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L’ABC DEL FOTOVOLTAICO

Estratto dai corsi di L. Ciardiello A cura di V. Civello

Le guide pratiche di COMCRETA ENERGIA sono uno strumento

informativo utili per essere sempre informati su ciò che può migliorare

la nostra vita, aumentare l’efficienza del nostro immobile e tagliare i

costi energetici.

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Che cosa sono gli impianti fotovoltaici?

Sono sistemi che esposti alla luce del sole producono direttamente energia elettrica.

Quanto costa un impianto fotovoltaico necessario per far fronte ai fabbisogni elettrici

di u-na tipica utenza domestica?

Un impianto per uso domestico di 3 kW costa circa 6.500 / 8.500 € (prezzi a inizio 2015)

e richiede una superficie di circa 30 mq per la sua installazione.

A chi mi devo rivolgere per realizzare un impianto fotovoltaico?

Per avere un sistema realizzato a “regola

d’arte” è necessario rivolgersi ad un

installatore qualificato. Alcuni fra i principali

installatori fan-no parte delle associazioni GIFI

(Gruppo delle Imprese Fotovoltaiche Italiane)

e Assosolare(Associazione Nazionale

dell’Industria Solare Fotovoltaica). L’ENEA nel

corso degli ultimi an-ni ha organizzato corsi

per la formazione di ol-tre 1000 fra progettisti

e installatori di impianti fotovoltaici.

Recentemente, l’ENEA ha predi-sposto anche corsi di formazione a distanza gratuiti,

accessibili dal proprio sito web.

Quali sono le potenzialità?

Enormi. Per esempio, se fossero impiegate le superfici ben esposte di copertura degli

edifici esi-stenti in Italia (circa 800 km2), si produrrebbe il 40% del fabbisogno nazionale

di elettricità.

Quali sono le prospettive di sviluppo del fotovoltaico?







Fino a qualche anno fa, il costo dell’energia prodotta da

fotovoltaico era sensibilmente più elevato rispetto a

quello dell’energia prodotta da fonte fossile. Le

incentivazioni all’uso di questa tecnologi-a, prima a

fondo perduto e poi con il meccanismo del “Conto

Energia” ed ora con la detrazione fiscale del 50%, via via

adottate in moltissimi Paesi, hanno consentito una ampia

diffusione degli impianti, compensando il gap di

competitività economica.

Il consolidamento di un mercato sempre in crescita ha

indotto l’industria a investire per il miglioramento delle

tecnologie di produzione sulla base dei risultati provenienti dal mondo della ricerca e

in impianti di produzione di massa, con la conseguente riduzione del costo degli

impianti di oltre il 50% nel giro di 5-6 anni.

Una corretta gestione degli incentivi e adeguate normati-ve sulle nuove costruzioni,

che dovrebbero sempre prevedere l’integrazione di impianti solari, consentirà il

consolidamento del mercato nazionale consentendo all’industria di recente

formazione di sostenere il passaggio da un regime incentivato alla libera competizione

con le altre forme di produzione di energia. Ad oggi il costo del kWh prodotto da

fotovoltaico è già molto vicino alla piena competitività economica.

Quali sono i benefici connessi al fotovoltaico?

Sono principalmente di tipo socio-economico. Per esempio, in Germania, con una

attenta politica di incentivazioni nel settore a partire dagli anni ‘90, l’occupazione nel

fotovoltaico ha superato, nel 2009, le 100.000 unità con un fatturato dell’industria pari

a 10 miliardi di euro.

Il fotovoltaico, inoltre, può e deve contribuire come fonte energetica rinnovabile al

contenimento delle emissioni di anidride carbonica per cercare, come previsto

dall’accordo raggiunto alla Conferenza sul Clima di Copenaghen nel 2009, di

contenere l’aumento di temperatura del Pianeta entro i due gradi centigradi al 2100.

Qual è la potenza installata in Italia e quella prevista per il

futuro?

Attualmente in Italia l’obiettivo nazionale è di arrivare a 8 GW entro il 2020, ma sulla

base dei dati più recenti si raggiungerà molto prima.







Quali sono i paesi maggiori produttori di componenti di

impianti fotovoltaici?

La maggior parte dei componenti installati in Italia proviene dall’estero. I più importanti

produttori sono la Cina e Taiwan, la Germania, il Giappone e gli Stati Uniti.

La notevole crescita dell’industria fotovoltaica in questi paesi è riconducibile:

all’attuazione di programmi di incentivazione che hanno creato e garantito un

mercato stabile e duraturo (Germania e Giappone); alla presenza di elevate

competenze in specifici settori tecnologici (i film sottili negli USA); all’elevata flessibilità

gestionale e basso costo della manodopera (Paesi asiatici).

Nonostante ciò, c’è ancora la possibilità per la nostra industria di occupare uno spazio

di rilievo a livello internazionale investendo in produzioni ad alto tasso di innovazione.

L’ENERGIA FOTOVOLTAICA







La tecnologia fotovoltaica consente di sfruttare l'energia irradiata dal sole per

produrre energia elettrica. Gli impianti fotovoltaici presentano i seguenti vantaggi:

- non richiedono manutenzione

- permettono di produrre elettricità secondo le proprie necessità

- non necessitano di combustibili (perché si sfrutta la proprietà che hanno alcuni

materiali semi-conduttori di generare elettricità se esposti alla radiazione

luminosa)

- durano molto.

Un sistema fotovoltaico è costituito da:

1) un generatore fotovoltaico - E' costituito da celle fotovoltaiche formate da fette

di un materia-le semiconduttore (silicio) che si costituiscono in moduli, quindi in

pannelli, quindi in stringhe che, collegate in parallelo, costituiscono il

generatore fotovoltaico. Sulla superficie delle celle si genera (quando la cella è

esposta alla luce) un campo elettrico che, se collegato ad un utilizzatore, dà

luogo ad una corrente elettrica continua.

2) un sistema di condizionamento e controllo della potenza - E' costituito da un

inverter che trasforma la corrente continua in corrente alternata ed è

necessario in quanto la quantità di energia elettrica prodotta da un sistema

fotovoltaico non è costante ma varia al variare delle ore del giorno, delle

stagioni, delle condizioni meteorologiche

3) un accumulatore di energia, necessario per rendere autonomo il sistema, data la

variabilità della fonte solare se il sistema non è connesso alla rete elettrica nazionale.







La dimensione di un impianto fotovoltaico è funzione dell'energia richiesta. Questa

determina la potenza da istallare, il numero dei moduli, il costo del sistema ecc.

Il sistema richiede un grosso capitale iniziale che viene poi però neutralizzato grazie

alle basse spese di mantenimento, al risparmio sui combustibili fossili e agli indubbi

benefici ambientali.

Facendo il calcolo sul costo al chilowattora l'energia fotovoltaica oggi non è più cara

rispetto a quella ottenuta con combustibili fossili e diventa ancor più conveniente

quando intervengono finanziamenti da parte dello Stato (incentivi e detrazioni fiscali).







Tra gli impianti fotovoltaici si distinguono fondamentalmente due tipologie:

- I sistemi isolati : non collegati alla rete elettrica, generano una corrente

continua e vengono utilizzati per il pompaggio dell'acqua, per sistemi di

illuminazione, per apparecchi di refrigerazione ecc.

- I sistemi collegati alla rete : sono collegati alla rete elettrica che supplisce nelle

ore in cui il generatore fotovoltaico non è in grado di produrre l'energia

necessaria e, viceversa, il surplus pro-dotto viene trasferito alla rete. Questi

impianti vengono spesso installati sui tetti o sulle facciate degli edifici (vi è la

possibilità di integrare i moduli fotovoltaici nelle architetture e di trasformarli in

componenti edili).

CHIARIAMOCI LE IDEE

Stai pensando di acquistare dei pannelli solari, ma sei un po’ confuso su quale tipo

scegliere? Stai leggendo la guida che fa per te. C’è una miriade di variabili che si

dovrebbe prendere in considerazione quando si acquista un siste-ma fotovoltaico. In







questa pubblicazione abbiamo intenzione di elencare i diversi tipi di pannelli solari

per uso re-sidenziale e commerciale (mono-, policristallino e a film sottile). Quale

sarebbe la scelta migliore per la vostra situazione particolare, dipende da tutta una

serie di variabili. Daremo prima uno sguardo ai diversi tipi di pannelli fotovoltaici

attualmente sul mercato, cercheremo di elencare i loro vantaggi e svantaggi, e poi

guardare alcuni scenari tipici in cui alcuni pannelli sarebbero meglio di altri (si spe-ra

che uno di loro faccia a caso vostro).

Silicio cristallino (c-Si) Quasi il 90% dei pannelli fotovoltaici del mondo si basa su qual-

che variazione di silicio cristallino. La differenza principale di

queste celle solari è la purezza del silicio. Che cosa voglio dire

con purezza di silicio? Per rispondere a breve, le molecole di silicio

sono disposte in un modo specifico per migliorare la conversione

della luce solare a e-nergia elettrica (effetto fotovoltaico). Come

regola, la purezza e l’efficienza vanno di pari passo, ma i processi

utilizzati per aumentare la purezza del silicio sono costosi. Ciò

significa che un pannello so-lare a efficienza superiore non ha necessariamente il più

basso costo per potenza nominale. Il silicio cristallino è utilizzato oggi nelle celle mono

e policristalline

Celle solari di silicio monocristallino Le celle solari in silicio monocristallino, anche chiamato silicio cri-

stallino singolo (sc-Si), sono facilmente riconoscibili da un a-

spetto e colorazione esterna uniformi, che indica la alta purezza

del silicio, come si può vedere anche nella foto qui accanto.

Un altro buon modo per separare i pannelli solari mono dai

policri-stallini è che le celle fotovoltaiche policristalline sono

perfetta-mente quadrate. Le celle monocristalline sono fatte di

wafer di sili-cio, che viene fornito in cilindri – un wafer è una sottile

fetta di ma-teriale semiconduttore, come ad esempio un cristallo

di silicio, sulla quale vengono costruiti circuiti integrati attraverso

drogaggi (con diffusione o impiantazione ionica), la deposizione

di sottili strati di vari materiali, conduttori, semiconduttori o

isolanti, e la loro incisio-ne fotolitografica -. Per ottimizzare le prestazioni e ridurre i costi

di un singolo pannello solare, dai wafer cilindrici viene eliminato un pezzo dai loro bordi

quadrati , causando il caratteristico aspetto evidenziato nella foto.

Vantaggi

Poiché i pannelli solari monocristallini annoverano il più alto grado di purezza del silicio

in essi con-tenuto sono anche i più efficienti. Il tasso di rendimento (la quantità di







energia sotto forma di luce solare che viene convertita in energia elettrica), di solito si

aggira intorno al 12-19 per cento.

Un altro modo di dire “ad alta efficienza” è “spazio-efficienti”. Poiché i pannelli

monocristallini hanno la più elevata potenza di produzione, richiedono anche una

minore quantità di spazio per ottene-re una capacità desiderata rispetto agli altri tipi. I

pannelli in silicio monocristallino hanno di solito tra le 60 e 72 celle fotovoltaiche,

l’equivalente di una potenza di 120-300 Wp (watt di picco).

Inoltre tendono a durare più a lungo e la maggior parte dei produttori da una

garanzia di 25 anni su di loro.

Di solito funzionano meglio di un pannello solare policristallino classificato nella stessa

categoria a condizioni di minor intensità solare e a temperature inferiori.

Svantaggi

I pannelli solari monocristallini sono i più costosi. Dal punto di vista finanziario, se si

dispone di spazio sufficiente, si dovrebbe scegliere un pannello solare che è fatto di

silicio amorfo o policristalli-no.

Se il pannello è parzialmente coperto da ombra, sporco o neve, l’intero circuito è

rotto. Se non si utilizza un micro-inverter, questo potrebbe significare che l’intera fila di

pannelli solari avrà un rendimento di molto inferiore a quello nominale.

Per creare il silicio monocristallino, si devono fabbricare grandi lingotti cilindrici con il

processom Czochralski

Il processo Czochralski è una tecnica introdotta nei sistemi produttivi industriali agli inizi

degli anni ‘50, che permette di ottenere la crescita di monocristalli di estrema purezza.

In ambi-to industriale tale processo è impiegato principalmente nella crescita di blocchi

di silicio, che si ot-tengono con la forma di pani cilindrici. Il processo prende il nome dal

ricercatore polacco Jan Czo-chralski, che lo sviluppò nel 1916 mentre stava studiando

la cristallizzazione dei metalli -. A causa della geometria di questi lingotti, le celle in silicio

monocristallino non sono interamente quadrate, e quantità significative di silicio finisce

ad essere sprecata.

I pannelli monocristallini sono più efficienti durante la stagione fredda, ma quando la

temperatura aumenta, il tasso di conversione elettrica diminuisce.







Celle solari di Silicio policristallino Il silicio policristallino, detto anche polisilicio (p-Si) e multi-

cristallino (mc-Si), cominciò ad apparire sul mercato nel

1981.Circa il 45% dei pannelli solari di oggi sono fatti da

questo tipo di silicio.

Il silicio policristallino non è realizzato con il processo

Czochralski come lo è il suo precursore. Inve-ce, il silicio

grezzo viene fuso e versato in uno stampo quadra-to, che

una volta raffreddato può essere tagliato in wafer per-

fettamente quadrati.

Vantaggi

Il processo utilizzato per confezionare il silicio policristallino è più semplice e meno

costoso. Dal mo-mento che i wafer sono già quadrati, c’è anche minor spreco in

confronto al monocristallino. Pertan-to, i pannelli solari policristallini costano meno.

I pannelli policristallini hanno una tolleranza al calore superiore a quelli realizzati in

silicio monocri-stallino. La temperatura influisce sulle prestazioni di un pannello

fotovoltaico e può anche ridurre la durata della sua vita. Tuttavia, la maggior parte

dei policristallini sono dotati della stessa garanzia di 25 anni.

Tendono ad aver risultati migliori rispetto ai monocristallini quando impiegati ad alte

tempera-ture.

Svantaggi

Questi pannelli non sono efficienti come quelli monocristallini poiché il silicio è meno

puro. In aggiunta l’inferiore tolleranza al calore contribuisce negativamente anche sui

tassi di rendimento. Tuttavia, la tecnologia è in costante miglioramento. Tra non molto

i policristallini si avvicineranno ai tassi di rendimento dei monocristallini.

Pertanto, è necessario coprire una superficie maggiore per produrre la stessa potenza

elettri-cache si farebbe con un pannello in silicio monocristallino.

Alcune persone pensano che i pannelli solari monocristallini e quei a film sottile

abbiano un aspetto migliore in quanto hanno un colore uniforme rispetto all’aspetto a

chiazze blu del silicio po-licristallino.







Celle solari String Ribbon

I pannelli solari String Ribbon sono anch’essi fatti di silicio

policristallino. Questi pannelli solari sono usati da circa il 5% del

mercato delle celle fotovoltaiche al silicio cristallino. String

Ribbon è il nome di un metodo specifico per produrre silicio

policristallino. Fili termoresistenti vengono tirati attraverso sili-cio

fuso, che si trasforma in un nastro di silicio molto sottile. I

pannelli solari realizzati con questa tecnologia sembrano mol-

to simili ai pannelli solari policristallini tradizionali.

Vantaggi

La produzione di pannelli String Ribbon richiede solo circa la metà della quantità di

siliciorispetto ai pannelli monocristallini e questo ha un impatto significati-vo sulla

riduzione dei costi.

Svantaggi

Il metodo di produzione String Ribbon necessita di più energia rispetto agli altri

metodi. Ironi-a della sorte, la quantità di energia spesa durante la produzione ha

avuto un impatto significativo sui costi crescenti.

L’efficienza è notevolmente inferiore rispetto ai tradizionali pannelli in silicio cristallino

(di solito circa 13-14%).

Ciò significa che tali pannelli sono i meno efficienti a parità di superficie di tutti i pannelli

solari in silicio cristallino.

Celle solari a Film Sottile (TFSC)

Le celle solari a film sottile sono realizzate da un film

sottile di materiale fotovoltaico attaccato ad un

sub-strato.

I diversi tipi di celle fotovoltaiche a film sottile

possono essere classificate da quello materiale

fotovol-taico che fa parte del substrato:

Film sottile di silicio (a-Si)







Tellururo di cadmio (CdTe)

Seleniuro di rame, indio e gallio (CIGS)

Celle fotovoltaiche organiche (OPC)

La maggior parte dei tipi di celle solari a film sottile non sono ancora sul mercato, ma in

fase di ricer-ca e sperimentazione. Tellururo di cadmio è l’unica cella solare con film

sottile a superare il silicio cristallino quando si parla di efficienza dei costi, ma solo per

impianti di grandi dimensioni. Essi pertanto non saranno ulteriormente coperti in

quest’articolo. Le uniche celle solari a film sottile che tratteremo sono quelli realizzati in

silicio amorfo.

Silicio amorfo (a-Si)

Le celle solari a film sottile al momento

occupano circa il 5% del mercato fotovoltaico.

Tuttavia, si tratta di una tecnologia

relativamente nuova ma mol-to promettente, ed

è destinata a migliorare e aumen-tare

rapidamente in numero. Se avete mai usato una

calcolatrice solare prima d’ora, avete visto da

vicino una cella fotovoltaica di silicio amorfo.

Vantaggi

Invece di wafer di silicio spesse, le celle solari a film sottile si ricoprono di materiale

fotovoltaico appena suf-ficiente a coprire la superficie dei substrati. I pannelli solari in

silicio amorfo utilizzano addirittura minori quantità di silicio rispetto a ambedue i pan-

nelli mono-e policristallini.

Il processo di produzione che si utilizza per la produzione di celle solari a film sottile in

silicio amorfo è relativamente semplice, facile da scalare, e richiede solo piccole

quantità di silicio. Tali celle solari sono quindi generalmente più economiche di quelle

in silicio cristallino.

Può essere reso flessibile e leggero. Un modulo flessibile permette di essere molto più

creativi quando si tratta di applicazioni. Essi possono essere posizionati su superfici

curve e probabilmente in futuro essere incorporati in indumenti! La resistenza e la

flessibilità di pannelli solari a film sottile sono altamente dipendenti dalla superficie a

cui è collegato.

Questi pannelli fotovoltaici offrono prestazioni migliori in condizioni di luce peggiori e

reagi-scono meglio in casi di copertura parziale, come sotto ombra, sporcizia e neve

rispetto ai pan-nelli cristallini.







Svantaggi

I pannelli solari a film sottile non durano cosi a lungo come quelli mono-e policristallini.

La garanzia rilasciata dal costruttore è quindi di solito inferiore a quella degli altri

pannelli solari.

Le celle solari amorfe hanno solo un tasso di conversione del 6-12 per cento. Tuttavia,

poiché la tecnologia è relativamente nuova, i tassi di efficienza sono attesi di crescere

costantemente fino ad avvicinarsi a quelle dei pannelli cristallini.

I pannelli solari realizzati con questo materiale sono quindi i meno efficienti quando si

guarda lo spazio, il che significa che si deve coprire una superficie maggiore per

avere la stessa potenza del silicio cristallino. Essi sono anche molto più pesanti.

Quale tipo di pannello solare dovrei

scegliere? Parlare con qualcuno con esperienza sarebbe il miglior modo per scoprirlo.

Ecco alcuni scenari tipici:

Basso costo

La categoria a basso costo è probabilmente la più grande di tutte. Se si desidera il

costo più basso per potenza nominale, in parole povere pagare il meno possibile per

produrre energia elettrica, si dovrebbe indagare se i pannelli solari a film sottile si

abbinano bene con i pannelli solari cri-stallini e questo mix dunque potrebbe essere la

vostra migliore scelta.

Spazio limitato

Per chi non ha abbastanza spazio per pannelli solari a film sottile (o se volete limitare

la quanti-tà di spazio che occupa il vostro impianto foto-voltaico), o se

semplicemente non ci sono offer-te vantaggiose per questo tipo di pannelli nella

vostra zona, un pannello fotovoltaico cristal-lino è di solito la scelta da fare.

Il costruttore offre di solito una serie di diverse dimensioni dei pannelli solari. Pannelli

solari di 180, 200 e 220 watthanno di solito le stesse dimensioni. Sono dunque

fabbricati in modo identico, ma mostrano un rendimento superiore oppure inferiore

durante la fase dei test, quindi finiscono in diverse categorie di potenza nominale. Se

la dimensione è una preoccupazione, si do-vrebbe scegliere la massima potenza

nominale per una determinata taglia (dimensione) di pannello.

Entrambi i pannelli mono-e policristallini sono una buona scelta e offrono vantaggi

simili. Anche se i pannelli solari policristallini tendono a essere meno spazio-efficienti e i

pannelli solari monocristallini tendono a produrre più potenza, questo non è sempre il







caso. Sarebbe quasi impossibile consi-gliare uno o l’altro prima di aver esaminato la

vostra situazione particolare (area, zona, posto, condizioni climatiche) più da vicino.

In altre parole, un monocristallino di 120 W e un simile policristallino (quindi sempre 120

W nomina-li) dovrebbero tecnicamente generare la stessa quantità di energia

elettrica, ma quello di silicio monocristallino di solito occuperà meno spazio, anche se

costerà di più.

Building-Integrated Photovoltaics (BIPV)

L’ultimo tipo di fotovoltaico di cui ci accingiamo a parlare è detto fotovoltaico

fabbricabile, che ha di nuovo sottotipi o per meglio dire metodi assai diversi

d’integrazione e utilizza anch’esso le celle solari sia cristalline sia a film sottile.

Building Integrated Photovoltaics sono fondamentalmente celle solari che

sostituiscono i mate-riali utilizzati negli edifici, quali facciate, tetti e pareti. Se avete i

soldi in più e volete qualcosa di elegantemente integrato con il resto della vostra

proprietà, si potrebbe desiderare di fare un pensie-rino ai BIPV.

Grazie per la lettura

Questa guida è stata realizzata da Comcreta Energia

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