IL FOTOVOLTAICO

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IL FOTOVOLTAICO

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CHE COS’È

L’effetto fotovoltaico consiste nel trasformare l’energia solare in elettricità. Questo processo è possibile grazie a specifiche proprietà fisiche di alcuni particolari elementi.  Quiindi un impianto fotovoltaico è un impianto elettrico costituito essenzialmente dall’assemblaggio di più moduli fotovoltaici che sfruttano l’energia solare incidente per produrre energia elettrica mediante effetto fotovoltaico, della necessaria componente elettrica ed elettronica ed eventualmente di sistemi meccanici-automatici ad inseguimento solare.

Gli impianti fotovoltaici sono principalmente suddivisi in 2 grandi famiglie:

impianti “ad isola” (detti anche “stand-alone”): non sono connessi ad alcuna rete di distribuzione, per cui sfruttano direttamente sul posto l’energia elettrica prodotta e accumulata in un accumulatore di energia (batterie);

impianti “connessi in rete” (detti anche grid-connected): sono impianti connessi ad una rete elettrica di distribuzione esistente e gestita da terzi e spesso anche all’impianto elettrico privato da servire.

IMPIANTI FOTOVOLTAICI AD ISOLA

La scelta di questo tipo di impianto fotovoltaico è prevalentemente subordinata all’esigenza di avere energia elettrica in zone difficilmente accessibili.  L’energia prodotta e non consumata viene accumulata per poi essere utilizzata dalla stessa utenza nei momenti di effettivo bisogno. In questo tipo di impianto l’energia generata alimenta direttamente il carico elettrico dell’utenza mentre quella in eccesso viene accumulata in batterie che la rendono disponibile nei periodi in cui il generatore fotovoltaico non è nelle condizioni di fornirla.

I principali componenti di un impianto fotovoltaico ad isola sono generalmente:

  • campo fotovoltaico, deputato a raccogliere energia mediante moduli fotovoltaici disposti opportunamente a favore del sole;
  • regolatore di carica, un apparecchio elettronico che serve sia a supervisionare il funzionamento dell’impianto che a proteggere le batterie di accumulo da un eccesso di carica o di scarica
  • batteria di accumulo, hanno la funzione di immagazzinare l’energia prodotta dai moduli per poi fornirla quando i moduli non sono in grado di produrne ossia quando l’irraggiamento solare è insufficiente
  • domotica gestionale: una centralina tipo rear può commutare automaticamente l’energia fra varie fonti rinnovabili passando da uno all’altra o a batterie di accumulo ed infine anche al fornitore.
  • regolatore di carica, per stabilizzare l’energia raccolta e a gestirla all’interno del sistema in funzione di varie situazioni possibili;
  • inverter, serve a convertire la tensione continua in uscita dal pannello in una tensione alternata  più alta.

IMPIANTI FOTOVOLTAICI CONNESSI IN RETE

Gli impianti fotovoltaici grid-connected  (collegati alla rete elettrica) operano  in regime di scambio bidirezionale con la rete elettrica nazionale, con cui sono connessi elettricamente. L’energia prodotta viene utilizzata per l’autoconsumo e, quando non utilizzata viene immessa nella rete elettrica nazionale.

I principali componenti di un impianto fotovoltaico connesso alla rete sono:

  • campo fotovoltaico, deputato a raccogliere energia mediante moduli fotovoltaici disposti opportunamente a favore del sole;
  • cavi di connessione, componente spesso sottovalutata, devono presentare un’adeguata resistenza ai raggi UV ed alle temperature.
  • quadro di campo, quadro in corrente continua costituito da eventuali diodi di blocco a protezione dalle possibili correnti inverse sulle stringhe, scaricatori per le sovratensioni e interruttori magnetotermici e/o fusibili per proteggere i cavi da eventuali sovraccarichi.
  • inverter, deputato a stabilizzare l’energia raccolta, a convertirla in corrente alternata e ad iniettarla in rete;
  • quadro di interfaccia, installato a valle dell’inverter ed equipaggiato di componenti necessari all’interfacciamento con la rete elettrica secondo le norme tecniche in vigore.

Sfruttare l’energia solare è un tema sempre più frequente ed attuale in questo periodo. Il perché putroppo è evidente.  L’inquinamento mondiale sta aumentando sempre più. I gas serra sono sempre più presenti e le mutazioni climatiche già si fanno intravedere con alcuni effetti devastanti.

Per risolvere il problema dell’ inquinamento è di fondamentale importanza adottare delle strategie e molte possono provenire dall’energia solare. Una di queste sembra è sicuramente il fotovoltaico.

CARATTERISTICHE TECNICHE

Due sono le principali caratteristiche di un  impianto fotovoltaico: la potenza nominale e l’ingombro. Queste dipendono dalle caratteristiche tecniche della cella/modulo fotovoltaico

La potenza nominale di un impianto fotovoltaico si considera generalmente come la somma dei valori di potenza nominale di ciascun modulo fotovoltaico di cui è composto il suo campo, e si intende come il valore in Watt di picco, indicato con il simbolo: Wp e multipli (kWp, MWp, …). Una indicazione più puntuale della potenza utile è quella della potenza in alternata, ovvero dopo, valore che si indica in WCA  e multipli (kWCA, MWCA, …). In tale frangente, la potenza di picco, ovvero lorda, si indica con WCC, per indicare che si tratta della potenza in corrente continua.

La superficie occupata da un impianto fotovoltaico è in genere poco maggiore rispetto a quella occupata dai soli moduli fotovoltaici, che richiedono, per la tecnologia silicio policristallino e silicio monocristallino, circa 8 m² / kW (per moduli di circa il 12-13% di efficienza esposti a Sud) ai quali vanno aggiunte eventuali superfici occupate dai coni d’ombra prodotte da ostacoli (tipo camini, antenne TV ecc.), se montati in modo complanare alle superficie, invece se montati in modo non complanare si deve tenere conto dell’ombra che gli stessi pannelli producono e quindi la superficie impiegata è di circa 20 m²/kW.

In entrambe le configurazioni di impianto, ad isola o connesso in rete, l’unico componente disposto in esterno è il campo fotovoltaico, mentre regolatore, inverter e batteria sono tipicamente disposti in locali tecnici predisposti.

L’energia prodotta è tanto maggiore quanto più l’impianto gode di un’esposizione favorevole all’irraggiamento solare, che è funzione dell’eliofania e massima con determinati angoli di inclinazione rispetto ad un piano orizzontale al suolo e per esposizioni il più possibile verso sud. Per massimizzare la captazione dell’irraggiamento solare si progettano e si realizzano moduli fotovoltaici ad inseguimento solare che adattano cioè l’inclinazione del pannello ricevente all’inclinazione dei raggi solari durante il giorno e la stagione.

DIMENSIONAMENTO

Nell’ambito della progettazione, il dimensionamento di un impianto domestico si fa usualmente tenendo in conto:

  • la potenza media desiderata o necessaria a coprire un certo fabbisogno
  • le condizioni di insolazione del luogo di installazione strettamente dipendenti dall’eliofania del posto a sua volta dipendente principalmente dalla latitudine, dall’esposizione, inclinazione e superficie disponibile, dalle condizioni medie di nuvolosità, dalle perdite (efficienza) dell’inverter.

Da tutti questi fattori si risale alla misura della superficie di pannelli fotovoltaici necessaria a soddisfare le specifiche di impianto in termini di produzione richiesta, pervenendo di conseguenza ad una primitiva stima complessiva del costo di impianto, cui andranno poi aggiunti i costi delle componenti elettriche ed elettroniche (cavi e inverter) e i costi di installazione.

In tutti i casi risulta necessaria una valutazione o studio di fattibilità economica che valuti la realizzabilità tecnica e la convenienza economica ovvero costi e ritorni dell’investimento in base all’energia elettrica annuale stimata prodotta e ai tempi inevitabili di dismissione dell’impianto.

FATTIBILITÀ SU LARGA SCALA

VALUTAZIONE DEL COSTO/EFFICIENZA

Il principale ostacolo all’installazione di questo tipo di tecnologia è stato, per molto tempo, l’alto costo degli impianti stessi, e di conseguenza dell’energia prodotta. Questi limiti sono stati fortemente ridotti negli ultimi anni dalla produzione in massa.

La ricerca sul silicio amorfo ha dato risultati inferiori alle aspettative, mentre risultati migliori sono stati ottenuti, in via sperimentale su diversi altri materiali che però pongono problemi sulla loro disponibilità in termini di materie prime su larga scala

Molte speranze si possono riporre nel fotovoltaico, se integrato con gli altri sistemi di energia rinnovabile, (energia eolica, energia delle maree e energia da biomassa) nella sostituzione graduale delle energie a fonti fossili, in via di esaurimento.  Segnali di questo tipo provengono da diverse esperienze europee. In Germania in particolare, sono state avviate molte centrali elettriche fotovoltaiche utilizzando zone dismesse o tetti di grandi complessi industriali.

Più discussa è viceversa l’installazione su aree agricole e collinari, in Italia è comunque vietata dal 2012 l’installazione di impianti fotovoltaici sulle aree agricole. Nei paesi particolarmente soleggiati, di cui l’Italia fa parte, per impianti a terra, in forte competizione al fotovoltaico è la tecnologia termoelettrica a concentrazione solare, in particolare nella versione, che appare prendere sempre più piede, con accumulo termico.

LA VALUTAZIONE DELL’INTERMITTENZA

Problema o limite intrinseco degli impianti fotovoltaici è la sua aleatorietà e non programmabilità di produzione energetica, dovuta alla variabilità dell’irradiazione solare sia per la sua totale assenza notturna, sia in presenza di cielo nuvoloso, sia per le variazioni stagionali tra estate e inverno. Tali problematiche rendono necessaria l’integrazione di tali impianti con altre forme di produzione o di accumulo energetico. Nonostante il consumo complessivo di energia elettrica registri dei minimi proprio di notte, riducendo il problema, anche nei momenti di minimo la domanda energetica rimane consistente (circa il 50% del massimo) ed inoltre il fotovoltaico manca il picco serale estivo, che può paragonarsi a quello diurno.

Queste problematiche sono risolte dalla rete elettrica potenziando la capacità di accumulo e di riserva, con nuovi impianti idroelettrici a pompaggio, stazioni di accumulo, la flessibilità dei gruppi turbogas, anche di una centrale a ciclo combinato che si trovi ad essere ferma.

DIFFUSIONE IN ITALIA E NEL  MONDO

Prima di tutto va ovviamente premesso che gli impianti fotovoltaici non sono più rari come dieci anni fa.

Per fare un esempio, basti sapere che il 21 maggio scorso si è conosciuto il record assoluto nazionale in fatto di rinnovabili in Italia, con l’87% della domanda complessiva soddisfatta proprio dal mix di fotovoltaico, eolico, geotermico e idroelettrico.

Per capire qual è la situazione del fotovoltaico oggi  bisogna prima di tutto mettere in chiaro che finalmente questa tecnologia è diventata davvero indispensabile per il nostro Paese.

A livello mondiale, stando ai dati elaborati dal Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems in collaborazione con PSE AG, il tasso di crescita annuale della potenza del fotovoltaico è stato pari al 40% tra il 2010 e il 2016.

La crescita del fotovoltaico in altri Paesi, come in Cina, dove la quota era del 21% nel 2015  è arrivata al 26% nel 2016.

La base sulla quale possiamo descrivere lo scenario del fotovoltaico in Italia oggi è costituita dai dati del rapporto 2016 pubblicato da Gse.

Tra impianti di fotovoltaico residenziale e altri tipi di installazione, in Italia nel 2016 erano attivi 732.053 impianti fotovoltaici, equivalenti a 19.283 MW di potenza installata, così da segnare un aumento di 382 MW rispetto all’anno precedente.

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