Gli impianti fotovoltaici sono già presenti nella progettazione di molti nuovi edifici. Ma come funziona? Una panoramica su come funziona il fotovoltaico — perché l’aumento dei costi energetici, la consapevolezza ambientale e l’incremento dell’uso di tecnologie innovative come le pompe di calore sono argomenti a favore dell’installazione di un impianto fotovoltaico. Anche i moderni sistemi di accumulo dell’elettricità prodotta ottimizzano l’uso del fotovoltaico.
Come funziona il fotovoltaico? Un impianto fotovoltaico converte l’energia solare in elettricità. ( Simon Kraus / Adobe Stock )
- Il fotovoltaico: i fatti più importanti in breve
- Tariffe di alimentazione e sussidi per il fotovoltaico
- Come il fotovoltaico converte l’energia solare in elettricità
- Il fotovoltaico: dalla singola cella solare al modulo solare
- Potenza nominale delle celle solari nel fotovoltaico
- I fattori di rendimento più importanti di un impianto solare per il fotovoltaico
- Tipi di moduli fotovoltaici e loro proprietà
- Produttività dei singoli tipi di moduli fotovoltaici
- Consigli di lettura sul tema del fotovoltaico
Contenuto
- Il fotovoltaico: i fatti più importanti in breve
- Tariffe di alimentazione e sussidi per il fotovoltaico
- Come il fotovoltaico converte l’energia solare in elettricità
- Il fotovoltaico: dalla singola cella solare al modulo solare
- Potenza nominale delle celle solari nel fotovoltaico
- I fattori di rendimento più importanti di un impianto solare per il fotovoltaico
- Tipi di moduli fotovoltaici e loro proprietà
- Produttività dei singoli tipi di moduli fotovoltaici
- Consigli di lettura sul tema del fotovoltaico
Il fotovoltaico: i fatti più importanti in breve
Prima di decidere di installare un impianto fotovoltaico, è necessario conoscere alcuni fatti:
- Funzione: gli impianti fotovoltaici convertono la luce solare in energia elettrica. I materiali semiconduttori contenuti nelle celle solari vengono eccitati dal cosiddetto effetto fotovoltaico e generano così corrente continua. Questa viene poi convertita da un inverter nella corrente alternata necessaria per l’uso domestico.
- Rispetto dell’ambiente: gli impianti fotovoltaici aiutano a ridurre le emissioni di CO2 e contribuiscono quindi alla protezione del clima. Utilizzando l’energia solare, si riduce il fabbisogno di combustibili fossili, riducendo così l’impatto ambientale.
- Vantaggi finanziari: oltre agli aspetti ecologici, gli impianti fotovoltaici offrono anche vantaggi finanziari a lungo termine, perché gli utenti non devono più acquistare elettricità costosa dal gestore della rete.
Tariffe di alimentazione e sussidi per il fotovoltaico
Sono disponibili diversi sussidi sia per la nuova installazione che per l’ammodernamento di un edificio con il fotovoltaico. Questo vale anche per l’installazione di sistemi di accumulo a batteria. Questi sistemi, in particolare, consentono al gestore di un impianto fotovoltaico di immagazzinare l’energia elettrica prodotta dal fotovoltaico e non consumata per un uso successivo. In alternativa, i proprietari degli impianti ricevono una tariffa di immissione fotovoltaica per immettere l’elettricità non utilizzata nella rete energetica pubblica.
Come il fotovoltaico converte l’energia solare in elettricità
La versione più semplice di un sistema solare termico è il solare termico, che converte l’energia solare in calore. Il fotovoltaico è un po’ più complicato. In questo caso, il sistema fotovoltaico converte l’energia del sole in energia elettrica. A tal fine, sono necessarie celle solari realizzate con materiali semiconduttori, che sviluppano la conducibilità elettrica quando vengono forniti calore e luce e consentono il processo di fotovoltaico in grandi impianti solari, ma anche in impianti fotovoltaici più piccoli, come quelli mostrati nel nostro test della centrale elettrica da balcone.
Il materiale semiconduttore preferito è il silicio. Essendo il secondo elemento più comune sulla terra, è disponibile in quantità sufficienti e può essere estratto e lavorato in modo ecologico, ad esempio negli impianti fotovoltaici. L’elettricità così generata può essere immagazzinata in sistemi di stoccaggio dell’elettricità, come quelli presenti negli impianti fotovoltaici più piccoli, noti come centrali elettriche da balcone con stoccaggio.
Una cella solare utilizzata per il fotovoltaico è costituita da due strati di materiale semiconduttore diversamente drogato. La transizione tra questi due strati è nota come strato limite. Qui si forma un campo elettrico quando la luce vi cade sopra, che i contatti metallici integrati dissipano sotto forma di tensione elettrica. Un carico elettrico collegato chiude il circuito esterno tra i contatti metallici sopra e sotto gli strati semiconduttori e scorre corrente continua, che un inverter a valle converte in corrente alternata. In questo modo, l’energia generata dal sistema fotovoltaico può essere ulteriormente elaborata.
Il fotovoltaico: dalla singola cella solare al modulo solare
Il processo fotovoltaico in una singola cella solare avrebbe un effetto troppo limitato. Nel caso del silicio, infatti, la tensione che può essere sfruttata dai contatti metallici è di circa 0,5 V. Ciò significa che una cella solare con una superficie di 100 cm² raggiunge una potenza massima di 2 ampere. Per le prestazioni del sistema fotovoltaico è quindi necessario interconnettere le singole celle in unità più grandi. A seconda del successivo campo di applicazione, le celle vengono collegate in parallelo o in serie. I collegamenti in serie producono tensioni più elevate, mentre quelli in parallelo generano correnti più elevate.
Una volta collegate le celle solari di 10 x 10 o 15 x 15 centimetri, il modulo solare per il fotovoltaico viene creato inserendo le celle in etilene vinilacetato, preferibilmente trasparente, e racchiudendole in un telaio di alluminio o acciaio. Una copertura in vetro protegge il pannello solare del futuro sistema fotovoltaico.
Un modulo solare è composto da molte celle solari singole che formano l’impianto fotovoltaico (@nt /Adobe Stock)
Suggerimento: per maggiori informazioni sulle soluzioni per balconi con pannelli solari, consultate la nostra guida. Lì troverete anche il nostro attuale vincitore del test della centrale elettrica da balcone.
Potenza nominale delle celle solari nel fotovoltaico
La potenza nominale di una cella solare fotovoltaica è specificata in watt di picco (Wpeak); questi valori determinati si riferiscono sempre ai risultati di test in condizioni standard e servono quindi esclusivamente come valori comparativi con altri prodotti. Queste misurazioni si basano sui seguenti parametri:
- Temperatura ambiente di 25 gradi Celsius
- Irraggiamento di 1000 watt per metro quadro
- Spettro della luce solare secondo AM di 1,5 (AM è una misura relativa in astronomia della lunghezza del percorso della luce tra l’atmosfera terrestre e la superficie terrestre).
Se le condizioni del sito si discostano dai parametri standard, un modulo solare dell’impianto fotovoltaico produce più o meno energia elettrica. Le calde giornate estive con tramonti tardivi hanno un effetto positivo sul processo fotovoltaico e la produzione dell’impianto fotovoltaico è superiore a quella nominale. In inverno, invece, l’impianto fotovoltaico raggiunge una resa energetica inferiore.
I fattori di rendimento più importanti di un impianto solare per il fotovoltaico
La resa effettiva di un impianto fotovoltaico dipende da numerosi fattori e può essere calcolata in modo approssimativo solo tenendo conto della posizione e delle condizioni del luogo.
Questi sono i fattori più importanti che influenzano il fotovoltaico e che sono trattati in dettaglio nell’articolo «Requisiti per l’installazione di un impianto fotovoltaico»:
- Radiazione solare
- Temperatura ambiente
- Cablaggio delle celle solari in parallelo o in serie
- Allineamento dei moduli fotovoltaici
- Inclinazione del tetto
- Tipo di modulo fotovoltaico
- Degradazione (riduzione delle prestazioni dovuta all’invecchiamento)
I test più recenti su vari tipi di moduli hanno dimostrato un degrado minimo delle celle solari, compreso tra lo 0,1 e lo 0,5%. Ciò si traduce in una riduzione appena percettibile delle prestazioni. Soprattutto in termini di ammortamento, che avviene al massimo dopo dieci anni a causa della continua diminuzione dei costi/prezzi, e della lunga durata dei moduli solari, che può arrivare fino a 30 anni, questo non ha praticamente alcun effetto sulla redditività di un impianto fotovoltaico.
Nota: la funzionalità di un impianto fotovoltaico può essere ampliata integrando una funzione di alimentazione di emergenza. In caso di interruzione di corrente, questa funzione consente di alimentare i carichi critici con l’energia solare immagazzinata.
Tipi di moduli fotovoltaici e loro proprietà
Attualmente sono disponibili tre diversi tipi di moduli per il fotovoltaico. Si differenziano in parte per le prestazioni, ma anche per il degrado, cioè la riduzione delle prestazioni, delle celle fotovoltaiche. Il silicio è generalmente utilizzato come materiale semiconduttore per tutte le varianti.
I moduli solari cristallini si dividono in moduli fotovoltaici monocristallini e moduli fotovoltaici policristallini. A differenza delle celle fotovoltaiche monocristalline, i moduli fotovoltaici policristallini non sono prodotti in un unico pezzo. Ciò comporta un reticolo cristallino meno omogeneo con basse perdite di portatori di carica. La particolare struttura del modulo delle celle solari policristalline compensa queste perdite. Di conseguenza, le differenze di prestazioni tra i moduli fotovoltaici policristallini e quelli monocristallini, molto più costosi, sono praticamente nulle.
I moduli a film sottile con silicio amorfo hanno prezzi molto vantaggiosi. Tuttavia, presentano anche i maggiori svantaggi in termini di efficienza, che è solo circa la metà di quella dei moduli cristallini. Allo stesso tempo, i moduli fotovoltaici a film sottile sono più sensibili agli effetti del tempo. Questo vale anche per la durata di vita di un impianto fotovoltaico composto da moduli a film sottile, che è significativamente più breve di quella dei moduli fotovoltaici cristallini.
Produttività dei singoli tipi di moduli fotovoltaici
Una caratteristica importante è l’efficienza dei singoli moduli fotovoltaici, per cui esistono forti differenze tra l’efficienza determinata in laboratorio e quella effettiva (produttiva).
Moduli monocristallini — 24% in laboratorio; produttività dal 14 al 17% Moduli policristallini — 18% in laboratorio; produttività dal 13 al 15% Moduli a film sottile — 13% in laboratorio; produttività dal 5 al 7%.
Un altro argomento è il degrado, cioè la riduzione delle prestazioni del fotovoltaico dovuta all’invecchiamento e all’usura dovuta agli agenti atmosferici dei vari moduli fotovoltaici durante la loro vita utile. Sebbene sia noto come degrado indotto dalla luce, una riduzione potenziale delle prestazioni si verifica soprattutto nei moduli a film sottile. Questa perdita permanente di prestazioni, che si verifica nelle prime 1.000 ore di funzionamento, è particolarmente elevata per i moduli fotovoltaici in silicio amorfo, cioè a film sottile.
I moduli fotovoltaici cristallini in un impianto solare presentano un degrado iniziale trascurabile, che si riduce allo 0,1-0,5% nel corso dell’ulteriore vita utile dei moduli. In confronto, i moduli a film sottile con celle in silicio amorfo perdono fino al 25% delle loro prestazioni nella prima fase di funzionamento a causa del cosiddetto effetto Staebler. Dopo questo processo iniziale di riduzione delle prestazioni, il degrado dei moduli a film sottile in un impianto fotovoltaico si arresta. Speciali trattamenti termici sono in grado di invertire parzialmente l’effetto Staebler.
Il continuo sviluppo tecnologico contribuisce in modo significativo ad aumentare l’efficienza dei moduli fotovoltaici. In questo modo, il fotovoltaico diventa sempre più un sistema solare efficace e redditizio per la generazione di energia elettrica.
Consigli di lettura sul tema del fotovoltaico
Informazioni sul tema dell’accumulo:
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