Descrizione Impianto Fotovoltaico
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L’impianto fotovoltaico utilizza la radiazione solare per produrre energia elettrica. Il sistema è composto dai seguenti componenti principali:
LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA
Tecnologia Fotovoltaica. Sviluppata alla fine degli anni 50 nell'ambito dei programmi spaziali, per i quali occorreva disporre di una fonte di energia affidabile ed inesauribile, la tecnologia fotovoltaica (FV) si va oggi diffondendo molto rapidamente anche per applicazioni terrestri, come l'alimentazione di utenze isolate o gli impianti installati sugli edifici e collegati ad una rete elettrica preesistente. Il funzionamento dei dispositivi fotovoltaici si basa sulla capacità di alcuni materiali semiconduttori, opportunamente trattati, di convertire l'energia della radiazione solare in energia elettrica in corrente continua senza bisogno di parti meccaniche in movimento. Il materiale semiconduttore quasi universalmente impiegato oggi a tale scopo è il silicio. Il componente base di un impianto FV è la cella fotovoltaica, che è in grado di produrre circa 1,5 Watt di potenza in condizioni standard, vale a dire quando essa si trova ad una temperatura di 25 °C ed è sottoposta ad una potenza della radiazione pari a 1000 W/m². La potenza in uscita da un dispositivo FV quando esso lavora in condizioni standard prende il nome di potenza di picco (Wp) ed è un valore che viene usato come riferimento. L'output elettrico reale in esercizio è in realtà minore del valore di picco a causa delle temperature più elevate e dei valori più bassi della radiazione. Più celle assemblate e collegate tra di loro in una unica struttura formano il modulo fotovoltaico. Il modulo fotovoltaico. Il modulo fotovoltaico è il componente elementare dei sistemi fotovoltaici ed è ottenuto dalla connessione elettrica in serie di più celle in silicio cristallino. I moduli FV più comuni sono costituiti da 36 celle connesse in serie, assemblate fra uno strato superiore di vetro ed uno strato inferiore di materiale plastico (Tedlar) e racchiuse da una cornice di alluminio. Nella parte posteriore del modulo è collocata una scatola di giunzione in cui vengono alloggiati i diodi di by-pass ed i contatti elettrici. Il modulo fotovoltaico ha una dimensione di circa mezzo metro quadro e produce 40 - 50 Watt di potenza. Un metro quadrato di moduli, in una tipica zona dell'Italia meridionale, produce un'energia media giornaliera pari a 0,2 - 0,3 chilowattora nel periodo invernale e a 0,5 - 0,6 chilowattora in quello estivo. Il modulo fotovoltaico è una struttura robusta in grado di garantire molti anni di funzionamento Il modulo FV tradizionale è costituito dal collegamento in serie di 36 celle, per ottenere una potenza in uscita pari a circa 50 Watt, ma oggi, soprattutto per esigenza architettoniche, i produttori mettono sul mercato moduli costituiti da un numero di celle molto più alto e di conseguenza di più elevata potenza, anche fino a 200 Watt per ogni singolo modulo. A seconda della tensione necessaria all'alimentazione delle utenze elettriche, più moduli possono poi essere collegati in serie in una "stringa". La potenza elettrica richiesta determina poi il numero di stringhe da collegare in parallelo per realizzare finalmente un generatore fotovoltaico. Il trasferimento dell'energia dal sistema fotovoltaico all'utenza avviene attraverso ulteriori dispositivi, necessari per trasformare ed adattare la corrente continua prodotta dai moduli alle esigenze dell'utenza finale. Il complesso di tali dispositivi prende il nome di BOS (Balance of System). Un componente essenziale del BOS, se le utenze devono essere alimentate in corrente alternata, è l'inverter, dispositivo che converte la corrente continua in uscita dal generatore FV in corrente alternata. Il generatore fotovoltaico è il cuore del sistema in tutte le configurazioni descritte; produce corrente a tensione continua (per il collegamento in rete è necessario trasformare la tensione continua in alternata). Un generatore fotovoltaico comprende una gran varietà di componenti tra cui: - i moduli FV - le strutture portanti e i materiali di fissaggio - diodi di bypass e diodi di blocco - fusibili, sistemi di protezione da sovraccarico (parafulmine) - interruttori, cavi e scatola di giunzione L'energia elettrica prodotta in corrente continua prodotta dal generatore viene convertita in corrente alternata da un inverter. L'energia prodotta viene consumata dall'utenza elettrica o scambiata con la rete elettrica locale o nazionale grazie ad un sistema di contatori. Posizione dei moduli FV nello spazio (angolo di inclinazione rispetto all'orizzontale ed angolo di orientamento rispetto al Sud). La posizione dei moduli fotovoltaici rispetto al sole influisce notevolmente sulla quantità di energia captata e quindi sulla quantità di energia elettrica generata. I parametri che direttamente influiscono sul fenomeno sono: - angolo di inclinazione rispetto al terreno (angolo di tilt) - angolo di azimut La produzione di energia elettrica su base media annua nell'emisfero Nord è massima per l'esposizione Sud con angolo di inclinazione pari alla latitudine locale sottratta di 10° circa. Consideriamo l'influenza dell'angolo di inclinazione (tilt) sulla radiazione incidente di un sistema, rivolto a Sud, che si trovi a Milano, Roma oppure Trapani. Il valore della radiazione incidente è quello giornaliero medio annuo. Rispetto pertanto alla soluzione ottimale con inclinazione di 30° il sistema fotovoltaico perde circa il 10-12% nell'applicazione su superficie orizzontale e ben il 35% nell'applicazione su facciata verticale. L'influenza dell'angolo di azimut è invece minore. In un intervallo di angoli di azimut compresi tra -45°e + 45° rispetto al Sud (angolo di azimut compreso tra sud-est e sud-ovest) i valori della radiazione incidente non si discostano significativamente dal valore massimo. Orientando infatti i sistemi fotovoltaici a Sud-Est oppure a Sud-Ovest si avrebbe una perdita pari a solo il 5%. Efficienza dei moduli FV. L'efficienza di trasformazione dell'energia solare in energia elettrica è data dal rapporto tra la potenza elettrica in uscita e la potenza della radiazione solare incidente. Ovviamente entrambe cambiano in funzione delle condizioni di irraggiamento solare. Come riferimento, si usano le condizioni standard di insolazione (potenza della radiazione incidente pari a 1000W/m², temperatura del modulo di 25 °C). Se si indicano con h l'efficienza, A l'area del modulo, Pel la potenza elettrica generata dal modulo FV e con PSTC la potenza luminosa irraggiante il modulo stesso in condizioni standard (STC) si può scrivere la relazione. hSTC =Pel / PSTC * A Ad esempio, un modulo con un'efficienza del 10% genera, in condizioni standard, una potenza elettrica (corrente continua) ai suoi morsetti di 100 Watt; 10 metri quadrati di moduli forniscono 1 kWp di potenza elettrica. Un modulo con un efficienza del 12,5 % genera in condizioni standard una potenza elettrica di 125 Watt. In questo caso per produrre 1 kWp sono necessari 8 metri quadrati di moduli. Efficienza del BOS. L'efficienza d'impianto è influenzata in maniera consistente dai componenti elettrici necessari per il trasferimento dell'energia prodotta dal modulo fotovoltaico all'utenza. Si parla in termini tecnici di efficienza del BOS. Un valore dell'85% è generalmente considerato accettabile. Il dispositivo che causa la riduzione della potenza effettivamente utilizzabile all'utenza è l'inverter. Applicazioni. Data la loro modularità, i sistemi fotovoltaici presentano una estrema flessibilità di impiego. La principale classificazione dei sistemi fotovoltaici divide i sistemi in base alla loro configurazione elettrica rispettivamente in: - sistemi autonomi (“stand alone”) - sistemi connessi alla rete elettrica (“grid connected”) Sistemi autonomi. I sistemi autonomi (stand-alone) vengono normalmente utilizzati per elettrificare le utenze difficilmente collegabili alla rete perché ubicate in aree poco accessibili, e per quelle con bassissimi consumi di energia che non rendono conveniente il costo dell'allacciamento. Tale tipo di sistema è caratterizzato dalla necessità di coprire la totalità della domanda energetica dell'utenza. Gli elementi che costituiscono un sistema fotovoltaico autonomo sono i moduli fotovoltaici, il sistema di accumulo (batterie) ed il regolatore di carica. Essendo la corrente generata dal sistema fotovoltaico una corrente continua, se il carico prevede l'utilizzo di apparecchiature che richiedono corrente alternata, diventa necessario l'inserimento anche un convertitore c.c./a.c. (inverter). Le batterie accumulano l'energia elettrica prodotta dai moduli FV e consentono di differire nel tempo l'erogazione di corrente al carico. In sostanza garantiscono l'erogazione di energia elettrica anche nelle ore di minore illuminazione o di buio. Il regolatore di carica è l'elemento che regola i passaggi di corrente tra moduli e batterie e tra batterie e carico. La sua funzione principale è quella di proteggere le batterie da fenomeni di carica e scarica profonda. Sistemi connessi alla rete elettrica. I sistemi fotovoltaici connessi alla rete possono scambiare energia elettrica con la rete elettrica locale o nazionale. Il principio della connessione alla rete è quello dello scambio in due direzioni di energia elettrica: se la produzione del campo FV eccede per un certo periodo il consumo, l'eccedenza viene inviata alla rete. Nelle ore in cui il generatore non fornisce energia elettrica sufficiente per soddisfare il carico, l'elettricità è acquisita dalla rete. Questo meccanismo è reso possibile dalla presenza di due contatori che contabilizzano l'energia scambiata nelle due direzioni. I sistemi connessi alla rete elettrica si dividono a loro volta in: - centrali fotovoltaiche - sistemi integrati negli edifici Centrali fotovoltaiche. Le centrali fotovoltaiche sono tipicamente costituite da centinaia o migliaia di moduli fotovoltaici di grandi dimensioni connessi in serie/parallelo, installati a terra su strutture in cemento armato e acciaio. Con gli attuali valori dell'efficienza di trasformazione dell'energia solare in elettrica, una centrale da un megawatt, capace di fornire energia ad un migliaio di utenti, si estenderebbe su un'area grande come quattro campi di calcio. L'impegno del territorio è dovuto per metà dalle aree effettivamente occupate dai moduli fotovoltaici, e per l'altra metà dalle aree necessarie per evitare l'ombreggiamento reciproco delle file di moduli. Sistemi integrati negli edifici. I sistemi fotovoltaici godono dal punto di vista architettonico di una serie di prerogative che li rendono unici per l'applicazione architettonica in ambiente urbano. Impianti FV sono stati installati su qualunque superficie ed hanno dimostrato una ottima adattabilità a diverse tipologie di edificio. Gli interventi di integrazione architettonica si distinguono prima di tutto a seconda del tipo di superficie dell'edificio utilizzata per l'impianto (tetto piano, tetto inclinato, facciata). Inoltre si distingue tra sistemi fotovoltaici retrofit, che vengono applicati in contesti edilizi già esistenti, e sistemi fotovoltaici integrati già dalla fase di progettazione dell'edificio. Per quanto riguarda l'applicazione su tetti piani esistono già varie tipologie d'impianto e sono prevalentemente applicazioni retrofit. Avendo a disposizione delle superfici piane si può facilmente provvedere ad inclinare ed orientare nel miglior modo possibile il sistema fotovoltaico sostenendolo con strutture di supporto studiate a seconda dell'applicazione. Nel caso di tetti inclinati sono sicuramente necessari sforzi ulteriori per trovare un componente architettonico valido per le tipologie edilizie italiane. In particolare, notevoli sforzi sono dedicati allo sviluppo di una vera e propria "tegola fotovoltaica". Tra le sue diverse prerogative, la tegola fotovoltaica consente al progettista di effettuare un intervento sul costruito con un livello di integrazione estetica simile a quello di un sistema integrato in fase di costruzione dell'edificio. Per le facciate le applicazioni fotovoltaiche dovrebbero essere prese in considerazione già nella fase di progettazione dell'edificio in quanto parametri quali l'orientamento e l'inclinazione risultano predefiniti. Vantaggi. I vantaggi dei sistemi fotovoltaici sono la modularità, le esigenze di manutenzione ridotte (dovute all'assenza di parti in movimento), la semplicità d'utilizzo, e, soprattutto, un impatto ambientale estremamente basso. In particolare, durante la fase di esercizio, l'unico vero impatto ambientale è rappresentato dall'occupazione di superficie. Tali caratteristiche rendono la tecnologia fotovoltaica particolarmente adatta all'integrazione negli edifici in ambiente urbano. In questo caso, infatti, sfruttando superfici già utilizzate, si elimina anche l'unico impatto ambientale in fase di esercizio di questa tecnologia. I benefici ambientali ottenibili dall'adozione di sistemi FV sono proporzionali alla quantità di energia prodotta, supponendo che questa vada a sostituire dell'energia altrimenti fornita da fonti convenzionali. Per produrre un chilowattora elettrico vengono bruciati mediamente l'equivalente di 2,56 kWh sotto forma di combustibili fossili e di conseguenza emessi nell'aria circa 0,53 kg di anidride carbonica (fattore di emissione del mix elettrico italiano alla distribuzione). Si può dire quindi che ogni kWh prodotto dal sistema fotovoltaico evita l'emissione di 0,53 kg di anidride carbonica. Questo ragionamento può essere ripetuto per tutte le tipologie di inquinanti. Per quantificare il beneficio che tale sostituzione ha sull'ambiente è opportuno riferirsi ad un esempio pratico. Si considerino degli impianti fotovoltaici installati sui tetti di abitazioni a Milano, Roma e Trapani con una potenza di picco di 1 kWp (orientati a Sud con inclinazione 30°). L'emissione di anidride carbonica evitata in un anno si calcola moltiplicando il valore dell'energia elettrica prodotta dai sistemi per il fattore di emissione del mix elettrico. Per stimare l'emissione evitata nel tempo di vita dall'impianto è sufficiente moltiplicare le emissioni evitate annue per i 30 anni di vita stimata degli impianti.
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