Un sistema fotovoltaico è essenzialmente
costituito da un “generatore”, da un “sistema di condizionamento
e controllo della potenza” e da un eventuale “accumulatore” di
energia, la batteria, e naturalmente dalla
struttura di sostegno.|
Ma come funziona ? |
Strano ma vero. Funziona proprio cosi
IL
GENERATORE FOTOVOLTAICO
(clicca sulle immagini per ingrandirle)
Un sistema fotovoltaico è essenzialmente
costituito da un “generatore”, da un “sistema di condizionamento
e controllo della potenza” e da un eventuale “accumulatore” di
energia, la batteria, e naturalmente dalla
struttura di sostegno.
Il sistema e' costituito da
un insieme di moduli fotovoltaici collegati in modo da ottenere i valori
di potenza e tensione desiderati.
I moduli sono costituiti da
un insieme di celle.
In commercio, attualmente, i
piu' diffusi sono costituiti da 36 celle di silicio mono e policristallino disposte su 4 file parallele
collegate in serie. Hanno superfici che variano da 0,5 ad 1 mq.
Più moduli collegati in
serie formano un pannello, ovvero una struttura rigida ancorabile al
suolo o
ad un edificio.
Un insieme di pannelli,
collegati elettricamente in serie costituisce una stringa.
Più stringhe, collegate
generalmente in parallelo, per fornire la potenza richiesta, costituiscono il generatore
fotovoltaico.
Nel nostro paese, quindi, le
regioni ideali per lo sviluppo del fotovoltaico sono quelle meridionali e insulari. Anche se, per la capacità
che hanno di sfruttare anche la radiazione diffusa, gli impianti fotovoltaici possono essere installati
anche in zone meno soleggiate.
In località favorevoli è possibile raccogliere annualmente circa 2.000 kWh da ogni metro quadro di superficie, il che è l’equivalente energetico di 1,5 barili di petrolio per metro quadrato.
Dal punto di vista elettrico
non ci sono praticamente limiti alla produzione di potenza da sistemi fotovoltaici, perché il
collegamento in parallelo di più file di moduli, le “stringhe”, consente di
ottenere potenze elettriche di qualunque valore.
Il trasferimento
dell’energia dal sistema fotovoltaico all’utenza avviene attraverso
ulteriori dispositivi necessari a trasformare la corrente continua prodotta in
corrente alternata, adattandola alle esigenze dell’utenza finale.
La cella fotovoltaica è il componente
elementare del sistema ed è costituita da una sottile “fetta” di un materiale
semiconduttore, quasi sempre silicio, (l’elemento più diffuso in natura dopo l’ossigeno) di
spessore pari a circa 0,3 mm. Può essere rotonda o quadrata e può avere una superficie
compresa tra i 100 e i 225 cmq.
Il silicio che costituisce la
fetta viene “drogato” mediante l’inserimento su una “faccia” di atomi di boro per darle il carattere
positivo P (drogaggio p) e
sull’altra faccia con piccole quantità di fosforo per darle il carattere negativo
N (drogaggio n).
Nella zona di contatto tra i due strati a diverso drogaggio si determina un campo elettrico chiamato giunzione: quando la luce colpisce la cella solare, alcuni fotoni sono assorbiti nella zona della giunzione e liberano elettroni nei cristalli di silicio. Se il fotone dispone di sufficiente energia, gli elettroni saranno in grado di attraversare il campo elettrico e la giunzione e saranno liberi di muoversi attraverso il silicio. Se le due facce della cella sono collegate ad un utilizzatore, si ha un flusso di elettroni sotto forma di corrente elettrica continua e, scorrendo attraverso il circuito esterno, cedono la loro energia e ritornano alla cella solare.
Attualmente il silicio, mono
e policristallino, impiegato nella costruzione delle celle è lo stesso utilizzato
dall’industria elettronica, che richiede materiali molto puri e quindi
costosi. Tra
i due tipi il silicio policristallino è il meno costoso, pur avendo rendimenti
leggermente inferiori.
Una cella fotovoltaica di
dimensioni 10x10 cm si comporta come una minuscola batteria, e nelle condizioni di
soleggiamento tipiche dell’Italia (1 kW/mq), alla temperatura di 25°C fornisce una corrente di 3 A,
con una tensione di 0,5 V e una potenza pari a 1,5 - 1,7 Watt di picco. L’energia
elettrica prodotta sarà, ovviamente, proporzionale all’energia solare incidente, che come sappiamo
varia nel corso della giornata, al variare della stagioni e al variare delle condizioni
atmosferiche, ecc.
IL SISTEMA DI
CONDIZIONAMENTO E CONTROLLO DELLA POTENZA
E' costituito da un inverter,
che trasforma la corrente continua prodotta dai moduli in corrente alternata; da un
trasformatore e da un sistema di rifasamento e filtraggio che garantisce la
qualità della
potenza in uscita. Trasformatore e sistema di filtraggio sono normalmente
inseriti all’interno dell’inverter.
E' chiaro che il generatore
fotovoltaico funziona solo in presenza di luce solare. L’alternanza giorno/notte,
il ciclo delle stagioni, le variazioni delle condizioni meteorologiche fanno sì che la quantità di
energia elettrica prodotta da un sistema fotovoltaico non sia costante né al variare delle ore del
giorno, né ne al variare dei mesi dell’anno. Ciò significa che, nel caso in cui si voglia dare la
completa autonomia all’utenza, occorrerà o collegare gli impianti alla rete elettrica di
distribuzione nazionale (si realizzerà, quindi, un sistema detto GRID-CONNECTED) o
utilizzare dei sistemi di accumulo dell’energia elettrica che la rendano disponibile
nelle ore di soleggiamento insufficiente (in tal caso si ha un sistema isolato detto STAND-ALONE).
Il watt di picco
Poiché la potenza di una cella fotovoltaica varia al variare della sua temperatura e della radiazione, per poter fare dei confronti sono state definite delle condizioni standard di riferimento, che originano il cosiddetto watt di picco (Wp), relativo alla potenza fornita dalla cella alla temperatura di 25°C sotto una radiazione di 1.000 W/mq e in condizioni di AM 1,5. Oltre al silicio di tipo cristallino, ultimamente si nota un forte interesse, da parte di diverse aziende produttrici, a realizzare linee di produzione di moduli basati sul silicio amorfo.
Con l’amorfo, in realtà, non si può parlare di celle, in quanto si tratta di deposizioni di silicio (appunto allo stato amorfo) su superfici che possono anche essere ampie. Il silicio amorfo è presente sul mercato già da diversi anni, ma fino ad ora non si era guadagnato una quota di mercato significativa, soprattutto a causa dei dubbi esistenti sulla sua stabilità nel tempo: col passare degli anni spesso si verificava una riduzione delle prestazioni. Ecco che l’amorfo veniva (e viene ancora oggi) usato soprattutto per applicazioni “indoor”, cioè per alimentare piccoli utilizzatori, come calcolatrici tascabili, orologi, gadgets vari...
Di recente si è messa a punto una tecnologia produttiva che realizza più strati di silicio amorfo, la cosiddetta “eterogiunzione”, che sembra risolvere i passati problemi di stabilità.Per quanto riguarda il costo, il tradizionale silicio amorfo presenta costi minori rispetto al silicio cristallino (mono o multi), mentre l’amorfo a due o tre giunzioni necessita di ulteriori riduzioni di costo affinché possa diffondersi su larga scala.
il SISTEMA IMPIANTO grid-connected
(fonte: ENEA)