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Come funziona un impianto fotovoltaico?

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Tutto quello che c’è da sapere sui pannelli fotovoltaici e gli altri componenti di un impianto

L’installazione di un impianto fotovoltaico è una soluzione che le famiglie e le imprese prendono in considerazione con crescente interesse. Ecco una guida per chi vuole sapere cos’è l’effetto fotovoltaico, come sono fatti i pannelli, cosa sono gli ottimizzatori e a cosa serve l’inverter.

EFFETTO FOTOVOLTAICO: COME VIENE TRASFORMATA L'ENERGIA SOLARE IN ENERGIA ELETTRICA?

Quando parliamo di fonti rinnovabili per la produzione di energia elettrica, il fotovoltaico gioca un ruolo di primo piano. Si tratta di un sistema che è in grado di sfruttare la luce del sole per produrre energia elettrica, in assenza di emissioni inquinanti e con buoni livelli di efficienza. Per spiegare in termini semplici come funzionano i pannelli solari si deve iniziare col dire che sono composti da una serie di celle fotovoltaiche. Le celle hanno la funzione di catturare la radiazione elettromagnetica che le colpisce (fotoni) per trasformarla in elettricità. A rendere possibile la produzione di energia elettrica è il cosiddetto “effetto fotovoltaico”, in base al quale la luce solare induce la stimolazione degli elettroni presenti nel silicio cristallino di cui sono composte le singole celle solari. In pratica, colpendo il pannello, la luce solare trasferisce energia agli elettroni nelle celle, che iniziano ad “agitarsi” all’interno di un circuito, producendo così corrente elettrica.
Per passare dalla corrente continua prodotta dal modulo solare alla corrente alternata utilizzabile negli impianti elettrici di case e imprese, il flusso deve poi essere convogliato in un inverter, che renderà così possibile immettere l’energia prodotta nelle reti di distribuzione.

Un impianto fotovoltaico, a prescindere dalle sue dimensioni o dalla sua potenza, è costituito da alcuni elementi fondamentali:

  • Campo fotovoltaico, cioè l’insieme dei moduli fotovoltaici dell’impianto
  • Inverter
  • Contatore di produzione
  • Contatore bi-direzionale

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PANNELLI FOTOVOLTAICI: MISURARE L'EFFICIENZA

I pannelli montati sui tetti o sul lastrico solare sono composti da celle fotovoltaiche che trasformano la luce solare in energia elettrica. La parte più importante di ogni cella fotovoltaica è il “silicio di grado solare”, ovvero il semiconduttore utilizzato nelle celle solari per produrre energia pulita: è un materiale che non esiste in natura allo stato puro, e che per avere le caratteristiche necessarie all’utilizzo nei pannelli, deve essere trattato con una serie di processi complessi fino ad arrivare al grado di purezza del 99,9%. Solo in queste condizioni diventa un semiconduttore. Quando viene stimolato dall’energia elettromagnetica prodotta dalla luce solare, gli elettroni iniziano a muoversi al suo interno, grazie al fatto che si creano differenze di cariche negli strati della cella che a loro volta scatenano la produzione di un campo elettrico.

I pannelli fotovoltaici oggi sul mercato sono essenzialmente di tre tipi:

  1. pannelli fotovoltaici monocristallini
  2. pannelli fotovoltaici policristallini
  3. pannelli fotovoltaici a film sottile

I pannelli in silicio monocristallino e policristallino hanno una perdita di efficienza che oscilla tra lo 0,25% e l’1% l’anno.
Il punto di forza dei moduli a film sottile, invece, è che sono meno costosi e più versatili dei precedenti, adattabili cioè grazie a una certa flessibilità a forme diverse da una superficie piatta. Sono inoltre più performanti degli altri in situazioni di luce diffusa e di alte temperature.
Ma la differenza principale tra questi tipi di pannelli sta nell’efficienza, nel rapporto cioè tra potenza prodotta e superficie occupata dall’impianto o, per dirla diversamente, nella superficie (in metri quadri) di pannelli necessaria per ottenere la stessa potenza.
Ad esempio per ottenere un kW di potenza di picco sarà necessaria una superficie di:

  • 6 mq (circa) di pannelli monocristallini, 
  • 8 mq (circa) di pannelli policristallini, 
  • 20 mq (circa) di pannelli a film sottile.

L’INVERTER

L’inverter ha il compito di trasformare la corrente continua in corrente alternata. Tra le sue funzioni c’è anche quella di regolare il “punto di funzionamento ideale” (MPPT) dell’impianto, per estrarre in tempo reale la massima potenza disponibile dai moduli fotovoltaici.

Con l'evoluzione della tecnologia, sono arrivati sul mercato inverter sempre più smart, che riescono a integrare le funzioni di monitoraggio dell’impianto.

Negli impianti dotati di sistemi di accumulo, l’inverter è inoltre collegato con i sistemi di stoccaggio dell’elettricità, come le batterie al litio, che rendono possibile l’utilizzo dell’energia prodotta dai pannelli anche “in differita”, ad esempio per poter caricare nelle ore notturne le batterie di un’auto elettrica.

GLI OTTIMIZZATORI

Come dicevamo, oltre a trasformare la corrente continua in alternata, gli inverter possono anche regolare i parametri necessari per ottenere sempre il massimo dai pannelli man mano che cambiano le condizioni di luce, inseguendo il cosiddetto punto di lavoro ottimale (MPPT Maximum Power Point Tracker). Il limite di questa tecnologia, quando viene “affidata” agli inverter, è però che la resa di un singolo pannello può influenzare in negativo quella di una parte dell'impianto. Basti pensare alla presenza di ombre permanenti sui pannelli (ad es. camini, alberi, antenne) o al malfunzionamento di un singolo pannello. 

impianto-fotovoltaico-casa-inverter-ottimizzatore.jpg

Per ovviare a questo inconveniente sono sempre più diffusi e utilizzati gli ottimizzatori, dei piccoli apparecchi che vengono applicati dietro a ogni pannello, che registrano i dati di produzione di ogni singolo pannello e ne garantiscono il rendimento al massimo delle proprie potenzialità; in questo modo tutto l’impianto guadagnerà in efficienza.
Tra i principali vantaggi di un impianto con ottimizzatori c’è quindi una maggiore:

  • precisione dei dati di monitoraggio, quindi di diagnostica nel caso di malfunzionamenti o necessità di manutenzione,
  • efficienza, soprattutto nei casi in cui sui pannelli siano presenti ombre permanenti o siano esposti diversamente tra loro alla luce del sole.

I CAVI E I CABLAGGI PER IL FOTOVOLTAICO

Per gli impianti fotovoltaici vengono nella maggior parte utilizzati cavi in rame e in alluminio: devono poter funzionare correttamente anche a temperature tra i 70 e gli 80 gradi centigradi, e per questo devono essere isolati in gomma e non in pvc che ha una minore resistenza alle alte temperature. La sezione dei cavi ovviamente dipende dalle caratteristiche dell’impianto.

IL CONTATORE CHE MISURA L'ENERGIA PRODOTTA 

Il contatore di produzione è il dispositivo che misura il totale dell’energia prodotta da un impianto fotovoltaico, sia quella utilizzata dall’utente per l’autoconsumo sia quella che viene immessa in rete, senza distinguere tra le due destinazioni. Nel caso di autoconsumo istantaneo, l’energia viene assorbita direttamente dall’utenza domestica collegata, viceversa l’energia prodotta entra nel secondo contatore (il contatore bi-direzionale) per essere immessa in rete.

IL CONTATORE CHE MISURA L'ENERGIA IMMESSA IN RETE E QUELLA CONSUMATA

È il cosiddetto contatore bi-direzionale: ha il compito di misurare l’energia che l’impianto fotovoltaico immette in rete e quella che l’utente preleva dalla rete elettrica. Si tratta dell’ultimo punto di passaggio dell’energia non autoconsumata prima che venga immessa in rete.

Questi dati sono fondamentali per accedere al meccanismo di “rimborso/compensazione” dell'energia elettrica immessa in rete, il cosiddetto scambio sul posto.