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Tecnologia, Applicazioni e Potenzialità

Tecnologia


Sviluppata alla fine degli anni 50 nell'ambito dei programmi spaziali, per i quali occorreva disporre di una fonte di energia affidabile ed inesauribile, la tecnologia fotovoltaica (FV) si va oggi diffondendo molto rapidamente anche per applicazioni terrestri, come l'alimentazione di utenze isolate o gli impianti installati sugli edifici e collegati ad una rete elettrica preesistente.

Il funzionamento dei dispositivi fotovoltaici si basa sulla capacità di alcuni materiali semiconduttori, opportunamente trattati, di convertire l'energia della radiazione solare in energia elettrica in corrente continua senza bisogno di parti meccaniche in movimento.
Il materiale semiconduttore quasi universalmente impiegato oggi a tale scopo è il silicio.
Il componente base di un impianto FV è la cella fotovoltaica, che è in grado di produrre circa 1,5 Watt di potenza in condizioni standard, vale a dire quando essa si trova ad una temperatura di 25 °C ed è sottoposta ad una potenza della radiazione pari a 1000 W/m². La potenza in uscita da un dispositivo FV quando esso lavora in condizioni standard prende il nome di potenza di picco (Wp) ed è un valore che viene usato come riferimento. L'output elettrico reale in esercizio è in realtà minore del valore di picco a causa delle temperature più elevate e dei valori più bassi della radiazione. Più celle assemblate e collegate tra di loro in una unica struttura formano il modulo fotovoltaico.
 
Il modulo FV tradizionale è costituito dal collegamento in serie di 36 celle, per ottenere una potenza in uscita pari a circa 50 Watt, ma oggi, soprattutto per esigenza architettoniche, i produttori mettono sul mercato moduli costituiti da un numero di celle molto più alto e di conseguenza di più elevata potenza, anche fino a 200 Watt per ogni singolo modulo.
A seconda della tensione necessaria all'alimentazione delle utenze elettriche, più moduli possono poi essere collegati in serie in una "stringa". La potenza elettrica richiesta determina poi il numero di stringhe da collegare in parallelo per realizzare finalmente un generatore fotovoltaico.
 
Il trasferimento dell'energia dal sistema fotovoltaico all'utenza avviene attraverso ulteriori dispositivi, necessari per trasformare ed adattare la corrente continua prodotta dai moduli alle esigenze dell'utenza finale. Il complesso di tali dispositivi prende il nome di BOS (Balance of System). Un componente essenziale del BOS, se le utenze devono essere alimentate in corrente alternata, è l'inverter, dispositivo che converte la corrente continua in uscita dal generatore FV in corrente alternata
 
 

Applicazione

Data la loro modularità, i sistemi fotovoltaici presentano una estrema flessibilità di impiego. La principale classificazione dei sistemi fotovoltaici divide i sistemi in base alla loro configurazione elettrica rispettivamente in:
  • sistemi autonomi ("stand alone")
  • sistemi connessi alla rete elettrica ("grid connected")
I sistemi connessi alla rete elettrica si dividono a loro volta in:
  • Centrali fotovoltaiche
  • Sistemi integrati negli edifici
Il diagramma seguente mostra le principali applicazioni dei dispositivi FV classificate secondo la potenza elettrica.
 
diagramma - applicazioni dei dispositivi FV
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Potenzialità

La quantità di energia elettrica prodotta da un sistema fotovoltaico dipende da numerosi fattori:
  • superficie dell'impianto;
  • posizione dei moduli FV nello spazio (angolo di inclinazione rispetto all'orizzontale ed angolo di orientamento rispetto al Sud);
  • valori della radiazione solare incidente nel sito di installazione;
  • efficienza dei moduli FV;
  • efficienza del BOS;
  • altri parametri (p.es. temperatura di funzionamento).
A titolo di esempio viene calcolata la quantità di energia elettrica mediamente prodotta dai sistemi fotovoltaici in un anno di funzionamento nei tre siti di Roma, Milano e Trapani. Ai fini del calcolo si può ragionare indifferentemente per m² di pannelli o per unità di potenza installata (ad es. 1 kWp). Si ipotizza che i pannelli FV siano inclinati di 30° sull'orizzontale ed orientati verso Sud. Per l'efficienza dei moduli si è preso un valore conservativo di 12.5% (i moduli possono avere efficienze anche fino al 16 - 17%), mentre per quella del BOS un valore dell'85% (include l'efficienza dell'inverter ed altri fattori di perdita, come ad esempio le perdite nei cavi elettrici di collegamento.
 
 

Calcolo dell'energia elettrica mediamente prodotta in corrente alternata in un anno da 1 m² di moduli

Luogo Insolazione media annua Efficienza dei moduli Efficienza del BOS Elettricità prodotta (*)
(*) Elettricità prodotta mediamente in un anno
Milano 1372.4 kWh/m² 12,5% 85% 145.8 kWhel/m²
Roma 1737.4 kWh/m² 12,5% 85% 184.6 kWhel/m²
Trapani 1963.7 kWh/m² 12,5% 85% 208.6 kWhel/m²
 
 

Calcolo dell'energia elettrica in corrente continua mediamente prodotta in un anno da 1 kWp di moduli

Luogo Insolazione media annua Efficienza dei moduli Superficie (*) Elettricità prodotta (**)
(*) superficie occupata da 1 kWp di moduli;
(**) Elettricità prodotta mediamente in un anno in corrente continua.
Milano 1372.4 kWh/m² 12,5% 8 m² 1372.4 kWhel/kWp
Roma 1737.4 kWh/m² 12,5% 8 m² 1737.4 kWhel/kWp
Trapani 1963.7 kWh/m² 12,5% 8 m² 1963.7 kWhel/kWp
 
 

Calcolo dell'energia elettrica mediamente prodotta in un anno da 1 kWp di moduli

Luogo Elettricità prodotta (*) Efficienza del BOS Elettricità prodotta (**)
(*) Elettricità prodotta mediamente in un anno in corrente continua
(**) Elettricità prodotta mediamente in un anno in corrente alternata
Milano 1372.4 kWh/m² 85% 1167 kWhel/kWp
Roma 1737.4 kWh/m² 85% 1477 kWhel/kWp
Trapani 1963.7 kWh/m² 85% 1669 kWhel/kWp