Il villaggio fotovoltaico ad Alessandria

Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Unione Europea
Provincia e Comune di Alessandria
I.T.I.S. “A. Volta”
Un esempio di realizzazione
per l’energia sostenibile
Il villaggio fotovoltaico in
Alessandria
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
IL VILLAGGIO FOTOVOLTAICO IN ALESSANDRIA
PREFAZIONE
Abbiamo pensato di proporre la realizzazione del lavoro svolto ad Alessandria, come esempio di
applicazione perl’energia sostenibile.
Si parla sempre più spesso dei problemi legati alla produzione, all’uso razionale delle risorse
energetiche e di quanto ad esse è collegato.
Viviamo in un mondo in cui le scelte sono interconnesse sempre di più. Una scelta consapevole può
aiutarci a riequilibrare un impatto sul pianeta che si ripercuote anche a distanze considerevoli, Il
concetto della globalizzazione nelle scelte energetiche coinvolge diversi ambiti, non ultimo, il
problema delle modificazioni del clima a causa dell’effetto serra, provocando alterazioni negli stili
di vita e minacciando l’ esistenza di tutti gli esseri viventi.
Pensiamo che questo lavoro possa indicare una strada, un metodo diverso per rispondere ad un
progetto di vita non solo condizionato dalle leggi del mercato ma anche altri valori che sono
fondamentali, non ultimi la gestione dell’ambiente e la qualità della vita.
Ringraziamo pubblicamente tutti coloro che ci hanno aiutato nello sviluppo di questo lavoro di
ricerca ad iniziare dalle Istituzioni e da chi ci ha stimolato ad effettuare questa azione di ricerca :
il Centro UNESCO di Torino nella persona del Dott. Marco D’Acri. Un grazie sentito inoltre al
Dirigente Scolastico del nostro Istituto, il Prof. Roberto Cresta, per la Sua disponibilità e per
averci consentito l’uso delle attrezzature scolastiche. Un particolare ringraziamento all’Assessore
alla Pubblica Istruzione e Formazione Professionale Massimo Barbadoro della Provincia di
Alessandria per averci aiutato a stampare le copie di tale lavoro in una veste editoriale dignitosa.
Mencarelli Luca
Classe III AE Elettrotecnici
Piccinini Matteo
Classe III AE Elettrotecnici
Pochettini Fabio
Classe III AE Elettrotecnici
Vicino Alan
Classe III AE Elettrotecnici
Vogogna Dario
Classe III AE Elettrotecnici
Piglione Daniele
Classe V AE Elettrotecnici
Coadiuvati dal
Prof. Ing. Franco Capua docente di Elettrotecnica presso l’ITIS A.Volta in Alessandria
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
INDICE
Presentazione dell’ITIS A. Volta
 CAP. I
Presentazione del progetto: il Villaggio Fotovoltaico in
Alessandria
 CAP. II
pag. 4
pag. 6
Principio di funzionamento delle celle
Solari
pag. 20
 CAP. III
Descrizione del progetto (scelte tecnologiche ) pag. 86
 CAP. IV
Soluzioni architettoniche per
pag. 96
integrare le tecnologie
 CAP. V
Analisi economica
pag. 121
 CAP. VI
Valutazioni ambientali
pag. 127
 BIBLIOGRAFIA
pag. 134
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Presentazione dell’i.t.i.s. “A. Volta” di Alessandria
L’istituto tecnico industriale statale “Alessandro Volta” fu progettato dall’Architetto Ignazio
Gardella ed inaugurato nel 1967 dall’allora presidente della Repubblica Giuseppe Saragat. Tra i
corsi offerti dall’istituto, il corso di perito industriale per le costruzioni aeronautiche rappresenta
una peculiarità rispetto all’offerta formativa presente sull’intero territorio nazionale. L’istituto Volta
offre quattro percorsi industriali e un percorso scientifico-tecnologico; i quattro percorsi industriali
sono, oltre al gia citato perito per le costruzioni aeronautiche, perito industriale in elettrotecnica ed
automazione, perito industriale in meccanica e perito industriale in informatica.
Situato sulla circonvallazione della città, in posizione intermedia fra il centro città e le
principali strutture universitarie scientifiche, il distaccamento del Politecnico di Torino e la facoltà
di S.M.F.N. (Matematica Fisica e Scienze Naturali) dell’Università degli Studi del Piemonte
Orientale “A. Avogadro”. In particolare negli ultimi anni si è intensificata la collaborazione fra
l’istituto e le due sedi universitarie con l’introduzione di stage per gli studenti delle classi quinte,
conferenze divulgative e scientifiche, corsi di preparazione tecnica per studenti ed adulti, esperienze
di laboratorio ed orientamento in collaborazione con le realtà industriali della provincia
alessandrina.
I corsi industriali offerti dall’istituto sono stati pensati con particolare riferimento alla realtà
lavorativa della provincia di Alessandria; infatti la maggior parte dei neo diplomati periti trovano
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facilmente lavoro nelle aziende alessandrine, anche se la tendenza attuale è per il proseguimento
degli studi universitari. A titolo d’esempio la richiesta di periti elettrotecnici è superiore a tre
richieste per ogni diplomato.
L’istituto offre agli studenti diversi laboratori:

Laboratori di misura su macchine elettriche;

Laboratori di automazione, tecnologia e CAD attrezzati con computer, PLC e pannelli;

Laboratori di impianti elettrici sia civile che industriali;

Laboratori di macchine utensili e lavorazioni meccaniche;

Laboratori di tecnologia, progettazione e CAD meccanica ed aeronautica;

Laboratori con galleria del vento e dell’acqua (con turbine e macchinari sperimentali);

Hangar con simulatore di volo, motori e turbine aeronautiche;

Laboratori di sistemi elettrici automatici attrezzati con computer e banchi di prova;

Laboratori di informatica con computer;

Laboratori di elettronica e misure elettroniche;

Laboratori di chimica, fisica e biologia

Laboratori di disegno tecnico;

Un laboratorio di cinema per il corso di teatro offerto dal POF;

Un laboratorio musicale in costruzione per il progetto musicale d’istituto;

La biblioteca studentesca con oltre 8000 volumi, manuali e riviste;

il laboratorio per lo studio sull’idrogeno.
Il nuovo laboratorio è stato realizzato nell’intenzione di rendere l’istituto partecipe di
esperienze e ricerche nell’ambito dell’uso dell’idrogeno come fonte pulita di energia elettrica e
termica. L’aspetto delle fonti energetiche rinnovabili è una realtà importante anche per le due
facoltà universitarie e per le aziende alessandrine, quindi la collaborazione tra queste e l’istituto
Volta è in aumento progressivo.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Capitolo 1
Presentazione del progetto: Il Villaggio
Fotovoltaico in Alessandria
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Inaugurato nell’ottobre 2005, il villaggio fotovoltaico di Alessandria situato nel quartiere Cristo nella zona Casermette II, è un progetto
fortemente voluto dall’amministrazione comunale, dall’Assessorato
all’Urbanistica e all’Edilizia Residenziale e dalla Regione Piemonte.
E’ inserito in un programma di monitoraggio e resocontazione scientifica finanziato dagli enti sopraccitati, al fine di sostenerne i costi
sperimentali. Il progetto del “villaggio” di Alessandria si inserisce
nell’obiettivo del recupero e della riqualificazione ambientale, con
particolare attenzione ai criteri di bio-edilizia.
Il concepimento e la realizzazione del progetto nasco da una collaborazione interistituzionale,
la quale coinvolge tutte le realtà pubbliche e private del territorio nella sperimentazione e nello
sviluppo di nuove iniziative. L’iniziativa risulta integrata in un complesso programma urbanistico,
edilizio, ambientale e riproducibile in altri contesti con risorse ordinarie. La finalità è quella di
monitorare i risultati costruttivi ottenuti al fine di pervenire alla definizione di una normativa
applicabile nel prossimo futuro. L'efficacia del progetto, oltre agli effetti positivi sull'ambiente, sta
infatti anche nel coinvolgere circa 800 utilizzatori residenti oltre a fruitori dei servizi pubblici,
stimolando l'aggiornamento tecnico di progettisti, imprese, operatori del settore in genere.
Il programma integrato relativo all’area “Casermette II” , rappresenta un intervento che fin dal
1999, con l’8° programma di edilizia agevolata è stato interessato da contributi regionali, che ne
hanno sostenuto la realizzazione e hanno consentito ai cittadini di acquistare abitazioni, oltre a
beneficiare di prezzi convenzionati (e quindi controllati dall’Ente Pubblico) assistiti da contributi a
fondo perduto. Grazie all’accordo con il protocollo ITACA (che rappresenta il primo strumento
completo di indirizzi omogenei approvati dalle Regioni, in sede di “Conferenza dei Presidenti”, in
materia di bio-edilizia) si potrà utilizzare l'esperienza del "Villaggio" di Alessandria e la relativa
resocontazione scientifica per la definizione della qualità degli edifici bio-ecocompatibili e nelle
scelte per il risparmio energetico. La necessità di coordinare lo studio e la realizzazione dei
Programmi complessi - che la normativa in materia di Edilizia Residenziale ha previsto soprattutto
con gli anni ’90 - ha richiesto, agli operatori tradizionali del settore, uno sforzo innovativo anche nel
modo di rapportarsi internamente e nei confronti delle istituzioni locali. Lo strumento individuato è
stato quello di un'Associazione di secondo livello tra gli operatori esecutivi presenti in modo
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significativo sul territorio provinciale, affiancati dalla presenza degli enti istituzionali pubblici e
privati territoriali. La Consulta Operatori Edilizia Residenziale della Provincia di Alessandria ente senza scopo di lucro - svolge, pertanto, prevalentemente il ruolo di collegamento e di
coordinamento locale per favorire l'attuazione dei programmi tradizionali ed innovativi
nel settore dell'Edilizia Residenziale Pubblica per i quali sono
richieste pluralità di operatori con funzioni istituzionali diverse ma
coincidenti. Essa si è impegnata altresì a rispondere alle nascenti
esigenze connesse alle funzioni di consultazione e per fornire pareri
necessari nel campo dell'attività specifica, volta per volta richieste
dai Comuni della Provincia. Uno scambio di informazioni e dati è
stato attivato con "AREA", Parco tecnologico scientifico di Trieste impegnato nel progetto sulla
Casa bioecotecnologica.
II Villaggio Fotovoltaico rappresenta un'iniziativa:

innovativa e non un semplice adempimento normativo;

pilota, in quanto integrata in un complesso programma urbanistico, edilizio, ambientale;

disseminabile, in quanto riproducibile in altri contesti urbani anche con risorse ordinarie;

partecipata, poiché costruita col dialogo, il consenso e la collaborazione attiva di vari
soggetti pubblici e privati;

efficace, poiché produce effetti positivi sull'ambiente, coinvolgendo circa 800 utilizzatori
residenti oltre a fruitori dei servizi pubblici;

stimolante, in quanto l'applicazione di una "nuova" tecnologia porta ad una ricaduta generale
stimolando una crescita;

didattica, poiché crea cultura intesa come aggiornamento tecnico di progettisti, imprese,
operatori del settore in genere.
Per il combinato di queste caratteristiche, in seguito alla partecipazione al concorso del
Ministero dell'Ambiente, il "Villaggio Fotovoltaico" di Alessandria ha ottenuto il 1° Premio per le
città sostenibili 2000. Il Comune di Alessandria ha avanzato la propria candidatura proponendo un
intervento di Edilizia Residenziale Pubblica nell'ambito del "Programma di Intervento Integrato
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della Zona 14 - Casermette II" particolarmente originale, sia per ciò che attiene agli aspetti
organizzativi di gestione e realizzazione attraverso uno strumento nuovo ed unico quale risulta
essere la "Consulta Operatori Edilizia Residenziale" della Provincia di Alessandria (sono presenti
operatori pubblici e privati, banche ed enti), sia per ciò che attiene all'innovazione tecnologica quale
risulta essere l'applicazione non più solamente sperimentale, ma effettivamente reale del
fotovoltaico.
L'intervento proposto, denominato "ENERGIE RINNOVABILI IN AMBIENTE URBANO:
IL FOTOVOLTAICO AD ALESSANDRIA" ha avuto uno dei sedici riconoscimenti previsti dal
concorso ed è stato premiato con il I Premio utilmente destinato per:

realizzazione di materiale informativo sul fotovoltaico di concerto con la "Consulta
Operatori Edilizia Residenziale della Provincia di Alessandria" anche mediante convegno
internazionale;

acquisto di auto elettrica;

esecuzione di opere varie di prevenzione e/o bonifica ambientale;

realizzazione di campagne pubblicitarie sull'ambiente;

contributo per favorire la metanizzazione del parco automobilistico privato;
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria

studio ambientale e territoriale per il miglioramento dell'impatto viabilistico nella
realizzazione degli insediamenti industriali.
Operatori esecutivi associati:
• A.T.C., Agenzia Territoriale per la Casa della Provincia di Alessandria;
• C.I.E.P.A., Consorzio Imprenditori Edili della Provincia di Alessandria;
• UNI-C.A.P.I., Cooperativa di abitazione a proprietà indivisa a.r.l.;
• CONSORZIO EDILIZIO UNIONE;
• A.R.C.Ab. Alessandria,Associazione Regionale CooperativeAbitazione Piemonte.
Enti invitati permanenti:
• Comune di Alessandria;
• Provincia di Alessandria;
• Camera di Commercio di Alessandria;
• Banca Cassa di Risparmio di Alessandria.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Il progetto
Il progetto prevedeva un complesso armonico con ampi spazi verdi, zone di aggregazione e
svago e circa 200 alloggi costruiti attraverso l'utilizzo di materiali e tecniche ecologiche e in
particolare con l'impiego di tecnologie fotovoltaiche. Hanno aderito a questa iniziativa oltre
all'ATC che ha costruito circa la meta degli alloggi anche la Cooperativa Edilizia Carlo Levi, la
Cooperativa Edilizia "Aquila d'Oro", la Cooperativa UNI-CAPI, la Cooperativa Edilizia "27
Luglio", l'Impresa Pistanni Cristoforo, l'Impresa Edilnova S.r.l. e Bocchio. La parte di impiantistica
fotovoltaica è stata invece curata interamente da A.N.I.T. Azienda Nuove Iniziative Tecnologiche
S.p.A.
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II progetto è stato realizzato nell’ambito del programma del 2001 "10.000 tetti fotovoltaici"
del Ministero dell’Ambiente, il quale ha permesso ad ogni singolo utente di usufruire di un
finanziamento fino al 75% del costo complessivo.
L’energia
L'utilizzo delle moderne tecnologie di captazione di energia solare con trasformazione e
produzione di energia elettrica, assume un particolare significato dimostrativo nell'applicazione agli
edifici residenziali, oggi assai carente di esperienza nel campo specifico. Il contesto del Villaggio
Fotovoltaico, localizzato all'interno di un piano per edilizia residenziale pubblica, consente di
sperimentare in modo significativo la sostenibilità del programma destinato ad utenze sociali
deboli o di fascia assistita.
Il programma fotovoltaico del Villaggio prevede l¹utilizzo dell'energia prodotta negli edifici
dell'A.T.C., delle Cooperative Indivise e in quello Comunale per abbattere i costi di funzionamento
delle rispettive parti comuni. L'energia generata dagli impianti sugli edifici privati (Imprese e
cooperative divise) viene destinata prevalentemente agli usi domestici dei singoli alloggi inseriti nel
programma fotovoltaico.
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Il programma europeo “HIP HIP”
Il Progetto Integrato "Villaggio Fotovoltaico" partecipa attraverso la Consulta Edilizia al
programma Europeo "HIP-HIP": House Integreted PV-Hightech In Pubblic n. NNE5/1999/430.
L'obiettivo dell'intervento è stato quello di contribuire, mediante la standardizzazione internazionale
e la realizzazione di numerosi impianti, alla riduzione dei costi della tecnologia fotovoltaica in
Europa, oggi ancora troppo elevati.
Riguardo a:
Efficienza energetica: esso si propone l'ottimizzazione del bilancio energetico degli edifici sui quali
saranno installati gli impianti fotovoltaici. Tale obiettivo si raggiunge anche utilizzando materiali e
tecniche costruttive adeguate e attraverso una responsabilizzazione degli utenti sui consumi
energetici. Qualità progettuale: particolare cura è stata dedicata all'ottimizzazione progettuale e
disposizione fisica degli edifici rispetto a fattori quali: l'orientamento, l'inclinazione degli impianti,
lo studio geo-climatico ed alla fisica ambientale. In questo quadro si inseriscono anche le analisi dei
vincoli tecnici del sito, della integrazione architettonica e delle ombre incidenti.
Ricadute sociali: è stato assunto l’incarico all'interno di HIP-HIP dal coordinamento del
Programma Integrato di partecipazione ai Gruppi di Lavoro orizzontali con gli altri partners europei
sui temi:

Comportamento degli utenti;
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
Disseminazione dei risultati.
La tecnologia e prospettive future
Un dispositivo fotovoltaico è in grado di trasformare direttamente la luce solare in energia
elettrica, sfruttando il cosiddetto effetto fotoelettrico ( vedi allegato a fine capitolo) e senza causare
inquinamento acustico o atmosferico. E’ inoltre particolarmente affidabile, necessita di scarsa
manutenzione, assicura un grande risparmio energetico ed è in grado di produrre qualsiasi
potenza di energia sia in rete che stand-alone. Caratteristica principale degli impianti fotovoltaici e
la grande versatilità grazie alla struttura modulare che ne permette l'impiego sia in ambito civile che
industriale. Nei Paesi in via di sviluppo questa tecnologia è usata soprattutto in alcune strutture
come scuole, ospedali dove l'alimentazione elettrica è di primaria utilità sociale. Il solare
fotovoltaico è in veloce espansione in tutti i Paesi occidentali. Molti governi hanno promosso
diverse iniziative ed erogato importanti contributi per la diffusione di questa fonte rinnovabile.
Anche in Italia il Ministero dell'Ambiente nella primavera del 2001 ha lanciato il programma
“10.000 tetti fotovoltaici” proprio nell'ottica di favorire lo sviluppo delle fonti rinnovabili.
Vantaggi del fotovoltaico
I vantaggi dei dispositivi fotovoltaici sono molteplici:
1. le esigenze di manutenzione ridotte in quanto non ci sono parti meccaniche in movimento;
2. vengono eliminate le perdite di distribuzione dell'energia elettrica perché vengono installati
vicino all'utilizzatore finale
3. non produce inquinamento di alcun genere (acustico, atmosferico, ecc.) durante il suo
funzionamento;
4. è possibile prevedere la produzione annuale di energia con un piccolo margine di errore,
indipendentemente dalla variabilità di richiesta;
5. la potenza dell'impianto può essere modificata in qualsiasi momento senza problemi;
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6. la loro integrabilità garantisce la salvaguardia dell’aspetto estetico delle costruzioni.
Utilizzi degli impianti fotovoltaici
I sistemi fotovoltaici sono facilmente inseribili in edifici e strutture di arredo urbano con un
atto livello di integrazione architettonica. Possono essere combinati con i tradizionali materiali da
costruzione o addirittura fungere da elementi costruttivi quali ad esempio tegole o mattoni.
Soddisfano inoltre i requisiti di ogni buon materiale di rivestimento come la resistenza
l'impermeabilità il controllo dei livelli acustici l'isolamento termico la schermatura e la protezione
dal fuoco. I sistemi fotovoltaici sono particolarmente adatti - attraverso impianti stand-alone che ne
consentono il funzionamento senza
collegarsi alla rete - come componente costruttiva
multifunzionale di varie tipologie di sistemi, per esempio parchimetri, cabine telefoniche,
illuminazione stradale, pannelli informativi, segnali stradali, semafori, pensiline e parcheggi.
L'impiego di sistemi fotovoltaici stand-alone permette di garantire un approvigionamento
energetico anche ad edifici situati in zone isolate e lontani dalla rete elettrica.
L'estrema importanza di diffondere la cultura fotovoltaica e la ferma convinzione che quella
delle energie rinnovabili sia una strada da percorrere per la salvaguardia dell' ambiente, ha fatto
nascere molteplici programmi a livello nazionale, regionale e comunitario per aiutare, con una
politica di incentivi e finanziamenti, i progetti in ambito fotovoltaico.
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ALLEGATO : L’EFFETTO FOTOELETTRICO
L’ IMPORTANZA STORICA DELL’EFFETTO FOTOELETTRICO
L’effetto fotoelettrico fu osservato, inconsapevolmente, da Hertz e deve il suo nome a Righi. Valse
il Premio Nobel sia a Lenard (1905) perché lo studiò che ad Einstein (1921) perché lo interpretò.
Infine, aprì la discussione sull’esistenza o meno dei quanti di luce, introdotti per la prima volta da
Plank, per spiegare il comportamento del corpo nero.
IMPORTANZA PRATICA DELL’EFFETTO FOTOELETTRICO
La tecnologia di uso quotidiano utilizza largamente l’effetto fotoelettrico, di cui siamo
“inconsapevoli” spettatori ogni volta che prendiamo l’ascensore ed osserviamo il funzionamento a
scorrimento delle sue porte. Un raggio luminoso, infatti, attraversa lo specchio della porta aperta; lo
stesso raggio luminoso colpisce una cellula fotoelettrica per produrre elettroni che attivano il
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circuito elettrico di chiusura della porta. Il raggio luminoso viene interrotto dal nostro passaggio; in
questo modo si interrompe la corrente elettrica, così da impedire che la porta si richiuda.
LE PRIME OSSERVAZIONI SULL’EFFETTO FOTOELETTRICO
Nel 1887 Heirich Hertz dimostra sperimentalmente sia l’esistenza delle onde elettromagnetiche, sia
che la loro velocità è uguale a quella della luce (c ≈ 3,0*108 m/s), conferendo, così, validità alla
teoria elettromagnetica di Maxwell.
Alcuni degli stessi esperimenti, però, mettono in luce un nuovo e misterioso fenomeno, che metterà
in crisi proprio la teoria elettromagnetica della luce aprendo la strada alla fisica quantistica.
Infatti Hertz osserva che determinati metalli si scaricano se sottoposti ai raggi X.
L’anno successivo, Augusto Righi osserva, invece, che sottoponendo a radiazione ultravioletta due
elettrodi nasce un arco voltaico; battezza tale fenomeno effetto fotoelettrico.
Quattro anni dopo la scoperta dell’elettrone, avvenuta nel 1895 ad opera di Thomson, il fisico
tedesco Philip Lenard ipotizza che le particelle emesse dai metalli colpiti dalla luce sono proprio gli
elettroni. Quando inizia ad eseguire esperimenti su questo fenomeno, scopre che le condizioni di
emissione degli elettroni da parte dei metalli variano da metallo a metallo. La sorpresa maggiore
consiste nel fatto che l’intensità luminosa può aumentare senza, però, produrre aumento nell’energia
con cui gli elettroni sono emessi. Anzi, si scopre che per ogni metallo esiste una particolare
frequenza caratteristica; se la radiazione incidente è di frequenza inferiore non si osserva nessuna
emissione elettronica. La soglia “fotoelettrica” di zinco e magnesio è nell’UV, quella del sodio nella
zona del visibile.
DEFINIZIONE DELL’EFFETTO FOTOELETTRICO
I risultati sperimentali portano all’individuazione degli elementi caratterizzanti il fenomeno
fotoelettrico, che si possono così riassumere:
1) gli atomi emettono elettroni solo e solo se la frequenza della radiazione incidente è superiore
al valore della soglia fotoelettrica
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
2) l’energia cinetica degli elettroni emessi dipende dalla frequenza della radiazione
elettromagnetica incidente e non dalla sua intensità
3) il numero di elettroni che fuoriescono in un secondo dipende dall’intensità della radiazione
elettromagnetica incidente
LA LEGGE DELL’EFFETTO FOTOELETTRICO
L’effetto fotoelettrico è regolato dalla relazione di Einstein. Essa lega l’energia cinetica Ecin
dell’elettrone fotoemesso alla frequenza f della radiazione incidente:
Ecin = hf – hf0
dove Ecin = ½ mv2max
e hf0 = Lavoro di estrazione
Il secondo membro deve essere, comunque, maggiore di zero; sviluppando la disequazione si
ottiene che f è maggiore d f0, che rappresenta la frequenza minima che la radiazione deve possedere
per estrarre l’elettrone dal metallo; f0 è la soglia fotoelettrica caratteristica di ogni metallo.
Einstein formula questa relazione nel 1905 per pura intuizione. Essa si rivela il tentativo riuscito di
porre in relazione l’effetto fotoelettrico con i risultati di Planck riguardo l’irraggiamento del corpo
nero e la teoria dei quanti di luce.
Einstein utilizza il concetto di quanto di luce ipotizzandolo come capace di comunicare la sua
energia E = hf all’atomo del metallo; se l’energia comunicata è superiore al lavoro di estrazione,
l’energia in eccesso si ritrova come energia cinetica dell’elettrone emesso.
EINSTEIN INTERPRETA LA NATURA DELLA LUCE
Gli esperimenti condotti sull’emissione di elettroni da un metallo per effetto fotoelettrico hanno
messo in luce, fin dall’inizio, dei fenomeni non spiegabili con la teoria ondulatoria della luce; la
luce blu, ad esempio, rende gli elettroni più veloci che non la luce gialla, mentre la luce rossa può
non causare fotoemissione.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Come scritto sopra, Einstein trova la risposta applicando la teoria dei quanti formulata da Plank nel
1900, che aveva suscitato ben poco interesse nel mondo scientifico perché troppo rivoluzionaria, ma
abbracciata senza preconcetti dal fisico svizzero.
Secondo la teoria quantistica il raggio luminoso non è formato da onde che si propagano, ma da
“proiettili di luce”, successivamente denominati fotoni. Un raggio di luce monocromatico, cioè
formato da una sola frequenza, è costituito da fotoni identici che trasportano un’energia
proporzionale alla frequenza (E = hf, h = costante di proporzionalità di Planck). Se si aumenta
l’intensità del fascio, allora si aumenta il numero di fotoni; i fotoni, però, mantengono inalterata la
propria energia. L’effetto fotoelettrico viene spiegato in modo semplice:
1. ogni elettrone viene espulso in seguito all’urto con un fotone singolo
2. il fotone comunica all’elettrone una ben determinata energia
3. l’aumento dell’intensità luminosa causa un aumento del numero di fotoni e quindi di urti, ma il
fotone comunica sempre la stessa energia.
Per la semplice interpretazione dell’effetto fotoelettrico Einstein ottenne il premio Nobel nel 1921.1
È da qui che si fa strada l’idea della doppia natura della luce. Questa ipotesi non deve stupire. Infatti
anche l’uomo si comporta da figlio, marito, padre, uomo d’affari a seconda delle circostanze e
dell’ambiente: non si comporta da marito con un cliente, eppure nessuno si stupisce di ciò.
Quindi la luce manifesta proprietà corpuscolari o ondulatorie a seconda della situazione in cui si
trova.
Bohr sosteneva che gli esperimenti volti a provare la natura ondulatoria della luce non potevano
mettere in evidenza la sua natura corpuscolare e viceversa, giungendo a formulare il principio di
complementarietà.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
CAPITOLO 2
IL PROCESSO FOTOVOLTAICO. FONDAMENTI
Sin dalle più antiche civiltà, l'energia solare è stata impiegata (agricoltura, riscaldamento, etc.) per il
suo contenuto calorico, sfruttando soltanto una frazione dello spettro elettromagnetico della
radiazione solare: quella relativa alle onde lunghe (infrarosso).
Con l'approfondimento delle conoscenze sulla fisica della materia, si è compreso che la proprietà di
certe sostanze di condurre elettricità deriva dal fatto di poter rendere liberi gli elettroni dei legami
atomici, a spese di energia elettromagnetica di determinata lunghezza d'onda, cioè ad opera di
fotoni di determinata energia. Su questo principio si basa il processo di conversione fotovoltaica,
che oggi si attua mediante le celle solari.
Da un punto di vista estetico, la conversione fotovoltaica - il processo mediante il quale la luce
viene convertita silenziosamente e direttamente in elettricità - è assai elegante e sotto il profilo della
applicazione pratica è molto promettente. Un richiamo delle cognizioni di fisica coinvolte aiuterà a
comprendere il meccanismo di questo processo.
LA LUCE.
L'effetto fotovoltaico,
consiste
nel manifestarsi
di un potenziale elettrico
conseguente
all’ assorbimento di luce da parte di una sostanza, ed è stato descritto per la prima volta - nel 1839 da E. Bequerel. Questi osservò che, quando due elettrodi identici vengono immersi in un elettrolito,
tra di essi si stabilisce una differenza di potenziale se uno viene illuminato e l'altro tenuto al buio.
Prima di descrivere tale effetto, è opportuno rammentare un problema che per lungo tempo ha
interessato la fisica: quello della natura della luce. Vi sono fenomeni (per es. la diffrazione) che
sembrano indicare una natura ondulatoria della luce ed altri che sembrano indicarne una natura
corpuscolare (per es. proprio l'effetto fotovoltaico).
Nel primo caso, la luce consisterebbe in una perturbazione elettromagnetica periodica propagantesi,
con una velocità c = 300.000 km/s, in un misterioso ipotetico mezzo chiamato « etere ». Tale
perturbazione è caratterizzata, oltre che dalla velocità di propagazione
c, dal periodo T del fenomeno, ovvero dalla frequenza  = 1/T e dalla lunghezza d'onda , cioè
dallo spazio , in cui la perturbazione si è propagata in un periodo T . Fra le grandezze suddette
vale la c =  .
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Al variare di  varia il colore della luce. Considerando uno spettro della radiazione elettromagnetica
più ampio di quello della luce, si passa, al decrescere di  , dalle onde radio (km-mm) alle onde
infrarosse (0,1-0,7 micrometri), visibili (0,7-0,4 micrometri), ultraviolette, raggi X (10 8 - 10-11 m),
raggi  (10-11- 10-13 m), raggi cosmici (10-13-10-15 m). A miglior comprensione, la fig. 4.1 presenta il
quadro delle frequenze e delle lunghezze d'onda.
Vi sono tuttavia esperienze in cui, come si è detto, la radiazione sembra avere una natura
corpuscolare, come se fosse cioè costituita da particelle materiali che si muovono con velocità
molto grande (della luce) e che quindi sarebbero dotate di una massa e di una quantità di moto.
La fisica moderna ha risolto il problema, dimostrando che la radiazione elettromagnetica ha una
natura duale, manifestandosi talvolta (in certe esperienze) con il suo aspetto ondulatorio, altre
volte con il suo aspetto corpuscolare, cioè come se fosse costituita da particelle.
Più in generale, ad ogni corpuscolo in moto va sempre associata un'onda, ma solamente in alcuni
casi è possibile eseguire esperienze che mettano in evidenza ora l'aspetto corpuscolare ora quello
ondulatorio. La particella associata alla natura corpuscolare di un’ onda elettromagnetica è il fotone.
Il concetto di fotone fu introdotto - sotto il nome di quantum di luce - da Einstein nel 1905, appunto
per spiegare le leggi dell'effetto fotoelettrico.
Fig. 4.1 - frequenza e lunghezza d’onda della radiazione elettromagnetica
RADIAZIONE SOLARE SULLA SUPERFICIE TERRESTRE.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
L'energia in continuità generata dal Sole, la cui superficie ha -a temperatura di circa 6.000 °C, si
manifesta sotto forma di flusso continuo di fotoni, di varia energia, che partono dalla superficie de1
Sole e in circa otto minuti e mezzo raggiungono la Terra (infatti, a distanza tra il Sole e la Terra è di
circa 150 milioni di km, la velocità dei fotoni è 300.000 km/s e perciò i fotoni impiegano otto
minuti e mezzo per coprire la distanza). Ogni fotone che raggiunge Terra ha tutta l'energia che
possedeva in partenza dal Sole.
Lo spettro della radiazione solare, in vicinanza della Terra, ma di sopra dell'atmosfera, è illustrato in
fig. 4.2. Il totale dell'energia in arrivo dal Sole, cioè la costante solare è pari a:
1,92 cal /cm2 min  1,35 kW/m2
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Fig. 4.2 - Lo spettro solare al di sopra della atmosfera e sul suolo terrestre
Sul suolo terrestre, a livello del mare, l'energia solare disponibile è minore , a causa
dell'assorbimento che la radiazione solare subisce
nell'attraversamento
di quella
al di sopra
dell’atmosfera. In fig.4.2, l'area compresa tra la curva punteggiata e la curva a tratto continuo
rappresenta la porzione di radiazione assorbita dall'atmosfera terrestre.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
La radiazione solare che arriva sul suolo terrestre si compone di radiazione diretta e di radiazione
diffusa. Con cielo sereno, le quantità relative di radiazione diretta e diffusa variano durante il giorno
con l'angolo della posizione del Sole rispetto all'orizzonte. La proporzione tra radiazione diretta e
diffusa dipende anche dal vapor acqueo, anidride carbonica (CO2) e polveri presenti nell'atmosfera.
La radiazione diretta è dieci volte maggiore di quella diffusa, quando il Sole è sulla verticale del
luogo, ma la radiazione diffusa eguaglia quella diretta quando il Sole è vicino all'orizzonte. Nelle
giornate nuvolose la radiazione diffusa supera in intensità la radiazione diretta in ogni ora del
giorno.
Vapor d'acqua, polvere, etc. hanno anche notevole effetto sulla distribuzione spettrale della
radiazione solare. Questa, nello spazio oltre l'atmosfera, è ben definita; viceversa, sul suolo terrestre
è molto sensibile alle condizioni atmosferiche. La componente infrarossa di lunghezze d'onda
maggiori di 0,8 micrometri risulta fortemente influenzata dal vapor d'acqua e dal CO2.
Oltre che dalle condizioni atmosferiche, l'intensità dell'irraggiamento solare disponibile sulla Terra
e la distribuzione spettrale dipendono dalla massa d'aria attraversata dalla radiazione. In condizioni
atmosferiche favorevoli, la massima intensità di radiazione incidente a mezzogiorno su di una
superficie orizzontale, a livello del mare è pari ad 1 chilowatt per metro quadrato. Alla altitudine di
1000 m tale valore sale a circa 1,05 kW/m2 e sulle montagne più alte è leggermente superiore a 1,1
kW/m2. Questi valori sono da confrontare con il valore della costante solare, cioè l'intensità di
irraggiamento oltre l'atmosfera terrestre che, come sopradetto, è di circa 1,35 kW/m'. Quest' ultimo
valore è denominato « AMO » (che sta per Air Mass 0), mentre il massimo valore sul suolo terrestre
a livello del mare viene detto « AMI », che sta per Air Mass l. Vale a dire che con « Air Mass » si
indica la lunghezza del percorso della radiazione nell'atmosfera, considerando unitario il percorso
verticale fino al livello del mare.
Perciò, in condizioni AMI, in una giornata serena, a mezzogiorno, se tutta la radiazione solare che
arriva su di una superficie orizzontale di 1 m2 fosse convertibile in elettricità, si otterrebbe energia
elettrica sufficiente - per esempio - per accendere 10 lampadine elettriche da 100 W cadauna: è una
energia notevole. Sfortunatamente, non è fisicamente possibile convertire in elettricità neppure la
metà dell'energia solare in arrivo, ma in ogni caso l'energia elettrica ricavabile dal processo
fotovoltaico è economicamente attraente.
LE BANDE DI ENERGIA
Quasi tutti i materiali hanno struttura cristallina, cioè i loro atomi sono posizionati secondo un
reticolo periodico in un solido cristallino. A titolo di esempio, la fig. 4.5 rappresenta il reticolo
cristallino del rame che ha una struttura cubica a facce centrate (f.c.c.)
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Fig. 4.5 - Reticolo cristallino del rame
Nei cristalli, ciascun livello di energia appartiene ad una fascia di livelli di energia che prende il
nome di banda di energia.
Se l'elettrone può assumere qualsiasi valore di energia interno alla banda, allora la banda viene
denominata permessa.
L'insieme dei livelli di energia compresi tra due bande permesse si chiama invece banda proibita o,
anche, gap di energia, ( Eg ) .
Ogni cristallo ha quindi una serie di bande permesse e di bande proibite. La più alta banda di
energia occupata da elettroni viene denominata banda di valenza.
La banda permessa immediatamente superiore (che alla temperatura di zero gradi assoluti è vuota),
prende il nome di banda di conduzione. Quest'ultima può essere separata dalla banda di valenza da
un intervallo di energia proibita (gap) il cui valore va da qualche decimo di eV a qualche eV.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
In fig. 4.6 a sinistra è rappresentata la distribuzione non continua dei valori di energia che gli
elettroni possono assumere in un atomo isolato: ad ogni valore di energia corrisponde una delle
possibili orbite degli elettroni attorno al nucleo, cioè gli elettroni possono assumere soltanto valori
di energia compresi nelle bande permesse, indicate ombreggiate nella figura.
Fig. 4.6 – Bande di energia in un atomo isolato
Per chiarire meglio il concetto di banda, supponiamo gli atomi abbastanza lontani l'uno dall'altro da
non interagire; l’energia degli elettroni è allora quella degli atomi liberi e i livelli permessi,
corrispondenti alle energie che un elettrone può effettivamente assumere, sono separati da zone di
energia proibite. Parecchi elettroni occupano contemporaneamente lo stesso livello nei vari atomi,
cioè hanno la stessa energia.
Immaginiamo ora di avvicinare gli atomi: al diminuire della distanza. gli elettroni degli strati più
esterni interagiscono e ciò provoca una alterazione della loro energia; i livelli singoli si « allargano
», dando luogo a un intervallo di possibili livelli energetici:si è così formata una banda di energia.
In queste condizioni, gli elettroni di valenza non restano legati a un singolo atomo, ma possono
trasferirsi da un atomo all'altro, tanto più facilmente quanto maggiore è la larghezza della banda.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
GENERAZIONE DELLE COPPIE ELETTRONE-BUCA.
Quando un fotone interagisce con un elettrone di un atomo, l'elettrone può assorbire parte
dell'energia luminosa, ed accedere ad un livello energetico superiore. Nei materiali a struttura
cristallina questi livelli di energia possono assumere soltanto certi valori discreti. Il concetto è
illustrato in fig. 4.7, nella quale l'elettrone è rappresentato da una pallina che, ricevendo energia
dall'esterno, risale il gradino di una scalinata, da A a B, guadagnando così energia potenziale. La
pallina può ricadere in A, ma non può rimanere intrappolata in un punto qualsiasi tra A e B.
Se riusciamo a raccogliere palline sul gradino B e a farle ritornare sul gradino A lungo un altro
percorso, saremo in grado di ricuperare - sotto forma di lavoro utile - l'energia potenziale
immagazzinata in B.
Fig.4.7 – Trasferimento elettronico in un semiconduttore cristallino
Con analogo meccanismo, attivato in un materiale adatto, si genera una differenza di potenziale che
può essere utilizzata per far fluire gli elettroni lungo un circuito esterno.
Per far passare un elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione, occorre fornirgli una
energia almeno uguale a quella dell'Energy gap (Eg). Quando un elettrone assorbe, o per via termica
o per via luminosa, una quantità di energia uguale o maggiore di Eg, si trasferisce da una banda
all'altra, producendo una coppia elettrone-buca, come indicato in fig. 4.8 nella quale in A è
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
illustrato lo spostamento di un elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione, mentre in B
è indicato il processo di ricombinazione, cioè il ritorno dell'elettrone nella sua posizione primitiva.
Fig.4.8 – Generazione di una coppia elettrone-buca (A) e ricombinazione, cioè ritorno dell’elettrone nella sua collocazione primitiva(B).
Dal punto di vista della conducibilità elettrica interessano le due bande permesse associate agli
elettroni più esterni, dette rispettivamente di conduzione e di valenza, separate dall'Energy -gap del
materiale.
I materiali definiti isolanti presentano valori elevati di Eg (per es. la silice, SiO 2,, ha un Eg pari a 8
elettronvolt) e perciò è difficile far passare un elettrone dalla banda di valenza a quella di
conduzione.
I materiali definiti semiconduttori sono caratterizzati da valori minori di Eg (per es. il silicio, Si, ha
un Eg pari a 1,1 elettronvolt), per cui è relativamente facile spostare gli elettroni da una banda
all'altra, anche soltanto per effetto termico.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
La luce incidente su un semiconduttore può provocare trasferimenti di elettroni da una banda
all'altra. L'intensità del fenomeno dipende dall'energia della luce E, ovvero dalla sua lunghezza
d'onda ), essendo queste due grandezze legate dalla:
E=h
 = c/
nelle quali h è la costante di Plank, c e  rappresentano rispettivamente la velocità e la frequenza
della radiazione luminosa.
Se h  è minore di Eg, la luce non ha sufficiente energia per provocare il trasferimento di elettroni
da una banda all'altra, per cui non viene assorbita ed il materiale risulta trasparente a quella
particolare lunghezza d'onda.
Quando, invece, h v è uguale o maggiore di Eg, la luce viene assorbita entro una certa distanza dalla
superficie, generando coppie elettrone-buca. La profondità dell'assorbimento dipende dalla
lunghezza d'onda della luce ed è, generalmente, di alcuni micrometri.
I SEMICONDUTTORI.
Come detto in precedenza, se lo strato più esterno di un atomo contiene soltanto 1 o 2 elettroni,
questi sono trattenuti in quello strato da forze deboli e perciò si spostano facilmente da un atomo
all'altro. Gli elementi naturali composti di atomi di questo tipo sono metallici e conducono
facilmente l'elettricità, la quale non è altro che un flusso continuo di questi elettroni esterni che si
muovono per effetto delle forze su di essi esercitate da un campo elettrico. (Un reoforo - cioè un
conduttore metallico filiforme - può essere paragonato ad un tubo pieno di acqua: se nuovi elettroni
vengono forzati ad entrare in una delle estremità del filo, gli elettroni già presenti nel filo stesso
tendono a sfuggire dalla estremità opposta. Un generatore elettrico è semplicemente un dispositivo
che fornisce la « spinta » agli elettroni già presenti nel filo; ciò che esso provoca è un flusso di
elettroni, cioè una corrente elettrica, ma non crea nuovi elettroni).
Per contro, se lo strato più esterno di un atomo contiene 6 o 7 elettroni, il materiale non è metallico,
bensì isolante, perché i suoi elettroni sono trattenuti saldamente.
Fra questi due estremi esistono elementi naturali i cui atomi hanno 3, 4, 5 elettroni nello strato
esterno: questi elettroni possono essere resi liberi, ma a condizione che ad essi venga trasferita
energia addizionale, dall'esterno. Poiché i materiali di questo tipo presentano conduttività elettrica
minore, essi vengono detti semiconduttori.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
La proprietà dei semiconduttori di condurre elettricità, deriva dal fatto di poter rendere liberi gli
elettroni dei loro legami atomici, a spese di energia elettromagnetica di determinata lunghezza
d'onda.
Il semiconduttore attualmente più usato per la conversione fotovoltaica è il silicio, il cui atomo
conta 14 elettroni, dei quali i 4 nello strato esterno sono elettroni di valenza. Si dice perciò che il
silicio ha valenza 4: ciò significa che dei 14 elettroni esistenti in ogni suo atomo, 4 sono
disponibili per interagire con atomi di elementi differenti, così formando composti chimici, oppure
con altri atomi di silicio, dando luogo, in questo caso, ad una struttura cristallina cubica.
Quando un atomo di silicio è colpito da un fotone dotato di energia uguale o maggiore dell'Energy
gap Eg, il fotone viene prontamente assorbito e l'energia ceduta all’atomo eccita, cioè attiva, uno
dei 4 elettroni esterni e lo libera. Questo fenomeno si verifica con maggiore risalto quando gli atomi
di silicio sono distribuiti nel modello regolare e riproducibile che è caratteristico dello stato
cristallino.
L'elettrone così liberato, scatterà attraverso il reticolo cristallino, lasciando vacante la posizione che
in precedenza occupava e così creando una buca (lacuna). Come conseguenza di questo processo,
l'elettrone che prima era di valenza è diventato di conduzione.
Ne consegue che, nei semiconduttori, la conducibilità elettrica dipende, oltre che dagli elettroni
liberi, anche dalle buche. In un semiconduttore puro il numero di elettroni liberi è uguale al numero
delle buche. Perciò se con n si indica la concentrazione degli elettroni e con p quella delle buche, in
ogni istante è:
n = p. Questa concentrazione è detta intrinseca e si indica con n i . I semiconduttori
nei quali si verifica la condizione n = p sono detti intrinseci.
CELLE FOTOVOLTAICHE DI SILICIO.
Idealmente, il processo fotovoltaico si può attivare con tutti i materiali semiconduttori; in pratica i
semiconduttori più usati sono quelli a più alta efficienza, cioè quelli che realizzano il valore più alto
del prodotto I  V (cioè corrente X tensione) quando sono illuminati con luce visibile. Infatti, la
maggior quantità di energia trasmessa dai raggi solari sta nella parte visibile dello spettro solare.
Il semiconduttore oggi più usato per fabbricare celle solari è il sìlicio.
Con il silicio, tutti i fotoni dotati di energia superiore a 1,08 elettronvolt (Eg) (corrispondente alla
lunghezza d'onda di 1,15 micrometri, nell'infrarosso) sono assorbiti e liberano un elettrone
dall'atomo che hanno colpito.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Dall'esame dello spettro solare sembrerebbe che quasi tutta l'energia luminosa solare possa essere
convertita in elettricità; sfortunatamente non è così, poiché un fotone può liberare soltanto un
elettrone. Inoltre, di ogni fotone che possiede più energia di quella richiesta per liberare un
elettrone, la porzione di energia in eccesso viene convertita nel silicio in calore anziché in
elettricità.
Il risultato netto è che le celle solari al silicio possono convertire in elettricità non più del 23% della
energia totale della radiazione luminosa. In pratica nelle celle solari si presentano altri inconvenienti
che limitano ulteriormente la quantità di elettricità che può essere prodotta: di essi si dirà dopo aver
descritto il funzionamento delle fotocelle.
IL DROGAGGIO DEL SILICIO INTRINSECO.
L'effetto fotoelettrico è illustrato in fig.4.9 nella quale gli atomi di un cristallo di silicio (in fig. 4.9 i
cerchi grandi) sono allineati in una struttura cubica di cui la fig. rappresenta una sezione. Ogni
atomo ha 4 elettroni esterni (in fig. i puntini neri) che l'atomo stesso condivide con un atomo
adiacente, per costituire una struttura cristallina perfetta. Nella fig.4.9 è rappresentato un fotone che
colpisce un elettrone e lo « libera »: al posto dell'elettrone rimane la buca , lacuna.
Quando un raggio di luce investe un reticolo cristallino di silicio, milioni di elettroni vengono
liberati in tal modo e simultaneamente si produce un egual numero di buche.
Ogni elettrone che nel suo moto casuale raggiunge una buca, la può occupare, producendo in tale
processo una piccola quantità di calore. Non appena la luce cessa di illuminare il cristallo, tutti gli
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
elettroni in precedenza spostati vengono riassorbiti nelle rispettive buche:
Fig. 4.9 – Effetto della luce solare su un cristallo di silicio
il cristallo ritorna nelle sue condizioni iniziali, subendo un piccolo aumento di temperatura. Poiché,
in questo processo, gli atomi non cambiano posizione, il cristallo rimane inalterato come
dimensione, forma ed apparenza.
Il normale comportamento del cristallo di silicio, può essere modificato: introducendo nel cristallo
pochi atomi di una differente sostanza, che modifica l’assetto elettronico interno nel cristallo.
Due elementi tipicamente usati per questo scopo sono: il boro, B, che ha 3 elettroni nello strato
esterno ed il fosforo, P, che ne ha 5. La quantità addittiva di tali « impurità » deliberatamente
introdotte è piccolissima: dell'ordine di una parte su un milione. Questa pratica viene denominata
drogaggio e le sostanze addittive usate, droganti.
Quando ad un cristallo di silicio si aggiunge un atomo di boro, si produce nel reticolo cristallino una
mancanza (vacanza) di elettrone. Perciò un cristallo di silicio drogato con boro necessita di elettroni
per completare il reticolo e quindi tende ad assorbirli. Viceversa, il silicio drogato con atomi di
fosforo, ciascuno dei quali ha 5 elettroni nello strato esterno, avrà un eccesso di elettroni nel suo
reticolo.
Il silicio che si ottiene attraverso questa operazione di drogaggio viene detto drogato ovvero
estrinseco.
LA GIUNZIONE
Si può fabbricare una fotocella mettendo un sottile strato di silicio drogato con fosforo, a contatto
intimo con uno strato di silicio drogato con boro. Quando la luce illumina la cella, i fotoni in arrivo
vengono assorbiti e liberano degli elettroni. Gli elettroni in eccesso si accumulano nel silicio
drogato con fosforo, che viene detto silicio n, perché gli elettroni hanno carica negativa. Se una
estremità di un reoforo (cioè di un filo metallico) viene messa a contatto con la faccia anteriore,
fotosensibile, della cella e l'altra estremità viene messa a contatto con la faccia opposta della cella,
gli elettroni abbandonano la faccia anteriore, fluiscono lungo il reoforo e raggiungono la faccia
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
posteriore, dove vengono assorbiti dalla suddetta faccia di silicio drogato con boro, che viene detta
silicio P, cioè positivo.
Il processo suddetto è descritto nella fig. 4.10 che illustra il funzionamento di una cella solare fatta
di silicio monocristallino: la luce solare incidente sul silicio libera elettroni che si concentrano nello
strato di silicio n. Di qui gli elettroni fluiscono attraverso i contatti elettrici, lungo il reoforo esterno
e completano il circuito ritornando verso lo strato di silicio p. Gli elettroni che fluiscono lungo il
circuito elettrico esterno costituiscono una corrente elettrica utilizzabile.
Rimane da spiegare come mai gli elettroni liberati dai fotoni fluiscano lungo il circuito esterno, di
utilizzazione, anziché essere riassorbiti nelle buche che essi stessi hanno lasciato nel cristallo.
Fig.4.10 - Schema di funzionamento di una cela solare
Quando la cella viene fabbricata, in corrispondenza dell’interfaccia i due strati di silicio p e n, si
verifica un fenomeno particolare: istantaneamente alcuni degli elettroni in eccesso nello strato n si
diffondono per un breve tratto, attraverso l'interfaccia, nello strato p sottostante. Questi elettroni
sono attirati dalle buche colà esistenti, che essi tendono ad occupare. La parziale rnigrazione di
elettroni cessa allorché il campo elettrico creato dal doppio strato di carica (positiva nella zona n,
negativa nella zona p ) raggiunge una intensità sufficiente a bloccare il passaggio di elettroni.
Di conseguenza, lungo la zona di contatto tra i due strati di silicio n e p - zona di giunzione - si
forma uno strato sottilissimo di carica elettrica statica, detta carica spaziale o, anche, zona di
svuotamento, perché è priva sia di elettroni nello strato n sia di buche nello strato p dato che tutti gli
elettroni sono stati assorbiti dalle buche.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Il fenomeno è illustrato in fig. 4.11 nella quale i cerchi grandi rappresentano atomi di silicio e i
punti neri, gli elettroni. L'atomo neutro di fosforo, P, originariamente ha 5 elettroni; l'atomo neutro
di boro, B, ne ha soltanto 3 e la mancanza di un elettrone per completare i legami del Si equivale
alla presenza di una buca nel reticolo cristallino.
Di conseguenza l'elettrone in eccesso dell'atomo di fosforo si sposta immediatamente per andare a
riempire la buca. Perciò l'atomo dì fosforo rimane con una carica netta positiva e l'atomo di boro
cattura la carica negativa dell'elettrone aggiunto. Questo processo si svolge spontaneamente, senza
intervento di luce, cioè di fotoni.
Fig. 4.11 – Formazione della barriera di cella o carica spaziale
Lo scambio sopradescritto interseca una regione estremamente sottile nella quale sono a contatto i
due strati, dello stesso materiale semiconduttore, drogati in modo opposto. ( omogiunzione )
Simile comportamento, si può stabilire anche tra due materiali semiconduttori differenti, oppure tra
un semiconduttore ed un metallo; in questo caso la giunzione viene detta eterogiunzione.
La presenza del doppio strato di carica origina la barriera di cella: quando si fabbrica una cella, la
barriera si stabilisce istantaneamente e dura per tutta la vita della cella. Tale barriera è sottilissima:
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
dell'ordine di un centomillesimo di mm. Ogni cella solare deve avere tale barriera, senza la quale
non potrebbe funzionare come generatrice di elettricità.
Dato che la barriera rappresenta una resistenza al passaggio di elettroni, soltanto elettroni ad alta
energia (cioè dotati di grande velocità) possono penetrare in essa. Di conseguenza, la barriera
funziona come un filtro che si lascia attraversare soltanto dagli elettroni ad alta energia ed arresta gli
elettroni a bassa energia.
UNA ANALOGIA.
Per descrivere il comportamento degli elettroni in presenza della barriera, si può ricorrere ad una
analogia .
Una fotocella può essere paragonata a due tavole sulle quali stanno numerose palline (fig. 4.12).
Queste due tavole sono congiunte l'una con l'altra mediante un piccolo dosso che le palline possono
superare soltanto se hanno sufficiente velocità. La tavola A (a sinistra) viene fatta vibrare
moderatamente nel piano orizzontale, cosicché le palline entrano in movimento e occasionalmente
qualche pallina riesce a superare il rilievo e a trasferirsi sulla tavola B. Quest'ultima, viceversa,
viene fatta vibrare energicamente cosicché molte palline avranno l'energia sufficiente per superare il
dosso e raggiungere la tavola A. Di conseguenza, poiché aumenta il numero delle palline che
raggiungono la tavola A e diminuisce il numero di quelle sulla tavola B, il numero di palline che
attraversano mediamente il rilievo sarà il medesimo in entrambe le direzioni e si stabilirà una
condizione di equilibrio. Se però le due tavole possono intercomunicare attraverso un tubo esterno,
la pressione delle palline in
A farà sì che qualche pallina sia spinta
tubo e a raggiungere la tavola B.
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a
percorrere il
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Fig.4.12 – Una analogia
In una cella solare
(fig. 4.13 ), la giunzione p-n è l'equivalente del rilievo tra le tavole A e
B: gli elettroni si comportano come le palline. Il reticolo cristallino del silicio p, che corrisponde
alla tavola B di fig. 4.12, ha un eccesso di buche provocate dal drogaggio con boro e queste buche
tendono ad assorbire elettroni. Il risultato finale è che vi sono pochi elettroni liberi nel silicio p, ma
quelli che sono liberi si muovono con velocità elevata (accelerati dal campo attraverso la zona di
svuotamento ), cioè hanno grande energia.
Fig. 4.13 – Come funziona una cela solare
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
L'opposto avviene nel silicio n, che corrisponde alla tavola A di fig. 4.12. Qui non vi sono
abbastanza buche e vi sono troppi elettroni, cosicché l'elettrone medio ha meno energia - perché si
muove più lentamente - di quelli nel silicio p. In entrambi gli strati di silicio gli elettroni si
muovono a caso e per caso alcuni arrivano alla barriera. Quelli a maggior energia, dal silicio p,
attraverso la barriera arrivano al silicio n, mentre gli elettroni a bassa energia nello strato n sono
impediti di ritornarvi dalla direzione del campo elettrico contrario al loro passaggio.
Come conseguenza di questo comportamento, fra i due strati si produce una differenza di potenziale
(cioè una « pressione » di elettroni).
Se un reoforo connette esternamente i due strati p ed n, gli elettroni in eccesso fluiranno
prontamente lungo il reoforo stesso.
Poiché gli elettroni migrano preferibilmente verso lo strato n, le buche nel reticolo cristallino
sembrano « muoversi » nella direzione opposta. Gli elettroni che ritornano lungo il reoforo esterno
finiscono per essere catturati dalle buche alla base dello strato p, le quali originariamente erano nate
come conseguenza degli elettroni liberati. Gli elettroni si muovono così rapidamente che non
appena la luce cessa, quasi istantaneamente gli elettroni liberi ritornano ad occupare le buche ed il
processo subito si arresta.
In condizione di illuminazione, i fotoni che arrivano mantengono attivo il processo creando
continuamente nuove coppie elettrone-buca. Non ha importanza su quale lato della giunzione le
nuove coppie vengono create; importa soltanto che esse vengano create in vicinanza della
giunzione. Se un fotone viene assorbito nello strato n, l'elettrone che così si libera si aggiunge
semplicemente agli altri elettroni già presenti su quel lato, il che è desiderabile; infine la buca migra
attraverso la giunzione e gli elettroni che sopravvengono la riempiono. Se un fotone viene assorbito
nello strato p, il processo si svolge nello stesso modo.
Usualmente lo strato n viene fabbricato di spessore tale che la giunzione venga a trovarsi alla
profondità ottimale per assorbire i fotoni. Per il silicio, tale dimensione è di circa 0,5 micrometri. Lo
spessore totale della cella non deve superare gli 0,25 millimetri.
Teoricamente è possibile
fabbricare celle solari molto sottili e perciò di minor costo, specialmente nel caso di produzione di
massa.
Per descrivere il funzionamento della fotocella, si ricorre ad un diagramma del tipo di fig. 4.14,
nella quale la cella è immaginata nella posizione delle due tavole A e B di fig. 4.12, con il silicio n
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
sulla sinistra e la giunzione, o barriera, nel mezzo. La dimensione verticale del diagramma per
rappresentare l'energia relativa degli elettroni liberi e di quelli legati in ciascuna regione della cella.
Gli elettroni liberi, o di conduzione, rappresentati dalla linea superiore, si trasferiscono dalla regione
di maggior energia media, nel silicio tipo p a destra, attraverso la barriera, nella regione di minor
energia media nel silicio n, sulla sinistra. Simultaneamente, le buche migrano in direzione opposta.
Fig. 4.14 – Moto degli elettroni attraverso la barriera
Nel processo fotovoltaico gli elettroni si comportano come particelle di materia più di quanto in
realtà essi non siano. Nel cristallo essi si diffondono attraverso la barriera di potenziale, altrettanto
come le molecole di un gas si diffondono attraverso uno strato poroso.
La teoria elettronica impiega il concetto degli elettroni e delle buche per descrivere ciò che avviene
in una fotocella, poiché le vacanze nel reticolo cristallino sono luoghi di cariche positive che, nel
- 38 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
conteggio, debbono eguagliare esattamente il numero di cariche negative portate dagli elettroni in
moto. Ma, in termini di moto di particelle di materia, soltanto gli elettroni sono coinvolti.
La sola funzione dei fotoni è quella di assicurare il continuo rifornimento di elettroni, rimuovendo
elettroni dallo strato più esterno intorno al nucleo e portandoli nella banda di conduzione. La
fotocella compie il resto del lavoro. In effetti, i fotoni esplicano una azione di pompaggio e l'energia
che essi forniscono viene convertita in elettroni in movimento, cioè in una corrente elettrica,
suscettibile di tutti gli impieghi usuali della corrente elettrica.
PROPRIETÀ DELLE FOTOCELLE
La intensità di corrente (misurabile in Ampère) prodotta da una cella fotovoltaica è proporzionale
alla quantità di luce incidente sulla cella (cioè al numero di fotoni che penetrano nella cella stessa).
Pertanto la corrente aumenta con l'area della cella e con l'intensità della luce. Viceversa la tensione
dipende dal materiale semiconduttore impiegato. Tutte le celle al silicio originano circa 0,5 Volt
indipendentemente dalla superficie della cella. Connettendo in serie le celle, si ottiene il voltaggio
desiderato.
Perciò le celle solari generano energia elettrica senza consumare materiali e senza produrne. Per
questo motivo, i pannelli solari fotovoltaici possono essere delle unità sigillate, che - in linea di
principio - sono durevoli come i materiali di cui sono fatti. Sotto questo importante aspetto, i
dispositivi fotovoltaici sono molto differenti dalle batterie elettriche tradizionali. In queste ultime, il
materiale subisce mutamenti di composizione chimica, durante i quali gli atomi, sotto forma di ioni,
migrano da un elettrodo all'altro. Per es. nelle classiche batterie al piombo, quest'ultimo si scioglie
nell'acido quando si eroga elettricità e ritorna al suo posto originario quando la cella viene
ricaricata. La conseguenza e che, con il tempo, anche le migliori batterie si logorano.
Al contrario, nelle fotocelle gli atomi non cambiano posizione; soltanto gli elettroni si muovono tra
di essi. Il materiale non cambia forma né aspetto, più di quanto non subisca mutamenti un reoforo di
rame che conduca elettricità per anni. E’ perciò possibile fabbricare celle solari che funzionino per
20 o 30 anni, con piccolissima degradazione di rendimento. L'energia fornita dalla luce è semplicemente convertita in energia elettrica utilizzabile esternamente.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
I CONTATTI ELETTRICI DELLA CELLA.
Le cariche elettriche che i fotoni liberano nell'interno della cella debbono essere opportunamente
raccolte da contatti metallici, idealmente disposti come in fig. 4.10 e in realtà realizzati nella forma
schematicamente illustrata in fig. 4.15.
Fig.4.15 – Griglia di contatto elettrico
Sulla faccia posteriore della cella viene depositato uno strato di qualche micrometro di spessore di
materiale conduttore (per es. alluminio). Il contatto ohmico frontale (ossia della parte anteriore della
cella, cioè quella destinata ad essere illuminata) viene generalmente ottenuto con la tecnica della
fotolitografia. Questo contatto, a differenza di quello sul lato posteriore, non può ovviamente essere
costituito da uno strato continuo, ma deve avere una struttura a griglia.
Per rendere minima l'energia persa per oscuramento da parte della griglia sulla faccia frontale della
cella, il rapporto tra superficie della griglia (uguale alla superficie oscurata) e superficie non
oscurata deve essere il più basso possibile.
D'altra parte però bisogna tener presente che più piccolo è il suddetto rapporto, più grande è
l'energia persa per effetto Joule all'interno della griglia. Bisogna perciò disegnare una particolare
configurazione della griglia che ottimizzi l'efficienza della cella.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Fig. 4.16 rappresenta la sezione trasversale di una tipica fotocella di silicio.
PRESTAZIONI DELLE CELLE SOLARI DI SILICIO.
Volendo riassumere le considerazioni esposte nei paragrafi precedenti, si può dire che, per generare
elettricità utilizzabile, una fotocella deve soddisfare tre requisiti:
- assorbire una grande frazione di luce solare e produrre un gran numero di particelle elettricamente
cariche - elettroni e buche - all'interno della cella stessa;
- possedere un campo elettrico interno che costringa i portatori di cariche elettriche a separarsi,
impedendo in tal modo la loro ricombinazione;
- i portatori di carica cosi separati debbono poter migrare attraverso la fotocella, raggiungendo i
contatti ed il circuito esterno, senza ricombinarsi né essere intrappolati da difetti nel materiale della
cella.
Perciò, per poter utilizzare gli elettroni e le buche come sorgenti di energia elettrica, occorre evitare
la loro ricombinazione prima che essi abbiano raggiunto il circuito esterno. Si ottiene questo
risultato sfruttando le proprietà del silicio p e del silicio n, che sono contrastanti. Il silicio ha
valenza 4; il silicio drogato diviene semiconduttore di tipo p o di tipo n a seconda che siano state
introdotte microquantità di un elemento pentavalente (fosforo, arsenico) oppure di un elemento
trivalente (alluminio, boro, gallio, indio).
Si definisce rendimento quantico il rapporto tra il numero di coppie elettrone-buca generate ed il
numero di fotoni assorbiti.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Si definisce rendimento di conversione di una cella solare il rapporto tra la potenza elettrica
sviluppata in certe condizioni di illuminamento (di solito AM1) e la potenza della radiazione
incidente.
Il rendimento di conversione dipende dal materiale di cella. 1 parametri importanti che
condizionano il rendimento di un semiconduttore sono i valori e la natura della banda proibita e la
densità di difetti nel materiale, spesso espressa in termini di lunghezza di diffusione, cioè della
distanza media che un elettrone eccitato o una buca percorrono prima di essere intrappolati.
La tecnologia odierna produce celle al silicio cristallino che presentano rendimenti compresi tra il
10 e il 15%. Il rendimento teorico massimo è pari al 23%; tecniche sperimentali di laboratorio
hanno prodotto celle con rendimenti sino al 18%.
In pratica, nelle celle di silicio si presentano inconvenienti vari che limitano la quantità di energia
elettrica che può essere generata:
- anzitutto, una parte della luce solare non penetra nella cella perché viene riflessa dalla superficie
della cella stessa; questa perdita può essere ridotta mediante trattamento antiriflettente della
superficie anteriore della cella;
- in secondo luogo, la griglia metallica disposta sulla superficie anteriore della cella, allo scopo di
raccogliere l'elettricità prodotta, intercetta una piccola parte della radiazione in arrivo;
- in terzo luogo, in relazione al grado di purezza del silicio e al grado di perfezione del suo reticolo
cristallino, si verificano perdite interne di energia;
- infine, in un collettore, o pannello fotovoltaico, non tutta la superficie esposta al sole è occupata
dalle celle, in quanto rimane
inutilizzato il piccolo spazio tra una cella e quelle contigue. Anche se questa perdita viene
minimizzata costruendo celle rettangolari anziché rotonde, rimane pur sempre una superficie
inutilizzata.
Va anche osservato che, per la luce visibile monocromatica, per es. gialla o verde, il rendimento
teorico massimo di una cella solare -1 silicio è pari al 45-50%. Tuttavia i rendimenti ottenibili con a
luce solare sono minori perché lo spettro della luce solare si estende dall'ultravioletto, attraverso il
visibile, sino all'infrarosso, me illustrato in fig. 4.17; mentre le celle solari al silicio sono insensibili
alla luce al di là del visibile e alla porzione infrarossa dello spettro.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Fig. 4.17- Campo di sensibilità delle celle di silicio, confrontato con lo spettro solare oltre l’atmosfera e sul suolo terrestre
Questa caratteristica è evidenziata in fig. 4.18, che indica la curva di risposta spettrale di una tipica
cella solare al silicio.
Inoltre, sebbene l'intensità della luce solare sul suolo terrestre sia minore di quella nello spazio ultra
atmosferico, la differente composizione spettrale al livello del mare ha l'effetto di concentrare una
quantità maggiore dell'energia in arrivo nella parte dello spettro alla quale le celle solari sono
sensibili. Si è riscontrato sperimentalmente che il rendimento delle celle di silicio al suolo è - di
regola - il 20% maggiore di quello al di là dell'atmosfera. Il rendimento massimo di conversione
delle celle solari al silicio, in condizioni di massima illuminazione con luce solare può perciò
essere, al suolo, pari al 23 %.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Fig. 4.18 – Curva di risposta spettrale di una tipica cella solare di silicio
La potenza ottenibile da una cella solare diminuisce al crescere della temperatura, come è indicato
dalla fig. 4.19. In celle tipiche la perdita di rendimento ammonta a 0,35 - 0,45% per grado
centigrado di aumento della temperatura. Ciò significa che a 20°C una cella al silicio produce circa
il 20% in più di potenza che non a 70°C. La fig. 4.19 indica anche che tale perdita è dovuta ad una
diminuzione della tensione a circuito aperto; è tipico delle celle solari il fatto che la corrente sia
poco influenzata dalla temperatura.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Fig. 4.19 – Potenza, tensione a circuito aperto e corrente di corto circuito di una cella al Si di 4 cm 2 in funzione della temperatura T della cella
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LA CURVA CARATTERISTICA DELLE CELLE SOLARI.
Per effetto della barriera di potenziale di cella - essenziale per ottenere l'effetto fotovoltaico - la
cella solare al buio ha le caratteristiche di un diodo (fig. 4.20).
La relazione tra la tensione V, ai capi del diodo, e la corrente I che lo attraversa viene detta
caratteristica ed è riportata in fig. 4.21 per una cella quadrata al silicio, di 2  2 cm di lato. L'area
tratteggiata rappresenta la potenza dissipata nel carico, quando il punto di lavoro è quello indicato in
figura.
Fig.4.20 – Simbolo grafico della cella solare equivalente ad un diodo, al buio a) e in condizioni di illuminazione b)
Come si può vedere dalla fig. 4.2 1, sotto illuminazione la curva al buio (a) conserva la stessa
configurazione ma si sposta lungo l'asse dei valori negativi della corrente in funzione della intensità
della luce.
Curva caratteristica tensione V [mV] corrente I[mA] di una tipica cella solare di Si 2  2 cm2 al buio (a) e in condizioni di illuminazione AM0 (b)
Fig. 4. 21
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
La caratteristica I,V della cella solare può essere interpretata nel modo seguente. Internamente alla
barriera di potenziale di cella esistono un campo elettrico ed una differenza di potenziale
interamente dovuti alla differenza di drogaggio delle due facce del cristallo. Al buio questo campo
interno si oppone al passaggio di una corrente elettrica. Se si applica una tensione esterna in
direzione opposta, il campo si rinforza e di conseguenza si rinforza la barriera che si oppone al
flusso di elettroni, cosicché la corrente non può aumentare con la tensione.
Se si applica una tensione concorde, il campo si rinforza, la tensione interna viene progressivamente
bilanciata dalla tensione esterna che agisce in direzione opposta. Perciò la corrente aumenta sino a
che la tensione interna viene completamente superata. A questo punto la corrente non è più limitata
dalla barriera.
Quando il diodo viene illuminato, si liberano degli elettroni e questi sono stimolati dal campo
interno che li sollecita nella sua propria direzione. Come risultato si genera una fotocorrente che
fluisce in direzione opposta a quella della corrente al buio. Anche se non si applica una tensione
esterna, questa fotocorrente continua a fluire ed è misurabile come corrente di corto circuito. Questa
corrente dipende linearmente dalla intensità della luce, poiché con l'aumentare della illuminazione
aumenta il numero degli elettroni esposti alla forza del campo interno.
La fotocorrente non è influenzata dalla tensione applicata.
La potenza massima ricavabile da una cella solare si ottiene ottimizzando il prodotto IV La cella
solare può sviluppare la sua massima potenza applicando una tensione esterna, oppure connettendo
la cella alla resistenza di un carico esterno.
Per le celle al silicio funzionanti a temperatura ambiente e sotto intensità di illuminazione AMO,
tipiche tensioni a circuito aperto sono 550-600 mV e le correnti di cortocircuito sono di circa 30 mA
per cm2.
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CIRCUITO EQUIVALENTE DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA.
Per comprendere il funzionamento elettrico di una cella fotovoltaica, si
faccia riferimento alla figura 5.1.
Rs
Fig. 5. 1: Circuito equivalente di una cella fotovoltaica.
Iph = corrente erogata dalla cella.
Ij = corrente del diodo ideale.
I = corrente che fluisce in un eventuale carico.
essa rappresenta il circuito equivalente della cella.
Il generatore ideale dì corrente Iph, riportato in figura 5. 1, rappresenta la corrente fotovoltaica,
proporzionale alla superficie S della cella esposta al flusso luminoso e alla irradiazione solare L.
Iph =  S L
[5.1.1]
con  , coefficiente dipendente dal tipo di cella utilizzata.
Il diodo reale D corrisponde all'effetto raddrizzante della giunzione p-n.
Come è noto, la corrente diretta Ij attraverso il diodo, se Io è la corrente di saturazione inversa della
giunzione ed Uj è la tensione agli estremi della giunzione, vale:
Ij = Io ( e(q/kT)Uj-1)
[5.1.2]
dove:
q = carica dell'elettrone (1.6  10-19 C)
k = costante di Boltzman (1.38  10-23 J/K),
T = temperatura assoluta della giunzione.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
La resistenza parallelo Rsh corrisponde alla corrente di dispersione superficiale tra piastra e griglia
(attraverso la giunzione ).
Rs è la resistenza dovuta ai contatti, allo strato superficiale ed al corpo semiconduttore della cella.
Se U è la tensione tra i morsetti del carico e 1 è la corrente da esso assorbita, il circuito equivalente
di figura 5.1 fornisce:
I = Iph - Ij – Uj/Rsh
U= Uj - RsI
[5.1.3]
[5.1.4]
utilizzando le formule precedenti risulta:
U =I/(
q
 Iph  (1  Rs / Rsh ) I  U / Rsh 
 1 - Rs  I
) ln 
kT
Io


[5.1.5]
La [5.1.5] rappresenta la relazione tensione-corrente caratteristica della cella fotovoltaica che, è
identificata, quindi, dai parametri indipendenti:
Iph, Io, q, k, T, Rs e Rsh.
Nelle applicazioni, essendo Rsh»Rs, si ottiene:
 Iph  I 
 1  Rs  I
U = I / (q/kT) ln 
 Io

[5.1.6]
che da la tensione U come funzione esplicita di I.
A circuito aperto, cioè per I=0, la [5.1.6] fornisce la tensione a vuoto Uoc:
 Iph 
 1
U0C =I / (q/kT) ln 
 Io

[5.1.7]
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
D'altra parte, sostituendo la [5.1.2] nella [5.1.3] e trascurando la corrente Ish=Uj/Rsh, si ottiene la
relazione corrente-tensione:
I = Iph - Io [e (q/kT)(U+RsI) - 1 ]
[5.1.8]
che, analogamente alla [5.1.5] non è di forma esplicita.
In cortocircuito, cioè per U=0, la [5.1.8] fornisce la corrente di cortocircuito Isc:
Isc = Iph -Io[e (q/kT)- 1 ]
[5.1.9]
per Rs = 0, dalla [5. 1. 1 ] risulta :
Isc = Iph =  SL
[5.1.10]
Ossia la corrente di corto circuito è direttamente proporzionale alla superficie S della cella e
all'irradiazione solare L.
Se nella [5.1.3] e [5.1.4] si trascurano i termini Uj/Rsh e Rs  Is si ottiene il grafico della
caratteristica I=f(U) del generatore fotovoltaico, come differenza tra la caratteristica del generatore
ideale di corrente Iph e la caratteristica reale del diodo D (vedi figura 5.2a).
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Fig. 5.2 – Deduzionedella caratteristica elettrica di una cella fotovoltaica.
La presenza dei termini Ish e Rs  I determina:

Uno spostamento dei punti di intersezione della caratteristica con gli assi I=0 e U=0, come
riportato in figura 5.2b e 5.2c, che individuano rispettivamente la tensione Udc e la corrente
di corto circuito Isc.

Un aumento dell'inclinazione della parte orizzontale e della parte verticale della
caratteristica dipendente rispettivamente da Uj/Rsh e Rs  I come mostrato in figura 5.2d.
La figura 5.3 riporta, per una data irradiazione e temperatura la caratteristica della cella fotovoltaica
funzionante da generatore.
Le coordinate dei punti che la costituiscono forniscono la potenza elettrica erogabile; le coordinate
(Um ,Im) del vertice Pm che individua il rettangolo di area massima sottesa, forniscono la potenza
massima erogabile dal generatore.
Fig.5.3 – Caratteristica di una cella fotovoltaica e coordinate Um ; Im di massima potenza estraibile
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Il rapporto:
Kf =
Um  Im
Uos  Isc
[5.1.11]
definisce il fattore di forma "fill factor" che rappresenta globalmente l’influenza di Rs e Rsh sulla
caratteristica.
La figura 5.4 riporta l'andamento della caratteristica completa della cella solare estesa ai quadranti Il
e IV; in essi la cella funziona come utilizzatore rispettivamente a tensione inversa (U<0, I>0) e a
corrente inversa (U>0, I<0).
Tali modi di funzionamento sono accettabili solo se i punti di lavoro cadono dentro l'iperbole di
potenza massima dissipabile Pdm della cella.
Inoltre dalla caratteristica completa di figura 5.4, risulta che se la cella è sottoposta ad una tensione
inversa maggiore della tensione di rottura Ub, la cella risulta irrimediabilmente danneggiata.
Fig.5.4 – Caratteristica completa di una cella fotovoltaica
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
L'uso del circuito equivalente di una cella fotovoltaica ora esaminato non è agevole. Infatti contiene
un elemento reale, il diodo D, mentre i circuiti equivalenti di macchine e componenti elettrici sono
costituiti da soli elementi ideali.
Perciò è descritto dalle relazioni [5.1.5] e [5.1.8] non esplicite, che rendono difficile la
determinazione dei punti di lavoro della cella solare nel funzionamento da generatore e da
utilizzatore.
L'uso dei circuito equivalente di una cella fotovoltaica ora esaminato non è agevole. Infatti contiene
un elemento reale, il díodo D, mentre i circuiti equivalenti di macchine e componenti elettrici sono
costituiti da soli elementi ideali.
Perciò è descritto dalle relazioni [5.1.5] e [5.1.8] non esplicite, che rendono difficile la
determinazione dei punti di lavoro della cella solare nel funzionamento da generatore e da
utilizzatore.
ATIPICITÀ
DEI
GENERATORI
FOTOVOLTAICI.
INFLUENZA
DELLA
IRRADIAZIONE E DELLA TEMPERATURA.
I generatori fotovoltaici, impiegati attualmente nella applicazioni terrestri, sono costruiti con moduli
di celle solari al silicio.
In questa giunzione p-n, con irradiazione e carico ottimali, si genera una tensione di 0,4  0,5 V,
indipendente dalla superficie illuminata. Invece, come si vede dalla [5.1.10], il valore della corrente
erogata dipende proporzionalmente dalla superficie stessa, ad esempio celle con diametro di 100
mm forniscono una corrente di circa 2,1 A (densità di corrente J di 0,2  0,3 mA/mm2).
Tali celle al silicio presentano un fattore di forma Kf  0,8 e una tensione inversa di rottura Ub di
qualche decina di volt.
Le potenze dei carichi correntemente utilizzati richiedono tensioni e correnti superiori a quelle
fornite dalle singole celle, perciò si impiegano moduli fotovoltaici costituiti da più celle connesse in
serie (talvolta anche in parallelo) racchiuse ermeticamente in pannelli piani anteriormente
trasparenti alla luce.
Con questa tecnica oltre a proteggere le celle dai danni ambientali (polvere, umidità, ecc.) si riesce a
mantenere l'equilibrio termico su temperature accettabili di 40  60 °C.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Oggi, per un migliore utilizzo della superficie, quadrata o rettangolare dei moduli, anche le celle si
costruiscono di forma quadrata.
Un modulo fotovoltaico presenta una caratteristica I=f(U) simile a quella delle celle componenti,
salvo un cambiamento di scala sull'asse delle tensioni per le celle in serie e sull'asse delle correnti
per le celle in parallelo.
La figura 5.5 riporta la caratteristica di un modulo in uso, sottoposto ad una irradiazione L=1000
W/m2 , alla temperatura T=28 °C.
Se il generatore (o modulo) è chiuso su un carico, il punto di lavoro, individuato dall'intersezione
della
I=f(U) con la caratteristica del carico, può essere un punto qualsiasi della curva I=f(U) i cui
estremi, nel funzionamento da generatore, sono rispettivamente la corrente di cortocircuito Isc (per
U=0) e la tensione a vuoto (per I=0).
Fig. 5.5: Caratteristica dì un modulo fotovoltaico formato da 40 celle al silicio policristallino connesse in serie
Il funzionamento del generatore per i punti di lavoro sul tratto (Isc, P) e sul tratto (P, Uoc) si può
approssimare rispettivamente a quello di un generatore reale di corrente e di un generatore reale di
tensione.
Per un dato valore di irradiazione e temperatura, l'area racchiusa sotto la caratteristica I=f(U)
rappresenta la potenza massima utilizzabile dal carico.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Perciò la migliore utilizzazione del generatore si ottiene quando il punto di lavoro cade nel punto P
della caratteristica, vertice del rettangolo di area massima sottesa.
Ad esempio se il generatore è chiuso su un carico resistivo, come in figura 5.5, questo deve
presentare una resistenza ottimale Ro definita dalla pendenza I/Ro della retta di carico passante
per P.
Nel punto P della caratteristica sì realizza la condizione generale richiesta per il trasferimento della
potenza massima da un generatore ad un carico, cioè la pendenza della I=f(U) è uguale alla
pendenza della retta di carico OP, ossia:
dI
1

dU
Ro
[5.2.1]
Pertanto, per sfruttare vantaggiosamente un generatore fotovoltaico , che lavora a potenza
d'ingresso imposta, è necessario adattare il carico al generatore, mentre questa condizione è
inaccettabile nei generatori tradizionali di potenza prevalente.
A temperatura costante ed al diminuire dell'irradiazione L, la corrente di corto circuito Isc, per la
[5.1.10], diminuisce proporzionalmente mentre la tensione a vuoto Uoc, per la [5.1.7] e la [5.1.1],
diminuisce con legge logaritmica (per limitate variazioni di L la Uoc è sensibilmente costante), (vedi
figura 5.6).
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Fig. 5.6 – Caratteristica di un modulo fotovoltaico in funzione dell’irradiazione
Pertanto, il luogo dei punti di massima potenza Pm fornibile dal generatore, si situa su una linea
praticamente verticale.
Se il carico adattato, ad una irradiazione L, si mantiene costante, ad esempio al valore Ro, quando
l'irradiazione diventa 0.2 L, il punto di lavoro si sposta da A in B e la corrispondente potenza
assorbita Pb risulta minore della potenza Pe che il generatore potrebbe fornire con 0,2 L.
Dalla figura 5.6 risulta che per utilizzare la potenza Pc il carico deve presentare una resistenza
Ro'>RO; è evidente quindi che il collegamento diretto generatore fotovoltaico - carico resistivo
costante non è vantaggioso.
Un carico utilizza in modo ottimale la potenza elettrica erogabile dal generatore fotovoltaico quanto
più la sua caratteristica riesce a sovrapporsi alla linea luogo della potenza massima Pm.
Ciò richiede che il carico sia sede di un processo fisico che, nelle varie condizioni di lavoro,
presenti ai suoi estremi una tensione praticamente costante e una resistenza dinamica dU/dI minima.
Queste condizioni, soddisfatte dagli accumulatori elettrici che solitamente non sono un carico, ma
elementi intermedi di immagazzinamento, possono verificarsi anche nell'alimentazione di motori a
corrente continua per la presenza della f.c.e.m. o nell'alimentazione di processi elettrolitici causa la
f.e.m. di polarizzazione.
L'andamento della caratteristica I = f(U) dipende anche dalla temperatura T . Un aumento di
temperatura provoca:
•
un aumento della corrente fotovoltaica Iph e quindi anche della corrente di corto circuito Isc (o
della densità di corrente Isc) essenzialmente perla diminuzione della larghezza della banda
interdetta del materiale;
•
un aumento della corrente nel diodo Ij cui corrisponde una diminuzione della tensione a vuoto
Uoc, come riportato in figura 5.7
L'entità di queste variazioni sono tali da provocare una diminuzione globale di potenza massima
generabile. Valori tipici sono:
(dJsc/dT) = 0,01 mA/cm2/°C
(dUoc/dT) = -2,2 mV/°C/cella
(dPm/dT) = -0,5 %/°C
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Fig.5.7 – Caratteristiche di un modulo fotovoltaico in funzione della temperatura
Pertanto, per estrarre la potenza massima da un generatore fotovoltaico è necessario che
l'adattamento dei carico segua adeguatamente le variazioni dell'irradiazione e della temperatura.
Ciò si può ottenere con specifici adattatori di carico, interfacciati tra generatore e utilizzatore, di
struttura più o meno complessa, secondo che si voglia privilegiare il rendimento o la semplicità.
CONFIGURAZIONE DEI GENERATORI FOTOVOLTAICI.
La potenza dei moduli disponibili sul mercato varia da qualche watt a qualche decina di watt di
picco.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Per ottenere potenze superiori è quindi necessario collegare più moduli in serie ed in parallelo
(campo fotovoltaico).
Tali collegamenti, per diversità intrinseca delle caratteristiche, per effetto di ombratura o "shading
effect”, possono portare ad una riduzione della potenza erogata e alla formazione di "hot spots"; per
cui è necessario impiegare adatte protezioni: diodi, collegamenti equipotenziali, ecc.
Ad esempio, se N celle uguali sono connesse in serie tra loro e una di esse, perché parzialmente in
ombra, presenta una caratteristica diversa da quella delle altre (espresse singolarmente dalla curva
a) di figura 5.8, la caratteristica risultante rappresentata dalla curva b a tratto continuo è formata
dalla somma delle N curve a . La tensione (N-l)U delle N-1 celle non oscurate è rappresentata dalla
curva a tratti con la tensione della cella in ombra circa uguale a zero.
Fig.5.8 – Caratteristica risultante della connessione di N celle in serie, di cui una ombrata
Per un piccolo grado di ombratura è corrispondentemente piccola la diminuzione della potenza
elettrica erogabile dalle N celle in serie.
Tuttavia, per un valore di resistenza di carico inferiore a quello corrispondente al punto P, la cella in
ombra viene a funzionare da carico con tensione inversa.
Il pericolo maggiore si verifica in condizione di corto circuito agli estremi delle N celle in serie,
perché agli estremi della cella in ombra agisce la sommatoria delle tensioni delle celle non oscurate
(N-I)U, punto P' di figura 5.8.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Pertanto la cella parzialmente ombrata può essere costretta a dissipare una potenza maggiore di
quella massima dissipabile con la formazione di "hot spots" che, dopo un tempo dipendente dalla
entità del sovraccarico e dal modo di raffreddamento, possono provocare irrimediabili guasti alla
cella.
Se la tensione (N-l)U supera la tensione di rottura Ub, si ha poi la istantanea distruzione della cella.
Invece, con un grado maggiore di ombratura della cella, ad esempio curva a') di figura 5.8,
corrisponde la caratteristica risultante b'); si ottiene una maggiore riduzione della potenza elettrica
erogabile e un minor pericolo di formazione di "hot spots" (punto P" invece di P').
Un diodo Dp connesso in antiparallelo alla cella in ombra, evita che la cella funzioni da utilizzatore
con tensione inversa; vedi figura 5.9a), dove le singole celle sono state rappresentate con generatori
di corrente.
Evidentemente una tale tecnica di protezione per ogni singola cella è improponibile; potrebbe essere
pensabile se fosse possibile costruire ogni singola cella con una parte a drogaggio complementare,
in modo da costituire un diodo in antiparallelo.
Considerazioni analoghe mostrano che, se tra N celle connesse in parallelo, una presenta una
caratteristica diversa da quella delle altre, la condizione più pericolosa si ha a circuito aperto.
La connessione di diodi in serie Ds (vedi figura 5.9b), dove è rappresentato il parallelo di più rami
di celle in serie), può costituire una protezione efficace.
Fig. 5.9 – Schemi di collegamento dei diodi di protezione:
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
a)
collegamento in serie
b ) collegamento in parallelo
Un generatore fotovoltaico è costituito da una matrice di moduli in serie e parallelo, per cui i diodi
di protezione vengono connessi secondo schemi opportunamente scelti, ad esempio quello riportato
in figura 5.10 in cui i moduli sono rappresentati da rettangoli.
Fig. 5.10 – Diodi di protezione in una matrice di moduli fotovoltaici
.
La determinazione della configurazione della matrice più idonea per ottenere la protezione ottimale,
pone problemi non banali ancora in fase di studio.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
COLLEGAMENTI DELLE CELLE NEL MODULO FOTOVOLTAICO.
La potenza fornita da una singola cella fotovoltaica è dell'ordine di poche centinaia di mW. Per
ottenere una potenza elettrica sufficiente alle esigenze desiderate e con la tensione prescritta, è
necessario connettere le celle in serie e/o parallelo ottenendo quelli che sono detti moduli
fotovoltaici.

COLLEGAMENTO IN SERIE.
Il valore di corrente che attraversa una serie di n celle è lo stesso di quella singola . La tensione ai
capi del collegamento serie risulta essere uguale alla somma delle tensioni ai capì delle n singole
celle.
La caratteristica delle celle in serie si ottiene analiticamente, sommando le caratteristiche delle
singole celle:
U(I) =

n
[5.2.2]
Ui( I )
i 1
Può essere ottenuta anche graficamente. sommando i valori di tensione di tutte le celle; la corrente
di corto circuito della serie. di celle risulta prossima a quella della cella con valore più basso.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Fig.5.11 – Collegamento in serie di celle
Perciò solo nel caso in cui tutte le celle sono identiche tra loro la potenza totale risulta uguale a n
volte la potenza della singola cella; infatti, la potenza della serie e pari a circa n volte il valore di
potenza della cella con potenza minima.
Graficamente, la caratteristica può essere costruita sommando per ogni valore di corrente, i valori di
tensione di tutte le celle, come riportato nella seguente figura; la corrente erogata si osserva essere
la minima tra quella delle celle connesse in serie. ( Celle che non hanno mai una caratteristica
perfettamente identica, pur se provenienti dallo stesso processo di fabbricazione ).
- 62 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Fig 5.12 – caratteristica risultante delle celle in serie

COLLEGAMENTO IN PARALLELO.
La tensione ai capi di ogni cella è la stessa, mentre la corrente totale in uscita risulta essere la
somma delle correnti prodotte dalle n singole celle.
La caratteristica delle celle in parallelo si ottiene analiticamente sommando le caratteristiche delle
singole celle:
I(U) =

n
i 1 i
[5.2.3]
I (U )
Fig. 5.13 – collegamento in serie di celle
- 63 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Graficamente, la caratteristica può essere costruita sommando i valori di corrente di tutte le celle.
La corrente di corto circuito del parallelo di celle risulta uguale alla somma delle singole correnti di
corto circuito, mentre la tensione a circuito aperto ha un valore prossimo a quello della cella con
valore più basso
Fig. 5.14 – Caratteristica di celle in parallelo con singola cella oscurata

COLLEGAMENTO DI CELLE FOTOVOLTAICHE CON DIODI.
Per utilizzare al meglio le celle fotovoltaiche e garantire la loro protezione contro danni che
potrebbero risultare irreversibili, si utilizzano dei diodi collegati in due modi differenti.

DIODO IN SERIE.
Il diodo viene inserito in serie alla cella in modo tale che la corrente generata dalla cella per effetto
fotovoltaico risulti anche la corrente diretta del diodo stesso. Esso prende il nome di diodo di
- 64 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
blocco, in quanto blocca la corrente con verso opposto a quella generata, che causerebbe un
funzionamento della cella non più come generatore ma come carico Ciò comporterebbe sia un calo
delle prestazioni del modulo da un possibile danneggiamento della cella.
Fig .5. 15 – Collegamento e caratteristica di una cella con un diodo in serie
La caratteristica della serie può essere ottenuta dalla somma delle loro singole
caratteristiche
( Caratteristica della cella più caratteristica di conduzione inversa del diodo ). Il problema di questo
collegamento risulta essere la caduta di tensione sul diodo di blocco con conseguente riduzione
della potenza utile.
Il dimensionamento del diodo di blocco deve tener conto della tensione inversa che agisce ai suoi
capi, prodotta dall'intera serie di celle a cui è collegato La sua tensione di rottura (tensione dì
breakdown) deve essere maggiore. della tensione inversa a cui può venire sottoposto.

DIODO IN ANTIPARALLELO
Il diodo può essere inserito in parallelo alla cella per consentire il passaggio della corrente
proveniente dall'esterno nel caso in cui la cella sia contropolarizzata Tale diodo viene detto "diodo
di by-pass", perché permette il passaggio di una corrente che nel caso di contropolarizzazione
verrebbe bloccata dalla cella.
La caratteristica della configurazione cella-diodo in parallelo può essere ottenuta analiticamente
sommando le singole caratteristiche.
- 65 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Figura5.16 - Collegamento e caratteristica di un cella con un diodo in antiparallelo
Le prestazioni del modulo non variano in modo significativo con questo tipo di collegamento.
Naturalmente il diodo di by-pass deve essere dimensionato per la corrente diretta dall'intero gruppo
di celle in cui e inserito.

OSCURAMENTO PARZIALE DEL MODULO.
Può verificarsi una situazione in cui l'irradiazione solare incidente sulle singole celle non risulta
uniforme, per esempio a causa della presenza di nuvole che provocano un'ombreggiatura su parte
del modulo oppure per il deposito di uno strato di smog distribuito irregolarmente.
Il caso limite è quello in cui una cella viene completamente oscurata e può essere quindi assimilata
ad un diodo normale
- 66 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Fig. 5.17 – caratteristica di una cella illuminata e di una non illuminata
Nel caso di collegamento in serie delle celle, la caratteristica totale presenta una corrente di corto
circuito dell’ordine di quella della cella oscurata.
.
Fig. 5.18 – caso di oscuramento parziale con collegamento di celle in serie
Figura 5.19 - Caratteristica di celle in serie con singola cella oscurata
- 67 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Tale situazione determina il funzionamento con una corrente che per la cella oscurata è una corrente
inversa; infatti, si stabilisce ai suoi capi una tensione inversa pari circa alla somma delle tensioni a
vuoto delle altre n-1 celle. Si può andare, incontro a due tipi di inconvenienti:
- rottura della cella (breakdown cell):
- punto caldo (hot spot).
Nel caso in cui la tensione inversa supera il valore di tensione di breakdown si ha il
danneggiamento irreversibile della cella con la possibilità di corto circuito . Il corto circuito, di per
se, non ha gravi conseguenze se non una piccola riduzione della tensione totale della serie di celle.
Il vero problema si ha quando, a causa del forte riscaldamento della cella (hot spot), dovuto al
funzionamento da carico, i contatti della cella si staccano, interrompendo il funzionamento di tutta
la serie.
E’ proprio per eliminare tali inconvenienti che viene inserito il diodo di by-pass in parallelo a un
gruppo di celle, in modo da creare un percorso alternativo per la corrente ed evitare il degrado della
caratteristica totale della serie a causa di una singola cella oscurata.
Nel caso di celle collegate in parallelo, l'oscuramento di una cella fa sì che questa si comporti come
carico elettrico, con una dissipazione di potenza.
Figura 5.20 - Caso di oscuramento parziale con collegamento di celle in parallelo.
- 68 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Figura 27 - Caratteristica di celle in parallelo con singola cella oscurata.
Nel caso, invece, in cui la cella si trova in corto circuito, anche il sistema complessivo va in corto
circuito dissipando tutta l'energia sulla cella guasta, causando il distacco dei contatti per
surriscaldamento e aprendo il circuito che torna a funzionare con una cella in meno.
E’ sufficiente inserire un diodo di blocco in serie ad ogni cella o serie di celle per evitare tali guasti.
Come si può dedurre dalle considerazioni precedenti: il collegamento parallelo risulta migliore del
collegamento serie. Tuttavia, con un collegamento in parallelo la tensione di uscita è pari a circa 0.6
Volt, valore inadeguato per le applicazioni che soltanto poche decine di Watt per via delle correnti
troppi elevate che avrebbero (decine di Ampère).

EFFETTO MISMATCH NEI MODULI FOTOVOLTAICI
L'utilizzo dei diodi di by-pass riduce notevolmente il problema dei mismatch nelle serie di celle. Il
termine mismatch indica la disomogeneità nelle caratteristiche esterne delle celle fotovoltaiche, le
quali, sebbene abbiano subito lo stesso processo di fabbricazione, risultano leggermente differenti
tra loro per esempio nelle piste di metallizzazione dei contatti, nella densità dello strato di
protezione nelle resistenze dei cavi di collegamento e dei contatti; altre possibili differenze si
riscontrano nei coefficienti di
scambio
termico e, come è già stato detto, nella distribuzione
disuniforme della polvere. Tale disomogeneità tra le caratteristiche delle celle crea un effetto per cui
la potenza disponibile ai capi di un modulo fotovoltaico non coincide con la somma delle potenze
delle singole celle .
- 69 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Per contenere questa perdita sarebbe necessario selezionare accuratamente le celle, ma per evitare
un aggravio troppo elevato dei costi di realizzazione dei moduli si preferisce accettare una perdita di
potenza fino al 5% di quella ottenibile con celle perfettamente uguali. Per il collegamento in
parallelo, invece, le celle collegate devono avere un valore di tensione il più vicino possibile.
INTRODUZIONE
In questo paragrafo verrà preso in considerazione un esperimento che riguarda un modulo
fotovoltaico avente le seguenti caratteristiche:
1. Ditta costruttrice Eurosolare società del Gruppo E.N.I
2. Modulo tipo P200
3. N°. seriale A001220
4. Pmax = 20,7 W potenza di picco massima
5. Vp
= 16,2 V Tensione di picco
6.
Ip
= 1,28 A Corrente di picco
7.
Isc
= 1,50 A Corrente di corto circuito
8. Voc = 20,7 V Tensione a vuoto
Esso è normalmente impiegato, come sorgente di alimentazione autonoma, nei sistemi elettronici
informativi, presenti alle fermate degli autobus (A.T.M.) della città di Alessandria.
Questi sistemi sono stati realizzati per permettere all’utenza di verificare tutte le informazioni
relative ai tempi di attesa ed i percorsi dei mezzi pubblici passanti dalla relativa fermata.
Uno schema a blocchi, di seguito riportato chiarisce meglio quanto sopra esposto:
- 70 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Modulo
fotovoltaico
Regolatore di
Tensione
Ponte radio
TX/RX
Solsum 6.6X
Batteria
tampone
Unità digitale
di
dialogo
con l’utenza
con visore a
cristalli
liquidi
in
Fig. 7.1 – Schema a blocchi del sistema informativo dell’A.T.M. presente ad ogni fermata dell’autobus
DETERMINAZIONE DELLE CARATTERISTICHE ELETTRICHE DEL MODULO
FOTOVOLTAICO
Per determinare le caratteristiche elettriche del modulo fotovoltaico, occorre trattare lo stesso come
se fosse un bipolo elettrico ( con la convenzione di segno dei generatori ) di cui si vogliano
determinare le caratteristiche elettriche.
A tal fine occorre effettuare una prova volt-amperometrica per determinare le caratteristiche
elettriche del bipolo alle diverse condizioni di carico , passando dalle condizioni estreme di circuito
aperto alla condizione di corto circuito
I
Carico
variabile
Modulo
fotovoltaico
V
Fig. 7.2 – Il modulo fotovoltaico considerato come bipolo generatore
- 71 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria

ESECUZIONE DELLA MISURAZIONE
E’ stata effettuata un’esperienza, utilizzando gli strumenti del laboratorio di Elettrotecnica dell’
Istituto Tecnico Industriale Statale “A. Volta”, al fine di studiare il comportamento del modulo
fotovoltaico precedentemente illustrato in condizioni di cielo sereno e di cielo coperto da nuvole.
Per tale motivo l’esperienza è stata condotta in due tempi successivi.
Con un misuratore di intensità luminosa LUXMETRO, inoltre è stata studiata anche la variazione
della differenza di potenziale e della potenza in funzione dell’inclinazione dei raggi solari incidenti
partendo dalla condizione di raggi solari perpendicolari (massimo valore letto sul luxmetro), quindi
variando di 45° l’inclinazione si è proceduto ad una nuova serie di misurazioni.
Il sensore del luxmetro , per determinare la condizione di perpendicolarità, è stato posizionato
parallelamente al piano stesso del modulo fotovoltaico.
Fig. 7.3 –Esecuzione della misurazione sul pannello fotovoltaico.
- 72 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
SCHEMA DI MONTAGGIO
Modulo fotovoltaico
Vo
ltm
etr
o
Reostato
Am
pe
rom
etr
o

Luxometro
- 73 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
o SCHEMA ELETTRICO
+
A
Reostato
+
+
Modulo
fotovoltaico
V
-
Fig.7.4 – Schema elettrico della prova volt-amperometrica
STRUMENTI UTILIZZATI
1. Multimetro digitale inserito come voltmetro precisione  0.5% HT Italia
2. Multimetro digitale inserito come Amperometro precisione  0.5% HT Italia
3. Multimetro digitale inserito come Ohmmetro precisione  0.5% HT Italia
4. Reostato a cursore lineare (500  0 )  I max= 2A Samar costruzioni elettromeccaniche
5. Luxmetro digitale HT Italia
6. Cavetti per il collegamento elettrico e morsetti di connessione
- 74 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Particolari del regolatore
di tensione e dei due
strumenti (amperometro
e voltmetro) utilizzati
per la rilevazione dei
valori.
- 75 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Particolari del
rilevatore di intesità
luminosa (luxmetro)
- 76 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria

PROCEDIMENTO
Dopo aver collegato la strumentazione, come mostrato nei due precedenti schemi (elettrico e di
montaggio), si è proceduto con le varie misurazioni.
Occorre prima di tutto dire che l’esperienza è stata effettuata in due tempi diversi per poter notare la
differenza di funzionamento del modulo fotovoltaico col cambiare della situazione climatica.
La prima rilevazione è stata effettuata il giorno 10-4-2007 alle ore 11.00 con cielo coperto ed una
inclinazione dei raggi solari di 90°, e circa una mezz’ora dopo è stata effettuata la seconda con
un’inclinazione dei raggi di 45°, ottenuta diminuendo l’inclinazione del modulo.
Lo stesso lavoro è stato svolto il giorno 12-4-2007,con cielo sereno, ed alle stesse ore
I risultati sono stati riportati nelle successive tabelle, e riguardano:
-
Resistenza di carico
-
Corrente erogata dal pannello
-
Tensione ai capi del pannello
-
Potenza elettrica erogata dal pannello
-
valori degli errori degli strumenti.
La tensione e la corrente sono state misurate con voltmetro ed amperometro, i valori della potenza
erogata,sono stati ricavati dal calcolo, utilizzando la relazione sotto riportata:
Pe = ( Im /1000) × Vm
Gli errori di misura degli strumenti sono stati stimati allo 0.5% dei vari valori misurati per quanto
riguarda le tensioni e le correnti, mentre, per la potenza, essendo presenti gli errori di tutte e due gli
strumenti, si è valutato l’1% del prodotto delle due misurazioni somma degli errori dei singoli
strumenti.
- 77 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
10/04/2007 ore 11:00
I
risultati
delle misure sono stati, sono stati riportati nei grafici della tensione e corrente elettrica V = V(I), e
potenza e corrente P = P(I); sono stati inoltre riportati anche gli intervalli d’incertezza dovuti agli
errori degli strumenti.
- 78 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Prima rilevazione dati effettuata a cielo
coperto
Inclinazione raggi solari
90°rispetto al piano del
modulo fotovoltaico
Rc Resistenza di
carico
I Corrente erogata dal
pannello
V Tensione ai capi del
pannello
Pe Potenza elettrica erogata dal pannello
N°.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Rc

520
477
425
335
283
261
204
180
156
126
99
80
69
49
37
31
14
12
7
3
1
Ω
I
0
33,21
35,64
39,33
47,43
59,76
64,62
81,63
91,44
106,2
132,12
164,88
207
243
360
423
513
801
1071
1188
1215
1233
mA
V
Pe
18
17,973
17,973
17,973
17,892
17,136
16,929
16,893
16,803
16,794
16,731
16,632
16,578
16,506
16,317
15,912
15,669
14,571
11,988
7,344
2,673
0,342
V
0
0,596
0,640
0,706
0,848
1,024
1,094
1,379
1,536
1,783
2,210
2,742
3,431
4,011
5,874
6,730
8,038
11,671
12,839
8,724
3,247
0,421
W
±ΔI
0
0,332
0,356
0,393
0,474
0,597
0,646
0,816
0,914
1,062
1,321
1,648
2,07
2,43
3,6
4,23
5,13
8,01
10,71
11,88
12,15
12,33
mA
TABELLE E GRAFICI
- 79 -
±ΔV
± Δ Pe
0,18
0
0,179
0,011
0,179
0,012
0,179
0,014
0,178
0,017
0,171
0,020
0,169
0,021
0,168
0,027
0,168
0,030
0,167
0,035
0,167
0,044
0,166
0,054
0,165
0,068
0,165
0,080
0,163
0,117
0,159
0,134
0,156
0,160
0,145
0,233
0,119
0,256
0,073
0,174
0,026
0,065
0,003
0,008
V
W
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
10/04/2007 ore 11:30
Seconda rilevazione dati effettuata a cielo coperto
Inclinazione raggi solari
45°
Rc Resistenza di
carico
I Corrente erogata dal
pannello
V Tensione ai capi del pannello
Pe Potenza elettrica erogata dal pannello
N°.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Rc

520
477
425
335
283
261
204
180
156
126
99
80
69
49
37
31
14
12
7
3
1
Ω
I
0
29,52
31,68
34,96
42,16
53,12
57,44
72,56
81,28
94,4
117,44
146,56
184
216
320
376
456
712
952
1056
1080
1096
mA
V
16
15,796
15,976
15,976
15,904
15,232
15,048
15,016
14,936
14,928
14,872
14,784
14,736
14,672
14,504
14,144
13,928
12,952
10,656
6,528
2,376
0,304
V
Pe
0
0,466
0,506
0,558
0,670
0,809
0,864
1,089
1,214
1,409
1,746
2,166
2,711
3,169
4,641
5,318
6,351
9,221
10,145
6,893
2,566
0,333
W
- 80 -
±ΔI
0
0,295
0,316
0,349
0,421
0,531
0,574
0,725
0,812
0,944
1,174
1,465
1,84
2,16
3,2
3,76
4,56
7,12
9,52
10,56
10,8
10,96
mA
±ΔV
± Δ Pe
0,16
0
0,158
0,009
0,159
0,010
0,159
0,011
0,159
0,013
0,152
0,016
0,150
0,017
0,150
0,021
0,149
0,024
0,149
0,028
0,148
0,034
0,147
0,043
0,147
0,054
0,146
0,063
0,145
0,092
0,141
0,106
0,139
0,127
0,129
0,184
0,106
0,202
0,065
0,137
0,023
0,051
0,003
0,007
V
W
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
12/04/2007 ore 11:00
Terza rilevazione dati effettuata a cielo sereno
Inclinazione raggi solari : 90°
Rc
I
V
Pe
N°.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Resistenza di carico
Corrente erogata dal pannello
Tensione ai capi del pannello
Potenza elettrica erogata dal pannello
Rc
I

520
477
425
335
283
261
204
180
156
126
99
80
69
49
37
31
14
12
7
3
1
Ω
0
36,9
39,6
43,7
52,7
66,4
71,8
90,7
101,6
118
146,8
183,2
230
270
400
470
570
890
1190
1320
1361,7
1370
mA
V
Pe
20
19,97
19,97
19,97
19,88
19,04
18,81
18,77
18,67
18,66
18,59
18,48
18,42
18,34
18,13
17,68
17,41
16,19
13,32
8,16
2,97
0,38
V
0
0,736
0,790
0,872
1,047
1,264
1,350
1,702
1,896
2,201
2,729
3,385
4,236
4,951
7,252
8,309
9,923
14,409
15,851
11,111
4,068
0,520
W
- 81 -
±ΔI
0
0,369
0,396
0,437
0,527
0,664
0,718
0,907
1,016
1,18
1,468
1,832
2,3
2,7
4
4,7
5,7
8,9
11,9
13,2
13,617
13,7
mA
±ΔV
± Δ Pe
0,2
0
0,199
0,014
0,199
0,015
0,199
0,017
0,198
0,021
0,190
0,025
0,188
0,027
0,187
0,034
0,186
0,037
0,186
0,044
0,185
0,054
0,184
0,067
0,184
0,084
0,183
0,099
0,181
0,145
0,176
0,166
0,174
0,198
0,161
0,288
0,133
0,317
0,081
0,222
0,029
0,081
0,003
0,010
V
W
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
12/04/2007 ore 11:30
Quarta rilevazione dati effettuata a cielo sereno
Inclinazione raggi solari : 45°
Rc
I
V
Pe
N°.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Resistenza di carico
Corrente erogata dal pannello
Tensione ai capi del pannello
Potenza elettrica erogata dal pannello
Rc
infinito
520
477
425
335
283
261
204
180
156
126
99
80
69
49
37
31
14
12
7
3
1
Ω
I
0
36,162
38,808
42,826
51,646
65,072
70,364
88,886
99,568
115,64
143,86
179,54
225,4
264,6
392
460,6
558,6
872,2
1166,2
1293,6
1335
1342,6
mA
V
Pe
±ΔI
± Δ V ± Δ Pe
19,6
0
0
0,196
0
19,571 0,707 0,361 0,195 0,014
19,571 0,759 0,388 0,195 0,015
19,571 0,838 0,428 0,195 0,016
19,482 1,006 0,516 0,194 0,020
18,659 1,214 0,650 0,186 0,024
18,434 1,297 0,703 0,184 0,025
18,395 1,635 0,888 0,183 0,032
18,297 1,821 0,995 0,183 0,036
18,287 2,114 1,156 0,182 0,042
18,218 2,620 1,438 0,182 0,052
18,11 3,251 1,795 0,181 0,065
18,052 4,068 2,254 0,180 0,081
17,973 4,755 2,646 0,179 0,095
17,767 6,964
3,92 0,177 0,139
17,326 7,980 4,606 0,173 0,159
17,062 9,530 5,586 0,170 0,190
15,866 13,838 8,722 0,158 0,276
13,054 15,223 11,662 0,130 0,304
7,996 10,345 12,936 0,080 0,206
2,910 3,885 13,35 0,029 0,077
0,372
0,5 13,426 0,0037
0,01
V
W
mA
V
W
- 82 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Grafico Tensione/Corrente della rilevazione a cielo coperto
20
18
16
14
V [V]
12
10
8
6
4
2
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1200
1400
I [mA]
inclinazione raggi 90°
inclinazione raggi 45°
Grafico Corrente/Potenza della rilevazione a cielo coperto
14
12
10
Pe [W]
8
6
4
2
0
0
200
400
600
800
I [mA]
inclinazione raggi 90°
- 83 -
inclinazione raggi 45°
1000
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Grafico Tensione/Corrente della rilevazione a cielo sereno
25
20
V [V]
15
10
5
0
0
200
400
600
800
1000
I [mA]
inclinazione raggi 90°
- 84 -
inclinazione raggi 45°
1200
1400
1600
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Grafico Corrente/Potenza della rilevazione a cielo sereno
18
16
14
Pe [W]
12
10
8
6
4
2
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
I [mA]
inclinazione raggi 90°

inclinazione raggi 45°
OSSERVAZIONI CONCLUSIVE
Dall’analisi dei grafici si è osservato che i valori delle tensioni, delle correnti e di conseguenza
anche quelli delle potenze della seconda rilevazione, a cielo sereno, risultano incrementati di circa il
20% rispetto ai valori della rilevazione effettuata a cielo coperto.
Nelle singole rilevazioni il decremento dovuto al cambiamento d’inclinazione dei raggi solari,
raggiunge circa il 2,5 % sulla potenza massima ( dei raggi a 45° rispetto ai raggi a 90° ) in
condizioni di cielo sereno e del 23% in condizioni di cielo coperto
In primo luogo, quindi, è stato testato che il modulo fotovoltaico è in grado di fornire energia
elettrica se colpito da raggi solari.
In secondo luogo, invece, è stato mostrato che il modulo risponde alla variazione di intensità della
luce, inoltre, tensioni e correnti in uscita, dipendono anche dall’inclinazione con cui i raggi solari
colpiscono il pannello.
- 85 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Il primo tratto delle caratteristiche V = V(I) presenta evidenti errori di misura dovuti alla scarsa
sensibilità dello strumento amperometrico nella rilevazione delle correnti di valore basso ed agli
errori di offset ed alle correnti di BIAS dello stesso.
- 86 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Capitolo 3
Descrizione del progetto (scelte tecniche )
- 87 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
L’IMPIANTO FOTOVOLTAICO DI ALESSANDRIA
L’applicazione della tecnologia fotovoltaica è stata inserita nel Programma Integrato all’interno di
un progetto sperimentale di contenimento dei consumi energetici, grazie al sostegno del programma
di finanziamento nazionale “Diecimila tetti fotovoltaici” realizzato dai Ministeri dell’Industria e
dell’Ambiente. I pannelli fotovoltaici catturano l’energia solare e la trasformano in energia elettrica
riversandola poi nella rete Enel attraverso apposite apparecchiature di inverter e di
contabilizzazione, in modo tale da consentire un bilancio economicotra l’energia realmente
consumata e quella prodotta che viene interamente scontata. Tutte le coperture degli edifici sono
attrezzate per contenere i moduli fotovoltaici raggruppati in “stringhe” di opportune dimensioni
ancorate su supporti in laterizio o in acciaio. I due fabbricati posti al centro di Piazza Grande
prevedono l’applicazione di pannelli anche sulle facciate rivolte a sud, agganciati a strutture in
acciaio poste a tamponamento delle scale condominiali.
Negli edifici dell’A.T.C. e delle Cooperative a Proprietà indivisa la produzione di energia viene
destinata al consumo di tutte le parti condominiali (luci autorimesse, scale, cortili, ascensori, ecc.),
in quelli delle Cooperative a proprietà divisa e degli Operatori per l’edilizia privata convenzionata
viene utilizzata per le singole unità abitative.
Il proprietario di ogni impianto autoproduce circa la metà dell’energia da lui consumata.I moduli
posti sul Centro Sociale e sulla Pensilina con funzione di pergola servono a ridurre iconsumi del
centro stesso e alimentano le luci della pista di pattinaggio.
L’irraggiamento solare sul piano orizzontale, ad Alessandria, mediato nell’anno è di 3,49 kWh per
metro quadrato che, pur non raggiungendo i valori della Sicilia in cui lo stesso supera i 5 kWh, è di
poco inferiore all’irraggiamento di Genova in cui è di 3,80 kWh per metro quadrato. Per la
costruzione degli impianti che sfruttano l’energia del Sole si applicano ricevitori rivolti a Sud con
inclinazione ottimale rispetto l’orizzontale di circa 30 gradi. Con l’inclinazione ottimale
l’irraggiamento medio annuale sul piano dei moduli fotovoltaici ad Alessandria è di 3,93 kWh per
metro quadrato.
- 88 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Di seguito viene riportato l’andamento dell’irraggiamento medio mensile sul piano dei moduli
fotovoltaici.Nel Villaggio Fotovoltaico sono stati installati 10 impianti sul tetto di altrettanti edifici
e nei duefabbricati al centro di Piazza Grande sono presenti impianti sulla facciata sud.
Complessivamente la potenza totale installata è di circa 160 kW di picco. La stima della produzione
annua di energia elettrica, relativa a tutto il Villaggio, calcolata secondo la normativa UNI è di
160.000 kWh, questo comporta un risparmio annuo di combustibili fossili di circa 40 tonnellate e la
riduzione di emissioni di CO2 di circa 100 tonnellate.
Gli impianti raccolgono l’energia solare e la trasformano in energia elettrica compatibile con le
caratteristiche elettriche della rete di distribuzione pubblica alla quale i singoli impianti sono
allacciati. L’energia così prodotta viene misurata da un apposito contatore ed immessa in rete.
Annualmente la Società distributrice di energia elettrica fa il conguaglio fra l’energia prodotta dai
pannelli fotovoltaici e quella realmente consumata, fatturandone la differenza.
- 89 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Di seguito è rappresentato schematicamente l’inserimento di un impianto fotovoltaico in un
normale impianto di uso civile, quest’ultimo rappresentato on colore rosso.
I sistemi di ancoraggio dei generatori fotovoltaici cambia per i vari edifici; in alcuni casi i moduli
fotovoltaici sono fissati a infrastrutture in muratura a loro volta legate all’armatura del solaio, in
altri casi sono fissati a infrastrutture zavorrate e semplicemente appoggiate al solaio; in entrambi i
casi l’inclinazione dei moduli è quella ottimale tale cioè da permettere la massima raccolta di
energia dal Sole nell’arco dell’anno.
PROCEDURA E FORMATI PER L’ACQUISIZIONE DEI DATI
La raccolta delle informazioni preliminari sulle caratteristiche degli edifici e dell’impianto
fotovoltaico si è articolata nei seguenti punti:
_ preparazione di schede per la raccolta delle informazioni climatiche, dimensionali, economiche;
_ somministrazione delle schede per la registrazione delle informazioni;
_ verifica di congruità dei dati e completamento;
_ riversamento delle informazioni su supporto informatico.
Le schede somministrate ai fornitori e installatori di moduli fotovoltaici, di caratteristiche simili a
quelle presentate in figura.
I dati costruttivi del sistema fotovoltaico forniscono nel complesso i seguenti valori:
- 90 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
POTENZA COMPLESSIVA 163 kW(p)
AREA IMPIANTI 3.000 m2
SUPERFICIE NETTA PANNELLI 1.600 m2
Superficie lotto 72.135 m2
Superficie residenziale 47.128 m2
Abitazioni 304
Box 264
Abitazioni dotate di fotovoltaico 192
IMPIANTO IMPRESA DESTINATO AGLI ALLOGGI
MODULO Modello Dimensioni [mm] Potenza tipica [Wp] Potenza minima [Wp] Voltaggio max
PW750-12V
1237x556x45
80
75.1
600 V DC
IMPIANTO N° impianti Campo fotovoltaico kWpcad
KWptot
14+7
16 moduli
1.28
17.92+8.96
INVERTER Modello Potenza di picco [W] Rendimento max Corrente in entrata Uscita AC
SMA Sunny-boy 1100
1100
93.5%
10 A Monofase
LA CAMPAGNA DI MISURAZIONE
Il sistema di acquisizione dati, predisposto per la misura in continua delle variabili climatologiche è
stato mantenuto per dodici mesi continuativi sulla copertura dell’edificio campione, consentendo il
prelievo ininterrotto delle variabili climatiche omogenee per i diversi edifici soggetti a
monitoraggio. I dati raccolti dal “data logger” sono stati elaborati e confrontati con gli andamenti
climatici storicirelativi ad Alessandria, allo scopo di costruire la normalizzazione dei risultati
presentata nei grafici.
Radiazione solare
Ammontare della radiazione solare sulla superficie di captazione, misurata in W/m2.
Temperatura
Temperatura ambiente istantanea, in °C e integrale
giornaliera.
Potenza solare
Quantità di energia elettrica prodotta istantaneamente, misurata in kW.
- 91 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Energia Elettrica Assorbita (da Enel)
Integrale della quantità di energia elettrica prodotta dal solare fotovoltaico, convertita da corrente
continua ad alternata, misurata in kWh.
- 92 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
SCHEDA TECNICA DELL’INVERTER UTILIZZATO PER OGNI SINGOLA UTENZA E DEI
PANNELLI SOLARI
Prodotti: Sunny Boy SB 1100
Valori d'ingresso
Potenza massima DC
Tensione massima DC
Campo di tensione d'ingresso, MPPT
Corrente massima d'ingresso
Ripple di tensione DC
PDC, max
UDC, max
UPV
IPV, max
USS
1210 W
400 V
139 V ... 400V
10 A
< 10%
Numero mass. di stringhe (parallele)
2
Sezionamento DC
Connettore Multi-Contact
Varistori controllati termicamente
si
Rivelatore di dispersione a terra
si
Protezione contro l'inversione di polarità
Diodo di corto circuito
Valori d'uscita
Potenza massima AC
1100 W
Potenza nominale AC
1000 W
Fattore di distorsione della corrente di rete
< 4%
Range della tensione di rete
UAC
programmabile da - a
Range della frequenza di rete
180 V - 265 V
fAC
programmabile da - a
Angolo di sfasamento
- 93 -
198 V - 251 V
49,8 Hz - 50,2 Hz
45,5 Hz - 54,5 Hz
Cos-Phi
0°
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Protezione contro i corto circuiti
si, regolazione corrente
Collegamento rete
Connettore AC
Rendimento
Massimo rendimento
93 %
Euro-eta
91,4 %
Potenza assorbita
Consumo in funzione
<4W
Consumo in funzione notturno
0,1 W
Norme
EMC
EN 50081, p.1
EN 50082, p.1
Interferenza in rete
EN 61000-3-2
Monitoraggio della rete
Direttiva di bassa tensione
DIN VDE 126 (11.94)
e direttiva VDEW
EN 50178; EN 60146, parte 1-1
Conformità CE
si
Conformità CEI 11-20
si
Conformità DK 5950
si
Grado di protezione
secondo DIN EN 60529
IP 65
Dimensioni e peso
Larghezza
322 mm
Altezza
320 mm
Profondità
180 mm
Peso
ca. 21 kg
Condizioni ambientali
Temperature di lavoro ammissibili
-25°C bis 60°C
Umidità (relativa) ammissibile
0 ... 100%, cl. 3K6
- 94 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Matrix Solar
PW 750
LARGE SCALE POWER MODULE PW 750
This module is designed with an optimum configuration that fulfills the most demanding PV
applications including high voltage grid support systems.
Delivered Fully Configured.
This new product configuration meets the high standards of the professional consumer in a
lightweight, highly reliable package.
The PW 750 series modules use Photowatt's multi crystalline
technology. The 200 micron solar cells are individually
characterized and electronically matched prior to
interconnection. Encapsulation beneath high transmission
tempered glass is accomplished using an advanced, UV
resistant thermal setting plastic. The encapsulation, ethylene
vinyl acetate, cushions the operating characteristics of the solar
CHARACTERISTICS
cell under virtually any climatic conditions. The rear
surface of
the module is completely sealed from moisture and mechanical
damage by a continuous high strength polymer sheet.
The glass/tedlar construction of the module minimizes weight
while providing a durable, protective environment for the solar
cells. A double glass version is also available upon request.
This product is configured for 12 volt systems operation.
PERFORMANCES
Typical Voltage Current
Short
Open
Series
Power @Peak @Peak Circuit Circuit
Fuse
Power
Power Current Voltage Rating
(Vm)
(Im)
(Isc)
(Voc) (Amps)
75
17.0
4.4
4.7
21.6
8
80
17.3
4.6
5.0
21.9
8
85
17.6
4.8
5.4
22.0
8
90
17.8
5.0
5.7
22.2
8
Noct. (0.8 kW/m2, 20 degC, 1m/s, 45degC)
- 95 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
SIZE
48.7" x 21.89 "x 1.77 " (1237 mm x 556 mm x 45 mm)
(depth includes junction box)
75 Watt, 80 Watt, 85 Watt & 90 Watt versions
Capitolo 4
Soluzioni architettoniche per integrare l’energia
solare
- 96 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
CAPITOLO 4
L’INTEGRAZIONE DEI SISTEMI FOTOVOLTAICI IN ARCHITETTURA
In questo capitolo analizzeremo gli interventi possibili di integrazione tra i sistemi fotovoltaici e gli
edifici soffermandoci, in conclusione, a quelli adottati nel Villaggio Fotovoltaico.
Gli interventi di integrazione dei sistemi fotovoltaico negli edifici si possono distinguere in tre
categorie a seconda di quale è l’oggetto dell’intervento:
• interventi retrofit si definiscono quando il sistema fotovoltaico è integrato nella struttura di un
edificio esistente. Sono interventi complessi perché non sempre sono soddisfatti tutti i requisiti che
garantiscono un’ottima collocazione della superficie dell’impianto. Inoltre tali interventi spesso
- 97 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
rendono difficile l’integrazione dell’impianto con la struttura dell’edificio esistente e quindi è
necessario intervenire impiegando telai autonomi da addossare all’edificio.
• integrazione su nuovi edifici si definisce quando il sistema fotovoltaico è integrato alla struttura di
un edificio che deve essere costruito, in questo caso è possibile curare contemporaneamente gli
aspetti impiantistici ed estetici del progetto.
• integrazione su elementi di arredo urbano si definisce quando il sistema fotovoltaico è integrato
alla struttura di elementi che appartengono all’arredo urbano che possono essere ad esempio
lampioni stradali, percorsi pedonali coperti, pensiline per il ricovero di biciclette.
Particolare costruttivo di un intervento retrofit.(Illustrazione presa da F.Groppi, C.Zuccaro, Impianti solarifotovoltaici…, ed.Utet, Milano, 2002,
pag.64)
MODALITÀ DI INTEGRAZIONE DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO IN
ARCHITETTURA
Queste tre categorie di integrazione possono essere realizzate attraverso le seguenti modalità:
1. Integrazione in facciata: questa modalità di integrazione si suddivide a sua volta in:
1a. Integrazione in facciata verticale continua
1b. Integrazione in facciata verticale non continua
1c. Integrazione con moduli inclinati su facciata verticale
1d. Integrazione su facciata inclinata
2. Integrazione in copertura: questa modalitàdi integrazione a sua volta si suddivide in:
2a. Integrazione su copertura a falde inclinate
2b. Integrazione su copertura piana
- 98 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
2c. Integrazione di stringhe inclinate su copertura piana
2d. Integrazione di shed su copertura piana
2e. Integrazione in coperture curve
3. Integrazione nei dispositivi di controllo solare
4. Integrazione in strutture per l’arredo urbano
5. Integrazione negli spazi correlati alle grandi vie di comunicazione
1a. Integrazione in facciata verticale continua
•Comprende tutti gli interventi in cui il fotovoltaico è integrato su una facciata verticale in un unico
piano rispetto alle parti di prospetto non interessate dall’intervento.
•In questo caso si ricorre spesso a un unico sistema strutturale per la facciata, nel quale siano
impiegabili sia pannelli con vetrocamera sia i moduli fotovoltaici, senza particolari gerarchie
formali tra rivestimento e finestre.
•Elevata flessibilità progettuale e notevoli valenze estetiche con potenziale caratterizzazione grafica
della facciata.
•Funzione di schermatura parziale ai raggi solari.
•Diminuzione del carico termico all’interno dell’edificio.
•Ampia disponibilità di superfici.
•Facilità di pulizia utilizzando i sistemi di manutenzione convenzionali.
•Rigidità di inclinazione e orientamento dei moduli.
•Possibilità di standardizzazione degli elementi fotovoltaici.
•Negli interventi retrofit che prevedano la sovrapposizione della superficie fotovoltaica
all’involucro esistente occorre prevedere un’intercapedine per la retroventilazione dei moduli,
indispensabile per il corretto funzionamento del sistema.
- 99 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Sede principale amministrativa dellaScüco International. Fonte: catalogo Schüco International
Sezione di facciata della sede principale amministrativa dellaScüco International. Le linee vengono inserite in apposite canaline. Fonte: catalogo
Schüco International
1b. Integrazione in facciata verticale non continua
- 100 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
• Per motivi strutturali, funzionali o estetici alcune volte non è possibile inserire in modo continuo i
moduli fotovoltaici all’interno di una facciata.
• Questa modalità di intervento prevede la collocazione dei moduli fotovoltaicia nastro, nelle fasce
orizzontali non occupate da finestre.
• L’aspetto dell’edificio è scandito dall’alternanza di finestre e moduli fotovoltaici e questo
contrasto spesso si può riflettere nell’interruzione della continuità strutturale tra superficie
fotovoltaica e involucro.
• In questo caso i moduli sono dotati di una propria intelaiatura addossata all’involucro dell’edificio.
Quest’ultima variante è tra le più usate per gli interventi retrofit o per gli edifici di nuova
costruzione di tipo tradizionale.
• Possibili prestazioni di tipo bioclimatico dei moduli fotovoltaici (elementi frangisole e pareti
ventilate).
• Limitata disponibilità di superfici.
• Rigidità di inclinazione e orientamento dei moduli fotovoltaici.
• Possibilità di standardizzazione degli elementi fotovoltaici.
Residenze Bedzed a Sutton, Londra, Inghilterra. Fonte: rivista Costruire n.89/2002.
1c. Integrazione con moduli inclinati su facciata verticale
- 101 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
• Questa modalità di intervento garantisce una buona efficienza del fotovoltaicodovuta
all’inclinazione dei moduli che offrono una migliore accessibilità alla radiazione solare.
• Più efficiente retroventilazione dei moduli rispetto alle soluzioni perfettamente verticali.
• Funzione di frangisole.
• Complessità di costruzione della facciata continua.
• Potenziali problemi di pulizia.
• In una facciata con esposizione favorevole e in parte o totalmente priva di finestre sarebbe ideale
prevedere un sistema di facciata composto da due pareti: una interna, a perfetta tenuta dagli agenti
atmosferici, ed una esterna costituita da moduli fotovoltaici opachi agganciati ad una opportuna
struttura di supporto sagomata in modo tale da consentire l’inclinazione dei moduli
fotovoltaicirispetto al piano orizzontale.
Moduli fotovoltaici inclinati sulla facciata verticale di una abitazione in Giappone. Fonte: rivista Fotovoltaici n.3/2001
- 102 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Schema tipo di integrazione dei moduli fotovoltaici inclinati su facciata verticale.
(illustrazione presa da M.Spagnolo, Il sole nella città…, ed. FrancoMuzzio, Roma, 2002, pag.79)
1d. Integrazione su facciata inclinata
• I moduli fotovoltaici sono integrati nel prospetto dell’edificio, che si inclina rispetto al piano
orizzontale per aumentare la superficie esposta alla captazione solare.
• Quindi elevata produzione energetica dovuta all’inclinazione.
• Una soluzione interessante dal punto di vista della qualità integrativa è quella della sostituzione
degli elementi di rivestimento della facciata inclinata con i moduli fotovoltaici. Quando la parete
non presenta aperture o impedimenti è possibile progettare l’installazione dei moduli fotovoltaici in
modo omogeneo. Tutti gli elementi fotovoltaici andranno ancorati alla stessa sottostruttura
concepita per sostenere il rivestimento.
• Per tali ragioni questa modalità integrativa consente una possibile standardizzazione dei prodotti
fotovoltaici.
• Questa soluzione, di più facile realizzazione in interventi ex novo, è spesso abbinata all’uso di
moduli semitrasparenti che consentono l’ingresso della luce naturale, evitando fenomeni di
abbagliamento.
- 103 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Solar Fabrik, veduta dell’interno.
(illustrazione presa da M.Spagnolo, Il sole nella città…, ed. Franco Muzzio, Roma, 2002, pag.152)
Solar Fabrik, Friburgo. Impianto fotovoltaico:
potenza 56 kWp
2a. Integrazione su copertura a falde inclinate
- 104 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
• Questa è una delle forme più comuni ed economiche di integrazione quando la copertura
dell’edificio abbia requisiti favorevoli.
• I moduli possono essere ciechi e sostituire semplicemente il manto di copertura o essere
semitrasparenti, assolvendo quindi la funzione di lucernai (impianto fotovoltaicoa tetto-luce) per
l’illuminazione naturale dell’interno.
• Rigidità di orientamento.
• Elevati standard di integrazione.
• Rilevanti valenze architettoniche ed estetiche.
• Discreta incidenza sul costo di costruzione.
Schema tipo di integrazione di moduli fotovoltaicisu copertura a falde inclinate
(illustrazione presa da M.Spagnolo, Il sole nella città…, ed. FrancoMuzzio, Roma, 2002, pag.52)
- 105 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Moduli fotovoltaici integrati nella copertura a falda inclinata
(Illustrazione presa da F.Groppi, C.Zuccaro, Impianti solarifotovoltaici…, ed.Utet, Milano, 2002, pag.65)
2b. Integrazione su copertura piana
• Questa tipologia di integrazione consiste nella sostituzione totale o parziale della copertura piana
con un telaio sul quale vengono posizionati i moduli fotovoltaici.
• Si prevede l’utilizzo di moduli “doppio vetro” semitrasparenti alternati a lastre trasparenti.
• Benefici dovuti alla parziale penetrazione della luce naturale del giorno
• Possibilità di installazione su edifici di nuova realizzazione
• Utilizzo non ottimale dell’energia solare a causa della mancanza di inclinazione dei moduli
• Potenziali problemi dovuti all’eventuale accumulo di neve ed alla difficoltà di deflusso delle
acque
• Si richiede il requisito della tenuta stagna
• Diminuzione dell’efficienza dei moduli proporzionalmente all’aumento della superficie
trasparente tra le celle di silicio
• Aumento dei costi di condizionamento dell’edificio dovuto alla maggiore trasmissione di calore
dei moduli semitrasparenti
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Academy of Further Education a Herne in Germania.
(illustrazione presa da M.Spagnolo, Il sole nella città…, ed. FrancoMuzzio, Roma, 2002, pag.129)
2c. Integrazione di stringhe inclinate su copertura piana
• Consiste nel collocare su coperture piane strutture metalliche o in muratura di supporto per i
moduli, inclinate in modo ottimale rispetto all’orbita solare.
• Questi elementi non interrompono la continuità del solaio di copertura, quindi i moduli non
sostituiscono parti della copertura né possono essere utilizzati per realizzare lucernai
semitrasparenti.
• Questa è una delle soluzioni più economiche per le installazioni retrofit.
• Indipendenza del sistema fotovoltaico dalla struttura dell’edificio.
• Buona ventilazione dei moduli fotovoltaici.
• Facilità di montaggio dell’impianto e costi di installazione relativamente bassi.
• Utilizzo ottimale dell’energia solare grazie alla libertà di inclinazione ed orientamento dei moduli.
• Modeste valenze architettoniche.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
• Potenziali limitazioni dovute alla presenza di altri impianti o parapetti sulla copertura.
Schema tipo di integrazione di stringhe fotovoltaiche inclinate su copertura piana
(illustrazione presa da M.Spagnolo, Il sole nella città…, ed. FrancoMuzzio, Roma, 2002, pag.55)
2d. Integrazione di shed su copertura piana
• Questo tipo di integrazione consiste nel realizzare una copertura a dente di sega su cui collocare
moduli semitrasparenti o opachi.
• Se si utilizzano moduli fotovoltaici opachi, la superficie opposta del profilo è spesso vetrata per
consentire comunque l’ingresso della luce naturale.
• Questa soluzione viene scelta sia negli interventi ex-novo che retrofit.
• Grande compatibilità tra la tipologia edilizia e l’installazione dell’impianto fotovoltaico.
• Buona produzione energetica dovuta. all’inclinazione dei moduli.
• Limitati problemi di installazione.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Particolare dell’interno della nuova sede del Fraunhofer Institute a Friburgo in Germania. Fonte: rivista Fotovoltaici n.4/2001
2e. Integrazione in coperture curve
• I moduli fotovoltaici vengono integrati nel sistema strutturale di coperture a sezione curvilinea.
• In questo tipo di integrazioni ogni stringa contribuisce in modo autonomo alla produzione
energetica in quanto caratterizzata da diversa inclinazione e quindi diversa esposizione al sole.
• Si richiede il requisito della tenuta stagna.
• Rigidità di orientamento.
• Discreta incidenza sul costo di costruzione.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
3. Integrazione nei dispositivi di controllo solare
• Un altro modo di integrazione dei sistemi fotovoltaici negli edifici è quello di integrare i moduli
negli aggetti e dispositivi frangisole, collocati a protezione delle finestre.
• I moduli in questo caso sono svincolati dalla facciata retrostante e si possono quindi predisporre
secondo l’inclinazione ottimale per la captazione dell’energia solare.
• Sono minori i rischi di surriscaldamento dei moduli che possono mantenere prestazioni elevate in
termini di efficienza anche nei mesi estivi.
• Possibilità di rotazione automatizzata dei moduli in modo da incrementare la captazione solare ,
soluzione difficilmente applicabile nelle integrazioni negli involucri degli edifici.
• Vantaggi economici: la funzione di controllo solare e di supporto per il dispositivo solare ed
eventualmente di protezione dalle intemperie vengono assolte da un unico dispositivo che può
essere preassemblato in fabbrica, diminuendo i costi finali di installazione.
• I dispositivi solari possono essere previsti sia in interventi di nuova costruzione sia negli interventi
retrofit.
• L’impatto estetico dei frangisole fotovoltaici è notevole in termini cromatici e per la dinamica
delle ombre che introduce nel prospetto. Possono quindi rappresentare una possibilità di
riqualificazione degli edifici su cui vengono installati.
case ad Amersfoort, Amsterdam, Olanda. Fonte: rivista Costruire n.89/2001
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
4. Integrazione in strutture per l’arredo urbano
• I moduli fotovoltaici trovano applicazione anche per la realizzazione di strutture accessorie degli
edifici come componenti per l’illuminazione degli spazi esterni, pensiline fotovoltaicheper il
ricovero delle biciclette, in particolare nella variante semitrasparente.
• I moduli fotovoltaici semitrasparenti comunicano una sensazione di leggerezza, particolarmente
consona all’integrazione in strutture essenziali come zone di sosta e passaggi pedonali coperti, pur
garantendo un’efficace protezione dal sole e dalle intemperie.
Tipologia di pensilina fotovoltaica per il ricovero delle biciclette completa di telaio per sostenere n. 2 lampade fluorescenti per illuminazione notturna.
Fonte: catalogo Eurosolare.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
5. Integrazione negli spazi correlati alle grandi vie di comunicazione
• L’unica forma di impatto ambientale dei sistemi fotovoltaici è l’occupazione di ampie porzioni di
spazio, che quindi dovrebbero essere sottratte ad altre destinazioni d’uso.
• Una alternativa promettente è l’utilizzo dei moduli fotovoltaicisu scala più vasta, sfruttando per
l’installazione delle superfici fotovoltaiche quegli spazi asserviti alle grandi vie di comunicazione,
apparentemente ridotti e privi di interesse pratico, ma che nel loro insieme potrebbero costituire una
risorsa preziosa, se sfruttati per l’installazione di sistemi fotovoltaici.
• Questo è il caso ad esempio della parte superiore delle barriere antirumore che costeggiano
autostrade o arterie a scorrimento veloce o le fasce di rispetto dei percorsi ferroviari.
Esempio di barriera antirumore fotovoltaica
(Illustrazione presa da F.Groppi, C.Zuccaro, Impianti solari fotovoltaici…, ed. Utet, Milano, 2002, pag.69)
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
IL VILLAGGIO FOTOVOLTAICO ED I PROBLEMI ARCHITETTONICI
Un confronto sulla sostenibilità. Le prime valutazioni riguardanti le ideeguidadel Programma
Integrato hanno tenuto conto delle condizioni ambientali e fisiche del luogo, delle caratteristiche di
esposizione solare e di risorse energetiche, ponendosi subito come obiettivo prioritario la ricerca di
una qualità ambientale in senso generale. Si è scelto di avere un approccio rispettoso dell’ambiente
secondo i principi di biocompatibilità, ovvero di benessere e salubrità per i fruitori finali e di
ecosostenibilità, cioè attraverso l’uso di prodotti che avessero un basso impatto sull’ambiente, con
un miglioramento delle condizioni di esposizione degli ambienti abitativi, con edifici progettati
nella logica di un risparmio energetico, con il ricorso a energie rinnovabili e con la conseguente
diminuzione dell’immissione nell’atmosfera di inquinanti da combustione.
Un complesso processo progettuale e finanziario ha consentito di lavorare su questi temi, ponendosi
come risultato finale il raggiungimento del benessere ambientale degli abitanti dell’area attraverso
la realizzazione di abitazioni sane con un ridotto impatto ambientale.
IL PROGETTO ARCHITETTONICO
La perimetrazione del Programma Integrato comprendeva due ampie aree situate a cavallo di
Via Nenni; una, più piccola, di proprietà dell’A.T.C. con una superficie di mq. 11.031 e l’altra più
estesa,di mq. 61.104, con terreni di proprietà pubblica e con la presenza di alcuni edifici già
edificati; l'area totale del programma integrato era stimata in mq. 72.135, con una superficie
residenziale di mq. 47.128.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
L’area di proprietà dell’A.T.C. era completamente libera ed aperta su tre lati che affacciavano su
altrettante strade già esistenti; l’area più grande presentava una forma trapezoidale allungata,
che il piano Regolatore del 1990 individuava in due blocchi separati secondo il consueto
tracciamento del Piano Particolareggiato zona 14. L'unificazione delle aree e la rotazione di alcuni
edifici ha consentito, invece, di avere un'esposizione solare più corretta e di destinare ad area verde
una maggiore superficie di terreno datala carenza. Altrettanto evidente era la totale mancanza di
punti di riferimento forti e di elementi architettonici significativi; una loro presenza all’interno del
piano avrebbe caratterizzato e identificato quella parte di quartiere, garantendo ai cittadini un
maggiore senso di appartenenza e di riconoscimento nei confronti dei luoghi abitati. La ripetitività
delle piazze e dei rispettivi edifici costruiti sui lati, aveva generato nel tempo dei grandi cortili
verdi, ma per lo più spazi non attrezzati, privi di vegetazione, senza servizi ed attrezzature, con
l'aggravante di avere un'eccessiva ripetizione di tipologie e spazi aperti tutti molto simili.
Il progetto ha voluto rompere lo schema planimetrico esistente e ha proposto alcune varianti
volumetriche e distributive che hanno innescato diverse trasformazioni nell'area; sono stati previsti
edifici con un numero di piani superiore alla normativa del Piano Particolareggiato zona 14.
Gli edifici di progetto.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
I primi schizzi.
Unendo le due aree si è scelto di portare le autorimesse nel piano interrato per non avere
interferenza tra il traffico veicolare e i camminamenti pedonali a piano terra all’interno delle corti.
Questa operazione ha consentito di ridistribuire in pianta gli edifici, garantendo loro un adeguato
irraggiamento solare; l'esposizione degli ambienti secondo più corretti criteri di insolazione hanno
dato una maggiore vivibilità agli spazi interni degli alloggi e hanno contribuito in parte
al bilancio energetico necessario.
La possibilità di intervenire con lo scomputo degli oneri di urbanizzazione ha consentito agli
Operatori di realizzare direttamente i servizi e le opere pubbliche previste, cedendole poi
al Comune al termine dei lavori. Le due piazze, denominate Piazza Grande e Piazza
Verde, sono state collegate tra loro grazie ad una pavimentazione sopraelevata rispetto al piano
stradale realizzata nell'incrocio tra Via Nenni e Via della Palazzina; questo ha consentito di avere
una continuità dei passaggi pedonali senza barriere architettoniche ed un consistente rallentamento
del traffico veicolare. A seguito di una significativa richiesta di posti auto,
è stato inserita nel Programma Integrato un'autorimessa interrata con 72 posti e in affaccio
su Via Longo, Via della Palazzina e Via Basso sono state realizzate tre aree di parcheggi destinati
ad uso pubblico Il completamento di Piazza Grande, di proprietà pubblica ceduta in diritto di
superficie, consisteva in 96 alloggi così suddivisi: 40 realizzati dalle Cooperative a proprietà
indivisa, 24 per le Cooperative a proprietà divisa, 32 per l'edilizia privata
convenzionata; la Piazza Verde prevedeva, a sua volta, 96 alloggi di edilizia pubblica, con la
relativa
assegnazione in locazione, realizzati dall'A.T.C. In Piazza Grande l'edificio A ha mantenuto la
tipologia delle costruzioni esistenti, a tre piani abitativi con le autorimesse a piano terra, ma
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
portando gli ingressi veicolari nel cortile privato interno. Gli edifici B e C all’interno dell’area sono
stati organizzati con cinque piani abitativi e il De l'E, con quattro piani; tutti hanno le autorimesse
nel livello interrato e un piano pilotis con gli ingressi agli alloggi.
Vista prospettica con la rete
dei percorsi e la rete del verde.
Definizione delle proprietà.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Lo specchio d’acqua.
Gli edifici in Piazza Verde sono posizionati sui tre lati di chiusura della corte con quattro livelli
abitativi, con servizi e ingressi a piano terrae autorimessa sotterranea.
Il Piano prevede una robusta dotazione di verde pubblico, attrezzato in modo tale da proporre
situazioni diverse con zone destinate alla sosta e al riposo, all’attività fisica o ai momenti di
incontro nell’area adiacente al Centro di Aggregazione o sulle gradinate di Piazza Verde.
In questa piazza, la vegetazione si propone come elemento caratterizzante con l’inserimento di
numerose varietà di essenze diverse e con piantumazioni già adulte; il labirinto di siepi e la
gradinata in affaccio su un grande spazio pavimentato sono tra gli elementi funzionali più
significativi. All’interno di Piazza Grande gli elementi principali
del progetto di sistemazione ambientale sono la piazza pedonale attrezzata con la pista di
pattinaggio, il traliccio in ferro con il fotovoltaico che ombreggia panchine e sedute, le rampe
inclinate con struttura in ferro e rivestimento in legno dove potersi sedere o sdraiarsi al sole,
il ponte pedonale in ferro con rivestimento in legno, lo specchio d’acqua, le attrezzature
di arredo con le sedute e le fontanelle sistemate nelle aree verdi.
All'estremo ovest di Piazza Grande, è stato realizzato il Centro Sociale, una costruzione a
pianta quadrata ad un solo piano, con un volume in adiacenza destinato ad area ristoro e servizi.
La costruzione è realizzata in laterizio termoisolante con il rivestimento esterno in tavole di legno,
la copertura con struttura in legno lamellare e tavolato di legno, la grande vetrata continua
in alluminio e, negli angoli, i pali in acciaio che sostengono i pannelli fotovoltaici, a simboleggiare
quattro grandi fiori che si alzano verso il sole. Questo edificio, che sarà destinato a sede di
manifestazioni e centro di incontro, potrà farsi carico di soddisfare le aspettative e le esigenze
sociali presenti nell'area e di proporsi come ideale punto di riferimento e di aggregazione di tutto
il quartiere.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Il centro sociale
Il centro sociale
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Veduta dall’alto (si noti lo specchio d’acqua )
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Capitolo 5
Analisi economica
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
GLI INCENTIVI NAZIONALI: IL “CONTO ENERGIA”
IL COSTO DELL’ENERGIA FOTOVOLTAICA
In Italia si è passati dal programma Nazionale e Regionale d’incentivazione “Tetti fotovoltaici”
(finanziamento in conto capitale per il 75%, escluso IVA, del costo di realizzazione di impianti
fotovoltaici con potenza compresa tra 1 e 20 kWp collegati alla rete elettrica di distribuzione e
integrati nelle strutture edilizie) al sistema delle incentivazioni in “Conto Energia” introdotto con il
Decreto 28 luglio 2005 del Ministero delle Attività Produttive di concerto con il Ministero
dell’ambiente e della
Tutela del Territorio.
A differenza del precedente, il nuovo meccanismo non prevede l’erogazione di contributi in conto
capitale, ma introduce la remunerazione dell’energia prodotta dall’impianto ammesso alle
agevolazioni
con una “tariffa” particolarmente vantaggiosa.
Le modalità di attuazione del “Conto Energia” sono definite dal Ministero delle Attività Produttive
(D.M. 6 febbraio 2006 che modifica ed integra il D.M. 28 luglio 2005) e dall’Autorità per l’Energia
Elettrica e il Gas (Delibera n. 40/06 che modifica ed integra la Delibera n. 188/05).
Vediamo, in sintesi, la situazione attuale.
Gli impianti che possono usufruire delle agevolazioni
Possono usufruire delle agevolazioni previste dal “Conto Energia” tutti gli impianti fotovoltaici,
connessi alla rete elettrica, di potenza compresa tra 1 e 1000 kWp.
Quando l’energia prodotta da un impianto fotovoltaico connesso alla rete, eccede il fabbisogno
dell’utilizzatore, il surplus confluisce nella rete elettrica; nel caso in cui la produzione dell’impianto
solare risulti inferiore al fabbisogno dell’utilizzatore, l’energia necessaria è prelevata dalla rete.
La rete elettrica è utilizzata, quindi, come un accumulatore di capacità infinita.
Le agevolazioni previste dal “Conto Energia”
Come anticipato, il meccanismo del “Conto Energia” non prevede l’erogazione di contributi in
conto capitale per cui chi intende installare un impianto deve sostenerne la realizzazione con fondi
propri.
E’ prevista la remunerazione dell’energia prodotta dall’impianto per 20 anni; in pratica, gli impianti
ammessi alle agevolazioni, riceveranno per 20 anni un contributo pari alla tariffa incentivante
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
assegnata per ciascun kWh prodotto.
Le tariffe sono aggiornate di anno in anno in base all’inflazione e diversificate in base alla potenza
dell’impianto:
Potenza Impianto
Tariffa incentivante
Durata incentivo
[kWp]
[€/kWh]
[Anni]
Da 1 a 20
0.445
20
> 20 fino a 50
0.46
20
> 50
0.49
20
Per le domande presentate a partire dal 2007, il valore della tariffa incentivante (di partenza)
applicata sarà ridotto del 5% per ciascuno degli anni successivi al 2006 e, comunque, aggiornato in
base al tasso d’inflazione (ad esempio: per un impianto da 10 kWp la tariffa applicata per 20 anni,
da rivalutare secondo gli indici ISTAT, sarà pari a: 0.423 €/kWh per le domande presentate nel
2007, 0.400 €/kWh per le domande presentate nel 2008, etc.).
Modalità di utilizzo dell’energia prodotta dall’impianto fotovoltaico
Impianti con potenza compresa tra 1 e 20 kWp
Il D.M. 6 febbraio 2006 ha introdotto per gli impianti con potenza non superiore a 20 kWp la
possibilità di optare tra:
• servizio di scambio sul posto
• cessione in rete dell’energia prodotta (in precedenza esclusivamente riservata agli impianti con
potenze superiori a 20 kWp).
Il servizio di scambio sul posto (scambio tra l’energia prodotta dall’impianto fotovoltaico e
immessa in rete con l’energia attinta dalla rete elettrica e utilizzata) prevede che sia remunerata, con
la tariffa incentivante, soltanto l’energia prodotta e consumata in loco; in altre parole per l’eventuale
surplus di energia prodotta dall’impianto e non assorbita dalle utenze non si riceverà alcuna
remunerazione.
Per questa ragione, è opportuno che l’impianto sia dimensionato per soddisfare gli effettivi consumi
dell’utenza.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Al contrario, il servizio di cessione in rete vede incentivata tutta la produzione fotovoltaica di
energia, anche se superiore ai consumi, alla tariffa di 0.46 € per kWh.
L’energia prodotta potrà essere ceduta alla rete e remunerata con una tariffa di 0.095 € per kWh fino
a 500 mila kWh/anno (per questa opzione è richiesto il possesso della partita IVA al titolare
dell’impianto).
Impianti con potenza compresa tra 20 e 50 kWp e impianti con potenza compresa tra 50 e 1000
kWp.
Per tali tipologie di impianto è possibile la sola cessione in rete, per cui oltre all’incentivo
ventennale sulla produzione alla tariffa specifica si avrà un risparmio per l’utenza collegata al
sistema relativamente all’utilizzo dell’energia fotovoltaica prodotta-autoconsumata e un ricavo
derivante dalla vendita delle eccedenze, alla rete elettrica, come da Delibera dell’Autorità.
Le domande di ammissione alle agevolazioni
La domanda di accesso alla tariffa incentivante dovrà essere inoltrata al GRTN (Gestore della Rete
di Trasmissione Nazionale definito “soggetto attuatore” dalla Delibera n. 188/05) da persone fisiche
e giuridiche secondo lo schema predisposto dall’Autorità (allegato “A” della Delibera 188/05) nei
giorni dell’ultimo mese di ciascun trimestre (1-30 giugno 2006, 1-30 settembre 2006, 1-31
dicembre 2006).
L’aggiudicazione del contributo, per impianti di piccola taglia, avviene sulla base della data di
presentazione della domanda.
Per impianti di taglia superiore, con potenza oltre i 50 kWp, è previsto un meccanismo di gara a
ribasso della tariffa incentivante richiesta tra i progetti ammessi a finanziamento.
Altri incentivi.
Incentivi stanziati a livello locale possono essere cumulati con il conto energia a condizione che non
superino il 20% del costo dell'investimento.
Per i nuovi impianti energetici alimentati con fonti rinnovabili l’aliquota IVA è stabilmente fissata
al 10% per materiali, progettazione e installazione (Tabella A - D.P.R. 633 del 1972).
Per le persone fisiche non titolari di partita Iva è possibile, anche, detrarre dalla dichiarazione dei
redditi il 41% dell'importo complessivo comprese le spese di progettazione; il recupero dell’IRPEF
avviene con dieci quote annuali di pari importo per un tetto massimo di spesa di 48.000 € (Legge 23
dicembre 2005 n. 266).
La detrazione è parzialmente cumulabile col conto energia: le tariffe incentivanti sono ridotte del
30%(la tariffa incentivante passa da 0,445 €/kWh a 0,311 €/kWh).
Gli Incentivi regionali.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Eventuali incentivi di tipo regionale sono da verificarsi caso per caso.
Alcune regioni inseriscono regolarmente gli impianti fotovoltaici tra gli ammissibili a finanziamenti
in conto capitale nell’ambito dei Programmi Operativi Plurifondo (POR).
“Scambio sul posto” e dimensionamento dell’impianto: elementi essenziali
Nel caso dello “Scambio sul posto “ la potenza dell’impianto deve essere adeguata al fabbisogno
energetico del richiedente.
Per dimensionare correttamente l’impianto occorre, quindi, quantizzare (in termini di kWh) il
fabbisogno energetico annuo ed individuare l’impianto in grado di soddisfare tale richiesta.
Concludiamo la nostra analisi dei costi , occupandoci del villaggio fotovoltaico, con alcune cifre
significative sulla realizzazione e sui costi della parte relativa alle opere d’impianto.
VILLAGGIO FOTOVOLTAICO DI ALESSANDRIA
SUPERFICIE AREA COMPLESSIVA
mq. 72.135
SUPERFICIE RESIDENZIALE
mq. 47.128
ALLOGGI COMPLESSIVI AREA
N° 536
NUOVE AUTORIMESSE IN DOTAZIONE
N° 264
APPLICAZIONE fv. SU ALLOGGI
N° 192
POTENZA COMPLESSIVA IMPIANTI
160 KWp
SUPERFICIE COMPLESSIVA MODULI POSATI
3.000 MQ.
UTILIZZO COPERTURA CONSUMO PARTI COMUNI EDIFICI FINO AL 100%
COPERTURA SINGOLI APPARTAMENTI FINO AL 70%
COSTO IMPIANTO FOTOVOLTAICO - TOTALE APPLICAZIONI :
OPERATORI PRIVATI EURO 866.149,99
A.T.C. € 289.169,39
EDIFICI PUBBLICI € 47.637,00
TOTALE €1.202.956,38
FINANZIAMENTO IMPIANTI ( media villaggio % 68,84):
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
OPERATORI PRIVATI EURO 580.488,80
A.T.C. € 216.681,43
EDIFICI PUBBLICI €30.964,00
TOTALE €828.134,23
CALCOLO DEL COSTO/RENDIMENTO TEORICO MEDIO
PER ALLOGGIO
POTENZA 3 KW - PRODUZIONE 3.200 KW/ANNO
COSTO IMPIANTO MEDIO UNITARIO KWP € 7.250
COSTO ENERGIA MEDIO UNITARIO KWH
€0,1517
RISPARMIO/ANNO € 485,44
CALCOLO AMMORTAMENTO IMPIANTO
PER ALLOGGIO
COSTO LORDO IMPIANTO/ALLOGGIO €21.750,0
CONTRIBUTO MEDIO EFFETTIVO (69%) €15.007,0
COSTO NETTO €6.743,0
DURATA AMMORTAMENTO : 6743,0 / 485,44 = 13,8 ANNUALITÀ
CON “CERTIFICATI VERDI”= 6,5 ANNUALITÀ
- 125 -
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Capitolo 6
Valutazioni ambientali
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
VALUTAZIONI AMBIENTALI
I vantaggi dei sistemi fotovoltaici sono la modularità, le esigenze di manutenzione ridotte (dovute
all’assenza di parti in movimento), la semplicità d'utilizzo, e, soprattutto, un impatto ambientale
estremamente basso. In particolare, durante la fase di esercizio, l'unico vero impatto ambientale è
rappresentato dall'occupazione di superficie. Tali caratteristiche rendono la tecnologia fotovoltaica
particolarmente adatta all'integrazione negli edifici in ambiente urbano. In questo caso, infatti,
sfruttando superfici già utilizzate, si elimina anche l'unico impatto ambientale in fase di esercizio di
questa tecnologia. I benefici ambientali ottenibili dall’adozione di sistemi FV sono proporzionali
alla quantità di energia prodotta, supponendo che questa vada a sostituire dell'energia altrimenti
fornita da fonti convenzionali. Per produrre un chilowattora elettrico vengono bruciati mediamente
l'equivalente di 2,56 kWh sotto forma di combustibili fossili e di conseguenza emessi nell'aria circa
0,53 kg di anidride carbonica (fattore di emissione del mix elettrico italiano alla distribuzione). Si
può dire quindi che ogni kWh prodotto dal sistema fotovoltaico evita l'emissione di 0,53 kg di
anidride carbonica. Questo ragionamento può essere ripetuto per tutte le tipologie di inquinanti. Per
quantificare il beneficio che tale sostituzione ha sull'ambiente è opportuno riferirsi ad un esempio
pratico. Si considerino degli impianti fotovoltaici installati sui tetti di abitazioni a Milano, Roma e
Trapani con una potenza di picco di 1 kWp (orientati a Sud con inclinazione 30°). L'emissione di
anidride carbonica evitata in un anno si calcola moltiplicando il valore dell'energia elettrica prodotta
dai sistemi per il fattore di emissione del mix elettrico. Per stimare l'emissione evitata nel tempo di
vita dall'impianto è sufficiente moltiplicare le emissioni evitate annue per i 30 anni di vita stimata
degli impianti.
Finora abbiamo esposto i vantaggi economici per il singolo acquirente di un impianto fotovoltaico,
aspetto fondamentale per una grande diffusione ma non l'unico.
Dal punto di vista sociale. Gli impianti fotovoltaici riducono la domanda di energia da altre fonti
tradizionali contribuendo alla riduzione dell'inquinamento atmosferico (emissioni di anidride
carbonica generate altrimenti dalle centrali termoelettriche). L'emissione di anidride carbonica
"evitata" ogni anno è facilmente calcolabile. E' sufficiente moltiplicare il valore di energia elettrica
prodotta dall'impianto fotovoltaico per il fattore del mix elettrico italiano (0,531 Kg CO2/kWhel).
Es. 1000 kWhel/kWp x 0,531 Kg = 531 Kg CO2
Moltiplicando poi l'anidride carbonica "evitata" ogni anno per l'intera vita dell'impianto
fotovoltaico, ovvero per 30 anni, si ottiene il vantaggio sociale complessivo. Nel precedente
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
esempio, l'impianto fotovoltaico durante la sua vita "evita" la produzione di 15.930 Kg di CO2 e
facilita il rispetto del Protocollo di Kyoto.L'impatto sul paesaggio. La modularità dei pannelli solari
consente di integrare i moduli sulle superfici esistenti delle abitazioni, normalmente sui tetti.
L'impatto ambientale e paesaggistico è pertanto nullo.I sistemi fotovoltaici non producono
emissioni di nessun tipo e durante la fase di esercizio non emettono gas aventi effetto serra. La
produzione di un kWh di energia elettrica da fonte solare, se confrontata con pari produzione
energetica da fonti fossili, consente di evitare l’emissione in atmosfera di 0,53 kg di anidride
carbonica che e’ uno tra i principali gas responsabili dell’effetto serra, ma le stesse considerazioni
possono essere ripetute per le altre tipologie di inquinanti. È comunque vero che, al momento
attuale, la potenza installata complessiva degli impianti fotovoltaici su scala globale non e’
sufficiente per poter assicurare un abbattimento apprezzabile delle emissioni inquinanti
nell’atmosfera. Perche’ ciò avvenga, e’ necessaria una maggior diffusione della tecnologia in modo
da poter ottenere dei benefici concreti. Se la produzione di energia da fonte fotovoltaica presenta un
impatto sull’ambiente molto basso, e che e’ limitato agli aspetti di occupazione del territorio o di
impatto visivo, la fase di produzione dei pannelli fotovoltaici comporta un certo consumo
energetico e l’uso di prodotti chimici. Va considerato però che la maggior parte delle aziende
produttrici di componenti fotovoltaici è certificata ISO14000, quindi impegnata a recuperare e
riciclare tutti i propri effluenti e residui industriali sotto un attento controllo. Nella fase di
dismissione dell’impianto, i materiali di base quali l’alluminio, il silicio, o il vetro, possono essere
riciclati e riutilizzati sotto altre fonti.Per quanto riguarda il consumo energetico necessario alla
produzione di pannelli, quello che viene chiamato energy pay back time, ovvero il tempo richiesto
dall’impianto per produrre altrettanta energia di quanta ne sia necessaria durante le fasi della loro
produzione industriale, è sceso drasticamente negli ultimi anni ed è pari attualmente a circa 3 anni.
Per i moduli in film sottile, l’energy pay back time scende addirittura a un anno. Questo significa
che, considerando una vita utile dei pannelli fotovoltaici di circa 30 anni, per i rimanenti 29 anni
l’impianto produrrà energia pulita.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
TABELLA DELLE EMISSIONI DI CO2 A KW PRODOTTO
CO2
INDUSTRIA
(Kg/KW)
Solare fotovoltaico
0
Incenerimento dei rifiuti solidi
urbani
0,94
Impianto tradizionale a carbone
0,9
Impianto a "carbone pulito"
0,8
Impianto tradizionale a gas
0,5
Impianto a ciclo combinato a gas
0,37
Impianto termoelettrico
0,65
Combustione di gas naturale
0,605
Combustione di metano
0,25
Combustione di petrolio
0,855
Olio combustibile
0,72
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PRODOTTA
Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
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ile
CO2 prodotta Kg/KW
GRAFICO DELLE EMISSIONI DI CO2 per KW
Industria
Quanta CO2 si emette per produrre un kilowattora?
940 grammi da incenerimento rifiuti solidi urbani Italia
900 grammi da impianto tradizionale a carbone
800 grammi da impianti a "carbone pulito"
720 grammi da olio combustibile
650 grammi valore medio Italia 2004 impianti termoelettrici (media da fonti fossili)
530 grammi valore medio Italia 2004 (tutte le fonti)
500 grammi da gas da impianto tradizionale
370 grammi da gas da impianto a ciclo combinato
0 grammi da eolico
0 grammi da solare fotovoltaico
0 grammi da biomasse
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
Quante emissioni di CO2 provocano i vari tipi di centrale elettrica?
Secondo un'indagine realizzata presso l'Istituto Paul Scherrer (PSI), ai vari tipi di centrali
corrispondono le seguenti emissioni di gas a effetto serra (in g di equivalente CO2 per kWh):
lignite: 1 340; carbon fossile: 1 071; petrolio: 855; gas naturale: 605; nucleare: 16; forza idrica: 4;
fotovoltaico (p-Si): 193; fotovoltaico (m-Si): 121; vento: 36.
Nelle centrali fossili, la maggior parte delle emissioni è provocata direttamente dall'esercizio; nelle
centrali nucleari, idroelettriche, fotovoltaiche ed eoliche, invece, esclusivamente dai processi a
monte e a valle. Tra questi figurano in particolare la fabbricazione o lo smaltimento degli impianti.
Per le centrali nucleari sono stati considerati anche l'estrazione dell'uranio e lo smaltimento delle
scorie radioattive.
(fonte: axpo)
Quanto CO2 emettono i vari tipi di centrali nucleari?
In base a un'indagine condotta presso l'istituto Paul Scherrer (IPS), ai vari tipi di centrali elettriche
corrispondono le seguenti emissioni di gas a effetto serra (in g di equivalente CO2 per kWh):
lignite: 1340; carbon fossile: 1071; petrolio: 855; gas naturale: 605; energia nucleare: 16; forza
idrica: 4; fotovoltaico (p-Si): 193; fotovoltaico (m-Si): 121; vento: 36.
Nelle centrali fossili la maggior parte delle emissioni proviene direttamente dall'esercizio, mentre
per l'energia nucleare, la forza idrica, il fotovoltaico e l'energia eolica esclusivamente dai processi a
monte e a valle. Tra questi figurano in particolare la costruzione e lo smaltimento degli impianti.
Per l'energia nucleare entrano in gioco anche l'estrazione dell'uranio e lo smaltimento delle scorie
radioattive.
(fonte: Axpo)
Per la produzione netta di un kilowattora da rifiuti si emettono infatti circa 940 grammi di anidride
carbonica, contro i 530 della media nazionale (che comprende anche la quota da rinnovabili) e i 650
della sola componente termoelettrica. Si tratta di emissioni più elevate di quelle delle fonti fossili:
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
un impianto tradizionale a carbone emette circa 900 grammi di CO2 per kWh e uno a gas a ciclo
combinato circa 370 grammi.
"L’Italia, in ritardo rispetto allo sviluppo delle nuove fonti rinnovabili - eolico, solare, biomasse - e
in gravi difficoltà per rispettare gli impegni di Kyoto, dovrebbe semmai tassare e non incentivare gli
impianti di incenerimento, favorendo invece il riciclaggio ed il compostaggio" ricorda Rossano
Ercolini, della Rete Nazionale Rifiuti zero.
Da una tonnellata di rifiuti si producono circa 700 kWh e si ricevono mediamente circa 70 euro di
incentivi per la produzione di elettricità. Ma una tonnellata di rifiuti incenerita emette circa 0,8
tonnellate di CO2 e riceve pure gli incentivi: se gli impianti dovessero acquistare sul mercato i
permessi di emissione, dovrebbero pagare una cifra di 10-15 euro per tonnellata.
QUANTA CO2 SI EMETTE PER PRODURRE UN KILOWATTORA?
940 grammi da incenerimento rifiuti solidi urbani Italia 900 grammi da impianto tradizionale a
carbone 800 grammi da impianti a "carbone pulito" 720 grammi da olio combustibile 650 grammi
valore medio Italia 2004 impianti termoelettrici (media da fonti fossili) 530 grammi valore medio
Italia 2004 (tutte le fonti) 500 grammi da gas da impianto tradizionale 370 grammi da gas da
impianto a ciclo combinato 0 grammi da eolico 0 grammi da solare fotovoltaico 0 grammi da
biomasse.
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Un esempio di realizzazione per l’energia sostenibile: il villaggio fotovoltaico in Alessandria
BIBLIOGRAFIA
1 . Alla luce del sole Pubblicazione del Comune di Alessandria in
collaborazione con la Consulta per l’edilizia residenziale e le infrastrutture
della Provincia di Alessandria
2. Fondamenti teorici e sperimentali di conversione fotovoltaica
applicati alle celle solari
Prof. Ing. Franco Capua tesi di laurea in
Fisica, presso l’università del Piemonte Orientale Amedeo Avogadro
3.
Impianti Solari a norme CEI
Groppi, Zuccaro ed. UTET
4. Conversione diretta dell’energia solare in elettricità Robotti
UTET
5. Dispositivi elettronici con circuiti integrati
Boringhieri
6.
Solar electricity
Markvart
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ed.Wiley
ed.
Muller Kamins ed.