Un impianto fotovoltaico è un impianto elettrico che sfrutta l’energia solare per produrre energia elettrica mediante il cosiddetto effetto fotoelettrico: a contatto con i raggi solari, gli elettroni presenti all’interno dei materiali semiconduttori che costituiscono il pannello fotovoltaico cominciano a spostarsi, dando origine ad una serie di reazioni chimico-fisiche che generano energia elettrica in corrente continua tale energia, per poter essere utilizzata dall’uomo, deve successivamente essere convertita in corrente alternata (220 Volts).

Un impianto fotovoltaico è un impianto elettrico che sfrutta l’energia solare per produrre energia elettrica mediante il cosiddetto effetto fotoelettrico: a contatto con i raggi solari, gli elettroni presenti all’interno dei materiali semiconduttori che costituiscono il pannello fotovoltaico cominciano a spostarsi, dando origine ad una serie di reazioni chimico-fisiche che generano energia elettrica in corrente continua tale energia, per poter essere utilizzata dall’uomo, deve successivamente essere convertita in corrente alternata (220 Volts).

In pratica, quindi, una volta sostenuta la spesa per l’installazione di un impianto fotovoltaico sul tetto del proprio appartamento, su una pensilina, su un terreno, ecc., questo consente di poter beneficiare della corrente elettrica gratuitamente per diversi anni, esattamente tanto quanta è la durata dell’impianto fotovoltaico (e attualmente la durata stimata è di circa 25 anni).

È molto importante, per poter incrementare la produttività di un impianto fotovoltaico, che i pannelli siano orientati verso il punto dell’orizzonte dove il sole splende più alto (cosiddetto zenit), con un’inclinazione che si avvicini il più possibile al valore della latitudine del luogo di installazione.

Componenti principali di un impianto fotovoltaico

Pannello fotovoltaico: l’elemento base di un pannello solare fotovoltaico è la cella fotovoltaica di silicio. Le celle di silicio possono avere una superficie che varia da 100 cm² a 225 cm² e sono dotate di una DIFFERENZA DI POTENZIALE ai propri capi.
Quanto maggiore è la superficie della cella tanto più sono elevati i suoi valori di TENSIONE e CORRENTE (anche se si parla di pochi volts, o addirittura di millivolts) quanto più sono elevati questi due valori tanto più si innalza la potenza espressa dalla cella, e dunque il suo rendimento.

È proprio per ottenere questo risultato che le celle vengono ordinate dapprima in serie (in modo da far crescere la tensione totale, che è data dalla somma dei potenziali di ogni singola cella, mentre il valore della corrente totale è pari al valore di corrente più basso tra le celle della serie) e successivamente tali serie vengono ordinate in parallelo tra loro (in modo da far crescere la corrente, mantenendo immutato il valore di tensione raggiunto in precedenza).

Il silicio è un materiale presente in natura e costituito (allo stato grezzo) al 70% da sabbia marina (ciò ne facilita anche lo smaltimento, semplice in quanto, non essendo materiale tossico, non ha bisogno di lavorazioni speciali). Viene utilizzato prevalentemente nel mondo dell’elettronica, dove arriva sotto forma di barre di silicio, i cui scarti vengono tagliati in pellicole sottili (i cosiddetti wafer), che vanno a costituire quelle celle che sono l’elemento base degli impianti fotovoltaici.

Dal modo in cui il silicio viene lavorato per trarne delle barre, ecco che viene fuori la distinzione tra silicio monocristallino e silicio policristallino. La differenza consiste nella forma che viene data al silicio quando questo viene lavorato: se questo viene lavorato in modo da dare origine a figure geometriche regolari perfettamente equivalenti tra loro si ottiene il silicio monocristallino; se la lavorazione dà origine invece a figure non equivalenti tra loro silicio policristallino.

Le celle di silicio monocristallino presentano rendimenti leggermente superiori alle celle in silicio policristallino (siamo nell’ordine del 2% di differenza) tuttavia dire a priori che è più conveniente utilizzare celle di silicio monocristallino è sbagliato, e questo sia perché queste ultime sono più difficili da reperire sul mercato (e dunque hanno un costo più alto rispetto alle celle in policristallino), sia perché questo gap può essere facilmente colmato andando ad incrementare la superficie captante del modulo policristallino (sempre che non vi siano problemi di spazio).

Il silicio amorfo è preparato con un silicio metallurgico meno puro del classico mono o policristallino, i pannelli in silicio amorfo presentano un unico colore marrone/rossastro, sono molto più economici dei pannelli cristallini, ma presentano livelli di rendimento più bassi, per cui, a parità di dimensionamento dell’impianto, hanno bisogno di una superficie più ampia (considerate che la potenza di picco di un modulo in silicio amorfo non va generalmente oltre i 90 Wp).

Il loro utilizzo è consigliato soprattutto per quelle falde con esposizione orientata più verso est-ovest, in quanto i moduli in silicio amorfo sono più abili a sfruttare la luce riflessa del sole, a differenza dei moduli in cristallino più adatti a convertire la luce diretta del sole (dunque quando abbiamo una esposizione più verso sud).

Gruppi di celle ordinati in serie e successivamente in parallelo danno origine al pannello fotovoltaico. Più moduli messi assieme formano una stringa, più stringhe danno luogo al generatore fotovoltaico (chiamato più comunemente impianto fotovoltaico).

Gli impianti fotovoltaici sono generalmente suddivisi in due grandi famiglie: impianti ad isola, in inglese detti “stand-alone”, e impianti connessi ad una rete di distribuzione esistente gestita da terzi, in questo caso si parla di impianti “grid-connect”.

Impianti ad isola

Questa famiglia identifica quelle utenze elettriche isolate da altre fonti energetiche, come la rete nazionale in AC, che si riforniscono da un impianto fotovoltaico elettricamente isolato ed autosufficiente.

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

Campo fotovoltaico, deputato a raccogliere energia mediante moduli fotovoltaici disposti opportunamente a favore del sole;
Regolatore di carica, deputato a stabilizzare l’energia raccolta e a gestirla all’interno del sistema;
Batteria di accumulo, costituita da una o più batterie ricaricabili opportunamente connesse (serie/parallelo) deputata/e a conservare la carica elettrica fornita dai moduli in presenza di sufficiente irraggiamento solare per permetterne un utilizzo differito da parte degli apparecchi elettrici utilizzatori.
Inverter altrimenti detto convertitore DC/AC, deputato a convertire la tensione continua (DC) in uscita dal pannello (solitamente 12 o 24 volt) in una tensione alternata (AC) più alta (in genere 110 o 230 volt per impianti fino a qualche kW, a 400 volt per impianti con potenze oltre i 5 kW)
Il campo fotovoltaico in genere impiegato per gli impianti ad isola è ottimizzato per una specifica tensione di sistema, valutata in fase di progettazione. Le tensioni più utilizzate sono 12 o 24 V. Conseguentemente, dato che la maggior parte dei moduli fotovoltaici utilizzati in questa tipologia di impianti ha tensioni in uscita pari a 12 o 24 V, le cosiddette stringhe elettriche che formano il campo sono costituite da pochissimi moduli, fino al limite del singolo modulo per stringa. In quest’ultimo caso, in pratica, il campo fotovoltaico è costituito da semplici paralleli elettrici tra moduli, dotati di diodi di stringa per la protezione dalle cosiddette correnti inverse di cui tratteremo più oltre.

Il regolatore di carica è un dispositivo elettronico che possiede le seguenti funzionalità minime:

sezionamento automatico del campo fotovoltaico (inteso come insieme di tutti i moduli) dalla batteria di accumulatori nel caso in cui la tensione erogata dai moduli sia inferiore a quella minima di ricarica degli accumulatori (cielo molto coperto, notte, guasti, interruzioni per manutenzioni ecc.) in questo caso i moduli si comporterebbero come dei carichi scaricando gli accumulatori;
sezionamento automatico del campo fotovoltaico dagli accumulatori in caso di ricarica completa ed eventuale by pass della corrente prodotta dai moduli in modo da inviarla direttamente all’Inverter nel caso ci sia richiesta di energia da parte degli apparecchi utilizzatori;
sezionamento automatico del campo fotovoltaico dagli accumulatori in caso di scarica totale di questi ultimi (batteria ormai esaurita) ed eventuale by pass della corrente prodotta dai moduli in modo da inviarla direttamente all’Inverter nel caso ci sia richiesta di energia da parte degli apparecchi utilizzatori;
L’accumulatore è in genere costituito da monoblocchi, o elementi singoli specificamente progettati per cariche e scariche profonde e cicliche. Negli impianti che devono garantire continutà di servizio anche alle più severe condizioni non sono in genere impiegati accumulatori per uso automobilistico, che pur funzionando a dovere hanno bassa “vita utile”, ossia tollerano un minor numero di cicli di carica e scarica rispetto ad accumulatori progettati e costruiti appositamente per questa tipologia di impiego. Nel caso di installazioni degli accumulatori su palo o in altezza (per es. pubblica illuminazione) non possono essere utilizzati accumulatori per uso automobilistico in quanto eventuali perdite di elettrolita (che è costituito da una soluzione altamente corrosiva) persone, animali e cose potrebbero riportare seri danni. In queste installazioni si utilizzano appositi accumulatori nel quale l’elettrolita liquido è sostituito da uno speciale gel.