Impianto fotovoltaico

Nella disposizione in serie di due moduli fotovoltaici la differenza di potenziale raddoppia mentre l'intensità di corrente resta costante.

Definizione

Un impianto fotovoltaico utilizza l’energia solare per produrre energia elettrica.
Ne esistono due grandi tipologie:

gli impianti a isola (stand alone);
gli impianti collegati alla rete (grid connected).

Generalità

Gli impianti fotovoltaici sono costituiti da un numero variabile di pannelli fotovoltaici e da una serie di accessori, il più importante dei quali è probabilmente il BOS (Balance of System). Questo provvede al controllo e condizionamento della potenza, inseguendo istante per istante il punto di massima potenza. Quasi sempre esso comprende anche l’inverter per la trasformazione da corrente continua in corrente alternata.

Impianti a isola

Gli impianti a isola sono generalmente dotati di batterie di accumulo, quasi sempre (salvo i piccoli impianti) a piombo acido con una capacità proporzionata ai periodi per i quali si vuole soddisfare il carico elettrico in assenza o per una ridotta insolazione. La batteria di accumulo è uno dei punti deboli del sistema sia per motivi di dimensione e di costo che di vita utile, attualmente inferiore di circa 3 volte a quella dei pannelli fotovoltaici. Inoltre introduce delle penalità nell’impiego dell’energia elettrica prodotta sia perché restituisce una quota di energia di solito inferiore al 90% nella scarica rispetto al valore di carica che per l’effetto di autoscarica, per cui anche se non utilizzata perde una quota dell’energia immagazzinata non inferiore al 3% al mese, ma spesso più alta.

Impianti collegati

Gli impianti collegati alla rete non richiedono sistema di accumulo, dato che è la rete stessa a fornire l’energia mancante quando necessario e possono cedere energia alla rete. Sono sicuramente dotati di un convertitore (inverter) da corrente continua, che è il tipo di corrente prodotta dai pannelli fotovoltaici, a corrente alternata. Inoltre va previsto un adeguato sistema di contabilizzazione sia per l’energia in entrata che in uscita. Il dispositivo di interfaccia con la rete deve rispondere ai requisiti tecnici e di sicurezza previsti dal gestore della rete. L’impianto deve rispondere inoltre a criteri di sicurezza con collegamento a terra e, quando sia richiesta, ma comunque è sempre consigliata, di una protezione antifulmine LPS (Light Protection System).
I pannelli fotovoltaici vengono connessi in stringhe secondo la disposizione in serie e in parallelo.
Nella disposizione in serie la tensione è pari a quella di un singolo modulo moltiplicata per il numero dei moduli in serie, mentre la corrente è pari a quella che attraversa il singolo modulo. Nella disposizione in parallelo la tensione è pari a quella del singolo modulo, mentre la corrente è pari a quella del singolo modulo moltiplicata per il numero di moduli in parallelo.
I pannelli in parallelo devono prevedere dei fusibili di stringa in modo che se uno dei pannelli dovesse guastarsi, la corrente prodotta dagli altri provveda ad escludere la stringa con il pannello guasto dalla schiera: in caso contrario la corrente prodotta produrrebbe il danneggiamento di tutti i pannelli della stringa di cui fa parte il pannello guasto. Un diodo di stringa impedisce il passaggio di corrente inversa nella stringa eventualmente inattiva.
Gli inverter per la conversione da corrente continua o alternata possono essere di stringa o di modulo. L’inverter centralizzato è generalmente più efficiente. La minore efficienza degli inverter di pannello può essere compensata dal più preciso inseguimento del punto di massima potenza che viene allora selezionato pannello per pannello.

Campo fotovoltaico

Il campo fotovoltaico viene considerato secondo tre tipologie:

non integrato;
parzialmente integrato;
integrato.

L’impianto non integrato si ha quando i moduli sono disposti a terra, ovvero in modo non complanare alle superfici cui sono fissati. L’impianto parzialmente integrato si ha quando i moduli, non sostituendo i materiali di cui sono costituite le superfici di appoggio, sono installati su tetti piani e terrazze di edifici e fabbricati, ovvero in modo complanare alle superfici degli edifici cui sono fissati (tetti a falda, parapetti, facciate) ovvero agli elementi di arredo urbano e viario (coperture parcheggi, fermate autobus, ecc.). L’impianto integrato si ha quando i moduli sostituiscono il materiale di rivestimento di tetti, coperture, facciate di edifici e fabbricati , avendo quindi la stessa inclinazione e funzionalità architettonica, ovvero costituiscono la struttura di copertura di pensiline o tettoie, o sostituiscono la parte trasparente o semitrasparente di facciate o lucernari, garantendo l’illuminamento naturale degli ambienti interni. Sono considerati integrati anche i moduli che sostituiscono parte dei pannelli fonoassorbenti delle barriere acustiche.
Alcuni sistemi di incentivazione economica degli impianti fotovoltaici, come il conto energia, riconoscono un’incentivazione crescente, sotto forma di una più alta valutazione del kWh prodotto dall’impianto a seconda della tipologia di integrazione architettonica dell’impianto.
In ogni caso va tenuto presente che l’orientamento preferenziale delle schiere è a sud con un’inclinazione legata alla latitudine. Per la massima energia annuale prodotta l’inclinazione ottimale è di circa 15° inferiore alla latitudine della località. Data la disposizione della falda del tetto o della facciata dell’edificio va adeguatamente valutata quale penalità venga introdotta da una disposizione non ottimale delle schiere dei pannelli fotovoltaici.
Nella disposizione dei moduli a terra o su terrazza le stringhe sono disposte una dietro l’altra e vanno spaziate in maniera opportuna per limitare al minimo l’ombreggiamento di una schiera da parte di quella immediatamente anteriore. L’ombreggiamento è doppiamente dannoso: anzitutto riduce la radiazione disponibile per la conversione in energia elettrica, in secondo luogo le celle ombreggiate sono attraversate dalla corrente di quelle attive collegate in serie con esse. Questo potrebbe provocarne con il riscaldamento un guasto prematuro. Per questo motivo il pannello fotovoltaico prevede alcuni diodi di by pass la cui finalità è fornire un percorso alla corrente elettrica che eviti il passaggio attraverso le celle ombreggiate. Si noti che in questo modo non si perde solo la produzione delle celle in ombra, ma di tutte quelle poste in serie con esse nel percorso previsto dal diodo di by pass. Ben si comprende che particolare attenzione va posta anche nei confronti di ombre portate da ostacoli derivanti da edifici, piante od altri elementi che possano portare ombra alle stringhe dei pannelli fotovoltaici.
La spaziatura fra le schiere si calcola, fissando una percentuale di penalizzazione, generalmente di qualche % in corrispondenza al solstizio invernale. Si noti che solo una spaziatura infinita consente l’azzeramento delle ombre portate. Un controllo di solito soddisfacente è quello di ombra portata nulla a mezzogiorno del solstizio invernale.

Dimensioni dell’impianto fotovoltaico

Le dimensioni dell’impianto fotovoltaico dipendono dall’efficienza dei pannelli e dalla potenza di picco richiesta. Con gli attuali moduli commerciali con celle in silicio mono o policristallino sono necessari orientativamente 8 m²/kWp con valori più elevati per celle di minore efficienza. Ad esempio possono essere necessari fino a 20 m²/kWp per celle in silicio amorfo con le attuali prestazioni. La produttività di un impianto fotovoltaico dipende dalla località in cui è posizionato e dalla sua orientazione. Per l’impianto a isola è legato anche alla capacità di accumulo e all’andamento della richiesta elettrica. Per l’impianto connesso alla rete con orientamento ottimale si possono avere in linea di massima 1200 kWhe/kWp nell’Italia settentrionale, 1500 nell’Italia centrale e 1700 nell’Italia meridionale.
È possibile realizzare anche dei moduli fotovoltaici a inseguimento di solito con movimentazione est-ovest secondo un asse polare: la radiazione intercettata può aumentare del 30-40%.