Impianti fotovoltaici cosa sono e come producono elettricità

Come funziona un impianto fotovoltaico? E come riesce a produrre elettricità con la sola energia del sole? 

Oggi ormai tutti sanno cosa sono gli Impianti Fotovoltaici, tutti sanno che è una tecnologia che permette di produrre energia pulita sfruttando la luce del sole. 

Tutti sanno che si tratta di una fonte rinnovabile che permette di ridurre le emissioni inquinanti in atmosfera. Molti sanno ormai che, come fonte di energia pulita, sarà il futuro (e forse già presente) di un nuovo modello energetico che scalzerà le fonti fossili in esaurimento. Si sa, insomma, “cosa è” il fotovoltaico, ma non tutti sanno come funziona.

In questa mini guida vediamo come funzionano gli impianti fotovoltaici e come riesce a produrre energia sfruttando l’energia del sole. Vedremo quali sono le componenti principali e quali sono i fattori che ne possono diminuire il rendimento.

Come funzionano gli impianti fotovoltaici

I pannelli fotovoltaici, costituiti dall’unione di più celle fotovoltaiche, convertono l’energia dei fotoni in elettricità. Il processo che crea questa “energia” viene chiamato effetto fotovoltaico, ovvero il processo fisico/chimico che, partendo dalla luce del sole, induce la “stimolazione” degli elettroni presenti nel silicio di cui è composta ogni cella solare per produrre corrente elettrica.

Semplificando al massimo: quando un fotone colpisce la superficie della cella fotovoltaica, la sua energia viene trasferita agli elettroni presenti sulla cella in silicio. Questi elettroni vengono “eccitati” e, attraverso una reazione a catena di urti fra loro trasferiscono la loro energia all’elettrone con cui vengono a contatto. Idealmente, l’energia posseduta dal primo elettrone viene trasferita all’ultimo elettrone attraverso queste interazioni. 

Quando si verifica questo fenomeno si dice che l’energia fluisce nel circuito producendo corrente elettrica. Un pannello solare produce energia in Corrente Continua, in inglese: DC (Direct Current).

Sarà poi compito dell’inverter convertirla in Corrente Alternata per trasportarla ed utilizzarla nelle nostre reti di distribuzione. Gli edifici domestici e industriali, infatti, sono predisposti per il trasporto e l’utilizzo di corrente alternata.

I componenti di un impianto fotovoltaico

Come molti sanno ogni sistema fotovoltaico è formato da almeno due componenti di base:

• i moduli fotovoltaici o pannelli fotovoltaici, composti da celle fotovoltaiche che trasformano la luce del sole in elettricità,
• uno o più inverter, apparecchi che convertono la corrente continua in corrente alternata. I moderni inverter integrano sistemi elettronici di gestione “intelligente” dell’energia e di ottimizzazione della conversione. Possono inoltre integrare dei sistemi di stoccaggio temporaneo dell’elettricità: batterie AGM, batterie al Litio o di altro tipo.

Sotto puoi vedere uno “schema di base” di un semplice impianto fotovoltaico, costituito da alcuni pannelli collegati in serie e poi  collegati ad un unico inverter DC/A

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I fattori che condizionano l’efficienza degli impianti fotovoltaici

Non tutti sanno che l’efficienza di conversione di ogni impianto fotovoltaico non è del 100%. Cioè: i pannelli, le celle solari, che vengono colpiti dai raggi del sole, non trasformano tutta l’energia ricevuta in elettricità. 

Riescono a convertire solo una parte dell’irraggiamento solare: questa è l’efficienza di conversione.  I migliori moduli hanno un’efficienza di conversione intorno al 20-22%. 

Ciò significa che solo un quinto dell’energia solare che colpisce il pannelli viene effettivamente convertita in elettricità. 

Alcuni moduli “sperimentali” riescono ad ottenere efficienze di conversione anche oltre il 30%, ma per questi i costi di produzione sono ancora troppo elevati.

Oltre a questo fattore “fisiologico”, molti altri fattori determinano l’effettivo rendimento degli impianti fotovoltaici. Si tratta sia di “perdite” dovute a fattori ambientali, sia di inefficienze dovute a varie dispersioni elettriche (cavi, apparecchi, trasporti,…).

Trovi a questo link una spiegazione accurata dell’efficienza delle celle fotovoltaiche.

Tipicamente, i fattori che determinano il rendimento di un impianto fotovoltaico sono:

1. La temperatura. L’efficienza dei moduli fotovoltaici varia in funzione della temperatura di esercizio: più la temperatura di funzionamento è elevata, meno i pannelli sono efficienti. Paradossalmente, il surriscaldamento delle celle ha un impatto negativo sull’efficienza dei moduli e sul rendimento dell’intero impianto.
2. La sporcizia. I materiali che si possono accumulare sulla superficie dei pannelli (terra, sabbia, inquinamento, escrementi di volatili, foglie, resine, ecc…) hanno un impatto negativo sulla piena ricezione della luce solare e ostacolano il rendimento dell’impianto fv. La pulitura dei pannelli fotovoltaici quindi, non è un elemento “estetico”, ma “funzionale”.
3. Gli ombreggiamenti. Possono essere “passeggeri” (in alcune fasce orarie) e possono derivare dalla presenza circostante di alberi, altri edifici o anche di camini presenti sul tetto stesso. Queste sono inefficienze “calcolabili”. Hanno un alto indice di variabilità, invece, gli altri ombreggiamenti passeggeri provocati da nuvole e dell’ambiente circostante. Ci sono comunque tecnologie in grado di ridurre al minimo l’incidenza degli ombreggiamenti sul rendimento dell’impianto fotovoltaico.
4. Cablaggi e Connettori. Anche l’utilizzo di cavi e connettori causano piccole perdite di rendimento. Si tratta, in questo caso, di dispersioni elettriche che incidono solo in minima parte sul rendimento complessivo dell’impianto.
5. Mismatch. Potremmo tradurre il termine Mismatch come “mancata corrispondenza” o, meglio, come “irregolarità”. Che significa? Significa che non tutti i pannelli della stessa marca, della stessa potenza e dello stesso modello, producono in maniera perfettamente omogenea. Tra pannelli simili, sottoposti alle stesse condizioni di funzionamento, ci sono sempre minime variazioni di rendimento. Si tratta di minime variazioni “di fabbrica” che danno ai pannelli caratteristiche elettriche leggermente differenti. Anche questo “mismatch” può essere uno dei fattori da prendere in considerazione per stimare le perdite di rendimento di un impianto fotovoltaico.
6. Efficienza dell’Inverter. Il processo di conversione da corrente continua a corrente alternata per mezzo di un inverter ha normalmente un’efficienza intorno al 96-97%. Gli inverter hanno tipicamente un’efficienza di conversione ottimale quando la potenza della corrente continua “in ingresso” è elevata, ma sempre al di sotto della potenza nominale dichiarata.
7. Anzianità. Le celle fotovoltaiche, che durano dai 20 ai 25 anni, non producono in maniera omogenea durante tutto il loro periodo di vita: hanno un calo del rendimento che viene stimato a 0,5% l’anno. A fine vita un impianto fv, potrà dunque avere un rendimento di circa il 10-12 per cento inferiore rispetto a quello che aveva all’inizio. Questo dipende da un degrado “fisiologico” dei materiali e dei componenti e deve venire considerato fin dall’inizio nel piano di ammortamento dell’impianto.

Ecco un quadro riassuntivo dei principali e tipici valori di efficienza degli impianti fotovoltaici.

Come viene calcolata l’efficienza di un impianto fotovoltaico

I fattori sopra esposti vengono combinati in un indice, per la precisione: un coefficiente, che serve a rappresentare quello che in inglese viene chiamato il “System Derate Factor” cioè: il coefficiente di riduzione dell’efficienza di un impianto fotovoltaico. Alcuni fattori che incidono sono (più o meno) “fissi” e calcolabili, altri sono estremamente variabili e dipendono dal luogo in cui viene installato l’impianto.

Come già accennato l’indice di efficienza di un pannello fotovoltaico indica quanta parte dell’energia solare che arriva sul modulo viene effettivamente convertita in corrente elettrica.

Per fare questa misurazione vengono in genere considerate alcune “condizioni standard”: queste prevedono, in laboratorio, una temperatura di funzionamento di 25°C ed un irraggiamento solare pari a 1.000 Watt/m2.

Ecco la formula che viene utilizzata per stimare l’efficienza di un impianto fotovoltaico, ovvero l’efficienza di conversione dell’energia solare in elettricità:

Efficienza Complessiva Impianto Fotovoltaico = (Efficienza Modulo FV) X (System Derate Factor)

Ovviamente, le stime di produzione di un impianto vengono fatte con appositi software in grado di calcolare e considerare tutte le variabili in gioco, compresi i “calcoli degli ombreggiamenti”.

Conclusione

Gli impianti fotovoltaici in Italia stanno prendendo sempre più piede e rappresentano una grande opportunità per famiglie ed imprese di risparmiare sui costi dell’energia elettrica.

Gauss Group è leader in Sicilia nella progettazione ed installazione di impianti fotovoltaici ad alto rendimento. 

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