il fenomeno microscopico del fotovoltaico

COMMISSIONE GIOVANI
IL FENOMENO MICROSCOPICO
DEL FOTOVOLTAICO
a cura dell’ Ing. PALMISANO Antonio
rev. 00
Giugno 2007
ORDINE DEGLI INGEGNERI DELLA PROVINCIA DI TARANTO
COMMISSIONE GIOVANI
INDICE
Introduzione………………………………………………………..…………….pag. 5
CAPITOLO I
GLI ELEMENTI FONDAMENTALI
DEL PROCESSO FOTOVOLTAICO ………..…..…….pag. 7
1.1 Dal passato ai giorni nostri………………………………………..………...pag. 8
1.2 Una fonte energetica inesauribile: Il sole…………………………………pag. 10
1.2.1 I colori della luce…………..……………………………………..……pag. 15
1.3 I materiali semiconduttori…………………………..……………………. pag. 16
1.3.1 Il silicio…………..……………...…………………………………….pag. 16
1.4 Il drogaggio e la giunzione P-N……………………………………….……pag. 18
CAPITOLO II
L’ EFFETTO FOTOVOLTAICO ……..…….…….pag. 20
2.1 Diodo a giunzione a semiconduttore………….………………..……..…...pag. 21
2.2 Polarizzazione della giunzione…………………….………………..…...…pag. 23
2.3 Fondamenti fisici delle celle fotovoltaiche….......…....…………………... pag. 25
2.4 Caratteristica I-V della cella fotovoltaica e circuito equivalente………. pag. 29
2.4.1 Tensione a circuito aperto, corrente di corto circuito
e massima corrente al carico………………………………………. pag. 32
2.5 Analisi parametrica della cella…………………………………...………. pag. 34
2.6 Il rendimento (efficienza)…………………………………………………. pag. 37
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CAPITOLO III
GLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI ……..……….pag.39
3.1 I componenti di un impianto………………….…………….....…………...pag. 40
3.2 Il collegamento delle celle…………………….………………....….………pag. 40
3.3 La cassetta di terminazione….......…....……………………………..…... pag. 43
3.4 Dalla cella al campo fotovoltaico…………………………………………. pag. 43
3.4.1 Angolo di tilt e posizionamento dei moduli……………………….. pag. 46
3.4.1.1 Inseguitore solare…………………………………………... pag. 48
3.5 Prestazioni di un impianto fotovoltaico…………………….......................pag. 50
3.6 Connessione di un generatore fotovoltaico ad un carico in D.C.………..pag. 52
3.7 Configurazione di un impianto fotovoltaico……………………………...pag. 55
3.7.1 Sistemi fotovoltaici su utenza isolata (Stand Alone)…….………...pag. 57
3.7.2 Sistemi fotovoltaici connessi alla rete (Grid Connected)…………..pag. 59
3.7.2.1 Impianto fotovoltaico monofase…………………………….pag. 62
3.8 Criteri di dimensionamento di un impianto fotovoltaico………………..pag. 65
3.9 Applicazioni del fotovoltaico………………….…………………………...pag. 67
CAPITOLO IV
STATO DELL’ARTE
E SVILUPPI FUTURI DEL FOTOVOLTAICO..……….pag. 68
4.1 Perché scegliere il fotovoltaico…………………………………...………...pag. 69
4.2 Materiali e ricerca: vantaggi e svantaggi………...……………...………...pag. 74
4.2.1 Film sottili e cristallini: confronto tecnico economico…....………...pag. 76
4.2.2 Innovazioni delle celle……………………………………....………...pag. 78
4.2.2.1 Le celle polimeriche……………………….………...………...pag. 80
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4.3 Integrazione architettonica………………………...……………………....pag. 82
4.4 Il mercato mondiale………………………...……………………………....pag. 84
4.5 Aziende produttrici di fotovoltaici in Italia…………………...…………..pag. 86
4.6 Siti di interesse…………………………….……………………...………...pag. 94
Bibliografia e sitografia……...…………………..…………………...………...pag. 95
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INTRODUZIONE
“…Stare al mondo può essere caro, ma c’è incluso nel prezzo
un viaggio intorno al SOLE gratis ogni anno…”
Ashleigh Brilliant
Allo stato attuale, la popolazione mondiale ottiene l’energia di cui necessita quasi esclusivamente
(90% circa) dai combustibili fossili, che forniscono energia attraverso il processo di combustione,
con formazione di anidride carbonica e altri “gas serra”; si registra così una progressione del
riscaldamento terrestre per effetto serra. Occorre promuovere un sistema energetico accettabile sia
sotto il profilo ambientale che sotto quello economico, sostenendo l’utilizzo delle fonti rinnovabili
di energia e l’uso razionale delle risorse.
Il problema complessivo, dal punto di vista energetico, è di portata assai ampio.
Limitandosi alla sola produzione di energia elettrica, dalle analisi di Scienziati ed Esperti di rilievo
nel campo energetico emerge che è opportuno puntare su determinate fonti energetiche primarie
che, con l’adeguata risoluzione dei problemi relativi all’impatto ambientale, possano garantire la
produzione dell’energia nelle quantità necessarie per uno sviluppo sostenibile nel breve e medio
termine.
Le fonti primarie indicate sono:
- Il gas naturale, i cui consumi negli ultimi anni hanno avuto un forte incremento con la diffusione
delle turbine a gas nella produzione decentrata di elettricità, tanto in impianti con ciclo semplice che
con ciclo combinato o cicli di cogenerazione; oggi si assiste ad una svolta epocale in cui il gas
naturale, sta sostituendo negli usi finali e financo nella produzione elettrica i prodotti petroliferi;
- Il carbone, che dovrà essere usato in centrali di produzione elettrica di concezione avanzata, come
la combustione in letto fluido o i sistemi di gassificazione, concetto, quest’ultimo, che può essere
sfruttato anche per vari combustibili poco pregiati;
- Gli altri combustibili derivati dal petrolio;
- I combustibili nucleari fissili in impianti nucleari di nuova generazione;
- L’uso di biomasse con più o meno complessi sistemi di combustione (eventualmente a valle di
sistemi di gassificazione);
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- L’uso di sistemi fotovoltaici;
ed ovviamente l’uso delle altre fonti classiche, le fonti quasi inesauribili come la geotermia, le fonti
rinnovabili idraulica, eolica, solare termica.
La fonte energetica indubbiamente più diffusa sul nostro pianeta è l’energia solare, disponibile
gratuitamente ed in misura di molto superiore al fabbisogno energetico della popolazione mondiale.
Da sempre l’energia solare è stata utilizzata per soddisfare le necessità umane; innanzitutto come
fonte di luce e calore e quindi, attraverso i processi di fotosintesi, per l’accrescimento delle colture
alimentari. Tra le diverse tecnologie messe a punto per lo sfruttamento dell’energia solare, quella
fotovoltaica consente di trasformare direttamente la “luce” del sole in energia elettrica, ed è la più
innovativa e promettente a medio e lungo termine. Questa sorgente di energia si rinnova ad ogni
sorgere del sole sul nostro pianeta e non dipende da giacimenti localizzati. Si potrebbe avere un
ampia diffusione degli impianti fotovoltaici nei Paesi in via di sviluppo ove l’alternativa più
probabile è l’uso di combustibili poveri (carboni poveri come ligniti, torbe etc. che sono molto
inquinanti) di biomasse, se non esistono risorse idroelettriche.
La conversione fotovoltaica potrà giocare un ruolo di effettiva rilevanza sullo scenario energetico
mondiale, con un conseguente abbassamento dei costi, anche alla luce degli orientamenti normativi
in campo internazionale che stimolano fortemente lo sfruttamento sostenibile delle fonti rinnovabili
sul pianeta. L’elettricità prodotta da fonte solare è tema di discussione sul piano internazionale
poiché si tratta di energia pulita, affidabile e distribuita sul territorio. La ricerca ha determinato
decisivi progressi nelle tecnologie del settore, ponendo i sistemi fotovoltaici in una posizione di
rilievo tra le fonti energetiche chiamate, nel futuro prossimo, a rispondere alle pressanti richieste del
mercato dell’energia.
L’ energia solare ha, rispetto alle fonti tradizionali di energia, alcuni pregi fondamentali: è
inesauribile, è sicura, non è inquinante ed è gratuita.
Nella presente relazione si esaminano i fondamenti, le basi, il fenomeno microscopico, le tecnologie
disponibili e le potenzialità del sistema energetico fotovoltaico. Nel primo capitolo verranno
esaminati i componenti fondamentali del sistema fotovoltaico come la luce del sole, il silicio e la
giunzione P-N. Il comportamento di quest’ultima, al contatto della luce del sole, verrà esaminata nel
secondo capitolo (effetto fotovoltaico vero e proprio) mentre nel capito 3 si esaminerà lo stato
dell’arte dei sistemi fotovoltaici e i possibili sviluppi tecnico-scientifici futuri. Nel quarto ed ultimo
capitolo si esamineranno gli elementi di base di un impianto fotovoltaico e verrà illustrata la sua
realizzazione.
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CAPITOLO I
GLI ELEMENTI FONDAMENTALI DEL
PROCESSO FOTOVOLTAICO
“…O rispendente SOLE, cosa mai saresti tu, se non ci fossi io,
quaggiù, su cui risplendere?…”
Friedrich Nietzsche
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1.1 DAL PASSATO AI GIORNI NOSTRI
L'effetto fotovoltaico è noto fin dal 1839, dalle esperienze del fisico francese
Edmond Becquerel (1820-1891) che presentò alla Accademia delle Scienze di
Parigi la sua "Memoria sugli effetti elettrici prodotti sotto l'influenza dei raggi
solari". Becquerel stava effettuando esperienze con una cella elettrolitica in cui
erano immersi due elettrodi di platino, quando scoprì che l’intensità della
corrente aumentava quando si esponeva la cella alla luce del sole. Becquerel fu
anche il primo a rendersi conto che tale effetto dipende dal colore della luce
incidente. Si deve aspettare il 1876 per leggere notizie di effetti analoghi ottenuti con dispositivi a
stato solido, quali il selenio o altri materiali ottenuti dalla giunzione fra questo elemento e ossidi
metallici (Smith, Adams e Day). Tali materiali sono ancora utilizzati commercialmente per la
produzione di luxmetri, ma l’idea di sfruttare l’effetto fotovoltaico quale fonte energetica non ebbe
modo di svilupparsi finché non si poté operare con materiali che avessero un miglior rendimento.
Dopo molti lavori teorici e sperimentali, la prima cella solare commerciale fu prodotta infine presso
i laboratori Bell nel 1954 da un gruppo di lavoro guidato da Person, Fuller e Chapin, che
realizzarono una giunzione planare su un monocristallo di silicio, producendo in tal modo il
capostipite delle moderne celle fotovoltaiche. I tre scienziati si resero immediatamente conto delle
potenzialità energetiche del nuovo dispositivo, ma in effetti il suo costo ne restrinse inizialmente
l’applicazione a casi particolari, quali ad esempio l’alimentazione elettrica dei satelliti artificiali.
Negli anni successivi l’intera produzione di celle fotovoltaiche viene assorbita da una nuova
tecnologia: i satelliti spaziali. Uno dei più noti è lo Skylab, un vero laboratorio spaziale, messo in
orbita nel 1973 dagli Stati Uniti; ricava 25 KW di energia da 500.000 celle fotovoltaiche montate
su una superficie di 1250 metri quadrati. I satelliti artificiali, civili e militari che oggi girano a
migliaia intorno alla Terra, sono quasi sempre alimentati da celle fotovoltaiche.
Da allora le tecniche per la produzione di celle con il silicio monocristallino hanno avuto un
progressivo sviluppo. Oggi la fabbricazione di celle fotovoltaiche c-Si si può definire un processo di
produzione tecnologicamente maturo. Anche se il costo dei moduli fotovoltaici è ancora troppo alto,
perché la produzione di energia elettrica con celle fotovoltaiche possa competere con gli altri
sistemi di generazione dell’energia elettrica, la scelta dei sistemi fotovoltaici risulta economica e
vantaggiosa in parecchie applicazioni nel settore residenziale, in certe applicazioni del settore
terziario ed in altre specifiche applicazioni. Per ridurre il costo dei moduli, nel Mondo sono in corso
molte ricerche in gran parte dedicate allo sviluppo di celle a “thin film” (spessore sottile).
Le celle si ottengono da un film di silicio amorfo depositato su un substrato (a-Si), le prime
esperienze si sono avute nel 1984, dopo circa venti anni, comunque, non si ha ancora un quadro
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tecnico completo del loro funzionamento. Analoga situazione si ha per le celle a film sottile al
telluriuro di cadmio o al diseleniuro di rame-indio. Nelle ricerche sono state adoperate elaborate
tecniche sperimentali per migliorarne le prestazioni. La struttura delle celle, è infatti, molto
complessa e, non disponendo ancora di un soddisfacente quadro teorico, i miglioramenti ottenuti si
basano su osservazioni empiriche.
Le tecnologie più sperimentate sono:
- quelle delle celle al silicio monocristallino (c-Si) che danno rendimenti del 7÷8%, hanno oggi
raggiunto valori del 12÷15%
- quelle delle celle al silicio policristallino (poly-Si), che danno rendimenti del 6÷7%, hanno oggi
raggiunto valori del 11÷13%
- quelle del silicio amorfo (a-Si), che danno rendimenti del 2÷3%, hanno oggi raggiunto valori del
6÷9%, ma, ma per quest’ultimo tipo il vero problema da risolvere è quello del controllo del degrado
che subiscono nel tempo e che è indotto dalla radiazione luminosa.
Il panorama delle tecnologie in corso di sviluppo è molto ampio.
La ricerca tecnologica riguarda sia i materiali che le tecniche di lavorazione per la fabbricazione
delle celle e del loro assemblaggio per formare i sistemi ottenuti combinandoli in serie-parallelo.
Per la fabbricazione della maggior parte delle celle si utilizza il silicio monocristallino ottenuto
come sottoprodotto della produzione per l’industria dei semiconduttori e dei chips elettronici. Ciò
lega la sorte economica delle celle agli alti e bassi economici dell’industria dell’elettronica. Tale
situazione potrà però cambiare se si avrà una produzione indipendente di silicio adatto alla
fabbricazione delle celle. Ciò potrebbe portare ad un concreto abbassamento dei loro costi di
produzione. Le tecniche di produzione basate sull’uso di silicio preparato in nastri si sono evolute, e
si è evoluta anche la tecnica basata sull’uso di film sottili supportati da silicio o da altri substrati
come vetro, grafite o materiali ceramici. Anche per il silicio amorfo c’è un rilevante fervore di
attività di ricerca. La ricerca si occupa anche della sperimentazione di celle a struttura eterogenea aSi/c-Si, di celle al diseleniuro di rame-indio (CIS) etc.
In tale campo molte sono le ricerche sia sui materiali che sulle tecniche per la deposizione di strati
sottili negli elementi da fabbricare.
Altro campo di interesse è quello della ricerca mirata alla produzione di sistemi di celle ad alto
rendimento per lo sfruttamento di elevate concentrazioni della radiazione solare su una
opportunamente ampia banda dello spettro (ad esempio le celle tandem e le celle a concentrazione).
Da prime esperienze si è visto che si possono ottenere dei rendimenti dei sistemi dell’ordine del
25÷30%. Altre ricerche d’avanguardia si stanno svolgendo su alcuni materiali inorganici che
vengono resi “sensibili” alla radiazione luminosa con un trattamento superficiale con un solvente
organico per attivare un processo fotoelettrochimico. Altre ricerche sono mirate allo sfruttamento
dell’Effetto Auger ed anche sull’uso di materiali metallici per realizzare sistemi denominati “a
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banda intermedia”. Secondo il Fraunhofer-Institute fur Solare Energiesysteme di Friburgo,
Germania, attualmente c’è per i sistemi fotovoltaici:
- un lento ma stazionario miglioramento dell’efficienza di conversione;
- una lenta riduzione dei costi dei materiali e dei sistemi;
- una situazione incerta per il mercato delle materie prime per la fabbricazione di celle al silicio
policristallino.
Sempre secondo la predetta fonte, in futuro si dovrebbe avere:
- un’ulteriore affermazione delle tecnologie basate sul silicio monocristallino e policristallino;
- la disponibilità di nuovi materiali a film di silicio cristallino di medio spessore, tanto in nastri che
depositato su supporti;
- l’affermazione commerciale ed industriale di materiali per la fabbricazione di celle
a film sottile come a-Si, CIS, CdTe.
1.2
UNA FONTE ENERGETICA INESAURIBILE: IL SOLE
Il sole è una delle più comuni stelle che si ipotizza sia stata generata da una nube di idrogeno. Le
successive contrazioni gravitazionali della nube arrivarono a provocare violenti collisioni tra le
particelle di idrogeno con conseguente produzione di una quantità di calore sufficiente a fondere i
nuclei di idrogeno in elio e a liberare energia. La “nascita” del sole coincide con il realizzarsi del
primo processo di fusione.
Il sole ha un diametro di 1.39*10^6 Km e dista dalla terra 150 milioni di chilometri. Nella parte più
interna del sole di verificano delle reazioni nucleari che trasformano idrogeno in elio e questa
trasformazione provoca una riduzione di massa e una corrispondente produzione di energia.
Quest’ultima passa dall’interno del sole alla sua superficie e successivamente si trasmette, per
irraggiamento, nello spazio.
L’energia del sole deriva dalla fusione di 4 nuclei di idrogeno in elio. Si può pertanto ritenere che il
sole continuerà a fornirci energia per miliardi di anni ancora. L’energia viene emessa dal sole sotto
forma di onde elettromagnetiche con uno spettro che va dalle radionde ai raggi X e gamma.
Quanto minore è la lunghezza d’onda tanto maggiore è l’energia trasportata dall’onda stessa(da qui
viene la dannosità delle radiazioni ionizzanti la cui lunghezza d’onda è un milione divolte inferiore
a quella dell’irraggiamento solare).
L’energia associata ad un’onda è legata alla frequenza dell’onda (ν) dalla relazione seguente:
E=h⋅ν
(1)
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nella quale h rappresenta la costante di Planck:
h = 6,62 × 10^-34 [J×s]
Nello spettro della radiazione solare possiamo riconoscere diverse regioni di lunghezze
d’onda, che hanno caratteristiche diverse, in particolare:
· ultravioletto (0,1 µm < λ ≤ 0,38 µm) contiene le radiazioni che trasportano maggior energia e
potrebbero per questo risultare dannose per la vita sulla Terra. Queste radiazioni rappresentano una
piccolissima percentuale dello spettro solare e vengono quasi interamente “fermate” nella parte più
alta dell’atmosfera dall’ossigeno e dall’ozono;
· visibile (0,38 µm < λ ≤ 0,78 µm) contiene le radiazioni alle quali è sensibile l’occhio umano; è
formata da tutti i colori familiari, dal violetto al rosso, e rappresenta il 46% del totale della
radiazione solare;
· infrarosso (0,78 µm < λ ≤ 1 mm) contiene la radiazione che sperimentiamo come calore e
rappresenta il 49% della radiazione emessa.
Per avere un’ indicazione sull’ intensità di irraggiamento del sole si deve tener presente della
costante solare Isc. Questa rappresenta l’intensità della radiazione extraterrestre che colpisce una
superficie situata fuori dall’atmosfera terrestre alla distanza media tra la terra e il sole e orientata
perpendicolarmente rispetto alla radiazione. In base alle più recenti misurazioni, Isc è di 1367
[W/m2]. Però l’orbita terrestre è ellittica, la distanza tra la terra e il sole varia, nel corso dell’anno
quindi viene considerata una nuova costante It (in funsione della Isc) calcolata come segue:
It = Isc [1 + 0,033 cos (360 n / 365)] [W/ m²]
(2)
dove n è il numero del giorno nel corso dell’anno.
Il sole irraggia uno spettro elettromagnetico nella gamma di lunghezze d’onda λ che va da 0,25 a
oltre 5 µm, ossia dai raggi X alle radiazioni infrarosse passando per i raggi ultravioletti e la luce
visibile.
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Figura 1. L’intensità spettrale della radiazione in funzione della lunghezza d’onda della luce
solare
Dalla figura 1 emerge che la radiazione solare è una radiazione a onde corte. Il 98,8% della
radiazione extraterrestre rientra infatti nella gamma di lunghezze d’onda λ comprese tra 0,38 e 0,78
µm (campo del visibile) e il 32,6% nell’infrarosso prossimo (l fino a 1,5 µm). L’intensità della
radiazione raggiunge il suo valore massimo di 2042,6 W/(m2µm) alla lunghezza d’onda l di 0,46
µm.
Figura 2. Percentuali delle radiazioni solari assorbite, riflesse e diffuse
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L’atmosfera determina uno “schermo” per parte della radiazione solare incidente, risulta, quindi,
chiaro che la “quantità” di energia che arriva effettivamente al suolo, nell’unità di tempo, dipende
dallo spessore di atmosfera che deve attraversare (fig. 2). Tale spessore è determinato dall’altezza
del Sole sull’orizzonte, dal periodo dell’anno e dalla latitudine.
L’altezza del sole sull’orizzonte viene individuata dall’angolo che la radiazione incidente forma con
il piano orizzontale e varia con la latitudine e, in uno stesso luogo, con le stagioni e con le ore del
giorno. Quando il sole è allo zenit la radiazione deve attraversare circa 100 km per raggiungere il
suolo; via via che il sole si abbassa sull’orizzonte tale strato aumenta fino a raggiungere circa 1130
km; ne consegue che al tramonto l’energia radiante è notevolmente minore a causa del maggior
assorbimento e diffusione da parte dell’atmosfera. Per un angolo tra il sole e l’orizzonte inferiore a
15° la radiazione solare perde praticamente tutta la sua energia prima di arrivare al suolo (fig. 3).
Figura 3. Effetto dell’altezza del sole sullo strato di atmosfera da attraversare
Le variazioni stagionali e giornaliere sono determinate dall’inclinazione dell’asse terrestre e dalla
rotazione della Terra. L’asse terrestre rappresenta l’asse attorno al quale la terra compie ogni giorno
una rotazione; è orientato dal polo nord al polo sud ed è inclinato di 23,5° rispetto alla
perpendicolare al piano dell’eclittica (orbita della Terra intorno al sole). Tale inclinazione è costante
e determina l’alternarsi delle stagioni; nei mesi estivi l’emisfero boreale riceve più ore di
soleggiamento e la radiazione incidente è più vicina alla perpendicolare alla superficie terrestre,
mentre nell’emisfero australe la radiazione è più bassa rispetto all’orizzonte; nei mesi invernali la
situazione è invertita. Ulteriori variazioni dell’irraggiamento sono legate alla latitudine.
Le stagioni e la grande suddivisione climatica della terra in tropici, latitudine media e calotte polari
così come molti dei fenomeni climatici, che non sono altro che la loro conseguenza, sono dovuti a
tre caratteristiche meccaniche dell’universo, connesse le une alle altre:
1. la rivoluzione terrestre, ossia il moto della terra attorno al sole;
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2. l’inclinazione dell’asse terrestre, che non è perpendicolare al piano dell’orbita, ma forma un
angolo di circa 23,5° con la normale a tale piano – in altri termini è inclinato di 23,5° rispetto
all’orbita.
Marzo
Giugno
Dicembre
Settembre
Figura 4. La rivoluzione terrestre e le relative stagioni
Prendendo in considerazione una superficie piana ricevente posta sulla terra è possibile fare alcune
considerazioni sulla potenza raggiante solare:
• In primo luogo, la superficie ricevente non potrà essere perpendicolare ai raggi del sole, a
meno che non sia orientabile e possa quindi seguire il sole; supponendo che l’atmosfera sia
•
•
•
•
perfettamente trasparente ai raggi solari e che questi ultimi formino un angolo θ (detto
angolo di incidenza) con la direzione normale alla superficie stessa; la potenza solare
incidente, per unità di area, sarà direttamente proporzionale al coseno dell’angolo θ
Nella radiazione solare di distinguono: la componente diretta, quella diffusa e quella
riflessa. Quello che contraddistingue queste 3 componenti è l’angolo di incidenza. In una
giornata soleggiata, la componente diretta coprirà il 90% di tutta la radiazione mentre, in una
giornata nuvolosa la componente principale è quella diffusa
L’atmosfera non è perfettamente trasparente, dunque l’energia raggiante del sole viene in
parte assorbita dalle molecole di H2O, CO2 e in parte subisce un fenomeno di diffusione.
La massima energia raggiante solare che incide sulla superficie terrestre si ha, nella giornata,
a mezzogiorno
In Italia, il mezzogiorno del 21 Giugno, è il momento in cui l’energia raggiante assume il
picco annuale.
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1.2.1 I “COLORI” DELLA LUCE
La radiazione elettromagnetica proveniente dal Sole non è solo luce visibile ma, in funzione della
lunghezza d’onda, è anche luce infrarossa, luce ultravioletta, raggi X, raggi gamma e onde radio.
I colori degli oggetti che osserviamo nascono dalle interazioni tra la radiazione solare e gli elettroni
degli atomi o delle molecole che li compongono. La luce bianca è in realtà un “miscuglio” di colori.
Se si fa passare passare la luce del Sole attraverso un prisma, si ottengono i colori costitutivi della
luce: violetto, blu, azzurro, verde, giallo, arancione e rosso. In più si troveranno numerosissime
righe scure che corrispondono a determinati elementi chimici presenti nell'atmosfera solare: ogni
elemento, allo stato gassoso, assorbe caratteristiche frequenze luminose, originando le discontinuità
rilevabili nello spettro. Queste righe furono scoperte da Fraunhofer all'inizio dell'800 e da lui hanno
preso il nome.
Figura 5. Scomposizione della luce nei colori costitutivi
Figura 6. I “colori” della luce visibile
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1.3 I MATERIALI SEMICONDUTTORI
Le proprietà di un materiale dipendono dalla struttura atomica degli elementi che lo compongono.
Gli atomi, secondo il modello di Rutherford e perfezionato da Bohr, sono costituiti da un nucleo,
formato da protoni e neutroni, e da una nuvola elettronica, ovvero da un certo numero di elettroni
che ruotano con energie e orbite diverse intorno al nucleo. Gli elettroni più interni, con energie più
basse, sono legati molto saldamente al nucleo e hanno scarsa influenza sulle proprietà chimiche ed
elettriche dell’atomo. Gli elettroni più esterni, e precisamente quelli dell’ultima orbita (elettroni di
valenza) risentono maggiormente delle iterazioni con gli atomi circostanti e quindi determinano le
caratteristiche elettriche e chimiche dei materiali. I semiconduttori sono materiali che hanno una
resistività intermedia tra i conduttori e gli isolanti. I semiconduttori che maggiormente trovano
impiego nell’elettronica sono silicio e germanio, ma per la fabbricazione dei pannelli fotovoltaici
viene utilizzato prevalentemente silicio.
1.3.1 IL SILICIO
Il silicio è l'elemento chimico, appartenente al quarto gruppo della tavola periodica degli elementi,
che ha come simbolo Si e come numero atomico il 14.
I 14 elettroni sono disposti su tre orbite e 4 elettroni di valenza sono situati nell’orbita più esterna. Il
Silicio è meno reattivo del suo analogo chimico, il carbonio ed è il secondo elemento per
abbondanza nella crosta terrestre dopo l'ossigeno, componendone il 25,7% del peso. La maggior
parte degli acidi (eccetto l'acido fluoridrico) non riescono ad intaccare il silicio. Poiché il silicio è
un importante elemento dei semiconduttori e di tutta l'industria elettronica, la regione di Silicon
Valley in California, nota per le numerose aziende di informatica ed elettronica, prende il suo nome
da questo elemento (Silicon in inglese).
Il silicio presenta 4 elettroni di valenza (fig. 7) e una struttura cristallina nella quale l’interazione
reciproca fra un atomo e quelli adiacenti è assai forte: l’attrazione di un atomo sull’elettrone di
valenza di un atomo adiacente crea un legame covalente. Ciò fa si che gli elettroni di valenza
risultino saldamente vincolati nel reticolo cristallino.
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Figura 7. Rappresentazione bidimensionale della struttura cristallina del Silicio
Come si vede in figura 7, dove sono rappresentati i nuclei di Si con gli elettroni di valenza, non si
hanno elettroni liberi di spostarsi nel materiale: pertanto la resistività del materiale risulta
elevatissima. Fornendo energia termica,o altri tipi di energia, è possibile spezzare qualche legame
covalente: in questo caso si avranno elettroni liberi e quindi una certa conduttività.
Figura 8. Cristallo di Silicio con un elettrone libero
A temperature molto basse i materiali semiconduttori si comportano come isolanti, mentre
all’aumentare della temperatura e con la conseguente presenza di elettroni liberi, si ottiene una
conduzione elettrica nota con il nome di conduzione intrinseca.
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In figura 8 è illustrato il modello di un cristallo di silicio con un elettrone libero: la mancanza di un
elettrone nel legame covalente costituisce una lacuna. L’importanza della lacuna consiste nel fatto
che l’esistenza di un legame incompleto rende probabile il trasferimento di un elettrone di un altro
atomo alla lacuna; tale processo può ripetersi a catena poiché, l’elettrone, che si muove per andare
ad occupare una lacuna, lascia a sua volta una lacuna. Pertanto il flusso di elettroni procede in verso
opposto a quello delle lacune.
In un semiconduttore puro (intrinseco) il numero delle lacune è uguale a quello degli elettroni: la
concentrazione p delle lacune è pari alla concentrazione n degli elettroni ovvero:
n=p
1.4 IL DROGAGGIO E LA GIUNZIONE P-N
Le caratteristiche dei materiali semiconduttori vengono più ampiamente e facilmente sfruttate e
controllate inserendo nella struttura cristallina, ad esempio del silicio, atomi di materiali trivalenti (3
elettroni di valenza) o pentavalenti (5 elettroni di valenza). Ciò consente di aumentare sensibilmente
la conduttività del silicio anche a temperatura ambiente, e di avere correnti apprezzabili anche con
l’applicazione di campi elettrici piuttosto deboli. Un cristallo di silicio a cui siano stati aggiunti
atomi di “impurità” si dice drogato o estrinseco.
Il processo di drogaggio, con il quale sostanzialmente si ottiene la sostituzione, nel reticolo
cristallino, di un atomo tetravalente con uno pentavalente o trivalente e di conseguenza una
sovrabbondanza di elettroni liberi o di lacune.
Figura 9. Cristallo di Silicio drogato con impurità pentavalenti (As) e con impurità trivalenti
(In)
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Se nel silicio sono stati introdotti atomi trivalenti ( o accettori, in quanto l’esistenza di un legame
covalente incompleto comporta la disponibilità ad accogliere un elettrone esterno all’atomo) diventa
di tipo P: in esso la conduttività è principalmente dovuta alla presenza di lacune. Nel materiale di
tipo P pertanto le lacune sono i portatori maggioritari mentre gli elettroni, presenti in minor
concentrazione, sono i portatori minoritari.
I materiali in cui sono stati introdotti atomi pentavalenti (o donatori, in quanto, disponendo di
cinque elettroni di valenza, presentano un elettrone libero da legami covalenti e quindi disponibile a
muoversi nel cristallo) diventa di tipo N: in esso la conduttività è principalmente dovuta alla
presenza di elettroni liberi. Nel materiale di tipo N pertanto gli elettroni sono i portatori
maggioritari mentre le lacune, presenti in minor concentrazione, sono i portatori minoritari.
Occorre precisare che, nonostante il drogaggio, il cristallo rimane elettricamente neutro: infatti, ad
esempio nel caso di un semiconduttore di tipo n, la carica negativa degli elettroni in eccesso è
bilanciata dall’equivalente carica positiva degli atomi donatori (donor) che hanno ceduto un
elettrone. Analoghe osservazioni valgono per un semiconduttore drogato di tipo P.
Fra gli elementi che vengono utilizzati come impurità si possono citare come pentavalenti: fosforo
(P), arsenico (As) e antimonio (Sb), mentre per i trivalenti il boro (B), gallio (Ga),Indio (In) ed
alluminio (Al).
Se in un cristallo di semiconduttore vengono introdotte da un lato impurità di tipo p, dall’altro
impurità di tipo n, si ottiene una giunzione P-N che è l’elemento di base per la costruzione di celle
fotovoltaiche.
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CAPITOLO II
L’ EFFETTO FOTOVOLTAICO
“…Se il SOLE al mattino sorge e promette una bella giornata,
non posso far a meno ogni volta di esclamare:
ecco un altro dono di Dio che gli uomini di Dio si rubano l’un l’altro…”
Johann Wolfgang Goethe
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2.1 DIODO A GIUNZIONE A SEMICONDUTTORE
Com’è noto, quando un materiale semiconduttore drogato di tipo P viene a trovarsi in contatto con
un materiale semiconduttore drogato di tipo N, si parla di giunzione P-N. Tale giunzione genera un
campo elettrico interno (campo elettrico di built-in) nei pressi dell’interfaccia tra i due materiali:
infatti a differenza della diversa concentrazione di elettroni e di lacune nelle due regioni, si origina
una corrente di diffusione di elettroni verso la regione di tipo P e di lacune verso la regione di tipo
N. Il movimento di queste cariche lascia atomi ionizzati (gli atomi sono fissi, per cui non possono
seguire gli elettroni e le lacune nel loro movimento) e questo produce accumuli di carica, uguali e di
segno opposto sui due lati della giunzione.
Corrente di diffusione delle lacune
Corrente di diffusione di elettroni
Deriva degli elettroni
Deriva delle lacune
Campo Elettrico
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Figura 10. Diagramma della giunzione P-N
A questi accumuli di carica corrisponde un campo elettrico (appunto detto di built-in) diretto
ovviamente dalle cariche positive (nella regione di tipo N) verso le cariche negative ( nella regione
P); questo campo genera a sua volta 2 correnti di deriva (drift), una di elettroni e una di lacune,
dirette in verso opposto alle rispettive correnti di diffusione. In condizioni di equilibrio, le correnti
si compensano e la corrente netta attraverso la giunzione è nulla. I due semiconduttori drogati di
tipo P e di tipo N, messi perfettamente a contatto tra loro e raggiunta la condizione di equilibrio,
danno vita ad uno degli elementi fondamentali dell’elettronica: il diodo. I due morsetti del diodo
vengono chiamati anodo (A) corrispondente alla zona P e catodo (K) relativa alla zona N.
Anodo
Catodo
Figura 11. Giunzione P-N e relativo simbolo del diodo
Nella zona di interfaccia tra la parte P e quella N, dove risiede quindi il campo elettrico, si crea una
zona di svuotamento che ha uno spessore dell’ordine di 0,5 µm e si presenta come una porzione di
dielettrico determinando un effetto capacitivo ai capi della giunzione. Il campo elettrico che si viene
a creare si oppone ad un’ulteriore diffusione di elettroni verso la regione P e di lacune verso la
regione N, in pratica è come se si innalzasse un “muro” che elettroni e lacune non riescono a saltare.
La tensione V0 mostrata in figura 10 è la barriera di potenziale che si viene a creare ed è
dell’ordine di alcuni decimi di Volt.
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2.2 POLARIZZAZIONE DELLA GIUNZIONE
Applicando una batteria ai capi di un cristallo di semiconduttore P-N, il moto dei portatori e il
flusso della corrente vengono determinati dalla polarità e dal valore della tensione applicata.
In figura 12a gli elettroni liberi della zone N sono attratti verso il morsetto positivo della batteria,
lontano dalla giunzione; anche le lacune vengono allontanate dalla giunzione, determinando un
allargamento della zona di svuotamento e un aumento della barriera di potenziale. In pratica se si
collega una batteria con polarità uguali a quelle della tensione di built-in (la cui polarità positiva è
nella regione N), il campo elettrico interno risulta rafforzato, per cui la giunzione è polarizzata
inversamente e la corrente, detta corrente inversa di saturazione, risulta debolissima dovuta ai
portatori minoritari.
corrente I
(a) Polarizzazione inversa
(b) Polarizzazione diretta
Figura 12. Polarizzazione inversa e diretta del diodo
In figura 12b gli elettroni presenti nella zona P vengono attratti verso il morsetto positivo della
batteria,creando nuove lacune; inoltre essi dal terminale negativo della batteria entrano nella zona N
del cristallo e si diffondono attraverso la giunzione. La zona di svuotamento si restringe e la barriera
di potenziale si riduce. La giunzione è polarizzata direttamente e la corrente, dovuta ai portatori
maggioritari, scorre dalla zona P alla N.
La funzionalità di un diodo viene descritta dalla curva caratteristica che esprime l’andamento della
corrente (I) al variare della tensione fra anodo e catodo (figura 13).
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Polarizzazione inversa
Vγ
Polarizzazione diretta
Figura 13. Caratteristica I-V di un diodo
Per tensioni positive la corrente I cresce esponenzialmente con V; inoltre essa è positiva, di valore
considerevole, diretta dall’anodo al catodo: la giunzione è polarizzata direttamente e il diodo è in
conduzione. Vγ rappresenta la tensione di soglia oltre la quale la corrente assume valori
apprezzabili. Vγ presenta valori intorno a 0,6V per diodi al silicio e 0.2V per diodi al germanio.
La corrente che scorre in un diodo (Id), la cui caratteristica è mostrata in figura 13, è descritta dalla
relazione:
Id = I s (e
dove: VT =
Vd
ηVT
− 1)
(3)
kT
= 26 mV (per T = 300 Kelvin)
e
e = carica dell’elettrone
k = costante di Boltzmann= 1.38054*10-23 J/K
T = temperatura assoluta
Is = corrente inversa di saturazione
Vd = tensione ai capi del diodo
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2.3 FONDAMENTI FISICI DELLE CELLE FOTOVOLTAICHE
La trattazione tecnica relativa ai semiconduttori, giunzione P-N e polarizzazione del diodo è
essenziale per apprendere il fenomeno fisico che avviene all’interno di una cella fotovoltaica.
L’elemento di base, per la costruzione di una cella fotovoltaica, è infatti il silicio drogato di tipo P e
di tipo N che formano appunto una giunzione P-N. In questo caso, però, si ottiene passaggio di
corrente nella cella sotto all’azione di una radiazione solare incidente sulla superficie della
giunzione.
Una cella fotovoltaica non è altro che un diodo a semiconduttore, essa converte l’energia dei fotoni
in energia elettrica. Affinchè i portatori di carica, siano essi elettroni liberi o buche, possano migrare
facilmente da una regione ad un’altra, il diodo deve essere formato da un singolo cristallo. Il
fenomeno fisico che si instaura nella giunzione P-N (fig. 10) è dunque il fenomeno che si ha su una
cella non illuminata.
Il funzionamento di una cella fotovoltaica dipende dall’interazione dei fotoni con gli elettroni di
valenza del semiconduttore di cui è composto. Ricordando la formula (1) abbiamo che:
Efotone = h ⋅ ν = (h ⋅ c) / λ
[J]
(4)
Dove:
h costante di Planck 6.625*10-4 Js
ν frequenza, Hertz
c velocità della luce nel vuoto fisico, 3*10^-8 m/s
λ lunghezza d’onda, m
L’energia del fotone, Efotone, è espressa in Joule. Per le applicazioni nel campo dei semiconduttori
è più comodo però esprimere l’energia del fotone in elettronvolt (eV).
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Energia utile
(a)
(b)
Figura 14. Densità dello spettro di energia del sole (a) e energia del fotone in funzione della
lunghezza d’onda (b)
Un fotone con una lunghezza d’onda di 0.5 μm ha l’energia di circa 2.5 eV (figura 14).
In un semiconduttore al silicio a 20°C l’energia di un fotone di 1.12 eV è sufficiente per liberare un
elettone di valenza dalla sua banda. Gli elettroni liberi e le lacune che hanno origine dalla
liberazione degli elettroni per effetto dell’interazione dei fotoni danno luogo ad una corrente nel
dispositivo. Di tutti i fotoni provenienti dal sole vengono sfruttati quelli con E>1.1eV e quindi con
lunghezza d’onda λ<1.1µm (fig.14 b).
La radiazione incidente con fotoni che hanno energia uguale all’energia richiesta per liberare
l’elettrone di valenza genera delle coppie addizionali di elettroni e lacune nel semiconduttore.
La cella è costituita essenzialmente dalla giunzione P-N, nella quale lo strato drogato di tipo N è
molto più sottile dello strato drogato di tipo P,ed è completata da un rivestimento antiriflesso e da
due contatti elettrici, uno superiore ed uno inferiore.
Supponiamo di disporre la cella in modo che la regione di tipo N (dello spessore di qualche decimo
di µm) sia esposta alla radiazione solare (fig. 15): la regione viene facilmente attraversata dalla luce,
la quale raggiunge la sezione di interfaccia con la regione di tipo P; qui, i fotoni che compongono la
radiazione luminosa vengono assorbiti dagli elettroni: alcuni di questi fotoni hanno energia pari o
superiore al gap di banda proibita del semiconduttore, per cui gli elettroni che li assorbono
acquistano energia sufficiente per rompere i legami che li legavano ai rispettivi atomi e diventare
quindi portatori di carica (passando dalla banda di valenza a quella di conduzione e lasciando in
banda di valenza una lacuna libera); abbiamo in questo modo una generazione stimolata di
portatori di carica, che sono ovviamente elettroni nella banda di conduzione e lacune nella banda di
valenza. Sotto l’influenza del campo elettrico esistente, i portatori vengono separati (le lacune
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vengono accelerate nel verso del campo elettrico, mentre gli elettroni in verso opposto, data la loro
carica negativa) e vengono inviati verso le estremità della cella.
Figura 15. Sezione di una cella fotovoltaica
Una volta attraversato il campo, gli elettroni liberi non tornano più indietro, perché il campo,
agendo come un diodo, impedisce loro di invertire la marcia. (Un diodo è un dispositivo in cui il
passaggio di corrente è ostacolato in una direzione e facilitato in quella opposta). In definitiva, un
fotone incidente sulla superficie di una cella crea normalmente una coppia lacune-elettroni, ad
esempio nel materiale N, si possono determinare le seguenti situazioni :
• L'assorbimento avviene nella zona di svuotamento (giunzione); in questo caso l'elettrone
viene spinto dal campo elettrico ivi esistente, verso il materiale N e la lacuna verso il
materiale P. Si ricordi infatti che il campo elettrico di giunzione e' diretto da N verso P e
quindi favorisce il passaggio di lacune da N a P e quello degli elettroni da P a N .
• L'assorbimento avviene in prossimità della zona di svuotamento, ad esempio nel materiale
n. In questo caso, si ha che se la lacuna raggiunge, per diffusione, la zona di carica spaziale
viene immediatamente portata, dal campo di giunzione, nel materiale p. Si osservi che le
cariche p generate nel materiale n tendono sempre a diffondere verso la giunzione. Infatti
nello strato n, la presenza del campo elettrico, del verso indicato precedentemente, fa si che
esista un gradiente di concentrazione delle cariche positive nel senso che la loro
concentrazione diminuisce man mano che si avvicina alla giunzione al punto che, in
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corrispondenza di questa, la loro concentrazione e' estremamente ridotta. Il campo elettrico
infatti le porta immediatamente via nel materiale p. In conseguenza di tale gradiente, la carica p si
muove verso la giunzione e viene da questa spinta verso il materiale p.
• Se la generazione avviene lontano dalla zona di giunzione le cariche, generalmente, si
ricombinano dopo un tempo pari alla loro vita media.
Quindi, se si connette la giunzione p-n con un conduttore, nel circuito esterno si otterrà un flusso di
elettroni che parte dallo strato n, a potenziale maggiore, verso lo strato p, a potenziale minore. Fino
a quando la cella resta esposta alla luce, l'elettricità fluisce con regolarità sotto forma di corrente
continua (fig. 16). L’estremità inferiore (in corrispondenza della regione P) è interamente coperta
dal proprio contatto elettrico, per l’estremità superiore non si può fare la stessa cosa, perché questo
impedirebbe l’esposizione alla radiazione luminosa; allora, il contatto superiore assume la forma di
una griglia, che, occupando il 5% della superficie della cella, lascia la possibilità alla luce di
raggiungere la giunzione. Inoltre la parte superiore della cella è trattata opportunamente con
materiale antiriflesso per garantire il massimo assorbimento dell’energia solare incidente.
Figura 16. Corrente elettrica continua che scorre nel carico (dalla zona P alla zona N)
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2.4 CARATTETISTICA I-V DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA E
CIRCUITO EQUIVALENTE
La cella fotovoltaica, al buio, è sostanzialmente un diodo di grande superficie.
Esponendola alla radiazione solare la cella si comporta come un generatore di corrente il cui
funzionamento può essere descritto per mezzo della caratteristica tensione-corrente come è mostrato
in figura 17.
Quadrante
di
potenza
Figura 17. Caratteristica I-V della cella fotovoltaica
In figura 16 sono mostrate due curve. La prima, detta caratteristica al buio, si ottiene in assenza di
illuminazione, dunque la cella si comporta esattamente come un diodo e la caratteristica è identica a
quella mostrata in figura 13. In questa curva si nota come la corrente sia nulla alla tensione pari a
zero. La seconda curva, invece, è quella che si ottiene illuminando la cella: la cosa più evidente è
che in corrispondenza di una tensione V nulla la corrente Isc non è nulla ma negativa (dal contatto
negativo a quello positivo) attraverso la giunzione. Dei quattro quadranti del piano cartesiano quello
di maggiore interesse pratico è il IV comunemente detto quadrante di potenza.
Osservando la parte della curva caratteristica di interesse (fig. 18), essa passa per tre punti
significativi ossia :
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· Punto M ( Icc ) : situazione di corto circuito, in questa situazione si ha V=0 e I=Icc, dove Icc è la
corrente erogata dalla cella quando a questa viene applicato un carico con resistenza nulla appunto
un corto circuito.
· Punto N ( Voc ) : situazione di circuito aperto, in questa situazione si ha V=Voc e I=0, dove Voc è
la tensione ai morsetti della cella quando a questa viene applicato un carico a resistenza
infinita (circuito aperto).
· Punto A ( Pmax ) : situazione di massima potenza ossia il punto in cui il prodotto tensione
corrente della cella e massimo, in questa situazione si ha P=Pmax. E' importante osservare che la
potenza erogata dalla cella è data dal prodotto I·V, per cui le curve a potenza costante sono delle
iperbole nel piano I-V, l’iperbole a potenza massima è quella che interseca la caratteristica V-I solo
per un punto. Tale punto non è altro che il punto di massima potenza. In altri termini, la potenza
erogabile da una cella è massima in corrispondenza del ginocchio della curva, essa è caratterizzata
dal rettangolo che ha l'area massima tra tutti i rettangoli inscrivibili all'interno della caratteristica.
Figura 18. IV Quadrante della curva caratteristica di una cella fotovoltaica
Per apprendere il funzionamento circuitale di una cella fotovoltaica si deve considerare il circuito
equivalente della cella stessa (fig. 19):
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D
Figura 19. Circuito equivalente di una cella fotovoltaica con un carico Rc
I : generatore ideale di corrente che rappresenta la corrente che si avrebbe dalla cella (per effetto
fotovoltaico) se non ci fossero le perdite interne; essa e' proporzionale alla superficie della
cella esposta alle radiazioni solari.
D : il diodo che sta a rappresentare l'effetto rettificante della cella, essendo formata da una
giunzione P-N.
Rsh : resistenza in parallelo o di "shunt", essa rappresenta quelle perdite dovute a tutte le correnti di
dispersione (leakage) che si hanno all'interno della cella.
Rs : resistenza in serie, che rappresenta l'insieme delle resistenze dovute sia al materiale proprio
della cella che alla resistenza di contatto catodo-semiconduttore.
Rc : resistenza del carico, rappresenta un generico utente collegato alla cella
Il comportamento della cella in funzione di Rsh e Rc verrà trattata in seguito quando verrà
affrontata un’analisi parametrica della cella. La corrente I che viene fornita al carico è:
I = Iph − Id
(5)
I due termini Iph e Id rappresentano rispettivamente : la corrente generata per effetto della luce e la
corrente che riesce ad attraversare la giunzione della cella. Sostituendo a Id la sua relativa formula
analitica espressa da (3) si ottiene:
I = Iph – I0 [exp(qV / KbT )−1]
(6)
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2.4.1 TENSIONE A CIRCUITO APERTO, CORRENTE DI CORTO
CIRCUITO E MASSIMA POTENZA FORNITA AL CARICO
Nella condizione di circuito aperto, la tensione ai morsetti della cella Voc è espressa analiticamente
da:
(7)
dove
Io (A) : corrente di saturazione inversa del diodo
T (K°) : la temperatura assoluta
Iph (A) : foto-corrente dovuta alle radiazioni luminosa
q (C) : carica dell'elettrone
Kb (J/K°) : costante di Bolzman dei gas
A : fattore ideale
V (V) : tensione della cella
La tensione a circuito aperto corrisponde alla caduta di tensione attraverso la giunzione p-n, quando
questa è attraversata dalla corrente generata dalle radiazioni (foto-corrente Iph).
La tensione Voc cresce logaritmicamente al crescere dell'intensità della radiazione, viceversa
decresce linearmente al crescere della temperatura della cella (fig. 20):
Figura 20. Variazione della Voc in funzione della temperatura
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L'effetto della temperatura, cosi spiccato sulla cella, e' dovuto all'aumento esponenziale della
corrente di saturazione all'aumentare della temperatura (la corrente si saturazione raddoppia per una
escursione termica di 10°C.
In condizioni di corto circuito con una insolazione normale, la resistenza in serie è trascurabile,
quindi la corrente di corto circuito non è altro che la corrente generata dalla cella sotto l’azione
della radiazione solare
Icc = Iph
(8)
Figura 21. Circuiti equivalenti per la tensione Voc e la corrente Icc
Se ai morsetti della cella venie connessa una resistenza variabile, il punto di funzionamento (o di
lavoro) sarà determinato dall'intersezione della caratteristica della cella con quella del carico (fig.
22).
Figura 22. Intersezione tra retta di carico e curva caratteristica
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Per un carico resistivo, la caratteristica è data da una retta passante per l'origine ed inclinata di 1/R.
Dunque, le condizioni di funzionamento sono le seguenti :
• la potenza erogata al carico dipende dal valore della resistenza.
• la massima potenza si ottiene per R=Rmax nel punto di “ginocchio” della curva
caratteristica , dove quest’ultima è tangente all'iperbole a potenza costante del tipo : Rmax =
Vmax / Imax
2.5 ANALISI PARAMETRICA DELLA CELLA
I parametri che governano il comportamento elettrico di una cella solare, e dunque di un pannello,
possono essere raggruppati in due categorie :
• Parametri interni: Rsh e Rs del circuito equivalente di una cella
• Parametri esterni: Radiazione solare e temperatura della cella
PARAMETRI INTERNI
Resistenza di Shunt ( Rsh ) : questa resistenza è dovuta alle perdite (leakage) di corrente nella
giunzione, essa dipende quasi esclusivamente dal metodo utilizzato per realizzare la giunzione.
Osservando la fig 23 , si nota come la variazione della Rsh causi un aumento dell'inclinazione della
curva I-V in prossimità del punto I=Icc. Approssimativamente, la tangente del tratto di curva tra il
ginocchio della ed il punto di corto circuito dipende dalla Rsh, perciò valori elevati di Rsh al limite
infinito la curva tende a diventare orizzontale.
Resistenza in serie ( Rs ) : Essa rappresenta la resistenza di contatto tra la griglia metallica e la
superficie del cristallo. Nella figura 23 si osserva come la curva I-V varia al variare della Rs, un
effetto importante in questo caso e' che la variazione di Rs, in prossimità della Voc, porta ad una
diminuzione dell'inclinazione della curva. Si osservi anche qui, che la tangente del tratto di curva tra
il ginocchio ed il punto Voc, dipende dalla Rs ossia elevati valori di Rs tendendo a rettificare la
curva in quel tratto.
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Figura 23. Variazione della curva caratteristica in funzione di Rs e Rsh
In effetti, la resistenza in serie Rs è data dalla somma di altre piccole resistenze dovute a vari fattori,
tra cui 1a resistenza di contatto tra il metallo e il semiconduttore di tipo P, la resistenza dovuta alla
massa del semiconduttore di tipo P, la resistenza dovuta alla resistenza nella regione della giunzione
(contatto tra i due cristalli P ed N), la resistenza di contatto tra il metallo e la superficie del
semiconduttore di tipo n, la resistenza dovuta alla resistenza proprio della griglia.
PARAMETRI ESTERNI
Si è già sottolineato come l'intensità della radiazione solare (W/m²) che una cella riceve, ossia la
densità dell'energia luminosa, dipenda da vari fattori, tra cui l'angolo di incidenza, la densità
dell'atmosfera e la caratteristica della superficie (riflessione).
In figura 24 sono riportate le caratteristiche della cella al variare dell'intensità della radiazione.
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Figura 24. Variazione della curva caratteristica in funzione dell’intensità della radiazione
solare
E' da osservare nel grafico di fig. 24, che facendo variare l'intensità delle radiazioni incidenti,
mantenendo costante tutti gli altri parametri, e in particolare la temperatura, la caratteristica I-V
varia in modo che ogni punto della curva viene traslato verso l'alto.
Riassumendo, gli effetti dell'intensità della radiazione sugli altri parametri possono essere
raggruppati nei seguenti punti :
• A bassi valori dell'intensità, Icc rimane praticamente proporzionale all'intensità della luce.
Tale rapporto è dell'ordine di 30 mA/cm², quando l’intensità della radiazione solare è di 1
Kw/m² (per una cella al silicio a T = 25 °C).
• Voc varia leggermente al varia dell'intensità della luce, ed e' indipendente dall'area della
cella. Esso dipende esclusivamente del materiale costituente la cella. (circa 590 mV per 1
Kw/m² e T=25 °C).
La temperatura e' uno dei fattori che influenza negativamente le caratteristiche elettriche di una
cella, al punto tale che se non considerata, in fase di progettazione, potrebbe compromettere il buon
funzionamento dell'impianto. All'aumentare della temperatura la Iph aumenta leggermente, tale
effetto è spiegabile considerando che all'aumentare della temperatura si ha una diminuzione
dell'ampiezza di banda proibita Eg, di conseguenza, altri elettroni potranno passare dalla banda di
valenza alla banda di conduzione. I diversi mutamenti di forma che la variazione di temperatura
produce sulla curva I-V di una cella sono classificabili come segue:
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1. Innalzamento graduale della curva lungo l'asse delle correnti, quindi si avrà un leggero aumento
della corrente di corto circuito Icc.
2. Traslazione (shifting) della curva verso tensioni sempre più alte.
3. Variazione della forma della curva nella zona del ginocchio. Variazione dovuta proprio alla
corrente di saturazione inversa che aumenta all'aumentare della temperatura. Concludendo, qui di
seguito riportiamo le tipiche variazioni che subiscono i parametri dipendenti dalla temperatura.
· Voc decresce di 2 mV/°C dai 20 °C a 100 °C.
· Pmax decresce di 0.35 % C¯¹, quindi una decrescita del rendimento massimo
2.6 IL RENDIMENTO (EFFICIENZA)
In generale, il rendendo di una cella è definito come il rapporto tra la potenza elettrica erogata dalla
cella e la potenza luminosa incidente su di essa, ossia :
η = Pout / Pin = Pout / (A · Ee)
(9)
dove
η = il rendimento della cella.
Pout (W) = Potenza elettrica erogata dalla cella.
Pin (W) = Potenza luminosa incidente.
A (m²) = Area utile.
Ee (W/m²) = Intensità delle radiazioni incidenti.
Il rendimento di una cella commerciale è tipicamente compresa fra il 10 % e il 15 %, solo certi
campioni di laboratorio hanno raggiunto la soglia del 20 % con costi ovviamente molto elevati.
Normalmente, le casi costruttrici forniscono, tra i dati di targa, il rendimento massimo della cella,
ossia il rendimento che si avrebbe se la cella, in condizioni particolari, venisse collegata ad un
carico ottimizzato. Il rendimento massimo di una cella dipende strettamente dai seguenti fattori:
• Proprietà del materiale
• Configurazione della griglia
• Caratteristica della giunzione
• Distribuzione spettrale delle radiazioni
• Dimensione della cella
• Area utile della superficie esposta della cella
• Temperatura della cella
• Rivestimento antiriflesso
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• Escursione della temperatura
• Struttura superficiale della cella ( ruvidità )
Gran parte dell'energia luminosa che raggiunge una cella viene persa ancor prima che essa possa
essere convertita in elettricità, le cause sono molteplici e tra queste ricordiamo:
Riflessione delle radiazioni: Come e' noto, non tutte le radiazioni incidenti su una cella penetrano
al suo interno, infatti in parte vengono riflesse sulla superficie della cella e in parte intercettate
dell’elettrodo frontale. Normalmente il silicio non trattato riflette circa il 36 % della radiazione
solare, per cui per ridurre la percentuale riflessa si ricorre a diversi tipi di trattamento. I metodi più
utilizzati per il trattamento delle superficie captante sono:
o Utilizzare, sulla superficie della cella, un rivestimento anti-riflesso : In questo
trattamento, la cella viene rivestita con un materiale che ha un indice di rifrazione
intermedio all'aria e ad al silicio. Tale sistemazione permettere al materiale di fungere da un
lato da protezione alla cella, e dall'altro raccorda in modo meno brusco l'indice di rifrazione
del silicio con quello dell'aria. Un buon rivestimento anti-riflesso può essere uno strato di
mono-ossido di silicio (SiO) o di pentossido di titanio (TiO5).
o Opacizzazione della superficie: Questo metodo consiste nel rendere ruvida la superficie
della cella, per esempio realizzando sulla superficie della cella delle micro-piramidi, di
conseguenza, per la particolare configurazione superficiale, le radiazioni riflesse da una
micropiramide vanno a incidere su un'altra micropiramide vicina alla prima, evitando cosi di
perdere tutta la parte riflessa delle radiazioni. L'effetto risultante è quello di una maggiore
probabilità di assorbimento. In pratica, il metodi dell'opacizzazione ha come conseguenza un
recupero del 15% dell'energia che normalmente viene riflessa.
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CAPITOLO III
GLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI
“…Il compito principale della vita di un uomo
è di dare “luce” a se stesso…”
Erich Fromm
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3.1
I COMPONENTI DI UN IMPIANTO
Abbiamo analizzato in dettaglio l’elemento fondamentale della conversione fotovoltaica: la cella.
Un impianto però è costituito da ulteriori elementi:
• MODULO: insieme di più celle
• STRINGA: insieme di più moduli
• CAMPO: insieme di più stringhe
• INVERTER: dispositivo che converte la corrente continua in alternata
Questi elementi, e le loro interconnessioni, sono indispensabili affinché il processo di conversione
dalle radiazioni solari alla corrente elettrica sia portato a termine.
3.2 IL COLLEGAMENTO DELLE CELLE
In generale, l'aspetto più importante del collegamento si presenta quando si deve realizzare un
campo con elementi non perfettamente identici (come succede del resto nella realtà). Un errato
collegamento e/o una insufficiente protezione potrebbero portare al collasso di tutto il sistema,
specialmente nei casi in cui all'impianto viene richiesto il massimo della potenza. Per evitare un
rischio del genere bisogna analizzare attentamente, in fase di progettazione, tutte le precauzioni da
adottare perché, durante il funzionamento dell'impianto, non si verifichino situazioni critiche.
D’altro canto, il collegamento di piccoli generatori non identici (celle) provoca la riduzione del
rendimento globale del sistema.
L'elemento base con cui si realizza un campo fotovoltaico è rappresentato dal modulo, infatti, le
celle fotovoltaiche vengono collegate ed assemblate all'interno di tale elemento al fine di realizzare
un elemento pratico e modulare. Le configurazioni dei collegamenti possibili sono varie (parallelo,
serie, misto), la scelta di uno di essi viene determinata dalle caratteristiche richieste ai morsetti del
campo (utente). Il collegamento delle celle, dei moduli, uniti in un campo fotovoltaico, con
caratteristiche e condizioni non identiche, rappresenta una importante problema nell'ambito della
progettazione degli impianti fotovoltaici.
• COLLEGAMENTO SERIE DELLE CELLE: Consideriamo un circuito formato da due
celle collegate in serie ad un carico R, ovviamente la corrente circolante nelle due celle è la
stessa, dove invece la tensione sul carico è data dalla somma delle due tensioni. Quindi, si
può dedurre logicamente che la caratteristica I-V globale delle due celle in serie è data da un
caratteristica in cui ogni punto ha come valore di tensione, la somma delle tensioni che
separatamente le due celle erogano (riferito ad uno stesso valore di corrente). Bisogna tener
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conto che in realtà le celle non sono mai perfettamente identiche. Il problema delle celle non
perfettamente identiche sorge quando, si considerano che comunque sia perfezionato il
processo di fabbricazione, si produrranno sempre delle celle con caratteristiche leggermente
diverse. In definitiva, il comportamento di una serie di celle può essere sintetizzato come
segue: le tensione a circuito aperto e' data dalla somma delle tensioni delle singole celle, la
corrente a corto circuito e' praticamente coincidente con la corrente di corto circuito della
cella che eroga la corrente più bassa, la potenza erogata dalla serie e' data "n" volte quella
erogata dalla cella con potenza minima.
Figura 25. Collegamento serie delle celle fotovoltaiche
Ci sono altre cause che portano a diversificare le celle di uno stesso modulo come la
quantità di luce che riceve ogni cella. Un effetto molto importante legato a questo
•
fenomeno e' il cosiddetto effetto del "Hot spot" dovuto all'oscuramento di una o più celle
appartenenti ad un unico pannello. Nel funzionamento reale di un pannello può succedere
che per cause diverse venga oscurata una cella. Per studiare il fenomeno supponiamo di
avere "n" celle identiche collegate in serie all'interno di un pannello. Al momento in cui una
cella viene oscurata, succede che la corrente del circuito di tutta la serie si ridurrà
drasticamente fino a raggiungere il valore della Io e cosi di conseguenza la potenza erogata
assumerà valori molto bassi (trascurabili). Discorso analogo se una sola cella si dovesse
rompere allora ne risentirebbe tutto il modulo che produrrebbe una potenza nulla in quanto
una cella danneggiata equivarrebbe ad un circuito aperto.
COLLEGAMENTO PARALLELO DELLE CELLE:Consideriamo il caso di due celle
identiche collegate in parallelo ad un carico R. La tensione del circuito è la stessa su i due
diodi, la corrente risultante e data invece dalla somma delle due correnti nei due rami, per
cui si ha : I=I1+I2 ; V=V1=V2. In pratica non succede mai di avere a che fare con celle
perfettamente identiche, per cui le problematiche di un determinato tipo di collegamento
devono essere considera sotto tale aspetto. Nella situazione in cui il carico supera la "Rcr",
(impedenza critica) l'elemento che ha il minor rendimento si troverà ad assorbire tutta la
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•
potenza erogata degli altri elementi. Per cui ogni volta che si supera l'impedenza critica
corrispondente al numero utilizzato di elementi nel circuito, si avrà un surriscaldamento del
elemento debole e di conseguenza, in certi casi, il danneggiamento definitivo dell'elemento
stesso. Dunque, per prevenire situazioni non favorevoli del tipo sopra descritto le case
costruttrici utilizzano dei diodi di protezione collegati in parallelo all'elemento da
proteggere.
COLLEGAMENTO MISTO: Oltre alle configurazioni normali (parallelo - serie) esistono
anche altre configurazioni cosiddette "miste", la scelta di un determinato tipo di
collegamento è determinato dalle specifiche richieste dell'utente ossia: dall’affidabilità'
richiesta, dalle caratteristiche elettriche dell'utente (In,Vn), dalla compatibilità di tale
configurazione con gli elementi dell'impianto (standard disponibili) ecc. Come indicato in
figura 26, il collegamento parallelo di elementi inserie è costituito da paralleli celle-cella
collegati a loro volta in serie. In questa configurazione è necessario realizzare un pannello
diverso da quelli standar. Dunque, si perde una caratteristiche importante del sistema. Un
guasto di una cella non porta l'interruzione di tutto il sistema, per cui nel caso in cui la cella
guasta andasse in corto circuito la configurazione continuerà a funzionare senza la potenza
delle due celle del parallelo guasto. Invece in caso di guasto di una cella in cui si produce
un’apertura , la configurazione continuerà a funzionare con tutte le celle ad eccezione di
quella guasta.
Figura 26. Collegamento misto delle celle fotovoltaiche
La configurazione serie di elementi in parallelo è la più utilizzata per la sua praticità per
quanto riguarda la realizzazione del sistema (vedi figura 26). Esso è formato dal
collegamento in parallelo di diverse serie di celle. Per piccoli impianti tale configurazione
presenta qualche svantaggio ossia basta che nella serie vada fuori servizio una cella per
mettere fuori uso tutte le celle del ramo a cui essa appartiene, riducendo cosi la potenza
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erogata dal campo. Qualora una cella venga oscurata può accadere che la tensione inversa
che su questa si stabilisce sia superiore a quella massima sopportabile dalla cella stessa. Per
evitare che un oscuramento accidentale si trasformi in una rottura definitiva, le celle, a
gruppi, vengono protette con un diodo (come abbiamo già accennato). D’altronde la
presente configurazione presenta il vantaggio di conservare la compatibilità del sistema ( si
utilizzano moduli standard ).
3.3 LA CASSETTA DI TEMINAZIONE
I terminali che raccolgono la serie di celle in un modulo fotovoltaico vengono generalmente fatte
uscire dal retro forando il foglio di tedlar o il vetro posteriore. Nella sua forma più comune, la
cassetta di terminazione si presenta come un contenitore plastico di colore nero con altezza di
qualche centimetro e dimensioni di circa 10 x 15 cm, con grado di protezione IP 65, incollato al
retro del modulo, e dotato di coperchio con viti, guarnizione di tenuta lungo il coperchio oltre a uno
o più fori equipaggiati con pressacavi per il cablaggio elettrico. In alcuni moduli, le cassette di
terminazione sono equipaggiate con speciali connettori stagni che permettono un più veloce
collegamento tra i moduli (non e necessario aprire e chiudere la cassetta) risultando particolarmente
utili quando si prevede che le operazioni di installazione possano risultare difficoltose. All’interno
della cassetta trova posto la morsettiera che rende disponibili le due polarità. Ogni costruttore
adotta, tuttavia, soluzioni personalizzate: sul mercato sono presenti moduli con morsetti a pressione,
torrette a vite o semplici morsetti in plastica neri del tipo utilizzati negli impianti elettrici civili in
bassa tensione.
3.4 DALLA CELLA AL CAMPO FOTOVOLTAICO
La caratteristica di generazione tensione-corrente di un modulo commerciale da 36 celle è circa 50
Wp di potenza; ad esclusione della semplice ricarica di una batteria da 12 V con un solo modulo,
per qualsiasi altra applicazione fotovoltaica è indispensabile collegare moduli in serie e parallelo
così da ottenere rispettivamente la tensione e la corrente totale necessaria.
Lo schema di figura 27 illustra quanto comunemente avviene nella pratica impiantistica:
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Figura 27. Dalla cella al generatore fotovoltaico
Per ragioni di praticità, le celle vengono assemblate in una struttura allo stesso tempo robusta e
maneggevole, in grado di garantire molti anni di funzionamento anche in condizioni ambientali
difficili: il modulo fotovoltaico
Figura 28. Un modulo fotovoltaico
Nella sua forma più comune, un modulo è costituito da 36 celle, disposte su 4 file parallele e
collegate in serie tra di loro. Le celle sono sigillate tra due lastre di vetro o, in altri casi, fra una
lastra di vetro anteriore e uno strato di plastica posteriore.
La potenza erogata da un modulo, in condizioni di sole pieno, si aggira generalmente intorno ai 4050 Watt. La tensione di lavoro ai morsetti è normalmente di 17 Volt (che corrisponde all’incirca a
36 x 0,5V poiché il collegamento è in serie), in modo che il modulo sia collegabile direttamente a
un accumulatore convenzionale in grado di immagazzinare l’energia elettrica prodotta. Un modulo
raggiunge un’efficienza di conversione pari al 10÷12 %, inferiore a quella delle singole celle (fra il
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12 e il 15 %). Questo perché il risultato dell’assemblaggio è una struttura la cui superficie (circa 0,4
m²) non può essere interamente ricoperta dalle celle. Non tutta l’area esposta al sole, quindi,
partecipa alla conversione. Collegando poi in serie/parallelo un insieme di moduli si ottiene un
generatore fotovoltaico con le caratteristiche desiderate di corrente e tensione. La quantità di
energia prodotta da un generatore fotovoltaico varia nel corso dell’anno e dipende dalla località in
cui è installato.
Si può dire, comunque, che in una tipica zona dell’Italia meridionale 8m² di moduli (inpianto da
1kW/h) può produrre una energia annua che va dai 1.300 kWh ai 1400 kW/h.
Più moduli vengono collegati a formare una serie, chiamata stringa, al fine di raggiungere la
tensione nominale; più stringhe vengono poi collegate tra loro in parallelo fino a raggiungere la
potenza che si desidera installare. In serie ad ogni stringa si può poi notare la presenza di un diodo
di blocco, il cui scopo è di impedire che, qualora l’erogazione di potenza delle singole stringhe non
sia bilanciata, gli squilibri di tensione tra le stesse possano provocare dei ricircoli di corrente verso
quelle a tensione minore. Inoltre, evitano eventuali ritorni di corrente alle apparecchiature
generatrici poste a valle delle stringhe (batteria, rete). Nella maggior parte delle realizzazioni, i
diodi di blocco sono contenuti in quadri di parallelo stringhe (che hanno la principale funzione di
raccogliere il contributo elettrico delle varie stringhe), in genere costituiti da un contenitore di
materiale plastico nel quale i diodi sono alloggiati su un circuito stampato o collegati a delle
morsettiere di appoggio su adeguati dissipatori.
Figura 29. Campo fotovoltaico
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Supponendo di utilizzare moduli di uguali caratteristiche elettriche, la tensione nominale di un
campo fotovoltaico risulterebbe essere pari alla somma delle tensioni nominali dei moduli che
compongono ogni stringa: cioè V x n, dove n è pari al numero di moduli in serie.
Analogamente, la corrente nominale di un campo fotovoltaico è data dalla somma delle correnti
nominali delle stringhe (uguale a quella di ogni modulo della stringa) che lo compongono: cioè I x
m, dove m è pari al numero di stringhe. I valori di tensione a vuoto e di corrente di corto circuito di
un campo fotovoltaico possono essere ottenuti dai rispettivi parametri Voc e Isc dei singoli moduli
Vi sono casi in cui un singolo impianto può utilizzare più campi fotovoltaici, i quali vengono per
questo motivo detti sottocampi. I motivi per cui può essere conveniente ricorrere a più sottocampi,
anziché far uso di un singolo campo fotovoltaico di potenza maggiore, rientrano generalmente in
uno dei casi seguenti:
- le stringhe di moduli sono tra loro distanti o sono in numero elevato, per cui è preferibile un loro
iniziale raggruppamento in più sottocampi anziché in un unico campo fotovoltaico;
- la potenza complessiva del generatore fotovoltaico è superiore a quella massima consentita da un
singolo inverter (o altro dispositivo di condizionamento della potenza) che si ha intenzione di
utilizzare; è necessario pertanto il frazionamento per raggiungere la potenza prevista;
- i moduli fotovoltaici non possono essere tutti orientati allo stesso modo (ad esempio perché
disposti su una copertura a volta o su una superficie sfaccettata o, ancora, perché suscettibili di
essere ombreggiati in modo non uniforme). Al fine di evitare sbilanciamenti di potenza che si
traducono in perdite di efficienza, è buona regola progettare il sistema suddividendo il generatore
fotovoltaico in tanti sottocampi quanti sono i differenti orientamenti dei moduli che lo
compongono;
-è necessario utilizzare moduli fotovoltaici di marca e/o modello differenti.
3.4.1 ANGOLO DI TILT E POSIZIONAMENTO DEI MODULI
Affinché un dispositivo fotovoltaico possa raccogliere al meglio l’energia solare incidente, sarebbe
ovviamente opportuno che la superficie attiva fosse disposta perpendicolarmente ai raggi solari.
Però nella stragrande maggioranza dei casi di generatori terrestri (cioè per applicazioni sulla terra) il
generatore è fissato ad una struttura di sostegno rigida, e non può inseguire il moto apparente del
sole. In tal caso è comunque opportuno che il generatore sia rivolto verso Sud.
È importante anche scegliere l’angolo di inclinazione del modulo rispetto al piano orizzontale
(angolo di tilt).
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Figura 30. Posizionamento del modulo fotovoltaico
La scelta dell’angolo di tilt dipende dal sito nel quale l’impianto deve essere installato e
dall’impiego presunto per l’impianto.
Per impianti da installare in Italia è consigliabile scegliere angoli di tilt:
- pari a 10÷15° se si presume che l’impianto debba funzionare prevalentemente in estate (per
esempio se il generatore deve alimentare l’impianto elettrico di un camper oppure per residenze
estive);
- pari a 45÷50° se si vuole assicurare una prefissata raccolta di energia anche in inverno (è il caso
dei generatori impiegati nella segnaletica stradale);
- pari a 30° se si vuole ottimizzare la raccolta di energia nel corso dell’intero anno; quest’ultima
scelta è quella preferita l’impianto è a servizio di una abitazione residenziale e se non esistono
vincoli di integrazione dell’impianto nella struttura architettonica dell’edificio.
Figura 31. Pannelli fotovoltaici con angolo di tilt di 45°
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3.4.1.1 INSEGUITORE SOLARE
Un inseguitore solare è un dispositivo meccanico atto ad orientare perpendicolarmente rispetto ai
raggi del sole un pannello fotovoltaico. Lo scopo principale di un inseguitore è quello di
massimizzare la produzione elettrica risultante dall'effetto fotovoltaico che i moduli che monta a
bordo sono deputati a generare. Ciò dipende dal fatto che il silicio cristallino, il materiale più usato
per la realizzazione delle celle fotovoltaiche che compongono i moduli, risulta molto sensibile al
grado di incidenza con cui la luce ne colpisce la superficie. I moduli fotovoltaici quando montati a
bordo di un inseguitore, vengono disposti geometricamente su un singolo pannello, che evita di
montare un inseguitore per ogni singolo modulo.
In base alle loro caratteristiche costruttive, gli inseguitori solari vengono suddivisi in base a:
• Numero di gradi di libertà offerti al pannello che ospitano;
• Alimentazione fornita al meccanismo di orientamento;
• Tipologia di comando elettronico.
Gli inseguitori solari sono in grado di offrire al pannello una libertà di movimento mono o biasciale.
Inseguitori ad un grado di libertà: Gli inseguitori di tilt (ovvero beccheggio) sono i più semplici
da realizzare, e ruotano attorno all'asse est-ovest (asse x). Il pannello fotovoltaico viene sollevato o
abbassato (in genere manualmente due volte l'anno) verso l'orizzonte in modo che l'angolo rispetto
al suolo sia statisticamente ottimale in base alla stagionalità. All'atto pratico un inseguitore di tilt
viene realizzato impiegando profili meccanici telescopici in modo da sollevare o abbassare il
pannello fotovoltaico rispetto all'orizzonte. Questi inseguitori offrono un incremento di produzione
inferiore al 10%, tanto da giustificare raramente un servomeccanismo.
Figura 32. Variazione mensile dell’angolo tilt per un sito con latitudine 20
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Gli inseguitori di rollio si prefiggono di seguire il sole lungo la volta celeste nel suo percorso
quotidiano, a prescindere dalla stagione di utilizzo. In questo caso l'asse di rotazione è nord-sud
(asse y), mentre l'altezza del sole rispetto all'orizzonte viene ignorata. Questi inseguitori sono
particolarmente indicati per i paesi a bassa latitudine (Italia compresa, specialmente al sud), in cui il
percorso del sole è mediamente più ampio durante l'anno. La rotazione richiesta a queste strutture è
più ampia del tilt, spingendosi a volte fino a ±60°. Una caratteristica avanzata di questi inseguitori è
detta backtracking, e risolve il problema degli ombreggiamenti che inevitabilmente le file di moduli
fotovoltaici causano all'alba e al tramonto sollevandosi verso l'orizzonte.
Figura 33. Inseguimento del sole durante il movimento diurno est-ovest
Questa tecnica prevede che i servomeccanismi orientino i moduli in base ai raggi solari solo nella
fascia centrale della giornata, ma invertano il tracciamento a ridosso di alba e tramonto. La
posizione notturna di un campo fotovoltaico con backtracking è perfettamente orizzontale rispetto al
suolo, e dopo l'alba il disassamento dell'ortogonale dei moduli rispetto ai raggi solari viene
progressivamente ridotta mano a mano che le ombre lo permettono. Prima del tramonto viene
eseguita un'analoga procedura al contrario, riportando il campo fotovoltaico in posizione
orizzontale per il periodo notturno.
Gli inseguitori si distinguono sulla base della tipologia del comando elettronico che pilota il
movimento in:
• Analogici, in cui il comando è generato sulla base delle informazioni di un sensore che
individua la posizione del punto più luminoso nel cielo.
• Digitali, in cui il comando proviene da un microprocessore che, tramite sue tabelle
memorizzate, conosce in ogni momento la posizione del sole nel cielo. Questo tipologia di
pilotaggio garantisce una maggior produttività, soprattutto nelle giornate di bassa radiazione
solare.
In tutti i casi citati i lati negativi degli inseguitori solari si manifestano nei problemi meccanici a cui
vanno inevitabilmente incontro con l'usura del tempo, con i conseguenti fermi impianto causati. A
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questo va sommata una manutenzione ordinaria del sistema e un consumo elettrico intrinseco che
può inficiare sensibilmente il rendimento economico dell'intero sistema.
3.5
PRESTAZIONI DI UN IMPIANO FOTOVOLTAICO
Una ulteriore valutazione di grande interesse è quella relativa all’energia producibile da parte di un
impianto fotovoltaico di potenza nota in un periodo di tempo prestabilito, ad esempio un anno.
Il dimensionamento di un impianto fotovoltaico infatti viene di norma eseguito sulla base della
energia richiesta in un periodo di tempo prestabilito (anno o stagione). Si vuole per esempio stimare
l’energia producibile da un generatore con potenza nominale di 1.600 W installato in un sito con
clima mediterraneo (ossia alla nostra latitudine e posto entro 15÷20 km dal mare). Per fissare le
idee, un impianto con potenza nominale di 1.600 W si ottiene dalla composizione di 16 moduli da
100 W nominali. La composizione dei 16 moduli potrà essere realizzata in uno dei seguenti modi:
- 16 moduli in parallelo;
- 8 rami in parallelo, ciascuno costituito da 2 moduli in serie;
- 4 rami in parallelo, ciascuno costituito da 4 moduli in serie;
- 2 rami in parallelo, ciascuno costituito da 8 moduli in serie;
- 1 ramo, costituito da 16 moduli in serie.
A ciascuna delle composizioni corrisponde un diverso valore di tensione nominale dell’impianto
(pari al numero dei moduli in serie moltiplicato per la tensione nominale del modulo, che si assume
pari alla tensione di massima potenza nelle condizioni standard).
La scelta della tensione nominale è legata a:
- aspetti di carattere normativo (per esempio una tensione fino a 120 V in corrente continua è
considerata in condizioni ordinarie bassissima tensione di sicurezza e richiede provvedimenti meno
severi riguardo ai contatti accidentali di una persona con parti elettriche in tensione);
- contenimento delle dissipazioni di energia (maggiore è il numero dei rami in parallelo, tanto più
grande è la corrente globale, e con essa aumentano le perdite per effetto Joule);
- adattamento alle caratteristiche elettriche degli altri componenti di impianto (di cui si parlerà più
avanti).
In ogni caso la energia producibile dall’impianto (trascurando le perdite per effetto Joule) è
indipendente dalla configurazione dei collegamenti serie-parallelo, e dipende dalla potenza
nominale dell’impianto e dai dati climatici del sito.
Si tenga presente che nelle condizioni di pieno sole si ha una radiazione luminosa di circa 1.000
W/m² = 1 kW/m² e che l’energia luminosa che globalmente incide su di una superficie in un anno
corrisponde a quella che si avrebbe in 1.500 ore di pieno sole, con le rimanenti ore dell’anno al buio
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completo. Si suole dire che l’energia luminosa in un sito a clima mediterraneo corrisponde a 1.500
ore equivalenti all’anno, intendendo queste come numero di ore annue di piena luce (con le
rimanenti senza luce). Ciò premesso, un impianto con potenza di 1.600 W produce tale potenza
quando esposto all’irraggiamento 1.000 W/m² = 1 kW/m² e alla temperatura di 25°C. Trascurando
per ora il dato di temperatura, se si considera che tale condizione di irraggiamento perdura per 1.500
ore equivalenti all’anno, l’energia producibile per tale periodo sarà:
E = 1.600 x 1.500 = 2.400.000 Wh = 2.400 kWh/anno.
Tale energia deve però essere ridotta, tenendo conto che:
- la temperatura dei moduli è normalmente maggiore di 25°C, e ciò comporta una riduzione del 4%
della energia stimata ogni 10°C di aumento (si ipotizza l’uso di moduli al silicio, come
normalmente accade);
- vi sono delle perdite per effetto Joule tanto maggiori quanto più alta è la corrente nominale e tanto
maggiore è l’estensione dell’impianto. Nel caso di clima mediterraneo di tali effetti si tiene conto
considerando un abbattimento della energia prima stimata pari al 15%; quindi l’energia producibile
è pari a:
E = 0,85x2.400 kWh = 2.040 kWh/anno
Gli impianti fotovoltaici (FV) producono corrente elettrica e la rendono disponibile nella rete a
corrente alternata (impianti FV collegati in rete) o direttamente ad una utenza o a una batteria
(impianti FV a isola). Un impianto FV è composto essenzialmente dal generatore FV, dalla scatola
di connessione, dal regolatore e dalle batterie oppure dall'inverter di rete. Le due configurazioni
determinano differenze notevoli per quanto riguarda il campo di applicazione e la tecnologia del
sistema.
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3.6 CONNESSIONE DI UN GENERATORE FOTOVOLTAICO AD UN
CARICO IN CORRENTE CONTINUA
Nel presente paragrafo si analizzano le problematiche di connessione del generatore ad un
apparecchio utilizzatore, in grado di funzionare in corrente continua. Nella figura 34 si
rappresentano differenti caratteristiche di un generatore fotovoltaico, rilevate in diverse condizioni
di irraggiamento ma a temperatura costante, sovrapposte a quella di un carico resistivo a resistenza
fissa.
Figura 34. Caratteristica I-V del generatore con un carico resistivo
Nella figura 34, ad esempio, il carico resistivo è ottimizzato per estrarre la massima potenza quando
l’irraggiamento è di 500 W/m² e la temperatura di 25 °C; quando però l’irraggiamento è dell’ordine
di 1.000 W/m² il generatore eroga una potenza decisamente minore di quella massima, mentre a 100
W/m² la corrente è molto bassa.
Si può concludere che un carico resistivo potrà essere ottimale per una sola condizione di
irraggiamento e per una sola temperatura. Si deve considerare inoltre che un apparecchio
utilizzatore è in genere dimensionato per un funzionamento a tensione pressoché costante; dalla
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figura 34 si nota invece che l’apparecchio resistivo passa da una tensione di lavoro di 3,6 V
(irraggiamento di 100 W/m2) ad una tensione di circa 17,8 V (irraggiamento di 1.000 W/m2 ); tale
escursione di tensione è assolutamente inaccettabile per l’utilizzatore. I problemi suddetti possono
essere in buona misura risolti collegando in parallelo al generatore fotovoltaico un accumulatore
elettrochimico (batteria) come mostrato in figura 35.
Figura 35. Utilizzo della batteria e del diodo di blocco
La funzione del diodo è di impedire che durante la notte la batteria possa scaricarsi sul generatore
fotovoltaico. Di solito vengono utilizzati per questo scopo diodi del tipo Schottky, in quanto
caratterizzati da tensioni di soglia ridotte (0,2 V) rispetto ai diodi normali, quindi con minori
dissipazioni di energia in condizioni di corrente diretta. Per analizzare il funzionamento
dell’impianto in figura 35 si consideri che il comportamento della batteria sia assimilabile a quello
di un generatore ideale di tensione. Poiché il carico è collegato direttamente ai morsetti della
batteria, la tensione VL del carico rimane inalterata se tale è la tensione di batteria; si consegue
quindi il risultato di avere la tensione di funzionamento dell’utilizzatore (e quindi anche la potenza)
indipendenti dalla disponibilità del generatore fotovoltaico.
Nel suo complesso però l’impianto descritto risponde molto meglio del precedente all’esigenza di
ottimizzare lo sfruttamento della risorsa fotovoltaica, consentendo inoltre all’utilizzatore di lavorare
a tensione pressoché costante.
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Per impianti con potenza nominale fino a qualche centinaio di Watt (per esempio segnaletica
stradale, pali per pubblica illuminazione), lo schema di impianto è del tipo della figura 34,
provvedendo in qualche caso ad aggiungere un Regolatore di carica di batteria, avente lo scopo di
evitare sovraccariche oppure scariche troppo profonde.
Per impianti con potenze nominali superiori si può utilizzare uno schema del tipo indicato nella
figura 36, nella quale compare il dispositivo denominato “Convertitore dc/dc” (dc è la sigla di
direct current, ovvero corrente continua).
Si tratta cioè di un dispositivo elettronico che riceve in ingresso ed eroga in uscita energia elettrica
in corrente continua
Figura 36. Utilizzo del convertitore DC-DC
Il Convertitore dc/dc ha un comportamento analogo a quello che in alternata ha il trasformatore,
ossia è capace di variare la tensione in ingresso rispetto a quella in uscita, ma lasciando
praticamente inalterata la potenza. Con i simboli adottati in Figura 36 si ha quindi:
Vpv · Ipv = Vc · Ic
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La tensione di uscita VC del Convertitore è fissa, essendo pari a quella di batteria Vb; invece la
tensione di ingresso (che coincide con quella del generatore fotovoltaico) viene fatta variare al fine
di massimizzare l’estrazione di potenza dal generatore.
Il dispositivo interno al Convertitore che esegue tale regolazione viene denominato con la sigla
MPPT (che sta per Maximum Power Point Tracking, ossia inseguitore del punto di massima
potenza). Tramite la regolazione MPPT si ha l’effetto di compensare le variazioni sia di temperatura
che di irraggiamento, ottimizzando l’utilizzo della risorsa fotovoltaica.
3.7 CONFIGURAZIONE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO
Un sistema fotovoltaico comprende un insieme di componenti che captano l’energia solare
disponibile e la trasformano in energia elettrica. La figura 37 riporta lo schema a blocchi di un
sistema fotovoltaico, nella sua forma più generale deve prevedere la presenza di tutti i componenti
che potenzialmente possono essere presenti.
Figura 37. Schema a blocchi di un impianto fotovoltaico
L’insieme costituito dai convertitori DC/DC e DC/AC e di altri componenti ausiliari (trasformatore,
filtri, ecc.), prende anche il nome di Sistema di Condizionamento della Potenza (PCS). Ad esso è
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assegnato il compito, oltre che di rendere disponibile l’energia in forma utilizzabile, anche di
ottimizzare il trasferimento di energia fra generatore PV e utilizzatore, ovvero effettuare un’azione
di controllo della potenza per cui alcune volte è chiamato pure “Unità di Controllo della Potenza”
(PCU). La batteria di accumulatori può essere presente per accumulare l’energia elettrica nei casi in
cui non c’è sovrapponibilità tra i diagrammi dei carichi e dell’energia prodotta, ovvero l’energia
viene richiesta dai carichi nei momenti in cui non è disponibile (esempio di notte). In questi casi le
batterie accumulano l’energia e la restituiscono ai carichi nei momenti in cui la richiedono. La
batteria ha anche lo scopo di assicurare una più elevata continuità del servizio di alimentazione
elettrica, oppure di stabilizzare la tensione continua in ingresso nell’inverter. Il gruppo
elettrogeneratore può essere presente in impianti cosiddetti “ibridi” o “fotovoltaici diesel”, quando
l’impianto fotovoltaico serve a scaricare parzialmente il gruppo diesel continuamente in funzione
nel suo servizio, risparmiando combustibile, oppure in casi estremi per assicurare una continuità
dell’alimentazione in mancanza delle altre disponibilità di energia (generatore PV, batterie, rete).
La rete elettrica può essere presente pr ricevere l’energia elettrica prodotta e/o fornire energia nei
momenti in cui ce ne fosse bisogno per l’indisponibilità delle altre fonti. Il sistema di controllo a
microprocessore, generalmente basato su un PLC (Controllore Logico Programmabile),
supervisiona la gestione dell’impianto con azioni di controllo del funzionamento in automatico
(avviamento, fermata, ecc.), di protezione e di acquisizione dati per il continuo monitoraggio online. In alcuni casi (impianti grid connected), esso fa parte del sistema di supervisione e controllo
del PCS. Nei sistemi fotovoltaici reali, di solito, non sono presenti tutti i componenti descritti, ma
soltanto quelli compatibili con l’applicazione specifica. La figura 38 riporta in particolare lo schema
elettrico unifilare del generico sistema fotovoltaico con la presenza di tutti i possibili componenti.
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Figura 38. Schema elettrico di un sistema fotovoltaico
Le tipologie dei sistemi fotovoltaici più diffuse possono essere ricondotte alle seguenti due
configurazioni di base:
- Sistemi fotovoltaici su utenza isolata (Stand Alone)
- Sistemi fotovoltaici connessi alla rete elettrica (Grid Connected)
3.7.1 SISTEMI FOTOVOLTAICI SU UTENZA ISOLATA
(STAND ALONE)
Gli impianti FV a isola (vedi figura 39) vengono così definiti perché non hanno alcun collegamento
con la rete elettrica pubblica. In questo caso l’energia elettrica necessaria ai bisogni dell'utenza deve
essere prodotta dal generatore FV e la costanza di erogazione viene garantita da un sistema di
accumulo (batterie). Le possibilità di impiego di sistemi FV a isola vanno dalle piccole applicazioni
(orologi, calcolatrici, gadgets), ai parchimetri e all’illuminazione di fermate dell’autobus fino
all’approvvigionamento di baite o di altri edifici lontani dalla rete elettrica. Il costo di un impianto a
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isola è in molti casi inferiore all’investimento necessario per l’allacciamento alla rete o ad altri
sistemi convenzionali di produzione energetica come ad esempio gruppi elettrogeni.
Figura 39. Schema di un impianto FV ad isola
La figura 39 mostra con un semplice schema il principio di funzionamento di un impianto
fotovoltaico a isola. Il componente principale è il regolatore di carica, che deve proteggere la
batteria da sovraccariche e sottocariche. Per aumentare l’efficienza dell’impianto FV si consiglia di
preferire le utenze in corrente continua, per evitare le dispersioni determinate dall’inverter. Se si
vogliono collegare anche delle utenze in corrente alternata è necessario installare un inverter che sia
adatto al funzionamento a isola. Per garantire il funzionamento su tutto l’arco dell’anno un impianto
FV a isola deve essere dimensionato per la stagione con minore radiazione solare (in Italia, per
esempio, è dicembre) anche se questo può creare in estate una sovrapproduzione notevole di energia
elettrica. Spesso è meglio utilizzare un altro sistema integrativo di produzione di energia (per
esempio un generatore eolico, un impianto di cogenerazione o un gruppo elettrogeno diesel) per
garantire la costanza di erogazione, ottenendo così un sistema ibrido.
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3.7.2 SISTEMI FOTOVOLTAICI CONNESSI ALLA RETE
(GRID CONNECTED)
Gli impianti FV collegati alla rete di distribuzione elettrica possono essere installati in qualsiasi
luogo dove sia raggiungibile una rete elettrica di distribuzione pubblica, che in questo caso funge da
accumulo infinito.
Figura 40. Schema di un impianto connesso in rete
La figura 40 mostra con un semplice schema il principio di funzionamento di un impianto
fotovoltaico connesso in rete. Il generatore FV è composto da singoli moduli collegati in serie a
formare le cosiddette stringhe. Il collegamento in parallelo di queste stringhe al generatore FV
viene eseguito all'interno della scatola di connessione, dove si trovano anche i dispositivi di
protezione come i diodi, i fusibili e gli scaricatori di sovratensione.
Dalla cassetta di collegamento esce una linea principale in corrente continua che entra nell’inverter,
elemento chiave di un impianto connesso in rete. Il suo compito principale è di trasformare la
corrente continua prodotta dai moduli FV in corrente alternata con caratteristiche conformi a quelle
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della rete. L’inverter è dotato di un sistema di controllo della tensione di rete che in caso di
interruzione della rete (per esempio per lavori di manutenzione) impedisce l’immissione della
corrente generata dall'impianto FV nella rete stessa, spegnendo l’inverter. Il vantaggio del sistema
connesso in rete è che l’energia elettrica prodotta dall’impianto è utilizzata nella sua totalità, o
dall'utenza a cui è connesso o dalla rete elettrica. Nello stesso tempo è garantita la costanza
dell’erogazione, perché quando non si produce una quantità di corrente sufficiente al proprio
fabbisogno con l’impianto FV (oppure di notte) è possibile assorbire elettricità dalla rete.
I componenti fondamentali di un impianto FV connesso in rete sono il generatore FV, composto dai
singoli moduli, e l’inverter, che trasforma la corrente continua prodotta dal generatore in corrente
alternata dalle caratteristiche adeguate alla rete in cui deve essere immessa.
Figura 41. Inverter commerciali
In questo modo l’energia prodotta può essere utilizzata nella rete domestica di distribuzione oppure
essere immessa nella rete pubblica a bassa tensione dell’azienda elettrica locale. Il compito
principale dell’ inverter è quello di immettere in rete l’energia prodotta dal generatore e non
utilizzata localmente, dopo averla trasformata in corrente alternata a una fase oppure trifase alla
tensione necessaria per la rete stessa.
Una regolazione incorporata per lo sfruttamento massimale della potenza (MPP-Tracking) serve a
far lavorare i moduli collegati all’inverter sempre al punto della loro potenza massima. Inoltre deve
essere previsto un dispositivo di sicurezza richiesto dall’azienda elettrica di riferimento, per cui ogni
volta che vi è un’interruzione di tensione sulla rete (per esempio in caso di manutenzione),
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l’inverter interrompe automaticamente l’erogazione di corrente alla rete. Al giorno d’oggi
appartiene all’equipaggiamento standard degli inverter disponibili sul mercato anche un’interfaccia
per PC oppure un display interno che rilevi tutti i dati notevoli di funzionamento dell’inverter.
Il ponte di conversione e il cuore dell’inverter e permette di passare dalla corrente continua alla
corrente alternata facendo uso di dispositivi semiconduttori pilotati con sequenze di impulsi di
comando controllati. In figura 42 è mostrato il principio di funzionamento di un convertitore
fullbridge dotato di filtro in uscita in cui i dispositivi di potenza sono schematizzati con interruttori.
Figura 42. Principio di funzionamento del convertitore fullbridge
Chiudendo ed aprendo alternativamente le coppie I1 – I4 e I2 – I3 si ottiene la conversione da
continua in alternata. La commutazione del ponte può avvenire alla frequenza di rete o a frequenza
più elevata. Nel primo caso si ottiene all'uscita un'onda quadra, mentre nel secondo si può cercare di
approssimare la forma d'onda ad una sinusoidale con dei treni di impulsi a larghezza variabile
(tecnica PWM). Le caratteristiche del filtro presente all'uscita del ponte dipendono necessariamente
dal tipo di ponte di conversione utilizzato, dalla sua modalità di funzionamento e dall'ampiezza
massima delle armoniche che si e disposti a tollerare.
Importante per la definizione delle misure di sicurezza da applicare per il circuito a corrente
continua è la presenza o meno di un’interruzione galvanica tra ingresso e uscita dell’inverter. Per la
protezione da un contatto indiretto (contatto con una parte conduttiva che per errore è sotto
tensione) all’interno del circuito di corrente continua si possono usare materiali isolanti.
Gli inverter di qualità hanno un grado di efficienza di trasformazione di circa 90% già al 10% della
loro potenza nominale. L’adeguamento di potenza tra l’inverter e il generatore, cioè il rapporto tra
la potenza nominale dell’inverter e quella del generatore deve essere scelto in modo che l’inverter
ottenga un grado di efficienza massimo sul funzionamento annuale. Nel caso di un generatore
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dall’orientamento ottimale la potenza nominale dell’inverter dovrebbe essere dall’80 al 100% della
potenza nominale del generatore.
3.7.2.1
IMPIANTO FOTOVOLTAICO MONOFASE
È di seguito riportato uno schema elettrico del sistema di produzione fotovoltaico collegato alla rete
(figura 43), conforme alla configurazione generale di cui sopra, per il caso di utenza monofase su
rete di bassa tensione.
Figura 43. Schema elettrico di un sistema fotovoltaico monofase connesso alla rete
Si distinguono essenzialmente i seguenti blocchi principali:
• Generatore fotovoltaico, costituito dal campo dei moduli fotovoltaici, installati su apposite
strutture di sostegno, e connessi elettricamente tra loro a formare le stringhe;
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Quadro di campo, nel quale, in prossimità del campo, vengono effettuate le connessioni in
parallelo delle stringhe di moduli e vengono installati i dispositivi di sezionamento e
protezione delle stringhe; esso può non essere presente laddove si utilizzano inverter che
accettano direttamente la connessione delle stringhe (anche inverter di stringa);
• Sistema di Condizionamento della Potenza, è uno o più quadri che contengono l’inverter ed
i dispositivi di sezionamento e protezione cosi come richiesti dai requisiti d’interfaccia con
la rete.
Tutta l’impiantistica elettrica compresa tra i moduli fotovoltaici ed i morsetti di ingresso in corrente
continua dell’inverter, viene denominata nel seguito anche sistema (o sezione) in corrente continua.
La restante parte tra i morsetti di uscita dell’inverter ed il punto di consegna e connessione alla rete
pubblica, viene denominato anche sistema (o sezione) in corrente alternata.
Dall’analisi della norma e dagli schemi di collegamento a rete in essa riportati, si rileva che i
principali aspetti per gli impianti di generazione fotovoltaica diffusa, sono i seguenti:
Possibilità del collegamento alla rete pubblica di bassa tensione in modalità “monofase” solo
per sistemi di conversione statici di piccola taglia, fino a 5kVA di potenza complessiva per fase;
il campo d’applicazione riguarda solo i sistemi con potenza superiore ad 1kW, comunque, è
prevista una verifica di compatibilità della connessione con i criteri d’esercizio della rete da
parte della società elettrica;
Accessibilità per l’esercente della rete pubblica al dispositivo di sezionamento, comando e
interruzione automatica installato dal produttore nel punto di consegna;
•
I convertitori statici dei sistemi di produzione trifasi su rete in bassa tensione devono avere
necessariamente la separazione galvanica (trasformatore) tra parte in corrente continua e la rete
in corrente alternata. La separazione galvanica può essere omessa nei sistemi monofase su rete
in bassa tensione, solo se si installa dal lato rete una protezione elettromeccanica sensibile alla
corrente Continua;
Ai fini della protezione della rete pubblica, per gli impianti connessi alla rete di bassa tensione
per i quali non si prevede la possibilità di cessione di energia alla rete (neppure in transitorio),
esiste l’alternativa di sostituire le protezioni di tensione e di frequenza con una semplice
protezione direzionale di minima potenza, agente direttamente sul dispositivo di interfaccia;
Qualora si tratta di un unico generatore di cui non è previsto un funzionamento in isola, le
funzioni dei dispositivi del generatore, d’interfaccia e generale possono essere esercitate da un
unico interruttore. Comunque è necessario verificare che a monte del sistema di produzione ci
siano almeno due dispositivi di interruzione automatici, di cui uno può essere installato nella
rete pubblica. Nel caso di un piccolo impianto, tipo tetto fotovoltaico per esempio, il limitatore
della Società Elettrica nel punto di consegna è il primo dispositivo d’interruzione costituente il
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dispositivo generale ed il secondo interruttore, sulla derivazione dell’impianto fotovoltaico,
congloba in un solo interruttore le funzioni di dispositivo d’interfaccia e del generatore;
Possibilità di installare quadri elettrici e componenti del sistema di produzione di I categoria
(bassa tensione), non necessariamente in locali classificabili come “Officina Elettrica”. Ciò
rende più semplice l’installazione degli impianti fotovoltaici integrati nelle strutture edili in
quanto allocabili in locali convenzionali, senza particolari requisiti.
Deve essere verificata la selettività del sistema di protezione anche con l’inserimento degli
impianti di produzione. In particolare devono essere evitati scatti intempestivi delle protezioni
relativamente alla linea su cui si collega l’impianto di produzione pur dovendo continuare a
garantire la discriminazione dei guasti a fondo linea;
Deve essere effettuata la verifica che i profili di tensione e le correnti circolanti nelle linee
soddisfino i criteri di efficace sfruttamento delle linee stesse e dei trasformatori;
Deve essere verificata la qualità della forma d’onda con particolare riferimento alle variazioni d
tensione, armoniche e flicker.
Normalmente la verifica dei criteri di collegamento previsti dalla norma si riferisce alla possibilità
di inserire l’impianto di produzione in un punto della rete pre-esistente. Qualora i suddetti criteri
non dovessero permettere il collegamento di un sistema di produzione ad una linea già esistente
potrà essere presa in considerazione la connessione tramite linea dedicata riconsiderando tutte le
verifiche previste.
I criteri di esercizio della linea dedicata devono essere concordati tra distributore e produttore e
possono in tale caso differire da quelli normalmente seguiti. Si deve tuttavia garantire che gli altri
impianti esistenti del distributore possano continuare ad essere eserciti normalmente senza bisogno
di adeguamenti.
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3.8
CRITERI DI DIMENSIONAMENTO DI UN IMPIANTO
FOTOVOLTAICO
Di seguito vengono descritte le varie fasi del dimensionamento di un impianto fotovoltaico, allo
scopo di fornire indicazioni sulla progettazione di un impianto completo.
VERIFICA IDONEITA’ DEL SITO:
-Presenza di ombre (vegetazione, costruzioni, alture)
-Nebbie o foschie mattutine
-Nevosità.
-Ventosità.
Queste informazioni determinano il collocamento del generatore fotovoltaico, la sua esposizione
rispetto al Sud geografico, la maggiore inclinazione sul piano orizzontale, le caratteristiche delle
strutture di sostegno.
QUANTIFICAZIONE DEL FABBISOGNO GIORNALIERO DI ENERGIA
Il parametro da utilizzare come punto di partenza per il dimensionamento di un impianto
fotovoltaico è l’energia intesa come
Energia = Potenza x tempo di utilizzo
I consumi delle utenze isolate o collegate in rete da alimentare con il fotovoltaico devono essere
considerati in termini di energia richiesta giornalmente. Ad esempio:
- n°2 Lampade da 15 W da alimentare per 5 ore/giorno
- n°1 TV color 60W da alimentare per 3 ore/giorno
Energia giornaliera totale necessaria =
2 x 15W x 5 ore/giorno + 1 x 60W x 3 ore/giorno = 330 Wh/giorno
SCELTA DELL’INCLINAZIONE DEI MODULI
L’inclinazione in genere viene scelta pari alla latitudine del luogo, questo naturalmente se non
ci sono diverse esigenze di tipo architettonico.
CALCOLO DELLA POTENZA DI PICCO DEL GENERATORE FOTOVOLTAICO
L’energia prodotta da un modulo è linearmente proporzionale alla radiazione solare incidente
sulla superficie dei moduli solari. E’ quindi necessario effettuare tale calcolo basandosi sulle
informazioni relative all’irraggiamento solare del sito.
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Un metodo di calcolo generalmente utilizzato consiste nel rilevare tramite apposite tabelle,
quelle che sono le ORE EQUIVALENTI del sito, alla inclinazione desiderata dei moduli
fotovoltaici.
Si definisce ORA EQUIVALENTE il periodo di tempo in cui l’irraggiamento assume un
valore pari a 1000 W/m². In una zona del centro Italia, come indicazione di massima,
considerando un’inclinazione dei moduli pari a 45° , il valore medio annuale di tale parametro
può essere pari a 3.
Questa metodologia viene utilizzata, ai fini del calcolo di dimensionamento fotovoltaico, per
determinare la quantità di energia prodotta giornalmente da un modulo fotovoltaico.
Con tale metodologia di calcolo, essendo noto il parametro Ora Equivalente mensile del sito, è
possibile calcolare la potenza di picco del generatore fotovoltaico, infatti:
Pot. di picco generatore fotov. = (Richiesta giornaliera di energia) / (Ore Equivalenti)
VALUTAZIONE DELLE PERDITE DI UN IMPIANTO
E’ necessario tener conto delle perdite/cadute di tensione introdotti dai componenti che
costituiscono l’impianto (Inverter, batterie, regolatori di carica, cavi di collegamento,..).
Ipotizzando che le perdite totali dell’impianto siano intorno al 30%, allora è necessario
aumentare della stessa percentuale la potenza di picco del generatore fotovoltaico.
CALCOLO DELLA POTENZA DELL’INVERTER
La potenza dell’inverter viene determinata in modo differente a seconda che si tratti di impianto
collegato in rete oppure in isola. Nel primo caso la scelta dell’inverter è determinata dalle
caratteristiche del campo fotovoltaico. Quindi, stabilita la potenza del generatore fotovoltaico (e
di conseguenza il numero di moduli fotovoltaici), è direttamente identificabile il tipo di inverter
da utilizzare. Nel caso di impianto in isola invece, è necessario valutare la potenza totale
massima che dovrebbe essere collegata all’inverter. In particolare, se prendiamo l’esempio
utilizzato per la valutazione del fabbisogno giornaliero di energia del punto precedente si ha:
Potenza totale = 2 x 15W + 1 x 60W = 90 W
Il che significa che deve essere utilizzato un inverter la cui potenza nominale sia superiore a
90W.
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3.9
APPLICAZIONI DEL FOTOVOLTAICO
Data la loro modularità, i sistemi fotovoltaici presentano una estrema flessibilità di impiego.
Il diagramma seguente mostra le principali applicazioni dei dispositivi FV classificate secondo la
potenza elettrica.
Figura 44. Applicazioni del fotovoltaico in funzione della potenza elettrica
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CAPITOLO IV
STATO DELL’ARTE E SVILUPPI FUTURI DEL
FOTOVOLTAICO
“…Mantieni il tuo viso in pieno sole
e non potrai vedere l’ombra …”
Helen Keller
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4.1 PERCHÈ SCEGLIERE IL FOTOVOLTAICO
Negli ultimi 50 anni la generazione energetica centralizzata è stata considerata il mezzo più
efficiente per produrre e distribuire elettricità ad un ampio numero di consumatori. In effetti il
contributo offerto dall’economia di scala alla produzione di energia da centrali a combustibili fossili
(e ad energia nucleare) permette di ridurre i costi di produzione, anche alla luce della relativa
disponibilità di combustibili fossili a basso costo e dei sostegni per lo sviluppo delle infrastrutture
per la distribuzione dell’energia.
Tuttavia lo sfruttamento dei combustibili fossili per la produzione energetica non potrà continuare
a lungo sia a causa della progressiva riduzione della disponibilità dei combustibili stessi sia per
l’aumentata consapevolezza in merito all’impatto ambientale associato allo sfruttamento delle fonti
non rinnovabili ed ai processi di combustione. Il modello attuale di generazione energetica, basato
appunto sulle grandi centrali a combustibili fossili, richiede inoltre una rete di distribuzione
energetica che copra l’intero territorio. I costi di questa sovrastruttura sono elevati in termini di
investimento e di spesa di manutenzione. Anche la rete degli elettrodotti presenta inoltre alcune
problematiche ambientali che ultimamente sono state oggetto di attenzione anche da parte
dell’opinione pubblica.
Quanto sopra esposto fa supporre che nell’ottica di uno sviluppo sostenibile della nostra società, il
modello energetico dovrà in futuro essere orientato verso la generazione distribuita sul territorio. La
produzione dovrà essere affidata anche agli impianti a piccola media taglia che potranno soddisfare
la richieste delle utenze poste nelle vicinanze dell’impianto energetico riducendo la loro dipendenza
dalle grosse reti di distribuzione ed evitando il trasporto dell’energia sulle lunghe distanze e le
perdite associate.
La generazione elettrica a piccola scala, connessa alla rete elettrica di distribuzione, viene detta
generazione (o microgenerazione) distribuita. Questo tipo di produzione, e quella degli impianti
fotovoltaici in particolare, presenta alcuni aspetti che giustificano una produzione della tecnologia
su larga scala.
Il modello proposto dalla generazione elettrica distribuita consente di ridurre i costi imputabili alle
infrastrutture, dovuti al sempre crescente carico elettrico che la rete è chiamata a sopportare,
soprattutto alla luce dei picchi di carico; ne derivano alcuni disservizi agli utenti quali la
sospensione della fornitura di energia, a partire dagli utenti industriali fino a quelli civili.
La generazione distribuita, in un quadro di ampio sviluppo, può permettere di ritardare, se non di
evitare, eccessivi aumenti nel dimensionamento della rete. La decentralizzazione permette inoltre di
evitare le perdite di carico dovute alla rete che, nel caso dell’elettrificazione di utenze e territori
rurali, raggiungono valori prossimi al 25%.
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In questo nuovo modello di generazione energetica sul territorio si inseriscono a pieno titolo anche
gli impianti fotovoltaici. Lo sfruttamento ottimale della fonte energetica solare per la produzione di
energia elettrica prevede l’installazione di numerosi impianti di dimensioni medio-piccole in grado
di sfruttare le potenzialità dei diversi siti. La dimensione ridotta ben si adatta agli impianti
fotovoltaici; per tale ragione non ha senso considerare l’economia di scala relativa alla taglia
d’impianto. Eventuali riduzioni di costo e vantaggi economici si avranno solo se aumenteranno i
volumi di produzione dei pannelli piuttosto che le taglie degli impianti. Oltre ad inserirsi a pieno
titolo tra le tecnologie adatte alla microgenerazione, il sistema fotovoltaico offre numerosi aspetti
positivi che si concretizzano in altrettanti vantaggi associati all’uso della “risorsa sole”.
Nel seguito si analizzano brevemente questi aspetti e si danno degli spunti di riflessione, con la
speranza che l’inquadramento della tecnologia anche al di fuori delle sue caratteristiche tecniche ed
economiche possa fornire un quadro più ampio e consentire un’esatta valutazione complessiva delle
potenzialità del sistema.
La modularità
Parlando in termini generali e senza alcun riferimento a specifiche situazioni che andranno valutate
singolarmente, è possibile variare la taglia di un impianto fotovoltaico aggiungendo o rimuovendo
alcuni moduli o alcune stringhe di pannelli. La dimensione del sistema può quindi essere adeguata
alle esigenze dell’utenza e ai suoi fabbisogni energetici.
L’ adeguamento non è così semplice se si utilizzano altre tecnologie quali i gruppi elettrogeni
diesel.
La modularità e la capacita di rispondere a richieste diverse in termini di produzione energetica
rendono la tecnologia fotovoltaica uno strumento estremamente versatile che può essere facilmente
impiegato per soddisfare la richiesta energetica di una calcolatrice tascabile così come di un
capannone industriale.
Inoltre la tecnologia fotovoltaica, in virtù della sua modularità, può essere impiegata con ottimi
risultati nel settore dell’arredo urbano.
Le emissioni evitate e l’impatto ambientale
I sistemi fotovoltaici praticamente non producono inquinamento ambientale durante la fase di
esercizio; al limite, potenziali rischi ambientali si hanno nella fase di produzione e in quella di
smaltimento del sistema a fine vita utile. L’energia solare non fa rumore e non emette sostanze
odorose. Non bisogna poi dimenticare la valenza estetica del fotovoltaico; le nuove celle hanno un
aspetto gradevole e si prestano molto bene agli impieghi in architettura.
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Il recupero ambientale
Molto spesso, nella gestione del territorio, si assiste al difficile ripristino di spazi urbani che
derivano dalla dismissione di particolari strutture a carattere industriale o di siti che erano stati
precedentemente destinati ad attività specifiche quali il deposito di rifiuti da discarica o simili.
Proprio le discariche controllate, ad esempio, non possono essere sede di nuove costruzioni. E’
possibile recuperare questi spazi in vari modi; tra le opportunità di recupero si deve ricordare anche
quella di utilizzare lo spazio per l’installazione dei pannelli fotovoltaici a mezzo di strutture
facilmente smontabili che consentano la manutenzione ottimale della discarica. Esperienze in tal
senso sono state fatte negli Stati Uniti con notevoli successi. I generatori fotovoltaici sono
facilmente rimovibili ed esercitano un basso carico sul terreno senza creare particolari problemi alla
gestione della discarica stessa ma consentendo invece un recupero secondario del territorio. Un altro
esempio di recupero degli spazi urbani marginali mediante l’impiego della tecnologia fotovoltaica è
quello degli impianti installati al di sotto delle linee di corrente ad alta tensione, dove non solo non
è possibile edificare, ma non è neppure possibile utilizzare in sicurezza macchine operatrici che
superino restrittivi limiti d’altezza.
A parte i due casi particolari descritti sopra, anche lo sfruttamento di tetti, tettoie e pensiline per la
posa dei pannelli rappresenta un esempio di recupero e valorizzazione del territorio urbano. Per
dirlo con uno slogan insomma “il fotovoltaico si accontenta degli spazi marginali”.
La generazione diffusa sul territorio
Si può sottolineare nuovamente che il fotovoltaico consente di generare corrente laddove questa
deve essere impiegata; si riducono in tal modo le perdite dovute al trasporto e alla trasformazione. Il
fotovoltaico è quindi uno degli strumenti migliori per la generazione diffusa di energia e consente la
riduzione dei carichi sulla rete.
L’affidabilità e la durata
Gli impianti fotovoltaici sono di facile manutenzione, i costi relativi sono di molto inferiori a quelli
che competono alle altre tecnologie di produzione energetica, sia da fonti rinnovabili sia da fonti
non rinnovabili.
La tecnologia si basa su una proprietà intrinseca del silicio e il processo di trasformazione
energetica è semplice, non richiede né l’utilizzo di parti in movimento, né la disponibilità di
serbatoi di stoccaggio del combustibile.
La vita utile dell’impianto è superiore a 30 anni e le sue prestazioni rimangono inalterate anche
dopo 20 anni di attività. Le norme tecniche a tutela e a garanzia della qualità assicurano la
rispondenza dei prodotti agli standard richiesti.
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La rispondenza ai carichi
Le richieste di energia elettrica di una generica utenza possono essere descritte in maniera accurata
ed esaustiva quando si disponga della curva di carico associata. La curva di carico mostra il
consumo di energia elettrica dell’utente nell’arco della giornata (ovvero nell’arco del mese o
dell’anno, in funzione del livello di dettaglio scelto).
Analogamente l’impianto fotovoltaico è caratterizzato da una curva di produzione che evidenzia
l’energia prodotta dal generatore nell’arco della giornata al variare dell’insolazione.
In molti casi è possibile ottenere una buona sovrapposizione tra la curva di carico giornaliera e la
curva di produzione dell’impianto; anche tra le curve mensili è possibile una buona
sovrapposizione, in determinati tipi di applicazioni. L’impianto produce energia quando ce n’è più
bisogno; è questo il caso tipico degli impianti di climatizzazione. I condizionatori consumano più
energia quanto più la radiazione solare scalda gli ambienti; parallelamente, l’impianto fotovoltaico
produce più energia quanto più la radiazione solare è intensa.
La scelta e il controllo
La taglia dell’impianto in grado di soddisfare le richieste di una famiglia o di una piccola comunità
non è di certo confrontabile con quella delle grandi centrali termoelettriche. E’ però più facile per
l’utente operare delle scelte personali di gestione dell’impianto favorendo il risparmio energetico.
Tali scelte si rifletteranno infatti direttamente in un ritorno economico. Con l’impianto fotovoltaico
l’utente diventa anche produttore e la gestione dell’energia diventa più consapevole, consentendo di
evitare alcuni sprechi.
L’immagine
Quasi ogni giorno ormai i mezzi di comunicazione riportano notizie e previsioni sull’effetto serra,
sulle piogge acide, sui problemi legati al traffico veicolare e al degrado dei centri urbani. La
penetrazione di questo tipo di messaggi nell’opinione pubblica è in grado di orientare le scelte del
consumatore. Il mercato della green energy, che già è attivo in alcuni paesi e che chiede all’utente
di pagare un modesto sovrapprezzo sull’energia consumata a fronte della garanzia che questa
energia è prodotta da fonti rinnovabili, è in crescita. Per le stesse motivazioni, gli edifici che
integrano elementi fotovoltaici trasmettono un’immagine positiva, legata al rispetto dell’ambiente e
allo sviluppo sostenibile. La tecnologia fotovoltaica si presta bene ad essere utilizzata come
strumento di comunicazione e di marketing al pari delle attuali certificazioni in merito alla gestione
ambientale dei processi produttivi quali ISO 14.000 ed EMAS.
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L’aumento dell’occupazione
Come ogni altra tecnologia altamente specializzata, quella del settore fotovoltaico crea una
domanda di personale qualificato e apre nuovi settori di produzione tecnologica. E’ difficile stimare
quali saranno i volumi di questa domanda di manodopera che seguirà da vicino le variazioni del
mercato. Un’incentivazione del settore si tradurrà quindi in un aumento della richiesta di
manodopera e di occupazione.
Le utenze isolate
Il fotovoltaico consente l’elettrificazione delle utenze isolate, nei confronti delle quali rappresenta
talvolta l’unica opzione, soprattutto quando si tengano in considerazione anche gli aspetti
ambientali. E’ già stato sottolineato infatti come in alcune situazioni, laddove ad esempio sussistano
vincoli paesaggistici o ambientali che non consentono la realizzazione di elettrodotti aerei o interrati
per il trasporto dell’energia, la generazione elettrica a mezzo della tecnologia fotovoltaica offre
soluzioni ben integrabili nell’ambiente e certamente affidabili. Inoltre, in queste situazioni spesso
l’impianto fotovoltaico ha anche forti implicazioni sociali. Per esempio, l’illuminazione di una
scuola in una zona rurale permette un’educazione serale e attività comunitarie; l’alimentazione di
un frigorifero aiuta l’efficacia dei programmi di immunizzazione alle malattie endemiche.
L’elettrificazione nei PVS (Paesi in Via di Sviluppo)
Due miliardi di persone al mondo non dispongono di energia elettrica: per i Paesi in Via di Sviluppo
(PVS) la tecnologia fotovoltaica rappresenta una valida risposta. La bassa densità dell’utenza
caratteristica di questi territori non giustifica infatti l’elettrificazione del territorio a mezzo di
infrastrutture stabili di distribuzione energetica.
La qualità dell’energia
L’energia prodotta in prossimità del sito di utilizzazione ha un valore maggiore di quello
dell’energia fornita dalle centrali tradizionali e trasportata a mezzo elettrodotto fino all’utente.
Vengono infatti evitate le perdite di trasporto. La produzione di energia elettrica nelle ore di
insolazione permette di ridurre la domanda alla rete durante il giorno, proprio quando si registra la
maggiore richiesta. L’obiettivo, sebbene ambizioso e certamente di lungo periodo, è quello di
“livellare” i picchi giornalieri delle curve di domanda, ai quali solitamente corrispon
dono le produzioni energetiche più costose. Il fotovoltaico e’ quindi un’alternativa interessante, in
particolare alla luce della crescente diffusione dei sistemi di condizionamento negli edifici
residenziali e commerciali.
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I costi evitati
Dal costo di installazione dell’impianto fotovoltaico, nel caso la soluzione adottata sia quella di
un’integrazione dei pannelli nella copertura dell’edificio o in facciata, si possono correttamente
detrarre i costi dei materiali edili che i pannelli vanno a sostituire. Ad esempio, nel caso della
copertura, la superficie coperta dai pannelli non necessiterà di tegole o di altri tipi di copertura a
finitura del tetto. Analoghe considerazioni possono essere fatte per i vetri delle facciate.
In conclusione, nonostante i bassi rendimenti di conversione che questa tecnologia offre ed i costi
d’impianto che richiedono elevati capitali iniziali, i sistemi fotovoltaici presentano vantaggi
indiscutibili e forniscono un importante contributo allo sviluppo sostenibile, coniugando le esigenze
della nuova società industriale, sempre più energivora, con la tutela ed il rispetto per l’ambiente.
4.2 MATERIALI E RICERCA: VANTAGGI E SVANTAGGI
Le differenti tecnologie per la produzione delle celle fotovoltaiche e le diverse celle che di
conseguenza i produttori sono in grado di offrire, presentano pregi e difetti specifici.
In termini generali, si può affermare che i rendimenti migliori appartengono ai pannelli in silicio
monocristallino seguiti a breve da quello policristallino, sebbene alcuni nuovi materiali abbiamo
mostrato in laboratorio rendimenti estremamente promettenti.
Il calo del rendimento avviene generalmente a fronte di una diminuzione, in verità non
proporzionale, dei costi del prodotto. I pannelli monocristallini inoltre sono quelli che garantiscono
la miglior prestazione nel tempo in termini di durata, affidabilità e costanza nei rendimenti. Il
processo produttivo che porta alla creazione di queste celle è tuttavia complesso e molto
dispendioso dal punto di vista energetico, ragioni queste del costo elevato del prodotto.
La nuova tecnologia del silicio amorfo è caratterizzata da una marcata versatilità d’impiego. La
possibilità di depositare il materiale attivo su substrati di diverso tipo da usare anche quali elementi
strutturali nelle facciate degli edifici rappresenta un’opportunità considerevole per la diffusione di
questo tipo di celle. L’integrazione del pannello negli edifici costituisce inoltre un passo avanti
verso la loro indipendenza energetica e la produzione di energia da fonte solare su larga scala. Resta
tuttavia da superare l’ostacolo costituito dal basso rendimento di queste celle e dal degrado delle
prestazioni che i pannelli in amorfo mostrano già dopo 10 anni. Un discorso a parte deve essere
fatto per i nuovi film sottili, per i quali non sono disponibili dati di rilevanza statistica che
consentano di trarre delle conclusioni generali. I nuovi prodotti rappresentano tuttavia una promessa
per il futuro in termini di riduzione dei costi e aumento delle prestazioni del sistema.
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Il quadro fin qui presentato è riassunto sinteticamente nella tabella seguente che espone i punti di
forza e le principali debolezze dei diversi tipi di celle fotovoltaiche attualmente disponibili sul
mercato, ovvero ancora in fase di prototipo di laboratorio.
Figura 45. Caratteristiche dei materiali con cui vengono costruite le celle
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4.2.1 FILM SOTTILI E CRISTALLINI: CONFRONTO TECNICO
ECONOMICO
Si è già sottolineato come la maggior parte delle celle fotovoltaiche attualmente in commercio sia
costituita da semiconduttori che utilizzano come materiale di base il silicio.
La ragione di questa scelta è principalmente dovuta al fatto che il silicio, a differenza di altri
elementi semiconduttori, è disponibile sul nostro pianeta in grandissime quantità. Inoltre, è
largamente utilizzato nell’industria elettronica che, con la rapidissima espansione degli ultimi
decenni, ha agevolato lo sviluppo degli attuali processi di produzione.
Fra i tipi di silicio utilizzati per la conversione dell’energia solare in elettrica, il più diffuso è quello
cristallino che rappresenta circa l’80% del venduto al mondo, suddiviso in monocristallino, circa il
45%, e policristallino, circa il 35%. Allo stato attuale le aziende produttrici di celle fotovoltaiche in
silicio cristallino(mono e poli) utilizzano ancora gli scarti dell’industria elettronica e la
disponibilità a costi contenuti comincia a essere scarsa.
Lo stato di maturità della tecnologia cristallina raggiunta in 30 anni di ricerca e sperimentazione
può essere riassunto come segue:
- crescita dell’efficienza dei moduli fotovoltaici commerciali di quasi il 100%
- costo del Wp ridotto del 60%
- capacità produttiva media delle fabbriche da 5 a 10 MW/anno.
Attualmente il rendimento di un modulo fotovoltaico disponibile commercialmente (e di buona
qualità) in silicio monocristallino è tra il 12 ed il 15%. Il record di efficienza per un prodotto di
laboratorio (celle di 1 cm²) è tenuto dalla università del South Wales in Australia con il valore di
24%. La stessa Università detiene anche il record per una cella in silicio policristallino con il valore
di 19,8%. In Giappone, nell’ambito di un programma di ricerca appositamente dedicato, si sono
raggiunti valori del 17% su celle industriali di grandi dimensioni (15x15 cm). I moduli realizzati in
silicio cristallino risultano quindi:
- tecnologicamente ben sperimentati;
- con degrado delle prestazioni elettriche molto contenuto (qualche percento) nei 20 anni di vita
utile (tanto è vero che molti costruttori garantiscono il 90% delle performance); di efficienza record
rispetto a qualsiasi altro materiale.
Pur tuttavia, i moduli cristallini, essendo formati da più celle fotovoltaiche ottenute tagliando a
fettine (wafer) un cilindro di materiale attivo ed accoppiandole elettricamente, rivelano nel
contempo alcuni punti deboli: la visione di insieme dell’oggetto è pur sempre quella di un
componente “assemblato”; l’aspetto estetico non soddisfa pienamente tutti i progettisti,
principalmente a causa delle limitate potenzialità architettoniche; i margini di riduzione del costo di
produzione sono infine piuttosto contenuti, come si vedrà nel seguito.
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Questi aspetti, non completamente soddisfacenti della tecnologia cristallina sono stati in passato la
molla che ha fatto scattare la ricerca di base su nuovi materiali, la quale, dopo un paio di decenni di
sforzi, sta proponendo al mercato un’alternativa: i film sottili.
A differenza della tecnologia cristallina, le celle fotovoltaiche a film sottile sono composte da strati
di materiale semiconduttore (non sempre è presente il silicio) depositati generalmente come miscela
di gas su supporti a basso costo come vetro, polimero, alluminio che danno consistenza fisica alla
miscela.
Figura 46. Modulo fotovoltaico flessibile (thin film)
La deposizione di un gas consente l’immediato beneficio di un utilizzo minore di materiale attivo:
lo spessore si riduce da 300 micron della celle cristallina a 4-5 micron di quella a film sottile.
Inoltre, il processo produttivo dei film sottili consente una riduzione di alcune fasi di lavorazione
che, a differenza del cristallino, possono essere automatizzate. Per capire il grado di sviluppo, i
vantaggi e le peculiarità dei film sottili è importante esaminarli individualmente. Ogni tipo di film
sottile possiede un proprio potenziale di crescita che dovrebbe permettergli di raggiungere le
prestazioni, l’affidabilità e gli obiettivi di costo che il mercato richiede.
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4.2.2 INNOVAZIONI DELLE CELLE
Si è già fatto osservare che le celle di silicio cristallino sono di fatto delle fettine di semiconduttore
opportunamente drogato con spessore di qualche centinaio di micron e dimensioni quadrate di poco
più di 10 cm di lato. Risulta evidente che l’assemblaggio di più celle una a fianco all’altra con i
relativi collegamenti elettrici fino a formare il modulo fotovoltaico, non può che avvenire posando
le celle su un supporto rigido (il vetro anteriore) a causa della fragilità dei sottili cristalli impiegati i
quali, lo ricordiamo, no sono in grado di assorbire sforzi meccanici o deformazioni senza danni. Le
celle fotovoltaiche a film sottile (amorfo, CIS, CdTe) sono, invece, formate per deposizione di una
miscela di gas: possono così essere utilizzati differenti tipi di supporti (detti substrati), sia per
formare moduli rigidi che moduli flessibili ( per esempio utilizzando un substrato polimerico,
arrivando a realizzare prodotti leggeri e deformabili, utili specialmente, data la ridotta potenza che
riescono a fornire, per l’alimentazione di carichi mobili (carica batteria per servizi elettrici su
caravan, barche, roulotte).
Anteriormente alla cella vi è sempre un vetro temprato di circa 4 mm di spessore che assolve
l’ovvia funzione di permettere il passaggio della luce e proteggere la parte attiva. Non ci si lasci
ingannare dalla presenza del vetro per ritenere il modulo fotovoltaico un oggetto delicato:le
caratteristiche meccaniche del vetro superiore devono essere tali da assicurarne la calpestabilità,
reggendo il peso di una persona senza deformazioni apprezzabili. Devono inoltre essere in grado di
resistere a condizioni meteorologiche particolarmente severe rappresentate anche dagli urti in
seguito alla caduta di grandine di grosse dimensioni.
La trasmittanza del vetro anteriore, cioè la sua capacità di essere attraversato dalla luce solare, è
molto superiore a quella offerta dai normali vetri in commercio, in modo da non pregiudicare il
rendimento complessivo del modulo: per raggiungere il risultato, i costruttori ricorrono a particolari
composizioni con basso contenuto di ferro. Tra il vetro e le celle fotovoltaiche viene interposto un
sottile strato di vinilacetato di etilene (EVA) trasparente che contiene additivi che ne ritardano
l’ingiallimento dovuto all’esposizione ai raggi ultravioletti durante la vita operativa del modulo. Lo
scopo dell’EVA è triplice: evitare un contatto diretti tra celle e vetro, eliminare gli interstizi che
altrimenti si formerebbero a causa della superficie non perfettamente liscia delle celle ed isolare
elettricamente la parte attiva dal resto del laminato. Le celle fotovoltaiche, che si presentano
all’assemblaggio del modulo con i contatti elettrici anteriori e posteriori già predisposti, vengono
appoggiate sul vetro a matrice (per esempio, in moduli da 36 celle si possono avere 4 file da 9 celle
ognuna) e collegate elettricamente tra loro, generalmente in serie, utilizzando sottili nastri metallici
elettrosaldati.
Il numero di celle presenti in ogni singolo modulo fotovoltaico assume generalmente valori
standard:32,64 e 72 a cui corrispondono dimensioni circa di 1 x 0.5 m, 0.8 x 0.8 m, 1 x 1 m.
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Sul retro delle celle viene posto un ulteriore foglio di EVA, con funzioni analoghe a quello
utilizzato anteriormente. A chiusura del sandwich realizzato, viene in genere utilizzato un foglio di
polivinile fluorurato Tedlar ( in genere di colore bianco) eventualmente rinforzato con Fogli
metallici e polimerici per aumentare la sua impermeabilità all’ossigeno ed all’acqua. In alternativa è
possibile usare un altro vetro con caratteristiche meccaniche e trasmissive della luce inferiori a
quelle previste per il vetro anteriore: un modulo realizzato in questo modo viene denominato a
doppio vetro. La soluzione a doppio vetro offre maggiore protezione e consente una trasparenza
che, per l’uso architettonico, è spesso essenziale; per contro, ne raddoppia quasi il peso
(sconsigliandone l’uso in impianti mobili) e ne aumenta il prezzo di mercato. Una variante
prettamente architettonica della soluzione a doppio vetro, la si trova nei casi in cui i moduli
fotovoltaici sono utilizzati per la sostituzione, anche parziale, dei tamponamenti esterni degli
edifici: in questi casi, si deve ricorrere a moduli con bassa trasmittanza termica. Questa
caratteristica si ottiene ricorrendo a costruzioni con vetro camera, in cui cioè viene applicato un
vetro supplementare a poca distanza dal vetro del modulo, così da lasciare tra i due componenti
un’intercapedine d’aria con funzione di isolante termico. Sul bordo dei moduli fotovoltaici può poi
essere presente o meno una cornice la quale è generalmente realizzata in alluminio anodizzato e
incollata al sandwich con gomma siliconica. La cornice contribuisce a proteggere il bordo del
modulo nella delicata fase di installazione e risulta indispensabile quando si intenda fissare il
modulo con bullonatura alle strutture di sostegno: proprio per questo motivo è generalmente
preforata in più punti. I collegamenti elettrici con l’esterno avvengono nella maggior parte dei casi
all’interno delle cassette di terminazione stagne (grado di protezione IP65) dotate di passacavi ed
applicate con gomma siliconica sul retro dei moduli (i moduli più grandi, a 64 o 72 celle possono
averne anche due); nelle cassette sono disponibili, con soluzioni che ogni costruttore personalizza,
le polarità positiva e negativa ed i diodi di by-pass.
Figura 47. Struttura di un modulo fotovoltaico
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4.2.2.1
LE CELLE POLIMERICHE
Per il momento lo sviluppo delle celle polimeriche è testato negli esperimenti di laboratorio condotti
dal gruppo di ricerca del professor Yang Yang della University of California, a Los Angeles, ma
entro qualche anno un nuovo polimero plastico potrebbe sostituire il silicio nella struttura delle celle
fotovoltaiche e affermarsi nel mercato della produzione di energia elettrica da radiazione solare.
Figura 48. Sperimentazioni su celle polimeriche
Dal punto di vista dell'efficienza, i pannelli in plastica di nuova creazione presentano oggi un
rendimento che si aggira intorno al 4% (il massimo rendimento sinora raggiunto è pari al 4,4%)
rispetto al 14-18% dei corrispondenti in silicio, ma il professor Yang sostiene di poter raddoppiare
questo risultato con aggiustamenti realizzabili anche nel breve periodo. Sotto l'aspetto economico, i
vantaggi offerti dalla nuova tecnologia non temono confronti. Il più grande limite dei pannelli
fotovoltaici attualmente in uso è, infatti, l'elevato costo di produzione del semiconduttore. Con il
nuovo materiale, messo a punto dai ricercatori dell'Ucla, i costi di realizzazione dei dispositivi
fotovoltaici potranno essere ridotti dell'80%. Oltre al prezzo contenuto della materia prima e del
processo di produzione, i pannelli fotovoltaici polimerici presentano proprietà di flessibilità
meccanica e durata altamente superiori rispetto ai semiconduttori in silicio. I già promettenti
risultati sono stati pubblicati su Nature Materials, del gruppo Nature e le prestazioni dei prototipi
sono state certificate dalla National Renewable Energy Laboratory (NREL).
I materiali polimerici hanno in partenza il vantaggio di essere i meno costosi e i più facili da
processare; essi possono essere depositati su supporti flessibili in modo molto più semplice ed
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economico di quanto si possa fare per tutti i dispositivi inorganici che competono. La scelta dei
materiali è ampia e può essere indirizzata selettivamente su regioni specifiche dello spettro solare.
Anche se attualmente le celle organiche hanno efficienza notevolmente più bassa di quelle al silicio
o al GaAs (vedi figura 47), i progressi in pochi anni sono stati impressionanti. A causa del libero
cammino medio molto breve degli eccitoni, le prime celle polimeriche mostravano un’efficienza
minima, intorno a 0,1÷0,01%. Invece, le attuali celle solari, basate su sistemi polimerici a due fasi
interpenetranti, miscele polimero/fullereni, polimero/nanotubi, cristalli organici drogati con alogeni
e dispositivi a stato solido con l’uso di dye, hanno mostrato valori di efficienza relativamente
ragguardevoli, che attualmente sono nell’intervallo 2÷3%. Polimeri conduttori, per esempio,
derivati del poly-(phenylenevinylene) (PPV) con C60, stanno attirando un grande interesse come
materiali per celle solari. L’eterogiunzione si forma semplicemente mescolando due sostanze
organiche, una che conduce per lacune e una per elettroni. Il vantaggio di queste nuove strutture
rispetto a quelle vecchie planari è che i due materiali costituiscono, anche in questo caso, un sistema
a due fasi interpenetrantì, con domini dei singoli polimeri di estensione molto ridotta (pochi
nanometri). Ciò supera uno dei problemi incontrati nelle celle di prima generazione, cioè lo
sfavorevole rapporto tra la lunghezza di diffusione degli eccitoni e la lunghezza di assorbimento
della luce. La soluzione consiste nel disperdere all’interno dei dispositivo la giunzione in modo che,
nel raggio di pochi nm, la maggior parte degli eccitoni potesse raggiungerla. Il meccanismo di
funzionamento delle celle polimeriche è molto simile a quello delle celle a dye ed è stato ipotizzato
come segue: i polimeri coniugati, sotto illuminazione, vanno in uno stato eccitato con la
generazione di un eccitone e, se c’è in prossimità un accettore (per esempio fullerene), cedono
l’elettrone. Dato che il trasferimento di carica anche in questo caso è molto veloce (<10÷13s) e che
la reazione inversa è lenta (1÷3s), l’efficienza quantica (elettroni per fotone) è 100%. Dopo la
separazione delle cariche, le buche si muovono lungo la catena dei polimero verso l’elettrodo con
lavoro di estrazione maggiore (in genere Indium Tin Oxide depositato su vetro). Gli elettroni,
invece, attraverso un processo di conduzione per “hopping” passerebbero da una molecola di
fullerene all’altra, verso l’elettrodo opposto (in genere alluminio). Il punto delicato è che se un
fullerene è troppo isolato, l’elettrone ha probabilità minima di contribuire alla conduzione perché
nei tempi lenti (ms) si ha ricombinazione interna. L’idea di usare dei nanotubi (come accettori)
deriva dalla loro struttura filiforme, grazie alla quale raggiungono la soglia di percolazione a
concentrazioni molto basse (1÷3% vol.).
Con accorgimenti di questo tipo è stata raggiunta una IPCE (conversione fotonecorrente) sopra il
50% con una miscela contenente PPV e dei derivati del metanofullerene. L’efficienza di
conversione complessiva alla luce solare alle nostre latitudini è del 2,5%. Nonostante l’assoluto
rilievo di questo risultato, le prestazioni della cella decrescono rapidamente dopo poche ore di
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esposizione al sole. Quindi, mentre la tecnologia del dispositivo ha avuto un salto enorme, i
materiali sembrano soffrire degli stessi problemi osservati circa venti anni fa.
Da questo punto di vista, le celle a dye sono notevolmente più avanti: esse sono stabili dopo più di
10.000 ore di esposizione alla luce del sole, circa un anno, contro i 25 anni di vita degli attuali
dispositivi al silicio cristallino. La direzione dello sviluppo delle celle polimeriche deve puntare
decisamente in questa direzione prima di pensare ad applicazioni nella Power Generation.
4.3 INTEGRAZIONE ARCHITETTONICA
La falda di un tetto, se disposta favorevolmente, rappresenta una valida opportunità per
l’installazione di un impianto fotovoltaico, poiché recupera uno spazio altrimenti non sfruttato.
Nell’ambito degli impianti installati sulle coperture è necessario distinguere tra:
• l’impianto integrato, nel quale la copertura viene sostituita con moduli fotovoltaici;
• l’impianto retrofit, dove i moduli fotovoltaici vengono sovrapposti alla struttura esistente.
Nel caso degli impianti integrati su tetto a falda, spesso previsti in fase di progettazione o di
manutenzione straordinaria della copertura, è possibile ottenere risultati di indubbia valenza
estetica. E’ da ricordare inoltre che nel caso delle installazioni integrate si sostituisce parte della
copertura con i pannelli e nel quadro economico della spesa devono essere tenuti in considerazione
anche i costi evitati per i materiali ordinari.
Le installazioni retrofit risultano per contro di facile progettazione e montaggio; i moduli vengono
sorretti da una struttura ancorata alla copertura esistente e costituita da un telaio piuttosto leggero,
perché non deve resistere all’azione del vento posteriore. In entrambi i casi, l’impianto deve
risultare facilmente ispezionabile al fine di consentire un’agevole manutenzione.
E’ possibile inoltre integrare la tecnologia fotovoltaica nelle facciate degli edifici, sebbene in tal
caso l’inclinazione dei pannelli non risulti ottimale. Dal punto di vista architettonico, questo tipo di
installazione offre numerose possibilità d’interpretazione in termini di strutture e di materiali.
Le coperture dei capannoni industriali così come le tettoie o le pensiline a servizio di strutture
industriali o simili ben si prestano all’installazione di pannelli fotovoltaici. La disponibilità di
spazio risulta generalmente ampia e spesso le coperture sono piane e consentono il posizionamento
ottimale dei pannelli.
Per questo tipo di applicazioni inoltre è possibile ridurre i costi connessi agli aspetti prettamente
architettonici che richiedono un’integrazione ottimale dell’impianto nell’edificio, tipica
dell’architettura residenziale. Vengono, anche in questo caso, utilizzati spazi marginali.
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Nella figura 49 vengono elencati i pregi e difetti delle più comuni strutture di sostegno per i pannelli
fotovoltaici.
Figura 49. Vantaggi e svantaggi delle più comuni strutture di sostegno per pannelli
fotovoltaici
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4.4 IL MERCATO MONDIALE
Il mercato mondiale dell’energia fotovoltaica ha registrato negli ultimi anni sviluppi significativi,
ricordando che la produzione era di 45 MWp di impianti installati nei primi anni ’90. La crescita
media del mercato negli ultimi anni è stata del 35% e le proiezioni a medio termine (2010 – 2015)
concordano nel prevedere, per questo settore, una crescita significativa. Il grafico seguente mostra
la previsione al 2010 del contributo del fotovoltaico al mercato globale dell’energia.
Figura 50. Contributo fotovoltaico al consumo energetico mondiale
Sul fronte della produzione, l’aumento della domanda sul mercato ha consentito di decuplicare nel
corso degli ultimi 10 anni la produzione di pannelli. Ma quali sono i Paesi maggiormente impegnati
a sostegno della tecnologia fotovoltaica? Sicuramente Giappone, Germania e USA sono sul podio,
seguiti a poca distanza da Olanda, Svizzera, Spagna, Austria e Regno Unito.
Dal lato dell’offerta, il mercato mondiale è oggi dominato da alcune grandi compagnie che
comprendono industrie petrolifere (Shell, BP, Totalfina, ecc.), industrie che producono
semiconduttori e prodotti elettronici di largo consumo (Sharp, Kyocera) ed industrie che producono
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esclusivamente celle fotovoltaiche (Photowatt, Isofonton, Astropower). Il grafico riporta i dati di
produzione relativi ai 10 maggiori produttori mondiali di pannelli fotovoltaici.
Figura 51. Mercato dei produttori di pannelli fotovoltaici nel mondo
Alcune multinazionali petrolifere hanno fatto propri gli obiettivi del Protocollo di Kyoto e le
direttive in merito alle emissioni climalteranti. Tra queste BP (e la affiliata BP Solar) che ha
raggiunto con 8 anni di anticipo l’obiettivo della riduzione della CO2 del 10% rispetto ai valori del
1990 e Shell che ha inaugurato i settori “Shell Renewables” e “Shell Hydrogen”.
Anche sul fronte americano i leader del settore petrolifero hanno dimostrato un crescente interesse
per il settore fotovoltaico. La Texaco, ad esempio, ha investito 150 milioni di dollari in una
compagnia impegnata nei settori dell’idrogeno e del solare, mentre la Exxon Mobil,
tradizionalmente poco sensibile ai problemi dello sviluppo sostenibile, ha recentemente destinato
100 milioni di dollari in progetti di ricerca sulle nuove energie.
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4.5
AZIENDE PRODUTTRICI DI FOTOVOLTAICO IN ITALIA
Costruzioni Solari S.r.l.
Impegnata dal 1979 esclusivamente nel settore solare, è cresciuta nella sperimentazione e nella
ricerca di quelle che sono le forme più funzionali, ed allo stesso tempo più economiche, di
sfruttamento dell'energia solare.
Svariati sono stati gli impieghi: dalle numerosissime piccole utenze ai rilevanti impieghi nei
campeggi, alberghi, piscine, complessi edilizi.
Costruzioni solari srl
Uffici e stabilimenti: VIA XXIV MAGGIO, s.n. - 73020 CAVALLINO(LECCE) Italy
Tel. +39 (0832) 61.26.26 - Fax +39 (0832) 61.12.05
Enerpoint
Enerpoint Srl opera su tutto il territorio nazionale attraverso una rete commerciale in continuo
sviluppo. In particolare Enerpoint si occupa di:
•
•
•
•
•
distribuzione di sistemi/componenti di alta qualità;
progettazioni (dalla preliminare alla costruttiva);
gestione cantieri;
Domande di accesso al Conto Energia;
corsi di formazione per installatori e professionisti.
Enerpoint S.r.l.
Viale Lavoratori Autobianchi, 1 Lotto 22/N
20033 Desio (MI) - Italia
Tel. 0039.(0)362.488511 - Fax 0039.(0)362.622180
Energia solare S.r.l.
La società offre servizi di ingegneria, di commercializzazione e di installazione di sistemi solari
fotovoltaici e solari termici, unitamente a tutte le componentistiche relative e alle apparecchiature a
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questi sistemi collegate.
La società tratta anche altre tecnologie energetiche.
Energia solare S.r.l.
Strada Saluzzo 75/A - 10041 Carignano (TO) ITALIA
Tel. + 39.011.9697202 fax + 39.011.9693135
Eurosolare S.p.A.
Societa' del Gruppo Eni, e' da circa 20 anni nel settore fotovoltaico, ed e' l'unica realta' industriale
italiana ad operare con ciclo integrato verticalmente, dalla materia grezza ai sistemi.
Eurosolare produce moduli fotovoltaici in silicio mono e multicristallino con potenze che vanno dai
16 ai 155 Wp e può fornire, a richiesta, moduli fotovoltaici per impieghi architettonici ed
applicazioni particolari
Eurosolare S.p.A.
Via A. D'Andrea, 6 - 00048 Nettuno (Roma) ITALIA
Marketing & Comunicazione + 39.06.98560351/562 fax + 39.06.98560234
Everlight
La Everlight nasce nel 2001 proponendo prodotti di facile installazione ed utilizzo per chiunque.
Leader italiano nella produzione di sistemi fotovoltaici autonomi, dove l’energia che viene prodotta
è accumulata in una batteria e resa disponibile all'occorrenza, permettendo così una reale
indipendenza della rete elettrica.
Tratta vari prodotti: dai pannelli solari per privati a quelli industriali, dai sistemi fotovoltaici usati
per arredo urbano alla segnaletica fotovoltaica per strade e cantieri.
Everlight
Via Martiri della Libertà, 78 - 66054 VASTO (CH)
Marketing & Comunicazione + 039.0873.69659 - 366377 fax + 039.0873.753116
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Helios Technology
Fondata nel 1981, è l'unica azienda italiana che produce celle, moduli e sistemi fotovoltaici. Da più
20 anni nel settore, Helios ha continuamente migliorato le tecnologie di produzione ottenendo come
risultato una vasta gamma di prodotti che comprendono moduli fotovoltaici con potenze che vanno
da 20 a 150 Watt, regolatori di carica, lampioni solari e lampade a basso consumo.
Helios Technology srl
Via Postumia , 11
35010 - Carmignano di Brenta (PD) - Italy
Tel. +39 049 9430288 Fax. +39 049 9430323
S.E. Project
Nasce nel 1994 dopo una consolidata esperienza maturata nel settore del fotovoltaico e delle energie
rinnovabili da parte dei suoi fondatori.
S.E Project é specializzata in modo particolare nella produzione di moduli fotovoltaici ad alta
efficienza e personalizzati.
E' inoltre in grado di sviluppare nuovi prodotti e progetti nel campo delle energie rinnovabili
SE-Project
Via G. Marconi 29
35010 San Pietro in Gù (PD)
Tel. +39 049 9458200 Fax +39 049 9458299
Sistemi Energetici Integrati
La S.E.I. opera a Prato dal 1979 dove rappresenta uno degli esempi più significativi di
diversificazione tecnologica fuori dall'ambito dell'industria tessile che è l'attività tradizionale della
città toscana ben nota per la sua dinamicità imprenditoriale.
Un deciso e costante ricorso all'innovazione tecnologica ha rappresentato l'elemento caratterizzante
dello sviluppo aziendale che si è rivolto soprattutto al settore professionale dove annovera clienti
quali Ferrovie dello Stato, ENEL, Telecom Italia, Omnitel, ABB, ADtranz.
La qualità della produzione è dimostrata da apparati tuttora in funzione dopo anni di servizio ed
oggi è assicurata dalla Certificazione del Sistema Qualità UNI EN ISO 9001.
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Sistemi Energetici Integrati S.r.l.
Via S. Jacopo, 32 - 59100 Prato (PO)
Tel. + 39.0574 605415 Fax +39 0574 39601
Solarfotonica
Il marchio contraddistingue linee complete ( made in italy) per la produzione di moduli fotovoltaici.
In particolare produce simulatori solari per testare le singole celle fotovoltaiche e i moduli
fotovoltaici.
Solarfotonica commercializza:
•
•
•
•
•
•
•
Materie prime per la produzione di tutti i tipi di moduli fotovoltaici;
Moduli fotovoltaici prodotti da partner Solarfotonica;
Regolatori di carica e centraline per impianti fotovoltaici;
Accumulatori per applicazioni fotovoltaiche;
Inverter Dc/Ac per grid connection e sistemi ad isola;
Generatori eolici per sistemi fotovoltaici ibridi;
Sistemi fotovoltaici per l’alimentazione di elettropompe sommergibili per sistemi di
micorirrigazione.
Solarfotonica engineering si è specializzata recentemente nella produzione di sistemi di
illuminazione pubblica e privata a leds (lampioni e segnapassi) progettati per un lunga autonomia.
Solarfotonica Sunlight srl
Via Austria 21/2
35127 Padova Italy
Tel + 39 049 4102396 Fax + 39 049 4102400
ALTRENERGIE p.s.c.
Attività: Progettazione, commercializzazione e installazione di impianti per il risparmio energetico
e
l'utilizzo delle fonti rinnovabili di energia
Via Messina, 37 - 09126 Cagliari tel. 070 304644 fax 178.603.8644 e-mail: www.altrenergie.it
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ASTEL SARDA srl
Attività: Progettazione e fornitura chiavi in mano di impianti fotovoltaci ed eolico. Agente
Turbowinds
per l’Italia
Via Maroncelli, 2 - 07037 Sorso (SS) tel. 079 353386 fax 079 350165 e-mail: [email protected]
www.astelsarda.it
BP SOLAR
Via Mentore Maggini, 50 - 00143 Roma tel. +39 06 51964087 fax +39 06 51964119 e-mail:
[email protected] www.bpsolar.com
CESI spa
Attività: Progettazione e realizzazione di sistemi per il risparmio energetico e per la generazione da
fonti rinnovabili: eolici, fotovoltaici e ibridi
Via Rubattino, 54 - 20134 Milano tel. 02 21255710 fax 02 21255626 email: [email protected]
www.cesi.it
CONPHOEBUS scrl
Attività: società del Gruppo Enel attiva nel settore delle tecnologie rinnovabili. Studio e
progettazione,
fornitura di servizi e sistemi chiavi in mano, collaudi e monitoraggio di impianti esistenti.
Settori principali: solare termico e fotovoltaico, eolico, biomasse.
Z. I. Passo Martino - 95121 (CT) tel. 095 7489111 fax 095 7489207-291246 e-mail:
[email protected]
enelgreenpower.enel.it/it/gruppo/conphoebus.html
DEA srl - Distribuzione Energie Alternative
Attività: Società operante in ambito nazionale specializzata in progettazione - fornitura installazione collaudo e manutenzione post-vendita
Via Anita Garibaldi, 22 04010 Giulianello di Cori (LT) tel. 06 9665265 fax 06 9665265 e-mail:
[email protected] www.deasrl.it
Attività: Elettronica di potenza, sistemi fotovoltaici, piccola cogenerazione, sistemi di trazione
elettrica,
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sistemi di telecontrollo.
Via G. Di Vittorio, 3 - 40020 Casalfiumanese (BO) tel. 0542 668611 fax 06 666632 e-mail:
[email protected] www.elettronicasanterno.it
ELETTRO SANNIO snc
Attività: Progettazione, fornitura e messa in opera di impianti FV ed eolici stand-alone e gridconnected.
Via Fontanelle - 82020 Pietrelcina (BN) tel. 0824 991046 - fax 0824 997935 e-mail:
[email protected]
www.elettrosannio.com
ENEL GREEN POWER srl
Attività: Geotermia, progettazione bioclimatica, eolico, solare fotovoltaico
V.le Regina Margherita, 137 - 00198 Roma tel. 06 85901 www.enel.it
ENEL.SI SpA
Attività: società del gruppo Enel attiva nel campo della realizzazione di impianti fotovoltaici e
solari termici.
Via della Bufalotta, 255 00139 Roma Numero Verde: 800901515 e-mail: [email protected]
www.enelsi.it
FEA srl
Attività: Solare termico, fotovoltaico, progettazione bioclimatica, energia da biomasse
Via Saluzzo, 49 - 12030 Scarnafigi (CN) tel. 0175 74134 fax 0175 74639 e-mail: [email protected]
GREENSOLAR srl
Attività: progettazione, vendita e installazione di impianti solari termici e fotovoltaici.
Via Argine Ducale, 7 - 44100 Ferrara tel 0532 769722 fax 0532 711000 e-mail:
[email protected]
www.greensolar.it
HELIANT snc di Vavalà
Attività: Distributore esclusivo per l’Italia di lampeggianti stradali e marini solari Carmanah.
Progettazione e
fornitura di sistemi FV e termici.
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Via Tripoli, 12 - 10095 Grugliasco (TO) tel. 011 7709014 fax 011 7709016 e-mail: [email protected]
www.heliant.it
LANA SOLAR srl
Attività: Impianti solari fotovoltaci
Via Roma, 2 - 39014 Postal (BZ) tel. 0473 293260 fax 0473 293261 e-mail: [email protected]
MULTI CONTACT ITALIA srl
Attività: Sistemi per la connessione dei sistemi fotovoltaici
Via Vetreria, 1 "COMO 90" – 22070 Grandate (CO) tel. 031 565252 fax 031 585262 e-mail:
info@multicontact.
it www.multi-contact.com
RED 2002 – Renewable Energies Development srl
Attività: Sviluppo, progettazione, installazione, direzione lavori, collaudo, impianti FV di primaria
importanza ed
elevata efficienza
Via Luigi Perna, 51 – 00142 Roma tel. 06 54602759 fax 06 5431214 e-mail: [email protected]
RISORSE SOLARI di Saporito Santolo
Attività: Produzione pannelli solari misti aria-acqua. Impianti ad energia rinnovabile
Via Piave, 27 – 21040 Lozza (VA) tel. 0332 264579 fax 0332 264579 e-mail: [email protected]
http://www.risorsesolari.com
RIZZI ENERGY spa
Attività: Ingegneria e realizzazioni impianti. Solare termico, dissalazione, generatori solari di
vapore ad alta e
bassa pressione, essicazione
Via Nespolo, 6 - 25030 Adro (BS) tel. 030 7356761 fax 030 7450547 e-mail:
[email protected]
www.rizzienergy.com
SM SOLAR srl
Attività: Distribuzione di moduli fotovoltaici e componentistica di piccoli generatori eolici e miniidro
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Strada della Macallana, 8/A – 47895 Domagnano – Rep. San Marino tel. 349 6162817 fax 349
6102161 email:
[email protected] www.smsolar.com
SUNENERGY snc di Pietro Lo Cascio e C.
Attività: Progettazione e realizzazione di sistemi solari fotovoltaici e termici. Energia eolica.
Biomassa
Via H. C. Andersen, 4 – 90146 Palermo telefax 091 6881463 e-mail: [email protected]
www.ergysun.com
UFLEX srl – Divisione Energia
Attività: Progettazione, dimensionamento, fornitura e messa in opera di impianti fotovoltaici per
immissione
in rete ed isolati.
Via Milite Ignoto, 8/A – 16012 Busalla (GE) tel. 010 96201 fax 010 9620333 e-mail:
[email protected]
www.ultraflexgroup.it/ute
WESTERN.CO.
Electronics Equipments - Solar Systems
Attività: Progetta e costruisce regolatori di carica, inverters, inseguitori solari, lampioni FV,
impianti FV fino a
1 kW
Via Pasubio, 1 - 63037 San Benedetto del Tronto (AP) tel. 0735 751248 fax 0735 751254 e-mail:
[email protected] www.western.it
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4.6 SITI DI INTERESSE
www.ilsolea360gradi.it
E’ il sito di riferimento della rivista mensile pubblicata da ISES Italia, la sezione italiana
dell’International Solar Energy Society. Il sito propone aggiornamenti e news sulle fonti
rinnovabili.
http://enelgreenpower.enel.it/it/index.html
E’ il sito dell’ENEL che si occupa di fonti rinnovabili di energia. Il sito offre interessanti spunti per
la valutazione dei costi energetici.
www.portici.enea.it
E’ il sito di riferimento del centro di ricerche dell’ENEA.
www.photovoltaic.it
Il sito fa parte della Photovoltaic Network™. Fornisce utili informazioni sui finanziamenti nelle
singole regioni. Offre inoltre informazioni su Bandi e legislazione sul fotovoltaico, Installatori e
rivenditori di moduli e articoli fotovoltaici,Studi tecnici specializzati nella progettazione di sistemi
fotovoltaici.
www.tettifotovoltaici.org
Il sito offre un link ai bandi regionali ed alcuni approfondimenti sulla tecnologia. Sono inoltre
riportati alcuni utili contatti.
www.eurosolaritalia.org
Sito informativo sulla tecnologia, riporta gli indirizzi delle principali aziende produttrici e
distributrici di moduli fotovoltaici.
www.autorità.energia.it
Sito ufficiale dell’Autorità per l’Energia Elettrica ed il Gas. Sono reperibili sul sito i riferimenti alle
Delibere per lo scambio alla pari dell’energia elettrica.
www.reteambiente.it
Sito utile per i riferimenti normativi su tutte le tematiche di carattere ambientale.
www.minambiente.it
Sito del Ministero per l’Ambiente.
http://europa.eu.int/comm/dgs/energy_transport/index_it.html
Sito ufficiale della Commissione europea energia e trasporti. Riporta gli aggiornamenti normativi
sul piano europeo e gli indirizzi della Commissione Ambiente.
www.fiper.it
Sito della Federazione italiana Produttori di Energia da Fonti Rinno-vabili.
www.grtn.i
Sito ufficiale del Gestore della rete elettrica di trasmissione nazionale.
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BIBLIOGRAFIA
Carlo Naldi, Gianluca Piccinini : Dispositivi elettronici.- Celid, Torino 1996
Cuniberti, De Lucchi, De Stefano : Elettronica.- Pedrini, Torino
A. Romer : Il sole e l’energia solare.Cavallini, Del Col: La conversione fotovoltaica.Califano P.F., P. Spirito: Le celle solari, in Fonti Energetiche Alternative.- Franco Angeli Editore.
Canali C., M. Prudenziali: Materiali semiconduttori per la conversione fotovoltaica, Alta
Frequenza.- vol. XLVI, n. 10, 1977
Cirillo E.: Gli impianti fotovoltaici: Le celle solari, Energie alternative.- HTE, n. 52, 1988
Grove A. S.: Fisica e tecnologia dei dispositivi a semiconduttore.- Franco Angeli Editore, 1985.
A. Romer : Il sole e l’energia solare.R. Gelleti: La tecnologia fotovoltaica stato dell’arte e potenzialità di impiego nei processi
produttivi.- CETA 2003
SITOGRAFIA
http://www2.minambiente.it/.../tecnici/fotovoltaico.asp
http://www.casarinnovabile.it
http://www.econotizie.it/rinnovabili/pv-polymer.htm
http://pannellisolari.energia360.org/news-pannelli-solari/plastica-silicio.html
http://www.edilportale.com/edilnews/NpopUp.asp?idcat=12&idDoc=7455
http://www.ambiente.regione.lombardia.it/webqa/dgri/bandofotovoltaico/guida_che.htm
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