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Glossario

Il modulo fotovoltaico


 Il modulo fotovoltaico è il componente elementare dei sistemi fotovoltaici ed è ottenuto dalla connessione elettrica in serie di più celle in silicio cristallino. I moduli FV più comuni sono costituiti da 36 celle connesse in serie, assemblate fra uno strato superiore di vetro ed uno strato inferiore di materiale plastico (Tedlar) e racchiuse da una cornice di alluminio. Nella parte posteriore del modulo è collocata una scatola di giunzione in cui vengono alloggiati i diodi di by-pass ed i contatti elettrici. Il modulo fotovoltaico ha una dimensione di circa mezzo metro quadro e produce 40 - 50 Watt di potenza. Un metro quadrato di moduli, in una tipica zona dell'Italia meridionale, produce un'energia media giornaliera pari a 0,2 - 0,3 chilowattora nel periodo invernale e a 0,5 - 0,6 chilowattora in quello estivo. Il modulo fotovoltaico è una struttura robusta in grado di garantire molti anni di funzionamento. 

 

Il generatore fotovoltaico


Il generatore fotovoltaico è il cuore del sistema in tutte le configurazioni descritte; produce corrente a tensione continua (per il collegamento in rete è necessario trasformare la tensione continua in alternata).

Un generatore fotovoltaico comprende una gran varietà di componenti tra cui:

  • i moduli FV
  • le strutture portanti e i materiali di fissaggio
  • diodi di bypass e diodi di blocco
  • fusibili, sistemi di protezione da sovraccarico (parafulmine)
  • interruttori, cavi e scatola di giunzione

 

L'energia elettrica prodotta in corrente continua prodotta dal generatore viene convertita in corrente alternata da un inverter. L'energia prodotta viene consumata dall'utenza elettrica o scambiata con la rete elettrica locale o nazionale grazie ad un sistema di contatori.

 

Sistemi autonomi


I sistemi autonomi (stand-alone) vengono normalmente utilizzati per elettrificare le utenze difficilmente collegabili alla rete perché ubicate in aree poco accessibili, e per quelle con bassissimi consumi di energia che non rendono conveniente il costo dell'allacciamento. Tale tipo di sistema è caratterizzato dalla necessità di coprire la totalità della domanda energetica dell'utenza. Gli elementi che costituiscono un sistema fotovoltaico autonomo sono i moduli fotovoltaici, il sistema di accumulo (batterie) ed il regolatore di carica. Essendo la corrente generata dal sistema fotovoltaico una corrente continua, se il carico prevede l'utilizzo di apparecchiature che richiedono corrente alternata, diventa necessario l'inserimento anche un convertitore c.c./a.c. (inverter). Le batterie accumulano l'energia elettrica prodotta dai moduli FV e consentono di differire nel tempo l'erogazione di corrente al carico. In sostanza garantiscono l'erogazione di energia elettrica anche nelle ore di minore illuminazione o di buio.

Il regolatore di carica è l'elemento che regola i passaggi di corrente tra moduli e batterie e tra batterie e carico. La sua funzione principale è quella di proteggere le batterie da fenomeni di carica e scarica profonda.

Sistemi connessi alla rete elettrica


I sistemi fotovoltaici connessi alla rete possono scambiare energia elettrica con la rete elettrica locale o nazionale.

Il principio della connessione alla rete è quello dello scambio in due direzioni di energia elettrica: se la produzione del campo FV eccede per un certo periodo il consumo, l'eccedenza viene inviata alla rete. Nelle ore in cui il generatore non fornisce energia elettrica sufficiente per soddisfare il carico, l'elettricità è acquisita dalla rete. Questo meccanismo è reso possibile dalla presenza di due contatori che contabilizzano l'energia scambiata nelle due direzioni.

 

Centrali fotovoltaiche


Le centrali fotovoltaiche sono tipicamente costituite da centinaia o migliaia di moduli fotovoltaici di grandi dimensioni connessi in serie/parallelo, installati a terra su strutture in cemento armato e acciaio.

Con gli attuali valori dell'efficienza di trasformazione dell'energia solare in elettrica, una centrale da un megawatt, capace di fornire energia ad un migliaio di utenti, si estenderebbe su un'area grande come quattro campi di calcio. L'impegno del territorio è dovuto per metà dalle aree effettivamente occupate dai moduli fotovoltaici, e per l'altra metà dalle aree necessarie per evitare l'ombreggiamento reciproco delle file di moduli.

 

Sistemi integrati negli edifici


I sistemi fotovoltaici godono dal punto di vista architettonico di una serie di prerogative che li rendono unici per l'applicazione architettonica in ambiente urbano. Impianti FV sono stati installati su qualunque superficie ed hanno dimostrato una ottima adattabilità a diverse tipologie di edificio. Gli interventi di integrazione architettonica si distinguono prima di tutto a seconda del tipo di superficie dell'edificio utilizzata per l'impianto (tetto piano, tetto inclinato, facciata). Inoltre si distingue tra sistemi fotovoltaici retrofit, che vengono applicati in contesti edilizi già esistenti, e sistemi fotovoltaici integrati già dalla fase di progettazione dell'edificio.

Per quanto riguarda l'applicazione su tetti piani esistono già varie tipologie d'impianto e sono prevalentemente applicazioni retrofit. Avendo a disposizione delle superfici piane si può facilmente provvedere ad inclinare ed orientare nel miglior modo possibile il sistema fotovoltaico sostenendolo con strutture di supporto studiate a seconda dell'applicazione.
Nel caso di tetti inclinati sono sicuramente necessari sforzi ulteriori per trovare un componente architettonico valido per le tipologie edilizie italiane. In particolare, notevoli sforzi sono dedicati allo sviluppo di una vera e propria "tegola fotovoltaica". Tra le sue diverse prerogative, la tegola fotovoltaica consente al progettista di effettuare un intervento sul costruito con un livello di integrazione estetica simile a quello di un sistema integrato in fase di costruzione dell'edificio. Per le facciate le applicazioni fotovoltaiche dovrebbero essere prese in considerazione già nella fase di progettazione dell'edificio in quanto parametri quali l'orientamento e l'inclinazione risultano predefiniti.
 

Gradi Milano Roma Trapani
L'energia generata è calcolata in (kWh/m²)
90° (facciata) 2.44 3.15 3.43
0° (tetto piano) 3.39 4.18 4.77
30° (tetto inclinato) 3.76 4.76 5.38

 

 

Posizione dei moduli FV nello spazio


(angolo di inclinazione rispetto all'orizzontale ed angolo di orientamento rispetto al Sud).

La posizione dei moduli fotovoltaici rispetto al sole influisce notevolmente sulla quantità di energia captata e quindi sulla quantità di energia elettrica generata.
I parametri che direttamente influiscono sul fenomeno sono:

  • angolo di inclinazione rispetto al terreno (angolo di tilt)
  • angolo di azimut

 

La produzione di energia elettrica su base media annua nell'emisfero Nord è massima per l'esposizione Sud con angolo di inclinazione pari alla latitudine locale sottratta di 10° circa. Consideriamo l'influenza dell'angolo di inclinazione (tilt) sulla radiazione incidente di un sistema, rivolto a Sud, che si trovi a Milano, Roma oppure Trapani. Il valore della radiazione incidente è quello giornaliero medio annuo.
Rispetto pertanto alla soluzione ottimale con inclinazione di 30° il sistema fotovoltaico perde circa il 10-12% nell'applicazione su superficie orizzontale e ben il 35% nell'applicazione su facciata verticale. L'influenza dell'angolo di azimut è invece minore. In un intervallo di angoli di azimut compresi tra -45°e + 45° rispetto al Sud (angolo di azimut compreso tra sud-est e sud-ovest) i valori della radiazione incidente non si discostano significativamente dal valore massimo. Orientando infatti i sistemi fotovoltaici a Sud-Est oppure a Sud-Ovest si avrebbe una perdita pari a solo il 5%.

 

 

Efficienza dei moduli FV


L'efficienza di trasformazione dell'energia solare in energia elettrica è data dal rapporto tra la potenza elettrica in uscita e la potenza della radiazione solare incidente. Ovviamente entrambe cambiano in funzione delle condizioni di irraggiamento solare. Come riferimento, si usano le condizioni standard di insolazione (potenza della radiazione incidente pari a 1000W/m², temperatura del modulo di 25 °C). Se si indicano con h l'efficienza, A l'area del modulo, Pel la potenza elettrica generata dal modulo FV e con PSTC la potenza luminosa irraggiante il modulo stesso in condizioni standard (STC) si può scrivere la relazione.

hSTC =Pel / PSTC * A
Ad esempio, un modulo con un'efficienza del 10% genera, in condizioni standard, una potenza elettrica (corrente continua) ai suoi morsetti di 100 Watt; 10 metri quadrati di moduli forniscono 1 kWp di potenza elettrica.
Un modulo con un efficienza del 12,5 % genera in condizioni standard una potenza elettrica di 125 Watt. In questo caso per produrre 1 kWp sono necessari 8 metri quadrati di moduli.

 

 

Efficienza del BOS


L'efficienza d'impianto è influenzata in maniera consistente dai componenti elettrici necessari per il trasferimento dell'energia prodotta dal modulo fotovoltaico all'utenza. Si parla in termini tecnici di efficienza del BOS. Un valore dell'85% è generalmente considerato accettabile. Il dispositivo che causa la riduzione della potenza effettivamente utilizzabile all'utenza è l'inverter.