di  -  martedì 11 agosto 2009

Proseguiamo per la rubrica Energia e Futuro con i post sull’energia dal sole, dopo avere introdotto i concetti generali e la radiazione extraterrestre ed avere parlato dell’energia al suolo e su un piano inclinato, entriamo ora nello specifico dei sistemi di conversione, ed in particolare parlando di impianti solari fotovoltaici.

FOTOVOLTAICO: CELLE E PANNELLI

Senza volere entrare in spiegazioni tecniche sul processo dir realizzazione dei pannelli e sui principi di funzionamento delle celle (i quali esulerebbero dallo scopo di questi post), possiamo però dire che una cella fotovoltaica (ovvero l’unità base che poi verrà assemblata con altre per costituire il pannello) sfrutta leffetto fotoelettrico per produrre energia elettrica a partire dall’energia contenuta nella radiazione solare.

Ai capi della singola cella si misurerà quindi una differenza di potenziale (Tensione) che dipenderà dalle caratteristiche della cella e della radiazione solare incidente.

Di tutta la radiazione (in termini di lunghezza d’onda) solo una parte viene sfruttata dai pannelli in funzione delle loro caratteristiche costruttivem in particolare il silicio cristallino è sensibile a partire dal campo visibile fino al campo infrarosso, mentre il silicio amorfo a tripla giunzione è in grado di sfruttare una banda più estesa, anche se la maggiore quantità di energia irraggiata dal Sole si concentra comunque tra il visibile e l’infrarosso compresi.

Per ottenere una tensione adeguata all’impiego si collegano più celle su un unico supporto, collegate tra loro in un mix tra serie e parallelo, in modo da poter ottenere tensioni e (una volta chiuso il circuito su un carico) correnti adeguate.

Tale “assieme” di celle interconnesse in un’unica struttura di supporto prende il nome di Pannello Fotovoltaico, e rappresenta l’unità fotovoltaica unitaria che si può acquistare.

L’immagine che segue mostra una tipica cella fotovoltaica, dove è possibile notare le connessioni elettriche della cella (le due strisce bianche) che permetteranno la sua interconnessione con le restanti celle del pannello:

solar_cell.gif

GLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI

Gli impianti fotovoltaici si distinguono prima di tutto per la loro tipologia nei confronti dell’utenza e della rete elettrica, infatti si parla di impianti isolati (Stand Alone) e di impianti connessi in rete (Grid Connected):

  • Impianti stand alone: sono impianti collegati esclusivamente all’utenza e non presentano connessioni con la rete elettrica nazionale, pertanto devono operare producendo l’energia necessaria all’utenza in ogni momento della giornata.

Poiché la fonte solare risulta scarsamente adeguabile alle richieste dell’utenza, essendo fortemente influenzata dagli eventi atmosferici, tali impianti sono solitamente dotati di un sistema di accumulo che consenta di sopperire agli squilibri tra produzione e richiesta durante le varie fasi della giornata.

In tali impianti è evidente come per il dimensionamento non vengano tenuti in grande considerazione gli aspetti economici, in quando dovendo sempre e comunque soddisfare la richiesta dell’utenza non è possibile ottimizzare le dimensioni dell’impianto su parametri che non siano legati alla sola produzione elettrica.

Tali impianti risultano dimensionati con un certo margine per garantire che l’energia accumulata in condizioni di eccesso di produzione sia sempre sufficiente per garantire in fabbisogno durante ore di bassa o zero produzione.

E’ anche evidente come questi impianti siano scarsamente impiegati per utenze residenziali, in quanto la necessaria flessibilità che questo tipo di utenze necessitano è scarsamente soddisfabile da questo tipo di installazione.

  • Impianti grid connected: sono impianti connessi alla rete elettrica tradizionale, la cui normale logica di funzionamento prevede di utilizzare direttamente l’energia prodotta dall’impianto quando questa viene prodotta e richiesta contemporaneamente, e permette di sopperire ad eventuali sottoproduzioni rispetto alle richieste attingendo energia dalla rete, inoltre consente di immettere in rete eventuali sovrapproduzioni quando le richieste delle utenze sono inferiori all’energia prodotta dall’impianto.

Per tali tipi di impianto l’approccio per il dimensionamento tiene conto del giusto mix tra aspettative di produzione, costi dell’impianto, tempi di ritorno dell’investimento, i cui pesi sono funzione delle intenzioni del committente.

Fatta questa prima distinzione, si può ulteriormente suddividere il tipo di impianto in funzione della possibilità o meno di seguire il percorso solare, in particolare si parla di impianti ad inclinazione fissa ed impianti ad inseguimento, i quali possono essere ad inseguimento semplice (su un solo asse) o totale (su due assi).

Appare evidente come la prima tipologia (inclinazione fissa) sia la più semplice dal punto di vista delle strutture di supporto, necessitando solamente degli ancoraggi e delle eventuali staffe necessarie per fissare i pannelli al terreno od al tetto od a qualsivoglia superficie di appoggio, come evidente nelle seguenti figure:

parco_big.jpg

fvfisso.jpg

Gli impianti ad inseguimento necessitano di strutture motorizzate che possano modificare costantemente l’orientamento dei pannelli, con conseguenti aggravi di costi (e di superfici di appoggio necessarie a parità di superficie dei pannelli per tenere conto degli ombreggiamenti tra file di pannelli durante il moto di inseguimento) difficilmente giustificabili da un’utenza residenziale.

Nella figura che segue viene mostrato un inseguitore a due assi:

girasole_bergamo.jpg

Resta un ulteriore parametro che permette di caratterizzare e differenziare questo tipo di soluzione, ed è la tipologia del pannello utilizzato, si parla infatti di pannelli in silicio monocristallino, silicio policristallino e silicio amorfo.

Il silicio monocristallino rappresenta il top per qualità (e purtroppo anche per i costi) e resa energetica, i rendimenti di queste soluzioni sono i più elevati tra le tre soluzioni proposte, ma i costi sono i più elevati.

Il silicio policristallino permette un buon compromesso tra rendimento e costi, mentre il silicio amorfo (costituente primario dei pannelli a “film sottile“) rappresenta da un punto di vista del rendimento la soluzione meno valida, ma i costi ridotti uniti alla possibilità di essere modellato in qualsiasi forma consente il suo utilizzo laddove si vuole rendere il pannello parte integrante del supporto, infatti è possibile realizzare coperture curve, tegole ed elementi esterni dalle forme più svariate.

Nel prossimo post verrà illustrato un esempio di impianto fotovoltaico con valori della radiazione sul sito, produzione di energia e costi, quindi vi aspetto numerosi lunedì prossimo per la nostra rubrica Energia e Futuro.

16 Commenti »

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  • # 1
    Energia dal Sole: Fotovoltaico – tratti generali | succoso
     scrive: 

    […] Energia dal Sole: Fotovoltaico – tratti generali […]

  • # 2
    Cesare Di Mauro
     scrive: 

    Nel frattempo però una domanda te la faccio lo stesso: a livello di grandine come siamo messi? Questi pannelli riescono a sopportare l’impatto di chicchi anche di grosse dimensioni (arrivano anche al pugno di una mano), come capita purtroppo spesso ormai?

  • # 3
    Simobe (Autore del post)
     scrive: 

    @ Cesare di Mauro

    Ad essere onesti mi metti in difficoltà, non ricordo di avere mai letto una specifica “dimensionale” sulla resistenza alla grandine… sicuramente reggono anche la grandine “pesante ordinaria”, diciamo quella oversize ma sempre nell’ambito di dimensioni non abnormi… ma i pugni di una mano temo siano troppo grossi… cercherò se ci sono studi a riguardo.

    PS il prossimo pezzo ovviamente in questo periodo di ferie non esce lunedì prossimo…

  • # 4
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    OPS… è uscito Simobe e non Simone…tutta colpa del caldo…

  • # 5
    Nico
     scrive: 

    Per la grandine la normativa IEC 61215 e la 61146 prevedono entrambe la resistenza ad un chicco di 25,4mm (1in) scagliato perpendicolarmente al modulo ad una velocità di 23m/s (>80km/h).
    Non vuol dire che oltre questi dati la rottura è certa, semplicemente che sotto questi dati la resistenza è certa. Se dovessero cadere cose grosse come pugni (fortunataente non è così sovente!) sicuramente l’impianto FV è l’ultimo dei problemi dato che l’ultima volta che è successo, nel 2003, ha fatto 4 morti :( e danni per milioni di euro, dato che han *bucato i tetti*. Per tutto il resto ci sono le assicurazioni, che costano fortunatamente molto poco (neanche 100euro/anno, per un impianto domestico) e coprono praticamente tutto, inclusa il mancato guadagno dagli incentivi di contoenergia durante lo stop dell’impianto :)

  • # 6
    pleg
     scrive: 

    Che cos’e’ il “silicio amorfo a tripla giunzione”?
    Se la memoria non mi inganna le eterogiunzioni triple non sono di silicio, ma di cose piu’ esotiche come alluminio-gallio-arsenico.

  • # 7
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ pleg

    Si tratta di diversi strati di silicio amorfo aventi differente sensibilità alla radiazione solare, nell’insieme capaci di sfruttare una banda più ampia della radiazione solare rispetto al silicio mono-policristallino e amorfo tradizionale

  • # 8
    pleg
     scrive: 

    @simone

    Hai qualche link? Mi interessa, non ne avevo mai sentito parlare, e non capisco bene come possa funzionare. La banda di assorbimento dipende dall’energy gap del materiale, quanto riescono a modificarlo cambiandone la disposizione atomica?

  • # 9
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ pleg

    Il mio interesse sul fotovoltaico non è sul piano della ricerca bensì sull’aspetto professionale, quindi non mi interesso tanto sui dettagli costitutivi dei prodotti.

    L’azienda seguente li produce, forse è l’unica, o forse produce in conto terzi, non saprei bene… (http://www.uni-solar.com/) purtroppo non sono in facoltà e non posso controllare pubblicazioni (mi serve l’IP dell’Università per loggarmi su alcune riviste), magari troverei qualcosa di completo… sicuramente su google schoolar troverai qualche abstract

  • # 10
    pleg
     scrive: 

    Thx!

  • # 11
    Nico
     scrive: 

    Il film sottile di aSi a tripla giunzione è un modo che si è trovato per alzare leggermente l’efficienza (potenza/superficie) del silicio amorfo. Nei migliori casi (unisolar, kaneka) si arriva a cavallo del 6%.
    Pro: ottima resistenza ad alte temperature con relative poche perdite di produzione. possibilità di realizzazione di supporti vagamente flessibili.
    Contro: occupa circa 3 volte lo spazio di un cristallino discreto ed ha un costo ormai tutto sommato allineato.

  • # 12
    arkanoid
     scrive: 

    C’è una piccola imprecisione, importante per l’utente finale: la possibilità di funzionare in modalità grid connected con scambio sul posto è la principale incentivazione nel residenziale.
    E’ infatti sacrosanto che se fosse possibile funzionare in questa modalità gli impianti FV sarebbero totalmente antieconomici.
    Già ora con lo scambio sul posto (produco e consumo a random, con conguaglio a scadenza temporale tra produzione e consumo) e tariffa incentivante la redditività dell’impianto è limitata agli anni successivi al 12-13°mo su impianti dimensioanti correttamente per sfruttare al massimo, appunto, il risparmio in bolletta. In pratica un impianto ben dimensionato nel residenziale cerca di coprire i consumi con poco margine in difetto piuttosto che produrre il massimo possibile.

  • # 13
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ arkanoid

    Il discorso sul conto energia, scambio sul posto e tariffa incentivante volevo introdurlo successivamente, comunque ho scritto a riguardo degli impianti Grid Connect:

    “Per tali tipi di impianto l’approccio per il dimensionamento tiene conto del giusto mix tra aspettative di produzione, costi dell’impianto, tempi di ritorno dell’investimento, i cui pesi sono funzione delle intenzioni del committente.”

    Mi sembra di essermi tenuto piuttosto generale in quanto le variabili in gioco sono molteplici, non ultima la disponibilità di superficie e quanto il committente vuole esporsi con le banche… la buona pratica consiste nel sottoporre un preventivo quanto più dettagliato e non presentare una sola soluzione (salvo limite di superficie).

    Il ritorno dall’investimento è in media abbastanza lungo, anche se una cifra valida “per tutte le stagioni” non mi sento di darla… è vero che senza la tariffa incentivante non sarebbero molto convenienti economicamente, e non lo sarebbero nemmeno gli impianti eolici (di cui si parlerà credo finito il capitolo solare), le logiche che portano agli incentivi sono un mix nel cui merito non voglio entrare perché si scatenerebbero discussioni poco costruttive

  • # 14
    YellowT
     scrive: 

    Vi scrivo da possessore di un impianto fotovoltaico da 3,6 KWp, monoscristallino ovviamente grid connected e incentivato sia con il conto energia che con lo scambio sul posto. La convenienza è assolutamente certa. Si ha un ritorno sicuro che va dal 7 al 15% annuo per 20 anni (dipende dalla zona di installazione ) di incentivo, totalmente esentasse. Sicuramente e pesantemente meglio di un BOT o di un fondo.

    Per quello che riguarda la resistenza i pannelli sono ricoperti di vetro e testati per una resistenza di 180 Kg per metro quadro. Saltandoci sopra con tutto il peso di un uomo non si scalfiscono. Bisognarebbe quindi fare un rapporto con la forza dell’impatto della grandine. In ogni caso una normale assicurazione sulla casa copre anche i pannelli solari per 15-20 euro in più l’anno.

    Ricordo inoltre che il pannello ha una resa maggiore tanto più bassa è la temperatura di esercizio. In zone di montagna e molto ventose ( come è nel mio caso ) il rendimento si alza parecchio e compensa quasi del tutto la minore insolazione del nord rispetto al sud Italia.

    Insomma, se si hanno un po di soldi da parte l’investimento è ottimo sia per il portafoglio che per l’ambiente. Il mio impianto è costato 20.000 € IE.

  • # 15
    Fausto
     scrive: 

    @pleg
    ti counico che i pannelli contenteni arsenico sono sottoposti a costi di smaltimento molto più elevati rispetto al silicio. La loro scarsa diffucione è infatti data dal loro moderato rendimento (mai pari sl silicio cristallino) e ai costi di smaltimento. A mio avviso l’amorfo conviene solo dove non hai irraggiamento diretto e un tetto tondo ovvero quando cadi nella fascia del non integrato.
    A casa mia anceh in queste condizioni non lo userei mai.

    ciao

  • # 16
    Energia dal Sole: Fotovoltaico ed incentivi - dal Conto Capitale al Conto Energia - Appunti Digitali
     scrive: 

    […] nella ricerca di soluzioni sempre più efficienti ed economiche. Abbiamo già analizzato in questo post le due tipologie di impianti in riferimento alla rete elettrica, ovvero gli impianti […]

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