Rivista Ligure di Meteorologia
n° 29-30 anno VII
DIDATTICA
Breve introduzione alle energie rinnovabili
(sole, vento, acqua)
Di: Diego Rosa
Parte seconda – Il solare fotovoltaico
Nel 1839, il fisico francese Becquerel scopre l’effetto fotovoltaico. Nella seconda meta del ‘900,
in occasione dell’avventura spaziale, nascono le prime applicazioni tecniche che sfruttano
questo fenomeno.
La cella fotovoltaica è costituita da 2 sottili strati sovrapposti di silicio (in laboratorio si sono
sperimentate anche celle all’arseniuro di gallio). Il silicio può essere monocristallino,
policristallino od amorfo. Il primo strato è “drogato ” con atomi di fosforo (elemento che tende
a cedere elettroni ) e costituisce la regione N, negativa dal punto di vista elettrico, il secondo
con atomi di boro (elemento che tende ad acquistare elettroni) e costituisce la regione P,
positiva dal punto i vista elettrico. Sottoposta ad irraggiamento luminoso la giunzione
manifesta una differenza di potenziale tra la parte P e la parte N.
Se congiungiamo ora la regione N con la regione P mediante un conduttore chiuso su una
resistenza (carico), otteniamo una corrente continua, funzione dell’irraggiamento luminoso
sulla cella e del carico.
Il grafico dell’andamento corrente - tensione che si stabilisce è del tipo riportato in figura 1
Fig.1: Diagramma corrente - tensione - potenza per un modulo
commerciale con Wp = 320 W (Viessman)
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(dimensioni in m del modulo con 150 celle: 2,385 X 1,138 X 0,102)
centrale del sole
Fig.2: Schema di 2 impianti connessi alla rete da 1,28 e 2,58 kWp
(Viessman) costituiti da moduli da 320 Wp
Diverse celle collegate in serie, dotate di contatti elettrici, e chiuse tra 2 strati di vetro
protettivo costituiscono un modulo fotovoltaico, più moduli un panello, più pannelli un stringa,
un insieme di stringhe un generatore. Un tipico modulo fotovoltaico è rappresentato in fig. 7.3.
Esso è composto da 150 celle da 2,13 W collegate in serie per fornire una potenza nominale di
picco, vedi sotto, di 320 Wp. La tensione alla massima potenza è di 70,5 V, la corrente di 4,53
A. La corrente in corto circuito e la tensione a vuoto valgono rispettivamente 4,85 A e 88,8 V.
Le celle sono disposte in 8 file, ogni fila è equipaggiata di un diodo di bypass per evitare
l’effetto “hot – spot” dovuto all’oscuramento di una o più celle per insudiciamento o giochi
d’ombra. La cella o le celle oscurate diventerebbero delle resistenze elettriche riducendo
notevolmente la corrente nell’insieme delle file in serie.
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Fig. 3: Modulo fotovoltaico da 320 Wp con celle policristalline
(Viessmann)
Le celle (delle dimensioni tipiche: 10X10 cm) possono essere di silicio monocristallino (le più
care ed efficienti: rendimento = 14-17), policristallino (ricavato dal materiale di scarto della
componentistica elettronica: rendimento = 11-13 %).
La tecnologia del silicio amorfo (depositato in sottile spessore su vetro, plastica od altro
materiale) non prevede la suddivisione in celle, si basa su un materiale che ha un rendimento
molto basso (5-7%) ma egualmente un costo basso e soprattutto una flessibilità di impiego
molto elevata: applicazioni su superfici di varia conformazione, tegole al silicio, strutture
trasparenti al silicio (lucernai) ecc.
La potenza di picco
Per valutarne le prestazioni di un pannello sono state fissate delle condizioni standard:
•
•
•
Irraggiamento pari 1000 W/m2
temperatura delle celle = 25 C°
Composizione spettrale AM = 1,5 = composizione dello spettro dell’irraggiamento solare
dopo aver attraversato 1,5 volte lo spessore dell’atmosfera (inclinazione dei raggi ~
41,8° sull’orizzontale).
Un panello che fornisca un kW di potenza elettrica in corrente continua in tali condizioni è
contrassegnato da una potenza di picco di 1 kWp. Stante i rendimenti citati sopra, un tale
pannello in silicio policristallino avrebbe una superficie di ca. 8 m2.
A Genova, inclinato rispetto all’orizzontale quanto la latitudine ( 44° ), tenuto conto
dell’irraggiamento medio annuo di 1500 kWh/m2, produrrebbe un’energia in corrente continua
ai morsetti pari a circa 1500 kWh.
L’impianto
Le celle, i moduli, i pannelli, collegati in serie/parallelo forniscono corrente elettrica continua in
modo discontinuo, variabile durane il giorno e durante l’anno. Tale corrente continua deve
essere trasformata in corrente alternata per alimentare le normali utenze. L’energia elettrica
relativa se l’impianto non è connesso alla rete (sistema “grid connected”), deve essere
accumulata in batterie (sistema “stand alone”) per far fronte agli sbilanci produzione- richiesta.
Il sistema di trasformazione e di connessione, BOS (“balance of system”) che comprende tra
l’altro l’inverter, ha un’efficienza del’80, 85%, le batterie di accumulo normalmente del 60%.
Valutazioni economiche
Stante il rendimento dei pannelli, il costo dei componenti e di installazione, l’energia
fotovoltaica è ancora cara.
I costi del kWp installato e connesso alla rete è stimato (anno 2001) pari a:
6000-8000 euro (con IVA)
A Genova, con un irraggiamento totale annuo su una superficie inclinata sull’orizzontale pari
alla latitudine di ca. 1500 kWh /m2 la producibilità netta di un panello (tenuto conto di un
rendimento dei componenti elettrici = 80%) è pari a:
1500*0,80 = 1200 kWh/ kWp
Ipotizzando un impianto di 2,25 kWp adatto ad un’utenza residenziale, si ha il prospetto di tab.
1 da prendere con le dovute cautele perché proveniente da un fornitore:
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Tab. 1: Costo dell’energia fotovoltaica a Genova per 2,25 kWp (Da ENERPOINT - 2001)
Costo kWh
Energia
Costo kWh
Produzione Costo kWh
con detrazione del 36%
producibile
(kWh)
senza agevolazioni con detrazione del 36%
in anni:
e contributo del 55%
20
54000
0,40
0,28
0,17
30
81000
0,27
0,19
0,11
40
108000
0,20
0,14
0,086
50
135000
0,16
0,11
0,069
Costo impianto iniziale + IVA: 18000 euro
Costi di esercizio (2 cambi inverter): 3500 euro
(Dal 2004 possibilità di vendita al distributore a 0,45 - 0,6 euro/kWh )
Fig.4: Residenza unifamigliare dotata di 8 pannelli fotovoltaici per un totale di 2,58 kWp
(Viessmann)
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