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TEORIA DELL’IMPIANTO FOTOVOLTAICO

TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA

La conversione della radiazione solare in una corrente di elettroni avviene nella cella fotovoltaica, un dispositivo costituito da una sottile fetta di materiale semiconduttore (il più utilizzato è il silicio), opportunamente trattata; in pratica la singola cella si può paragonare ad un grosso diodo semiconduttore.
 
L’energia che si può sfruttare dipende dalle caratteristiche del materiale di cui è costituita la cella : l’efficienza di conversione (percentuale di energia contenuta nelle radiazioni solari che viene trasformata in energia elettrica disponibile ai morsetti) per celle commerciali al silicio è in genere compresa tra il 13 % e il 17 %, mentre realizzazioni speciali di laboratorio hanno raggiunto valori del 32,5 %.

In pratica la tipica cella fotovoltaica ha uno spessore complessivo compreso tra 0,25 e 0,35 mm ed è costituita da silicio mono o multicristallino. Essa, generalmente di forma quadrata, ha una superficie compresa tra 100 e 225 mq e produce, con un irraggiamento di 1 kW/mq ad una temperatura di 25°C, una corrente compresa tra i 3 e i 4 A e una tensione di circa 0,5 V, con una potenza corrispondente di 1,5 - 2 Wp.

Il Watt di picco
Poiché la potenza di una cella fotovoltaica varia al variare della sua temperatura e della radiazione, per poter fare dei confronti sono state definite delle condizioni standard di riferimento, che originano il cosiddetto Watt di picco (Wp), relativo alla potenza fornita dalla cella alla temperatura di 25°C sotto una radiazione di 1.000 W/mq.

Oltre al silicio di tipo cristallino, ultimamente si nota un forte interesse, da parte di diverse aziende produttrici, a realizzare linee di produzione di moduli basati sul silicio amorfo. Con l’amorfo, in realtà, non si può parlare di celle, in quanto si tratta di deposizioni di silicio (appunto allo stato amorfo) su superfici che possono anche essere ampie.
Il silicio amorfo è presente sul mercato già da diversi anni, ma fino ad ora non si era guadagnato una quota di mercato significativa, soprattutto a causa dei dubbi esistenti sulla sua stabilità nel tempo : col passare degli anni spesso si verificava una riduzione delle prestazioni. Ecco che l’amorfo veniva (e viene ancora oggi) usato soprattutto per applicazioni “indoor”, cioè per alimentare piccoli utilizzatori, come calcolatrici tascabili, orologi, gadgets vari...
Di recente si è messa a punto una tecnologia produttiva che realizza più strati di silicio amorfo, la cosiddetta “eterogiunzione”, che sembra risolvere i passati problemi di stabilità.
Per quanto riguarda il costo, il tradizionale silicio amorfo presenta costi minori rispetto al silicio cristallino (mono o multi), mentre l’amorfo a due o tre giunzioni necessita di ulteriori riduzioni di costo affinché possa diffondersi su larga scala.

LA CARATTERISTICA ELETTRICA DELLE CELLE SOLARI

Si è già ricordato che la cella fotovoltaica è sostanzialmente un diodo di grande superficie. Esponendola alla radiazione solare, la cella si comporta come un generatore di corrente, il cui funzionamento può essere descritto per mezzo della caratteristica tensione-corrente:

Caratteristica tensione-corrente di una cella solare.

In generale la caratteristica di una cella fotovoltaica è funzione di tre variabili fondamentali:

• Intensità della radiazione solare; 

• Temperatura;

• Area della cella. 

L'intensità della radiazione solare non ha un effetto significativo sul valore della tensione a vuoto; viceversa l'intensità della corrente di corto circuito varia in modo proporzionale al variare dell'intensità dell'irraggiamento, crescendo al crescere di questo.
La temperatura non ha un effetto significativo sul valore della corrente di corto circuito; al contrario, esiste una relazione di proporzionalità tra questa e la tensione a vuoto, aumentando la temperatura diminuisce la tensione. L'area della cella non ha alcun effetto sul valore della tensione; viceversa esiste una diretta proporzionalità tra questa e la corrente disponibile.
In condizioni di corto circuito la corrente generata è massima (Isc), mentre in condizioni di circuito aperto è massima la tensione (Voc). In condizioni di circuito aperto e di corto circuito la potenza estraibile sarà nulla, poichè nella relazione P = V x I sarà nulla la corrente nel primo caso e la tensione nel secondo. Negli altri punti della caratteristica all'aumentare della tensione aumenta la potenza, raggiungendo quindi un massimo in prossimità della (Isc) e diminuendo repentinamente in prossimità della (Voc).

Le caratteristiche principali dei diversi materiali

IL GENERATORE FOTOVOLTAICO

E’ costituito da un insieme di moduli collegati in serie e/o parallelo tra di loro.

Collegando in serie i moduli:
La corrente totale del modulo si “adegua” a quella del modulo che genera meno corrente, mentre la tensione globale è data dalla somma della tensione dei singoli moduli.
Un insieme di moduli collegati in serie costituisce la cosiddetta “stringa”.

Collegando in parallelo più stringhe di moduli:
La corrente totale del generatore fotovoltaico è data dalla somma della corrente in uscita da ogni stringa.
La tensione globale del sistema è invece equivalente alla tensione generata da una singola stringa.
La potenza nominale totale del sistema è pari alla somma della potenza nominale di ogni singolo modulo.

Effetti delle ombre
La riduzione della potenza erogata, causata da un ombreggiamento parziale del campo fotovoltaico, può essere non proporzionale alla porzione di superficie in ombra, ma molto superiore.
Occorre prestare quindi molta attenzione ai collegamenti: se, ad esempio, di fronte al campo fotovoltaico si ha un palo, bisognerà fare in modo che l’effetto dell’ombra si senta su una sola stringa e non vada ad intercettare più moduli, compromettendo quindi il corretto funzionamento di tutto l’impianto;
E’ come se si stringesse con una mano una canna entro cui scorre dell’acqua, impedendo alla stessa di fluire. Analogamente avviene con le cariche generate dalle celle fotovoltaiche dei diversi moduli: se un’ombra appare su un modulo, gli elettroni provenienti dai moduli esposti al sole “trovano la strada bloccata” e non possono arrivare “a destinazione”....

LE BATTERIE PER I SISTEMI FOTOVOLTAICI

L’energia prodotta dai moduli fotovoltaici viene immagazzinata nelle batterie, per renderla disponibile quando non c’è sufficiente illuminazione.
E’ l’elemento più critico di tutto il sistema, l’unico che esige manutenzione.
Requisiti principali:
- Costante disponibilità ad assorbire ed erogare energia elettrica in grandi e piccole quantità;
- Erogazione di corrente sufficientemente grande;
- Lunga durata di vita nel funzionamento ciclico;
- Esercizio con poca manutenzione;
- Costi minimi.

Tra le batterie disponibili sul mercato, la più idonea risulta sempre la batteria al piombo, grazie soprattutto al rendimento di carica e scarica e al rapporto tra prezzo e prestazioni.

PbO2+Pb+2 H2SO4 <--> 2PbSO4+ 2 H2O

Durante la carica gli elettrodi emettono acido; durante la scarica si verifica il processo inverso.

Batteria carica:
Piastra positiva--> perossido di piombo (PbO2)
Piastra negativa-->puro piombo (Pb)
Elettrolita--> acido solforico diluito

Batteria scarica:
Piastra positiva e negativa --> solfato di piombo (PbSO4)

La carica avviene immettendo energia elettrica. Una carica troppo veloce potrebbe danneggiare le piastre.
Le batterie adottate negli impianti fotovoltaici possono assorbire correnti di carica molto deboli, cosa che le normali batterie non potrebbero fare.
Batteria sovraccaricata --> in prossimità degli elettrodi si formano ossigeno ed idrogeno.

La miscela dei due gas è detta gas tonante ed è esplosiva (pericolo !! --> sistemare le batterie in luoghi ben ventilati).

Il regolatore di carica (centralina) previene la sovraccarica della batteria, bloccando il processo di carica quando si raggiunge una tensione finale di carica di 2,35 V per cella. Per evitare invece l’eccesso di scarica, con relativo rischio di solfatazione delle piastre, il regolatore interromperà il prelievo di corrente nel caso in cui la tensione dell’elemento scende sotto un certo livello (1,75 V). Aumentando la corrente di scarica, inoltre, aumentano le perdite dovute alla resistenza (P = R * I2) e si incrementano le reazioni secondarie, riducendo in tal modo la capacità della batteria.
Ecco che quindi la capacità di una batteria (Cn = In * tn [Ah], In=corrente di scarica nominale; tn=tempo di scarica nominale) viene sempre definita in funzione del tempo di scarica e della temperatura di funzionamento.
Ad esempio, C20 indica la capacità di una batteria che è scaricata in 20 ore alla temperatura di 25°C. Temperatura di esercizio ideale per gli accumulatori al piombo: 15 - 25°C.
Col ridursi della temperatura la capacità diminuisce, mentre con l’aumentare della temperatura si velocizzano le reazioni chimiche e si verifica una maggiore autoscarica--> 3 - 5% / mese a 20°C.

Poiché al variare della temperatura cambia la tensione (DV max (T) = - 6 mV/°C) è importante che il regolatore sia in grado di considerare la temperatura.

Tipi principali di batterie

Batterie con piastre positive e negative a griglia
Durata di vita doppia di quella delle automobili.
Debole autoscarica, resistenza ai cicli, poca manutenzione.

Batterie OPzS con piastre positive corazzate
Piastre positive tubolari corazzate,
piastre negative a griglia.
La lega al piombo contiene selenio e pochissimo antimonio, garantendo in tal modo una buona resistenza ai cicli.
Eccezionale resistenza ai cicli (circa 3000 cicli con una profondità di scarica del 30%), autoscarica inferiore al 3%, carica senza problemi, poca manutenzione, impiego possibile fino a -5°C al massimo, ottimo rapporto prezzo-qualità, grande durata di vita.
Applicazioni: impianti con forte sollecitazione delle battrie, per grandi capacità.

Batterie a blocchi con piastre positive tubolari
Le piastre positive tubolari e le piastre negative a griglia sono isolate le une dalle altre mediante separatori microporosi. Un ulteriore involucro in fibre di vetro racchiude l’elettrodo positivo e previene cortocircuiti interni. La speciale lega del blocco e la grande scorta di elettrolito assicurano assenza di manutenzione per 3 anni.
Anche con correnti deboli la carica è buona (sono quindi ideali per gli impianti fotovoltaici), grande durata di vita, elevata resistenza ai cicli (circa 4.500 cicli con profondità di scarica del 30%), alto rendimento in Ah (95-98%).

Batterie con elettroliti solidi
Utili per temperature sotto lo zero.
Sono robuste e non hanno problemi per trasporti in aereo.
Durata cicli: maggiore che nelle batterie con piastra a griglia, ma inferiore a quelle OPzS o tubolari.
Poiché la cella è molto sensibile alle perdite idriche il processo di carica deve essere perfettamente adeguato alla batteria, in modo da contenere al massimo la formazione di gas.
Costo elevato.

Batterie al Nichel-Cadmio
Per temperature estreme (da - 50°C ad oltre + 55°C).
Nel caso dei piccoli cicli il rendimento in Ah è di oltre il 95% e, con scariche profonde, ancora del 70%.
Le batterie al Ni-Cd possono essere scaricate completamente fino all’inversione di polarità. Con buone condizioni di funzionamento la durata di vita è lunghissima. Essendo possibile la scarica totale, il regolatore di carica è superfluo. Svantaggio: alta autoscarica (5 - 10 volte superiore di quella delle batterie al piombo).
Alto costo.

Rendimento batterie = Eout / Ein [%];

Il rendimento sale quanto più è basso il rapporto tra Isc e Icar;

Un buon rendimento : 0,83;

Durata di vita: se la batterie è “ben regolata” può arrivare anche a 8 - 10 anni di vita.

Se la profondità di scarica è eccessiva, la durata di vita della batteria si riduce:

Collegamenti serie - parallelo

Collegamento in serie: + di una batteria con - di un’altra --> si sommano le tensioni e le capacità in Wh; le capacità in Ah non cambiano.

Collegamento in parallelo: tra poli uguali --> si sommano le capacità in Ah e in Wh, mentre la tensione rimane costante.

Si privilegia il collegamento in serie, tale da ottenere la tensione richiesta dal sistema, al collegamento in parallelo, perché la carica risulterebbe sempre disuniforme e la durata di vita delle batterie ne sarebbe penalizzata.

Manutenzione
Controllo periodico dell’elettrolita.
Gli intervalli di manutenzione possono essere prolungati facendo ricorso a dispositivi di ricombinazione dell’idrogeno (capsule al carbone attivo da avvitare al posto dei tappi) : l’ossigeno e l’idrogeno che si producono durante la carica si congiungono di nuovo per formare acqua, che ritorna alla batteria riducendo sensibilmente le perdite idriche.

Altri accorgimenti
Per ridurre al minimo l’escursione termica,isolare le batterie.
I collegamenti tra diverse batterie devono essere realizzato unicamente tra elementi assolutamente identici.

Attenzione!

Confronto tra batterie per impianti solari e batterie per autotrazione:

LE CENTRALINE ELETTRONICHE

Coordinano in modo ottimale il generatore solare e l’accumulatore e ottimizzano il flusso di energia.
Servono per il monitoraggio dell’impianto.
Gli strumenti indicatori sono importanti perché l’utenza impara ad adattare il prelievo di corrente all’offerta disponibile, in modo da prolungare sensibilmente l’autonomia del sistema.
Per valutare il funzionamento di un impianto fotovoltaico sono sufficienti un amperometro e un voltmetro all’entrata, un voltmetro per la tensione di batteria e un amperometro per la corrente di scarica.
Se la temperatura del locale batterie non è tra i 15 e i 25°C, è necessaria una compensazione della tensione finale di carica (corretta con una valore compreso tra -3 e -6 mV per ogni °C di aumento della temperatura).

GLI INVERTER

Si nota un forte aumento della richiesta di inverter da installare negli impianti solari fotovoltaici per l’alimentazione di utenze isolate.
La motivazione principale è il desiderio degli utenti di mantenere le medesime comodità disponibili nelle prime case (nel caso per esempio di baite montane).

Inverter ad onda quadra

Inverter ad onda sinusoidale modificata

Inverter ad onda sinusoidale

Elementi importanti per la scelta

GLI APPARECCHI UTILIZZATORI

Prima di pensare all’impianto fotovoltaico occorre sempre definire con precisione il carico elettrico e valutare l’eventuale possibilità di ottimizzazione energetica, perché bisogna sempre ricordarsi che “l’energia meno cara è quella risparmiata”.

Lampade tubolari fluorescenti
Consumano da 3 a 5 volte meno delle lampade ad incandescenza di pari luminosità.
Lunga durata di vita - buona convenienza economica.
La tensione di accensione è prodotta da un convertitore ad alta frequenza, che provoca l’illuminazione del gas. La lampada si accende meglio che nelle tradizionali applicazioni a 220 V / 50 Hz. I tubi possono essere usati in entrambi i casi.
A basse temperature (0°C) l’accensione può essere difficoltosa. Questo tipo di lampade è adatto ai locali di lavoro, i corridoi, l’illuminazione esterna.

Lampade a risparmio energetico (PL/PLC/PLS/4p)
Efficienza --> da 5 a 6 volte migliore delle lampade ad incandescenza
Durata di vita --> 8 volte quella di una lampada ad incandescenza
Forma più contenuta
Luce più calda-->adatta per locali abitati Idonee per applicazioni a temperature sotto lo zero Sopportano notevoli variazioni di temperatura

Lampade alogene
Sono uno sviluppo delle lampade ad incandescenza. Hanno un’efficienza da 2 a 3 volte superiore.
Sono meno efficienti delle lampade a risparmio energetico o dei tubi fluorescenti.
Luce chiara e calda.
Ideali per l’illuminazione temporizzata.

Lampade ad incandescenza
Reperibile anche per basse tensioni (12 o 24 V).
Bassa efficienza.
Basso costo.
Usandole a bassa tensione hanno una scarsa durata di vita.
Utili per brevi utilizzi.

Lampade al vapore di sodio
Alto rendimento
Luce arancione, monocromatica.
Prezzo elevato.
Richiedono un circuito elettronico.

Riassumendo, ad esempio…

Frigoriferi
E’ importante un compressore a basso consumo e uno spesso rivestimento termoisolante.
I frigoriferi a basso consumo costano molto, ma consumano molta meno corrente. Devono essere installati in locali freschi.