FOTOVOLTAICO


Prima di tutto rispondiamo a questa semplice domanda: perchè installare un impianto fotovoltaico?

- installare sul proprio tetto 8 metri quadri di pannelli fotovoltaici consente di abbattere per almeno 25 anni la propria spesa per l'energia elettrica.
- il costo dell'installazione oscilla intorno ai 9-10.000 euro, in altre parole pari al costo di una normale automobile utilitaria.
- con il Conto Energia è possibile produrre un reddito cedendo al Gestore della Rete Elettrica l'energia elettrica prodotta dai pannelli solari fotovoltaici.
- esistono agevolazioni regionali per ottenere finanziamenti agevolati e contributi pubblici per affrontare la spesa iniziale Detto questo, possiamo approfondire il tema e scoprire cosa sono i pannelli fotovoltaici e come producono energia elettrica mettendo a profitto la luce solare.
L'energia solare è una risorsa pulita e rinnovabile, indispensabile per la vita sulla terra.
Oggi consente di liberarci dal peso della bolletta dell'elettricità e migliorare la qualità di vita.

Come funziona un pannello fotovoltaico?
Alcuni materiali come il silicio possono produrre energia elettrica se irraggiati dalla luce solare. Una caratteristica fisica che ha consentito negli anni '50 la realizzazione della prima cella fotovoltaica della storia.
Lo stesso nome "fotovoltaico" esprime in sè tutto il significato della scoperta, "foto" deriva da "luce", "voltaico" deriva da Alessandro Volta, inventore della batteria.
Le celle fotovoltaiche collegate tra loro formano un "modulo", un insieme di moduli compone il pannello solare fotovoltaico da installare sui tetti, terreni o terrazzi, ovunque ci sia un irragiamento diretto dei raggi solari.
I pannelli fotovoltaici stanno ottenendo rapidamente il favore di consumatori e famiglie.
Il vantaggio è evidente, investendo in un impianto fotovoltaico casalingo si abbatte il costo dell'energia elettrica per almeno 25-30 anni. In Germania, e di recente anche in Italia con il Conto Energia, i proprietari dei pannelli solari fotovoltaici rivendono l'energia prodotta alle società elettriche ottenendo in cambio un reddito mensile aggiuntivo.
Come funziona un impianto fotovoltaico I materiali come il silicio possono produrre energia elettrica se irragiati dalla luce solare. Una caratteristica fisica che ha consentito negli anni '50 di realizzare la prima cella fotovoltaica della storia dell'uomo.
Lo stesso nome "fotovoltaico" esprime in sè tutto il significato della scoperta, foto = luce e voltaico = Alessandro Volta (inventore della batteria).
- I pannelli fotovoltaici sono installati sul tetto della propria abitazione o ovunque ci sia un'esposizione diretta ai raggi solari (es. terrazze, cortili, terreni ecc.).
- La luce solare è trasformata in energia elettrica alternata, usufruibile per tutte le normali attività domestiche.
- L'energia elettrica prodotta dai pannelli in eccesso, rispetto ai consumi, viene venduta alla società elettrica come credito da applicare sulla bolletta elettrica. Questo quadro si è ampliato radicalmente nel 2005, quando l'Italia ha approvato il primo "conto energia" in base al quale chiunque può rivendere l'energia prodotta dai pannelli solari ottenendo in cambio un reddito netto (profitto). Attualmente è concesso al massimo compensare il costo della propria bolletta elettrica.


Le celle fotovoltaiche collegate tra loro formano un modulo fotovoltaico in grado di trasformare la luce solare direttamente in energia elettrica. Un modulo è costituito da 36 celle poste in serie e consente di produrre una potenza di circa 50 Watt. Ogni singola cella fotovoltaica (FV) può produrre circa 1,5 Watt di potenza a una temperatura standard di 25°C.
L'energia prodotta dal modulo prende il nome di potenza di picco (Wp).
La modularità dei pannelli fotovoltaici consente una vasta flessibilità di impiego.
Le celle possono essere combinate in serie sulla base delle reali esigenze energetiche dell'utenza o sulle caratteristiche della superficie destinata all'impianto.
L'energia elettrica in uscita dal modulo viene passa per dispositivi balance of system per adattare la corrente e trasformarla in corrente alternata tramite il sistema di inverter.
L'energia così modificata è introdotta nella rete elettrica per alimentare il consumo di elettricità locale (sistemi isolati in case o imprese) o per essere computata a credito da uno speciale contatore del gestore della rete elettrica.

Come avviene la conversione della radiazione solare in energia elettrica.
Fin qui abbiamo descritto gli aspetti pratici. Facciamo adesso un passo indietro per descrivere gli elementi fisici che consentono il funzionamento di un pannello solare. Il flusso luminoso proveniente dal Sole (radiazione solare) investe il materiale semiconduttore del pannello solare, normalmente realizzato utilizzando il silicio. Gli atomi di silicio del pannello solare compongono un reticolato cristallino tridimensionale di forma tetraedrica in cui ognuno di essi mette in comune uno dei suoi quattro elettroni di valenza. L'elettrone in comune è quello con orbita più esterna mediante il quale avviene la conduzione elettrica. Gli altri tre elettroni con orbita più interna sono invece fortemente legati al nucleo dell'atomo e non partecipano alla conduzione. Allo stato normale gli elettroni esterni si trovano in una fase di valenza e non dispongono dell'energia sufficiente per condurre elettricità. Quando ciò si verifica l'elettrone passa dalla banda di valenza a quella di conduzione ed è libero di muoversi all'interno del reticolato grazie alla stretta vicinanza degli altri atomi di silicio. Nel passaggio di banda lascia dietro di sé una lacuna. Il movimento degli elettroni esterni in banda di conduzione e delle relative lacune continua fin quando è presente l'irraggiamento solare. Per una spiegazione più approfondita sul ruolo dei semiconduttori nelle celle solari dal punto di vista fisico rimandiamo alla pagina in questione, dove abbiamo illustrato il principio fisico in base al quale una cella solare produce energia elettrica quando è sollecitata dalla luce solare.


I SEMICONDUTTORI
La differenza con i materiali conduttori e isolanti. I materiali conduttori possiedono elettroni esterni appartenenti alla stato di valenza e di conduzione. Per questa ragione conducono ottimamente l'elettricità. Le due bande sono sostanzialmente sovrapposte. Al contrario, i materiali isolanti hanno la banda di conduzione molto distante da quella di valenza. Nei semiconduttori gli elettroni sono allo stato di valenza (come nei materiali isolanti) ma la distanza con la banda di conduzione è minima. E' quindi possibile che un elettrone esterno passi temporaneamente dalla banda di valenza a quella di conduzione. Ciò avviene quando l'elettrone è investito da un flusso luminoso in grado di liberare gli elettroni più esterni. Per ogni elettrone passato alla banda di conduzione si lascia libera una lacuna nella banda di valenza. Come l'elettrone nella banda di conduzione anche la lacuna tende a spostarsi nella banda di valenza per effetto del campo elettrico comportandosi come una carica positiva. Il fotovoltaico funziona anche di notte? Nelle giornate nuvolose e durante le ore notturne l'abitazione dotata di impianti fotovoltaici in rete non resterà mai al buio. L'uso dei pannelli fotovoltaici "in rete" non sostituisce il consumo della normale rete elettrica che continuerete normalmente a utilizzare.

Convenienza economica di un impianto Molti si domanderanno: "installare i pannelli solari fotovoltaici conviene oppure no?" Questa è la tipica e lecita domanda che ogni persona interessata al fotovoltaico si pone. Rispondiamo subito alla domanda in questo modo: "dipende dal quadro normativo". In breve, l'introduzione del conto energia consente di ammortizzare gli investimenti in pochi anni, si rinuncia a qualsiasi contributo iniziale all'acquisto ma si rivende l'energia elettrica prodotta a una tariffa incentivata.
La recente approvazione del Conto Energia ha reso conveniente realizzare un impianto fotovoltaico. Tralasciando l'aspetto normativo esistono diversi fattori fisici e geografici tali da determinare variazioni nei rendimenti dei pannelli solari fotovoltaici, ad esempio la latitudine. L'irraggiamento solare non è uguale ovunque. Si prenda come metro di confronto nord-centro-sud la seguente tabella tratta dal Ministero dell'Ambiente:

Elettricità prodotta KWh/anno da un impianto FV di 8 m²
Milano
1.167 kWh ogni anno
Roma
1.477 kWh ogni anno
Trapani
1.669 kWh ogni anno

Come interpretare la tabella: un impianto fotovoltaico di circa 8 m² installato su un'abitazione della provincia di Milano produce ogni anno 1.167 kWh ogni anno. Gli stessi 8 metri quadrati producono 1.477 kWh a Roma e 1.669 a Trapani. Detto questo cerchiamo adesso di spiegare come si arriva a questi risultati (fonte Ministero dell'Ambiente). Nella zona di Milano l'insolazione media annuale è di 1.372.4 kWh/m² anno. Considerando un abbattimento del 12,5% causato dall'efficienza dei moduli FV e una perdita del 85% dovuta al trasferimento dell'energia per l'uso domestico (cd BOS) si ottiene che per ogni metro quadro di pannelli solari fotovoltaici produce 146 kWh ogni anno.

Costi del fotovoltaico Il costo finale di un impianto fotovoltaico di medie dimensioni può oscillare da 5.000 euro in poi, in funzione delle esigenze di consumo energetico e dalle caratteristiche della propria abitazione.
Nel caso dei tetti piani, robusti e ben esposti alla luce solare il costo è notevolmente inferiore rispetto ai tetti inclinati o poco esposti. I costi sono legati anche al mercato.
Il fotovoltaico è un mercato nascente in forte crescita e i prezzi sono soggetti alle tipiche regole della concorrenza e della domanda. Finora la presenza di quadri normativi poco efficaci ha penalizzato la presenza di una stabile domanda di pannelli FV, spesso legata alla presenza di contributi regionali tramite periodici bandi di concorso. L'esiguità dei fondi per la concessione dei contributi e la burocrazia delle procedure hanno fatto il resto.
Con la recente decisione di introdurre il sistema del "conto energia" si prevede un rapido incremento della domanda. Il "conto energia", molto atteso anche dalle società di settore, favorirà anche l'accesso sul mercato da parte di nuove imprese competitors a tutto vantaggio della concorrenza.
E' pertanto consigliabile richiedere preventivi a più aziende specializzate prima di decidere a chi affidare l'installazione dell'impianto. Come per qualsiasi altro impianto domestico anche il costo di un impianto fotovoltaico si divide in:

1_Costi iniziali di investimento Realizzazione impianto, acquisto moduli e dispositivi.

2_Costi di esercizio La manutenzione annuale.

Per molti anni il costo dei pannelli solari stato molto elevato a causa della bassa scala del mercato e del quadro normativo inefficace. Molti analisti prevedono il boom commerciale del solare FV soltanto dopo l'approvazione della normativa sul conto energia.
I costi di manutenzione sono generalmente bassi e accessibili a tutti. Si consiglia di stipulare il contratti di assistenza con la ditta installatrice al momento dell'acquisto per ottenere ulteriori riduzioni nella spesa.
La durata media di un impianto fotovoltaico oscilla tra i 25 e i 30 anni. Durante l'intera vita dell'impianto eliminerete parzialmente o completamente i costi di erogazione dell'energia elettrica ottenendo anche dei surplus economici nel caso del "conto energia". I vantaggi economici sono quindi evidenti. I costi possono essere abbattuti usufruendo degli incentivi pubblici concessi per l'installazione dei pannelli fotovoltaici dalle Regioni o dallo Stato. In alcuni casi si può ottenere un contributo pari al 75% della spesa complessiva. Purtroppo i fondi pubblici si sono dimostrati inadeguati a coprire l'intera domanda e molti bandi di concorso regionali sono ormai scaduti.
Il futuro è nella politica delle tariffe incentivate.
Dal nostro punto di vista riteniamo preferibile un intervento pubblico sulle tariffe di acquisto agevolate dell'energia prodotta dai pannelli solari in conto energia piuttosto che una politica dei contributi basata su fondi pubblici limitati e accessibili a pochi. Le tariffe agevolate sarebbero applicabili a tutti gli acquirenti dei pannelli e consentirebbero al mercato del fotovoltaico di crescere rapidamente. Pertanto 8 m² di pannelli fotovoltaici sul proprio tetto producono approssimativamente 1.167 kWh ogni anno. Il proprietario dell'immobile dotato di pannelli fotovoltaici avrà un chiaro risparmio nel consumo domestico di energia elettrica.
Lo stesso metodo di calcolo può essere ripetuto per Roma e di Trapani. Nella zona di Roma l'insolazione annuale naturale media è pari a 1.737 kWh/m², nella zona di Trapani 1.963 kWh/m².
L'esposizione al sole della superficie destinata a ospitare i pannelli FV è un altro aspetto fondamentale. Per ottenere il massimo rendimenti i pannelli solari devono essere sottoposti a un irraggiamento diretto dai raggi solari. La robustezza e l'inclinazione del tetto sono un altro aspetto critico da considerare. Un tetto poco robusto o troppo inclinato potrebbe rendere impraticabile o troppo costosa l'installazione del sistema fotovoltaico. Gli impianti fotovoltaici.

Impianti fotovoltaici isolati o a rete
I sistemi solari fotovoltaici si dividono in:

Sistemi "stand alone" (isolati)
Questi sistemi FV non sono connessi alla rete elettrica pertanto non cedono l'energia prodotta in eccesso alla rete ma la accumulano in apposite batterie locali.
L'energia immagazzinata consentirà l'erogazione in un secondo tempo (es. illuminazioni stradali in zone di montagna). Questi sistemi hanno l'indubbio vantaggio di fornire energia elettrica in luoghi ancora scoperti dalla rete elettrica e risolvere quindi il problema delle utenze difficili (il cui costo sociale di allacciamento alla rete elettrica è elevato).
Vedi impianti fotovoltaici a isola.

Sistemi "grid connect" (connessi alla rete elettrica)
Questi sistemi hanno un collegamento diretto con rete elettrica e possono scambiare energia elettrica (es. vendendo alla rete nazionale l'energia prodotta in eccesso dai pannelli solari rispetto al consumo). In questi casi l'utenza può contare sia sull'energia elettrica prodotta dal pannello fotovoltaico sia dalla normale erogazione di energia della rete nazionale. Il costo finale in bolletta sarà il saldo algebrico tra i due flussi di energia. Gli impianni "grid connect" possono essere di piccole dimensioni (es. piccole utenze) o di grandi dimensioni (es. centrali fotovoltaiche).
Il principio di funzionamento è simile in entrambi i casi: l'energia elettrica prodotta dai pannelli solari ceduta direttamente alla rete elettrica nazionale e conteggiata a credito da uno speciale contatore del gestore della rete elettrica Efficienza dell'impianto fotovoltaico La produzione di energia tramite gli impianti fotovoltaici dipende da vari fattori:
- Superficie dell'impianto
L'inclinazione ideale dei pannelli solari rispetto al terreno è di 30°.
Per le altre pendenze la perdita oscilla dal -10% per inclinazioni orizzontali (tetto piano) e -35% per inclinazioni completamente verticali (pareti esterne).

- Posizione dei pannelli rispetto al sole
I pannelli devono essere esposti a sud per ricevere il max. irraggiamento solare.
Orientando i pannelli verso sud-est o verso sud-ovest si ottiene una perdita del -5%. E' importante anche correggere l'inclinazione in base alla propria latitudine. L'inclinazione dei pannelli deve essere aggiustata con angolo di inclinazione pari alla latitudine locale sottratta di 10° circa.

- Potenza della radiazione solare
L'energia solare irraggia diversamente una località del nord e del sud Italia.
Basti considerare i diversi valori di insolazione media di Milano (1372,4 kWh/m2 anno), di Roma (1737,4 kWh/m2 anno) e di Trapani (1963,7 kWh/m2 anno). Anche le caratteristiche morfologiche e atmosferiche della zona hanno un ruolo importante nel determinare la potenza della radiazione solare e la raccolta di energia fotovoltaica.

- Efficienza dei moduli FV
In condizioni "standard" d'insolazione (1000 W/m2, temperatura del modulo di 25°C) si stima che l'efficienza dei moduli fotovoltaici oscilli mediamente tra 10-12,5%.

- Efficienza del BOS
Per BOS si intende l'insieme dei dispositivi e dei componenti elettrici necessari per trasferire l'energia prodotta dai moduli fotovoltaici fino alla rete elettrica. Un valore dell'85% è generalmente considerato accettabile.

Es. dato il valore di insolazione media annua di Roma (1737.4 kWh/m² anno) 8 metri quadri di pannelli coprono una superficie potenziale di 1737.4 kWh x 8 = 13.899,2 kWh. L'efficienza dei moduli permetterà di convertirne il 10% in energia elettrica, ovvero 1.389 kWh. Considerando poi anche l'efficienza media del BOS pari al 85%, 1389 kWh x 85% otteniamo 1181 kWh. Complessivamente, 8 metri quadri di pannelli solari a Roma produrranno 1.181 kWh annuali di corrente alternata.

 
 
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