La luce solare possiede importanti caratteristiche, oltre
all’illuminamento, che sono state scoperte ed usate nella
storia fin tempi remoti: il più famoso
è l’assedio di Siracusa, quando gli
apparecchi costruiti da Archimede
permisero la concentrazione del
fascio luminoso grazie a specchi
orientabili (212 a.C.).
Anche nell’antico Egitto questo
principio era noto.
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Applicazioni scientifiche moderne sono in atto da decenni,
fin dalle prime missioni spaziali all’esterno dell’atmosfera
terrestre, dove l’intensità della radiazione solare è massima.
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La conoscenza scientifica moderna ci insegna che
la radiazione solare è l’energia
elettromagnetica emessa dai
processi di fusione atomico
degli elementi presenti nel sole.
La radiazione solare è composta
da diversi tipi di raggi, alcuni
visibili ad occhio nudo ed altri
individuabili solo tramite
apposita strumentazione.
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Solo una parte della radiazione solare può essere usata per
la produzione di energia elettrica tramite effetto fotovoltaico.
Infatti la tecnologia esistente
permette l’assorbimento
solo di una parte dello
spettro disponibile,
a seconda della tipologia
di cella solare utilizzata.
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Inoltre la radiazione solare che
può essere convertita in energia
elettrica è la radiazione diretta
che giunge sulla superficie
ricevente della cella solare, pari
mediamente a 1000 W/mq.
Tale valore cambia con la quota
altimetrica, le condizioni meteo,
l’inquinamento atmosferico ed
altri fattori.
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La scelta della tecnologia e del sito sono fondamentali per
poter sfruttare al massimo la
radiazione solare ed ottenere il
massimo rendimento possibile.
La quantità di radiazione varia
sul territorio italiano e i metodi
di installazione dell’impianto
possono garantire il
raggiungimento dei risultati
ottimali.
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Le normative vigenti indicano la quantità di radiazione
solare incidente sul territorio italiano, durante le ore del
giorno, mediamente su base annuale.
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La conversione diretta dell’energia solare in energia elettrica
utilizza il fenomeno fisico dell’interazione della radiazione
luminosa con gli elettroni nei materiali semiconduttori,
denominato effetto fotovoltaico.
L’oggetto fisico in cui
tale fenomeno avviene
è la cella solare, o cella
fotovoltaica, che ha
spessore pari a circa
0,25÷0,35 mm.
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La cella solare è formata da strati di silicio che, colpiti dalla
radiazione luminosa, generano il campo elettrico.
Esistono differenti tipi di lavorazione del silicio per la
realizzazione di celle solari,
con rendimenti differenti:
monocristallino, poli-cristallino,
amorfo.
Il più usato è il monocristallino,
che ha anche maggiore durata
oltre al miglior rendimento.
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Le celle solari forniscono valori di tensione e corrente
limitati rispetto a quelli normalmente richiesti dagli
apparecchi utilizzatori, pertanto vengono assemblate
in modo opportuno a
costituire un’unica
struttura: il modulo
fotovoltaico.
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Le caratteristiche elettriche principali di un modulo
fotovoltaico si possono riassumere nelle seguenti:
- Potenza di Picco (Wp): potenza erogata dal modulo alle
condizioni standard (Irraggiamento = 1000 W/m2;
Temperatura = 25 ° C; A.M. = 1,5)
- Corrente nominale (A): Corrente erogata dal modulo nel
punto di lavoro;
- Tensione nominale (V): Tensione di lavoro del modulo
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.
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Celle solari assemblate costituiscono un modulo fotovoltaico,
che a sua volta assemblato con altri moduli realizza il
pannello fotovoltaico.
Nelle celle solari i raggi
colpiscono lo strato di
silicio, in cui si crea un
campo elettrico che,
a regime, produce la
corrente elettrica.
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I pannelli fotovoltaici sono montati su strutture
dimensionate idoneamente per sostenere i pannelli ed
orientarli in maniera da garantire il massimo sfruttamento
della radiazione
luminosa.
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La quantità di energia prodotta varia nel corso dell’anno, in
funzione del soleggiamento della località e della latitudine. Si
considera che alle latitudini dell’Italia centrale, un m2 di moduli
fotovoltaici di buona qualità possa produrre
0,35 kWh/g
nel periodo invernale
0,65 kWh/g
nel periodo estivo
pari 180 kWh/anno
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La quantità di energia elettrica prodotta dipende prevalentemente
dai seguenti fattori:
quantità di radiazione luminosa ricevuta (dovuta anche ad
ombreggiamenti, condizioni climatiche, …);
rendimento dell’impianto
(dovuto alla tipologia e
qualità dei materiali impiegati);
dimensione dell’impianto
(la quantità di energia è
direttamente proporzionale
alla superficie dell’impianto).
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L’impianto fotovoltaico crea corrente elettrica che viene inviata ad
un contatore dedicato: serve per quantificare l’energia prodotta.
Successivamente la linea è collegata alle utenze, che assorbono
parte o tutta l’energia prodotta.
Se viene prodotta energia in
eccesso rispetto a quella
consumata, la parte in eccesso
viene ceduta alla rete nazionale
ricevendo una compensazione
economica in base alle leggi
vigenti.
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Viene interposto un contatore bidirezionale tra l’impianto e la rete
nazionale, per poter calcolare quanta energia viene acquisita dalla
rete nazionale e quanta viene prodotta dall’impianto e ceduta alla
rete nazionale, dietro compenso per ogni kW ceduto.
Esistono anche impianti dedicati
alla sola produzione, che non
sono collegati ad utenze locali e
cedono interamente l’energia
prodotta alla rete nazionale
dietro compenso economico.
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Esistono due tipologie di impianti di produzione di energia
elettrica tramite effetto fotovoltaico:
impianti fotovoltaici “tradizionali”;
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-
impianti a concentrazione, ove la radiazione viene riflessa
tramite specchi, per aumentare l’intensità della
radiazione ricevuta.
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Le differenti tipologie di lavorazione del silicio citate in
precedenza sono differenziate per i rendimenti ottenibili:
-monocristallino 15÷20%
-poli-cristallino 12÷15%
-amorfo
<10%
aventi differenti prestazioni e costi.
La differenza tecnologica risiede nella purezza del
materiale impiegato e nella modalità di lavorazione del silicio le
operazioni di purificazione e cristallizzazione.
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Dopo aver selezionato la tecnologia da utilizzarsi, la scelta
delle modalità di installazione dell’impianto deve essere
svolta al fine di massimizzare la quantità di radiazione
luminosa ricevuta dai pannelli. In particolare si deve porre
attenzione a:
presenza di ombre;
nebbie o foschie mattutine;
nevosità;
ventosità.
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Queste informazioni determinano il collocamento
dell’impianto fotovoltaico, la sua esposizione rispetto al Sud
geografico, la maggiore inclinazione sul piano orizzontale,
le caratteristiche delle strutture di sostegno.
Nell’emisfero Nord la
migliore orientazione
dei pannelli è verso Sud.
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L’angolazione con cui sono orientati i pannelli permette di
ottimizzare la quantità di radiazione ricevuta: è un
compromesso poiché l’orientamento del Sole rispetto ai
pannelli non è costante, e
quindi la quantità di
radiazione varia durante le
ore diurne e durante il corso
dell’anno.
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Per ovviare la differente angolazione della luce solare, si
possono impiegare pannelli dotati di motore detto
“ad inseguimento”, cioè montati su una struttura che ruota
l’angolazione della
struttura durante le ore
di esposizione per
aumentare la quantità
di radiazione ricevuta
complessivamente
nella giornata.
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Si deve innanzi tutto precisare che, dal punto di vista della
riduzione dell’uso di fonti di energia non rinnovabili (quali
combustibili fossili come petrolio, carbone, …) il solare
fotovoltaico risulta conveniente in
quanto non sono presenti costi
per l’approvvigionamento della
materia prima e non esistono
emissioni di inquinanti.
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Risulta tuttavia avere un rendimento “basso”,
se paragonato ad altre tipologie di impianti
di produzione di energia elettrica,
quindi la convenienza economica
deve essere valutata attentamente
in base a diversi fattori.
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Il principale aspetto da tenere in considerazione riguarda
le utenze collegate all’impianto: poiché l’energia prodotta
è elettrica, risulta conveniente l’installazione quando i
consumi prevalenti sono di natura elettrica. È possibile
quindi prevedere la convenienza economica sottraendo
al consumo attuale la potenza elettrica prodotta.
Anche in assenza di utenze elettriche, è possibile comunque
l’installazione al fine di cedere alla rete nazionale l’energia
prodotta dietro compensazione economica in base alle
norme vigenti, che sarà descritta nel seguito.
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Mediamente per produrre 1 kWP sono necessari circa 8mq.
Il metodo più semplice per verificare
la convenienza è la lettura dei consumi,
da cui ricavare i mq necessari per
sopperire i consumi.
Successivamente si stabilisce se e come
sia possibile installare un impianto
che produca i kW necessari.
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Per impianti “domestici” la convenienza maggiore si trova
con l’autoconsumo, cioè il consumo sul posto dell’energia
prodotta: risulta economicamente più vantaggioso
consumare “in proprio” l’energia
prodotta piuttosto che cederla
alla rete nazionale. Questo è possibile
se gli impianti collegati utilizzano
prevalentemente energia elettrica
(es. pompe di calore, …).
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Il DM 5/5/11 “stabilisce i criteri per incentivare la
produzione di energia elettrica da impianti solari
fotovoltaici”. Il DM fissa i limiti per ottenere gli incentivi e
le condizioni per le quali vengono erogati gli stessi, in
funzione della
tipologia di
impianto e della
quantità di
energia elettrica
prodotta.
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Il DM 5/5/11 distingue tra impianti installati su edifici e non,
associando tariffe differenti. Le tariffe inoltre variano a
seconda della potenza prodotta.
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Il DM 5/5/11 favorisce il consumo sul posto dell’energia
prodotta rispetto alla vendita, con tariffe incentivanti
superiori per la prima tipologia.
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