Che cos’è l’impianto fotovoltaico ormai lo sanno tutti, come funziona lo sanno i Tecnici del settore, ma quale sono i vantaggi per le installazioni negli edifici residenziali spesso sfuggono ai cittadini meno edotti in materia.

Con questo articolo si cerca di fornire in sintesi una guida per far comprendere come funziona un impianto di generazione fotovoltaica evidenziando, i principi, i concetti di base, l’effetto fotovoltaico e la definizione delle tipologie di componenti e impianti.

L’EFFETTO FOTOVOLTAICO E IL GENERATORE

L’effetto fotovoltaico è un fenomeno naturale che avviene nel momento in cui la radiazione solare passa attraverso un materiale semiconduttore, come ad esempio il silicio cristallino.

Quando la struttura di un cristallo di semiconduttore silicio trattato con opportuni materiali viene esposto alla luce solare, ovvero, alla “radiazione elettromagnetica incidente”, questa in parte viene riflessa, in parte si trasforma in calore e in parte è energia sufficiente per rompere i legami nella struttura cristallina e produrre lo spostamento degli elettroni/lacune degli atomi nel materiale semiconduttore. Gli elettroni/lacune spostati nella struttura atomica del semiconduttore iniziano a scorrere, producendo una corrente elettrica al suo interno.

La corrente elettrica prodotta risulta proporzionale sia alla superficie della cella sia alla intensità della radiazione solare. In linea generale, una cella quadrata di lato 10 cm, esposta a raggi solari che la colpiscono perpendicolarmente, in condizioni di luce piena, è in grado di erogare una potenza elettrica di circa 1,3 W con una tensione di 0,5 V.

Le applicazioni fotovoltaiche richiedono in genere caratteristiche di potenza, corrente e tensione più elevate, queste sono ottenibili usando più celle collegate in serie o in parallelo, pertanto un certo numero di celle viene assemblato in una struttura che viene identificata come: modulo fotovoltaico.

Più moduli assemblati in una struttura comune danno vita al pannello.

Più pannelli collegati in serie formano una stringa e l’insieme di stringhe costituisce il generatore fotovoltaico.

LA STRUTTURA CRISTALLINA DEL SILICIO

Il silicio è l’elemento chimico, è un semimetallo e un semiconduttore tetravalente, il silicio è meno reattivo del suo analogo chimico, il carbonio, ed è il secondo elemento per abbondanza sulla terra dopo l’ossigeno. Si trova nell’argilla, nel granito e nel quarzo, ed è il componente principale di vetro, cemento, ceramica e silicone.

In riferimento alla struttura cristallina il silicio può essere distinto in:

• silicio monocristallino
• silicio policristallino
• silicio amorfo

Il silicio monocristallino è costituito da un cristallo singolo di silicio con il reticolo continuo senza interruzione ed è il materiale di base utilizzato nell’industria elettronica. Può essere puro, ma se contaminato da piccole quantità di altri elementi è possibile modificare in modo controllato le sue proprietà di semiconduttore.

Il silicio policristallino è costituito da cristalli di silicio disallineati, viene impiegato per diverse applicazioni nel settore elettronico ed è utilizzato anche per realizzare i pannelli fotovoltaici.

Il silicio amorfo non è un elemento cristallino, è una sostanza semplice che possiede la proprietà di esistere in diverse forme (sostanza allotropica non cristallina). Mentre nel silicio cristallino la struttura tetraedrica si ripete su larga scala e forma un reticolo cristallino ordinato, nel silicio amorfo questo ordine non è presente e gli atomi formano un reticolo disordinato e continuo. Uno dei vantaggi del silicio amorfo rispetto a quello cristallino sta nella tecnica di produzione, dato che è possibile depositare film sottili di silicio amorfo su grandi superfici mediante plasma. Il silicio amorfo è diventato il materiale ideale per alcune applicazioni elettroniche come ad esempio i display a cristalli liquidi (LCD) e viene impiegato nella produzione di celle fotovoltaiche di grandi superfici.

DEFINIZIONE DI IMPIANTO FOTOVOLTAICO E TIPO DI IMPIANTO

Un impianto fotovoltaico è un sistema che sfrutta le radiazioni solari e le proprietà del silicio per generare corrente elettrica continua tramite l’effetto fotovoltaico. Con l’insieme dei moduli fotovoltaici collegati in serie/parallelo si realizza un generatore fotovoltaico con le caratteristiche di corrente e tensione desiderate, che consentono una grande flessibilità di impiego.

L’impianto fotovoltaico genera corrente continua che viene trasformata in alternata mediante un inverter e quindi può essere utilizzata per alimentare apparecchi elettrici o immessa in rete, dalla destinazione dell’energia elettrica prodotta si distinguono i due principali tipi di impianto:

• Impianto isolati (stand alone)
• Impianto integrato alla rete elettrica (grid connected)

Gli impianti isolati sono sistemi autonomi, che fino a poco tempo fa, venivano normalmente utilizzati per elettrificare le utenze difficilmente collegabili alla rete perché situate in aree poco accessibili, oppure le utenze con bassissimi consumi di energia, che non rendevano conveniente il costo dell’allacciamento alla rete. Un impianto isolato è caratterizzato dalla necessità di coprire la totalità della domanda energetica dell’utenza e i componenti che lo costituiscono sono:

• moduli fotovoltaici
• regolatore di carica
• sistema di accumulo (batterie)
• inverter

Questi impianti risultavano e risultano economicamente vantaggiosi nei casi in cui la rete elettrica sia assente o difficilmente raggiungibile. Oggi la disponibilità di batterie meno costose e più durature, insieme ad altre forme di stoccaggio dell’energia, prospettano un maggiore impiego degli impianti isolati.

I sistemi fotovoltaici connessi alla rete scambiano energia elettrica con la rete elettrica e lo scambio avvenire in due direzioni: se la produzione del campo foto voltaico eccede per un certo periodo il consumo, l’eccedenza viene immessa in rete. Nelle ore in cui il generatore non fornisce energia elettrica sufficiente per soddisfare le utenze, l’energia è prelevata dalla rete. In genere sono presenti due contatori che contabilizzano l’energia scambiata nelle due direzioni e ovviamente, non hanno bisogno di batterie perché la rete di distribuzione sopperisce alla fornitura di energia elettrica nei momenti di indisponibilità della radiazione solare.

I DIVERSI TIPI DI PANNELLI FOTOVOLTACI

I pannelli fotovoltaici impiegati per la realizzazione degli impianti fotovoltaici sono di tre tipi e si differenziano in funzione della tipologia di silicio utilizzato per la loro costruzione:

• Pannelli fotovoltaici monocristallini
• Pannelli fotovoltaici policristallini
• Pannelli amorfi

I pannelli fotovoltaici monocristallini sono costituiti da celle omogenee di silicio, tagliate da lingotti estratti in natura, questa tipologia presenta un costo più elevato, in quanto il costo del silicio allo stato libero è maggiore. In genere i pannelli monocristallini hanno i rendimenti maggiori a parità di superficie.

I pannelli fotovoltaici policristallini sono, invece, generati dagli scarti del taglio dei lingotti monocristallini, è un silicio meno omogeneo, di prestazioni un po’ inferiori, ma di costo più contenuto.

I pannelli in silicio amorfo sono costituiti da una lastra trasparente di silicio amorfo (privo di struttura) trattato chimicamente per aumentare la conducibilità. Per questo motivo, sono la soluzione più economica tra i pannelli fotovoltaici, ma presentano un basso rendimento termico.

Monocristallino

Policristallino

Amorfo

LE CARATTERISTICHE DEI MODULI

Le caratteristiche dei moduli fotovoltaici principalmente si distinguono in base a:

• Fabbisogno di superficie per kWp di potenza
• Grado di rendimento del modulo
• Rendimento specifico annuo

Il fabbisogno di superficie esprime la superficie necessaria per generare la potenza di un kWp.

Il grado di rendimento del modulo è il rapporto tra la potenza elettrica prodotta da un modulo FV e la potenza irraggiata dal sole, in condizioni di test standard. Tale parametro da solo non è sufficiente per determinare la reale efficienza di un modulo FV in quanto si riferisce a condizioni di test standard che solo raramente si verificano durante il funzionamento dell’impianto FV.

Il rendimento specifico annuo fornisce informazioni sulla quantità di energia che 1 kWp di potenza dell’impianto produce alle reali condizioni climatiche del sito.

La seguente tabella riporta i valori medi di queste 3 grandezze in base alla tipologia del modulo.

VANTAGGI E SVANTAGGI DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO

Installare un impianto fotovoltaico è oggi un vantaggio per chi vuole risparmiare sulle bollette elettriche attraverso il consumo dell’energia autoprodotta, riducendo il prelievo dalla rete.

L’autoconsumo è sicuramente il vantaggio principale del fotovoltaico, però, come ogni tecnologia, anche questa può avere, oltre ai vantaggi, anche alcuni svantaggi.

Con l’intento di fare cosa utile, verifichiamo i due aspetti con ordine per chi fosse interessato, ma ancora non ha deciso e vuole affrontare l’investimento, che poi alla fine per i piccoli impianti domestici costa molto meno di una auto utilitaria.

Come per ogni investimento, anche per l’impianto fotovoltaico, i vantaggi e svantaggi riguardano il rapporto tra il costo e il beneficio, ovviamente, uno dei vantaggi è come prima cosa, il prezzo: a parità di caratteristiche e qualità, un prezzo vantaggioso, renderà più breve il periodo di recupero dei costi sostenuti.

A tal proposito si sottolinea che oggi i prezzi delle installazioni sono molto più bassi di circa il 70%, rispetto a soli 5 anni fa, quando per un piccolo impianto domestico si doveva sborsare circa 7.000 euro per kw di potenza, oggi con la stessa cifra si può installare un impianto completo da 3 kw, infatti un impianto da 2 kw costa non più di 5.000 euro.

Vantaggi del fotovoltaico per l’Utente e per la comunità

• Il fotovoltaico non è un costo, ma un investimento: si recupera il capitale investito e la “variabile” è solo il tempo di rientro dai costi che in genere varia dai 6 ai 12 anni;
• Iva di acquisto: agevolata al 10%;
• Gran parte delle aziende dà oggi garanzie sul prodotto e garanzie sulla produzione;
• Prezzi in discesa: oggi il fotovoltaico costa circa un terzo rispetto a 5 anni fa;
• Oggi si può beneficiare delle detrazioni fiscali IRPEF al 50% e quindi considerando gli sgravi fiscali, l’impianto costa, a conti fatti, la metà;
• Riduzione/azzeramento delle bollette elettriche in relazione all’energia prodotta e istantaneamente auto-consumata;
• Con l’aumento inflazionistico dell’energia per i prossimi 25 anni, in proporzione aumenta il risparmio in bolletta grazie all’autoconsumo;
• Minima manutenzione: non avendo parti meccaniche in movimento i pannelli fotovoltaici richiedono pochissima manutenzione in 25 anni, solo la sostituzione dell’inverter e altri piccoli interventi ordinari;
• Vantaggi ambientali, riduzione delle emissioni inquinanti, salute per la collettività;
• Vantaggi economici: il comparto ha creato e crea posti di lavoro e benefici all’economia;
• Indipendenza energetica dall’estero: il solare riduce le importazioni delle materie prime a fini energetici;
• La generazione distribuita sul territorio limita i rischi per la sicurezza e riduce le dispersioni energetiche derivanti dal trasporto delle materie prime e dal trasporto della stessa energia elettrica prodotta.

Svantaggi del fotovoltaico

• Sono terminati gli incentivi, quindi il solare, per essere competitivo, può fare affidamento solo alle dinamiche del mercato. Per i privati domestici anche sulle detrazioni fiscali al 50%;
• Il fotovoltaico ha una produzione giornaliera intermittente e dipendente dalle stagioni: di notte il FV non produce e d’inverno produce meno. Per questo, senza adeguati sistemi di accumulo, è una fonte di produzione “non programmabile”;
• Il fotovoltaico comporta un esborso iniziale di investimento, anche se poi viene recuperato;
• Come ogni tecnologia, anche se minimo, ha il rischio di rotture, malfunzionamenti, ecc.;
• Senza un adeguato sistema di accumulo, non c’è possibilità di immagazzinare l’energia prodotta per utilizzarla “a posteriori”. I costi dei sistemi di accumulo sono i fattori che più influenzeranno i vantaggi e svantaggi di un impianto fotovoltaico.

Vantaggi e svantaggi di un impianto fotovoltaico: l’ago della bilancia

Installare il fotovoltaico oggi è un investimento e come tale, comporta un iniziale esborso economico ed un tempo di rientro dall’investimento nell’ordine di 6-12 anni, a seconda dei costi sostenuti e dell’energia elettrica generata.

Come ogni investimento anche il fotovoltaico comporta una certa dose di “rischio” che può condizionare i tempi di ritorno economico dall’investimento, però, stimando i costi dell’energia in bolletta per i prossimi 25 anni, una cosa è certa: produce un risparmio sul lungo periodo in relazione all’energia auto-prodotta.

Siamo prossimi alla grid parity, cioè a quella situazione di mercato in cui il fotovoltaico diventa competitivo, vantaggioso, rispetto alle fonti convenzionali, senza incentivi e senza detrazioni.

Per questo motivo ci sono fondate motivazioni per ritenere che “l’ago” della bilancia penda a favore dei vantaggi che questa nuova tecnologia porta e porterà, anche in considerazione dello sviluppo tecnologico dei sistemi di accumulo e l’uso delle auto elettriche.

Queste sono le considerazioni e le informazioni che le Imprese impiantistiche di CNA SI rivolgono alla clientela, ponendosi prima come consulenti e, solamente dopo, come fornitori chiavi in mano di impianti correttamente dimensionati.

A cura della Segreteria di CNA SI