Solare fotovoltaico. I pannelli fotovoltaici e l’energia pulita
Il Solare fotovoltaico
La tecnologia a pannelli fotovoltaici permette di convertire direttamente l’energia solare in energia elettrica.
Il meccanismo di funzionamento del solare fotovoltaico sfrutta dei materiali semiconduttori e le radiazioni elettromagnetiche dei raggi solari che investono questi materiali. Quando i fotoni della luce solare colpiscono il materiale semiconduttore del pannello fotovoltaico con una certa intensità (l’energia del fotone deve essere maggiore alla banda proibita del materiale , band gap ) , gli elettrononi più superficiali ( di valenza ) si staccano e divengono degli elettroni portatori di carica e che vengono sfruttati per generare una corrente elettrica che viene catturata dal reticolo metallico serigrafato della cellula fotovoltaica.
Cella fotovoltaica nel solare fotovoltaico
La conversione fotovoltaica avviene quindi all’interno delle celle fotovoltaiche. Queste sono dei dispositivi costituiti da una sottile striscia di un materiale semiconduttore, generalmente il silicio. Di solito una cella fotovoltaica ha uno spessore che varia fra i 0,20 ai 0,40mm una forma generalmente quadrata con una superficie di circa 100 cm2.
Il materiale attualmente più utilizzato per la realizzazione delle celle del solare fotovoltaico, è quello stesso silicio adoperato nell’industria elettronica, il cui processo di fabbricazione risulta avere costi molto alti, e peraltro non giustificati dal grado di purezza richiesti dal fotovoltaico, inferiori a quelli necessari nelle applicazioni di micro-elettronica.
I materiali del solare fotovoltaico
Altri materiali per la realizzazione delle celle solari sono:
– Silicio Mono-cristallino: Resa energetica fino 15 – 17 % (attualmente il
materiale più utilizzato )
– Silicio Poli-cristallino: Resa energetica fino 12 – 14 %
– Silicio Amorfo: Resa energetica meno del 10 %
– Altri materiali: Arseniuro di gallio, diseleniuro di indio e rame, telliuro di cadmio.
La cella fotovoltaica rappresenta il modulo di partenza del prodotto finito dell’industria fotovoltaica, concettualmente essa è un corpo che produce valori di corrente elettrica normalmente limitata, tuttavia non sono elementi isolati e non sono supportati da sostegni meccanici.
Modulo fotovoltaico
Le varie celle vengono assemblate in un modulo, ovvero una struttura unica e rigida contenente le celle fotovoltaiche collegate in serie. Le dimensioni dei pannelli variano dai 0,5 mq ai 1,3 mq in modo da aumentare le combinazioni geometriche di assembramento per l’installazione. Così composto ogni singolo modulo ha una potenza compresa tra 50 e 150 Wp
Il Wp (Watt picco) è l’unità di misura di riferimento di un modulo fotovoltaico ed esprime la potenza elettrica erogabile dal modulo in condizioni standard di riferimento (con irraggiamento = 1000 W/m2).
Le caratteristiche elettriche principali di un modulo fotovoltaico si possono riassumere con:
– Potenza di Picco (Wp): Potenza erogata dal modulo alle condizioni standard
– Corrente nominale (A): Corrente erogata dal modulo nel punto di lavoro
– Tensione nominale (V): Tensione di lavoro del modulo
L’acquirente dovrebbe operare una scelta del pannello più adatta improntata sulla massimizzazione di queste caratteristiche unitamente a quelle di spazio disponibile per l’esposizione.
Il generatore fotovoltaico
Collegando in serie ed in parallelo i moduli fotovoltaici secondo le proprie esigenze di spazio e di calcolo si ottengono i pannelli, che collegati elettricamente insieme daranno origine alle stringhe e quindi al campo fotovoltaico. I moduli fotovoltaici vengono montati su pannelli rigidi opportunamente orientati e inclinati sulla base dei dati di output del calcolo elettrico. Una volta sistemati essi costituiscono il nostro generatore fotovoltaico che dovrà essere dimensionato sulla base del:
– carico elettrico,
– potenza di picco,
– possibilità di collegamento alla rete elettrica o meno,
– latitudine del sito ed irraggiamento medio annuo dello stesso,
– caratteristiche architettoniche dell’edificio,
– caratteristiche elettriche del carico utilizzatore.
Per riportare un dato si fa presente che un modulo di 1mq produce in Italia mediamente 180 KWh/anno.
Impianti fotovoltaici
Definiti i moduli generatori di energia fotovoltaica andiamo a sondare le modalità di realizzazione, assemblamento e le caratteristiche principali che deve avere un impianto fotovoltaico.
Innanzitutto abbiamo due tipologie di impianto
1) a pannelli isolati
2) connessi in rete
La prima tipologia produce energia elettrica e la deposita in batterie di accumulo per il suo futuro utilizzo.
Con i pannelli connessi in rete invece immettono nella rete l’energia senza accumuli intermedi.
In ogni caso un impianto fotovoltaico, a prescindere da chi sia l’utilizzatore finale dell’energia elettrica prodotta, deve possedere questi elementi:
– un generatore (il campo fotovoltaico)
– un sistema di condizionamento della potenza (l’inverter)
– un sistema di acquisizione dati ( un dispositivo di interfaccia con la rete e un contatore bidirezionale di energia )
L’inverter nel solare fotovoltaico
E’ l’elemento più importante dell’impianto fotovoltaico, perché controlla e massimizza la produzione di energia dei moduli fotovoltaici, questa funzione prende il nome di MPPT, un acronimo di origine Inglese che sta per Maximum Power Point Tracce, in questo modo l’inverter è in grado di prelevare dal modulo la massima energia di picco istante per istante massimizzando il valore di potenza elettrica prodotto. Inoltre consente la trasformazione dell’energia elettrica da corrente continua (12V,24V,48V) prodotta nei pannelli solari in corrente alternata (220 V) richiesta per la rete elettrica e dall’utenza. L’importanza dell’inverter dipende dal fatto che un generatore fotovoltaico fornisce valori di tensione e corrente variabili in funzione dell’irraggiamento e della temperatura nell’atmosfera, mentre il carico (gli apparecchi utilizzatori e il gestore della rete ) necessita, solitamente, di un valore costante della tensione di alimentazione.
L’installazione di un inverter e la scelta comporta il fatto essenziale di evitare il danneggiamento per sovraccarico, si dovrebbe insomma cercare di farlo lavorare “nel modo più comodo!”. Ciò vuol dire che i parametri da considerare sono la potenza di picco erogata dal pannello e il sito di installazione, oltre che le specifiche di irraggiamento e temperatura del punto preciso dove si decide di installarlo. La scelta può essere fatta autonomamente in modo tabellare, qualsiasi tecnico può comunque guidare agevolmente il cittadino privato nella scelta più adatta.
Per interfacciarsi con la rete si necessita di un dispositivo con lo scopo di fare in modo che la forma dell’onda dell’energia elettrica immessa in rete abbia caratteristiche compatibili con quelle richieste dal fornitore locale di energia.
Il contatore di energia misura l’energia prodotta dall’impianto fotovoltaico durante il suo periodo di funzionamento. In questo modo l’utente può verificare le ipotesi fatte sul rendimento in fase di progettazione e tener sotto controllo il buon funzionamento del suo impianto fotovoltaico. Solitamente questi sistemi sono integrati nello stesso inverter e i dati possono essere letti mediante display digitali.
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