Genova        
Numero 28, anno VIII        
Aprile 2008        

     di: Diego Rosa
 

Parte seconda – Il solare fotovoltaico

Nel 1839, il fisico francese Becquerel scopre l’effetto fotovoltaico. Nella seconda meta del ‘900, in occasione dell’avventura spaziale, nascono le prime applicazioni tecniche che sfruttano questo fenomeno.

La cella fotovoltaica è costituita da 2 sottili strati sovrapposti di silicio (in laboratorio si sono sperimentate anche celle all’arseniuro di gallio). Il silicio può essere monocristallino, policristallino od amorfo. Il primo strato è “drogato ” con atomi di fosforo (elemento che tende a cedere elettroni ) e costituisce la regione N, negativa dal punto di vista elettrico, il secondo con atomi di boro (elemento che tende ad acquistare elettroni) e costituisce la regione P, positiva dal punto i vista elettrico. Sottoposta ad irraggiamento luminoso la giunzione manifesta una differenza di potenziale tra la parte P e la parte N.

Se congiungiamo ora la regione N con la regione P mediante un conduttore chiuso su una resistenza (carico), otteniamo una corrente continua, funzione dell’irraggiamento luminoso sulla cella e del carico.

Il grafico dell’andamento corrente - tensione che si stabilisce è del tipo riportato in figura 1

Fig.1: Diagramma corrente - tensione - potenza per un modulo commerciale con Wp = 320 W (Viessman) (dimensioni in m del modulo con 150 celle: 2,385 X 1,138 X 0,102)

Fig.2: Schema di 2 impianti connessi alla rete da 1,28 e 2,58 kWp (Viessman) costituiti da moduli da 320 Wp

Diverse celle collegate in serie, dotate di contatti elettrici, e chiuse tra 2 strati di vetro protettivo costituiscono un modulo fotovoltaico, più moduli un panello, più pannelli un stringa, un insieme di stringhe un generatore. Un tipico modulo fotovoltaico è rappresentato in fig. 7.3. Esso è composto da 150 celle da 2,13 W collegate in serie per fornire una potenza nominale di picco, vedi sotto, di 320 Wp. La tensione alla massima potenza è di 70,5 V, la corrente di 4,53 A. La corrente in corto circuito e la tensione a vuoto valgono rispettivamente 4,85 A e 88,8 V. Le celle sono disposte in 8 file, ogni fila è equipaggiata di un diodo di bypass per evitare l’effetto “hot – spot” dovuto all’oscuramento di una o più celle per insudiciamento o giochi d’ombra. La cella o le celle oscurate diventerebbero delle resistenze elettriche riducendo notevolmente la corrente nell’insieme delle file in serie.

Fig.3: Modulo fotovoltaico da 320 Wp con celle policristalline (Viessmann)

Le celle (delle dimensioni tipiche: 10X10 cm) possono essere di silicio monocristallino (le più care ed efficienti: rendimento = 14-17), policristallino (ricavato dal materiale di scarto della componentistica elettronica: rendimento = 11-13 %).
La tecnologia del silicio amorfo (depositato in sottile spessore su vetro, plastica od altro materiale) non prevede la suddivisione in celle, si basa su un materiale che ha un rendimento molto basso (5-7%) ma egualmente un costo basso e soprattutto una flessibilità di impiego molto elevata: applicazioni su superfici di varia conformazione, tegole al silicio, strutture trasparenti al silicio (lucernai) ecc.

La potenza di picco

Per valutarne le prestazioni di un pannello sono state fissate delle condizioni standard:

• Irraggiamento pari 1000 W/m2 
• temperatura delle celle = 25 C°

• Composizione spettrale AM = 1,5 = composizione dello spettro dell’irraggiamento solare dopo aver attraversato 1,5 volte lo spessore dell’atmosfera (inclinazione dei raggi ~ 41,8° sull’orizzontale).

Un panello che fornisca un kW di potenza elettrica in corrente continua in tali condizioni è contrassegnato da una potenza di picco di 1 kWp. Stante i rendimenti citati sopra, un tale pannello in silicio policristallino avrebbe una superficie di ca. 8 m2.
A Genova, inclinato rispetto all’orizzontale quanto la latitudine ( 44° ), tenuto conto dell’irraggiamento medio annuo di 1500 kWh/m2, produrrebbe un’energia in corrente continua ai morsetti pari a circa 1500 kWh.

L’impianto

Le celle, i moduli, i pannelli, collegati in serie/parallelo forniscono corrente elettrica continua in modo discontinuo, variabile durane il giorno e durante l’anno. Tale corrente continua deve essere trasformata in corrente alternata per alimentare le normali utenze. L’energia elettrica relativa se l’impianto non è connesso alla rete (sistema “grid connected”), deve essere accumulata in batterie (sistema “stand alone”) per far fronte agli sbilanci produzione- richiesta.
Il sistema di trasformazione e di connessione, BOS (“balance of system”) che comprende tra l’altro l’inverter, ha un’efficienza del’80, 85%, le batterie di accumulo normalmente del 60%.

Valutazioni economiche

Stante il rendimento dei pannelli, il costo dei componenti e di installazione, l’energia fotovoltaica è ancora cara.
I costi del kWp installato e connesso alla rete è stimato (anno 2001) pari a:

6000-8000 euro (con IVA)

A Genova, con un irraggiamento totale annuo su una superficie inclinata sull’orizzontale pari alla latitudine di ca. 1500 kWh /m2 la producibilità netta di un panello (tenuto conto di un rendimento dei componenti elettrici = 80%) è pari a:

1500*0,80 = 1200 kWh/ kWp

Ipotizzando un impianto di 2,25 kWp adatto ad un’utenza residenziale, si ha il prospetto di tab. 1 da prendere con le dovute cautele perché proveniente da un fornitore:
 

Tab. 1 Costo dell’energia fotovoltaica a Genova per 2,25 kWp (Da ENERPOINT - 2001)

Fig.4: Residenza unifamigliare dotata di 8 pannelli fotovoltaici per un totale di 2,58 kWp (Viessmann)