto fotovoltaico permette di trasformare direttamente l'energia solare in energia elettrica in corrente continua grazie all'effetto fotovoltaico.
Tale fenomeno si manifesta nei materiali detti "semiconduttori", usati anche nella produzione di componenti elettronici.
Il materiale sicuramente più utilizzato è il silicio cristallino, uno degli elementi chimici più diffusi sulla crosta terrestre sotto forma di biossido di silicio non puro (SiO2) denominato silice (polvere amorfa marrone o in cristalli grigi).
Se si limita l'analisi ai soli prodotti commerciali, le tecnologie di realizzazione più comuni sono:

  • Silicio monocristallino
  • Silicio policristallino                                                       Per approfondimenti
  • Silicio amorfo (film sottile)

Altri materiali utilizzati per la produzione di dispositivi fotovoltaici sono arseniuro di gallio e di alluminio, solfuro di cadmio, telloruro di cadmio, solfuro di rame e materiali plastici. Quasi tutti sfruttano la tecnologia del film sottile.
L’elemento base della conversione fotovoltaica è denominato cella.
Le prestazioni di una cella fotovoltaica sono influenzate prevalentemente dalla temperatura e dalla quantità di luce o irraggiamento; in particolare la corrente di corto circuito risulta proporzionale all’irraggiamento mentre la tensione a vuoto si riduce considerevolmente con l’aumentare della temperatura (per il silicio cristallino la tensione si riduce del 4 % per ogni 10 °C di aumento della temperatura).
L’efficienza di conversione varia tra l’8 e il 20% secondo il tipo di cella utilizzato. Un sistema fotovoltaico è composto da:

  • moduli o pannelli fotovoltaici;
  • struttura di sostegno per installare i moduli sul terreno, su un edificio o qualsiasi struttura edilizia;
  • inverter;
  • quadri elettrici, cavi di collegamento e locali tecnici per l’alloggiamento delle apparecchiature.

Le celle fotovoltaiche collegate tra loro in serie e parallelo costituiscono i moduli fotovoltaici.
I moduli, in generale con lo stesso orientamento, sono collegati in serie o parallelo e costituiscono le stringhe che forniscono potenza elettrica in corrente continua.
Per aumentare la producibilità dei sistemi, è possibile montare le stringhe su supporti ad orientamento variabile, in grado di seguire lo spostamento del sole (impianti a inseguimento).
Più stringhe, anche con diverso orientamento, costituiscono il campo che produce l’energia avviata all’utilizzatore finale o al gestore della rete elettrica.
La corretta esposizione all’irraggiamento solare dei moduli fotovoltaici rappresenta un fattore chiave ai fini della prestazione dell’impianto. La decisione in merito alla fattibilità tecnica si basa sull'esistenza nel sito d'installazione dei seguenti requisiti, che dovranno essere verificati dal progettista/installatore in sede di sopralluogo:

  • disponibilità dello spazio necessario per installare i moduli (occorre uno spazio netto di circa 8 - 10 m2 per ogni kWp di potenza, se i moduli sono installati in maniera complanare alle superfici di pertinenze di edifici; occorre uno spazio maggiore se l’impianto è installato in più file successive su strutture inclinate collocate su superfici piane);
  • corretta esposizione ed inclinazione dei moduli. Le condizioni ottimali per l'Italia sono:
    - esposizione SUD (accettata anche SUD-EST, SUD-OVEST, con limitata perdita di produzione)
    - inclinazione 30-35° gradi;
  • assenza di ostacoli in grado di creare ombreggiamento.


La producibilità elettrica media annua di un impianto fotovoltaico può essere valutata attraverso un calcolo che tiene conto:

  • della radiazione solare annuale del sito (determinabile correttamente ricorrendo ad opportune formule);
  • di un fattore di correzione calcolato sulla base dell'orientamento, dell'angolo d'inclinazione dei moduli fotovoltaici ed eventuali ombre temporanee;
  • le prestazioni tecniche dei moduli fotovoltaici, dell'inverter e degli altri componenti dell’impianto;
  • le condizioni ambientali di riferimento del sito nelle quali devono operare i moduli fotovoltaici (ad esempio con l’aumento della temperatura di funzionamento diminuisce l’energia prodotta dall’impianto).


La potenza di picco di un impianto fotovoltaico si esprime in kWp (chilowatt di picco), cioè la potenza teorica massima che esso può produrre nelle condizioni standard di insolazione e temperatura dei moduli ( 25 °C e radiazione di 1000 W/m2).
Per l’incentivazione al conto energia si prevede che i moduli siano certificati secondo le norme CEI EN 61215 (per moduli in silicio cristallino) o CEI EN 61646 (per moduli a film sottile), rilasciata da laboratori accreditati per le specifiche prove, in conformità alla norma UNI CEI EN ISO/IEC 17025, da organismi di certificazione appartenenti all’EA (European Accreditation Agreement) o che abbiano stabilito con EA accordi di mututo riconoscimento.
Le principali applicazioni dei sistemi fotovoltaici sono:

  1. impianti (con sistema d’accumulo) per utenze isolate dalla rete;
  2. impianti per utenze collegate alla rete di bassa tensione;
  3. centrali di produzione di energia elettrica, generalmente collegate alla rete in media tensione.

Gli incentivi in “conto energia” sono concessi solo per le due tipologie d’applicazione 2 e 3 , in particolare per impianti con potenza nominale non inferiore a 1 kW collegati alla rete elettrica di distribuzione per l’immissione o il prelievo di energia.
Per rendere compatibile l’energia generata dai moduli fotovoltaici con le apparecchiature per usi civili ed industriali occorre trasformare la corrente da continua in alternata alla tensione e alla frequenza di funzionamento della nostra rete elettrica (50 Hz). Questo si ottiene interponendo tra i moduli e la rete un inverter.
Gli inverter dedicati alle applicazioni fotovoltaiche devono rispondere a requisiti che ne attestino l’elevata affidabilità ed efficienza, il basso costo e dimensioni e peso contenuti.
La maggior parte degli inverter di ultima generazione per poter realizzare la conversione impiega semiconduttori di tipo IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oppure MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor); mentre i tiristori, che hanno trovato largo impiego nel passato, sono tuttora utilizzati solo per le grandi potenze.
Sia per sistemi fotovoltaici in isola che per quelli connessi alla rete elettrica la tecnologia di realizzazione dei dispositivi si basa quasi esclusivamente su gruppi a commutazione forzata, che utilizzano la tecnica di modulazione degli impulsi (PWM, Pulse Width Modulation).
Oltre all’inseguimento del punto di massima potenza (MPPT) è importante che nei sistemi connessi alla rete (grid-connected) ci sia sincronizzazione con la frequenza di rete.
Inoltre, nel caso la rete pubblica venga disalimentata, per esempio per un guasto o per manutenzione programmata, l’impianto deve escludersi automaticamente, per evitare che la rete stessa venga mantenuta in tensione dall’impianto fotovoltaico.
Per questo, il gestore della rete pubblica può richiedere l’installazione di un set omologato di protezioni di minima e massima tensione e frequenza (protezioni di interfaccia).

 

Impianto Fotovoltaico connesso alla Rete

La connessione alla rete degli impianti fotovoltaici è regolata dalla normativa CEI 11-20 e dalla normativa CEI 82-25.
Tuttavia, ciascun distributore stabilisce le regole e le condizioni tecniche per l’allacciamento dell’impianto alla rete di distribuzione.
La connessione avviene in bassa tensione (BT) monofase per potenze nominali d’impianto inferiori a 6 kW, in BT trifase fino a una potenza di 100 kW, per potenze superiori a 100 kW gli impianti vengono generalmente allacciati in media tensione (MT) attraverso l’interposizione di un trasformatore.
I soggetti responsabili degli impianti di potenza nominale non superiore a 20 kW ed i soggetti responsabili degli impianti, entrati in esercizio in data successiva al 31 dicembre 2007, di potenza nominale superiore a 20 kW e non superiore a 200 kW, possono avvalersi del servizio di Scambio sul Posto stipulando una convenzione con il GSE.
Per tutti gli impianti, il soggetto responsabile può cedere, parzialmente o totalmente, l’energia prodotta attraverso la vendita diretta in borsa o ad un grossista, o ad attraverso il Ritiro Dedicato garantito dal GSE.
Per poter contabilizzare l’energia prodotta dall’impianto sono installati due contatori (M1 e M2). Generalmente M1 è un contatore bidirezionale che misura l’energia assorbita dalle utenze e l’energia che dall’impianto fotovoltaico fluisce verso la rete, M2 contabilizza la totale energia fotovoltaica prodotta che viene incentivata dal GSE.