Come funziona un impianto fotovoltaico e come produce elettricità
Come funziona un impianto fotovoltaico? E come riesce a produrre elettricità con la sola energia del sole? Oggi ormai tutti sanno cosa è il fotovoltaico, tutti sanno che è una tecnologia che permette di produrre energia pulita sfruttando la luce del sole. Tutti sanno che si tratta di una fonte rinnovabile che permette di ridurre le emissioni inquinanti in atmosfera. Molti sanno ormai che, come fonte di energia pulita, sarà il futuro (e forse già presente) di un nuovo modello energetico che scalzerà le fonti fossili in esaurimento. Si sa, insomma, “cosa è” il fotovoltaico, ma non tutti sanno come funziona.
In questa mini guida vediamo come funziona un impianto fotovoltaico e come riesce a produrre energia sfruttando l’energia del sole. Vediamo quali sono le componenti principali e quali sono i fattori che ne possono compromettere il rendimento. Vedremo, poi, come dimensionare il giusto impianto partendo dalla bolletta elettrica, cioè dai propri consumi effettivi come mitigare al massimo le perdite dovute agli ombreggiamenti ed altre inefficienze.
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.
Ec stringa ad un unico inverter DC/AC.co lo “schema di base” di un semplice impianto fotovoltaico, costituito da 18 pannelli collegati in un’unica stringa ad un unico inverter DC/AC.
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 di un impianto fotovoltaico 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 fv. 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. Le vediamo più avanti in questa guida.
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.