Fotovoltaico

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Per Fotovoltaico, si intende quella tecnologia che consente di trasformare la luce solare direttamente in energia elettrica senza l'intervento di meccanismi in movimento.
Questa sfrutta l'effetto fotovoltaico che, a sua volta, si basa sulle proprietà di alcuni semiconduttori, come il silicio, che hanno caratteristiche sia di conduttore che di isolante elettrico e che sono in grado di generare elettricità a contatto con la luce del sole.

La storia:

Nonostante la scoperta dell'effetto fotovoltaico avvenne già nel 1839, le prime applicazioni pratiche si ebbero solo negli anni '50.
Il primo vero e proprio modello di impianto fotovoltaico, venne sviluppato per i primi satelliti messi in orbita in quegli anni, grazie allo sviluppo di celle solari ad alto rendimento, che andavano a sostituire le normali pile.
Questo per gli enormi vantaggi che comportava, come l'inesauribilità della fonte da cui traeva energia, ovvero il sole, la non produzione di scorie, l'assoluta assenza di manutenzione dei componenti e l'alta affidabilità dovuta alla mancanza di parti in movimento.

Il funzionamento:

Il principio su cui si basa il funzionamento dei dispositivi fotovoltaici, è relativo alla capacità di alcuni materiali semiconduttori di convertire l'energia solare in elettricità, se opportunamente trattati e senza la necessità di meccanismi in movimento.
A tale scopo, il materiale universalmente utilizzato è il silicio.
La cellula fotovoltaica, è, invece, la componente di base di un impianto fotovoltaico.
Questa è in grado di produrre, in condizioni standard, 1,5 Watt di potenza, detta potenza di picco (WP).
In realtà, l'output elettrico reale in esercizio, è minore del valore di picco, a causa delle alte temperature e dei valori più bassi della radiazione solare, dunque, da qui, la necessità di avere più celle assemblate e collegate fra loro in un'unica struttura, per costituire il modulo fotovoltaico.

Come si produce un modulo solare:

Le cellule fotovoltaiche sono costituite principalmente di silicio, l'elemento più diffuso in natura dopo l'ossigeno, che non si trova in forma pura, ma unito ad altri elementi.
Per la produzione di celle, questo deve essere purissimo.
Ed è da qui che nasce il processo più impegnativo e dispendioso, la purificazione del silicio.
Dalle barre di silicio puro, vengono poi tagliati dei dischetti finissimi, che successivamente, vengono lisciati, o tramite levigatura o tramite trattamento con acido.
Altro metodo usato per raggiungere il medesimo risultato, è quello che prevede di ricoprire una piastra di vetro, attraverso spruzzamento catodico, con atomi di silicio, ottenendo così il cosiddetto silicio amorfo.
Poi c'è la drogatura, che invece consiste nell'aggiunta di atomi estranei ai dischetti, che cosí trattati, possono già far parte della cella, in quanto in questo stato, possiede già le proprietà di semiconduttore necessarie per far funzionare il principio.
Le celle fotovoltaiche, per raggiungere la potenza desiderata e per essere protette dai fattori atmosferici, vengono poi collegate elettricamente, inserite in un telaio metallico e protette da una lastra di vetro.

I vari tipi di celle:

Le celle fotovoltaiche si distinguono in base al loro processo di produzione.
Si avranno dunque:

• Celle monocristalline: quando si taglia una barra monoscristallina, che ha un alto rendimento, che può arrivare fino al 16%.
Questo tipo di celle è costoso a causa del complicato processo di produzione e sono caratterizzate da una colorazione blu.

• Celle poli ( o multi) cristalline: quando vengono colate in blocchi e poi tagliate a dischetti.
Hanno un rendimento minore, dunque un costo minore e sono riconoscibili in base al particolare disegno, dato dai vari cristalli contenuti.

• Celle amorfe: queste si hanno tramite lo spruzzamento catodico di atomi di silicio su una piastra di vetro, hanno un rendimento minore, ma è il tipo di irradiamento più diffuso.
Le celle così prodotte, sono di colore scuro e possono essere realizzate in ogni forma geometrica.

Il mercato ed le applicazioni future del fotovoltaico:

Il mercato fotovoltaico mondiale, negli ultimi anni, ha subito una notevole impennata e questo è stato possibile grazie al contemporaneo sviluppo di due tipi di impianti, quelli isolati e quelli integrati alla rete elettrica.
Gli incrementi di potenza maggiori si sono avuti, in principio, in Giappone, Stati Uniti e Germania, dove lo stato ha incentivato l'installazione degli impianti fotovoltaici e in alcuni casi, ha persino comprato l'energia prodotta in eccesso, riversandola poi in rete, a prezzi maggiorati rispetto ai normali di vendita dell'elettricità tradizionale.

Nel nostro paese, il processo è stato molto più lento.
Dopo un iniziale fermento negli anni '90, quando l'ENEL ha installato diverse centrali fotovoltaiche sul territorio, il mercato ha subito uno stallo, dovuto sopratutto all'assenza di tariffe incentivanti.
Questo fino al 2001, quando si è dato vita al Programma Tetti Fotovoltaici, che ha accelerato l'espansione del fotovoltaico in Italia e successivamente con un decreto, denominato Conto Energia, che prevede un sistema di incentivazione per la costruzione degli impianti fotovoltaici a tassi di redditività maggiori di quelli degli strumenti finanziari classici.

I vantaggi e gli svantaggi:

Il fotovoltaico, ha enormi vantaggi come: avere la sua fonte nel sole, la cui energia è inesauribile e sopratutto gratuita, non esistono limiti nè di grandezza per gli impianti fotovoltaici come per le centrali nucleari, nè rischi per la vita umana, essendo poi il prezzo di acquisto ancora elevato, con gli incentivi del Conto Energia si può beneficiare di molti vantaggi, non c'è necessità di particolare manutenzione e la durata è elevata, il sistema è decentralizzato, quindi in caso di crisi energetica questi rimangono indipendenti e sopratutto si produce energia pulita che non danneggia l'ambiente.
Lo svantaggio, d'altro canto è solo uno, la grandezza, ma alla fine dei conti, è più o meno uguale a quella di una normale centrale elettrica.

I principi del fotovoltaico:

1) L'irradiamento:

Il sole emette una potenza continua di 175 miliardi di megawatt, di cui solo 1350W/m², circa, raggiungono l’atmosfera terrestre.
A causa di questa dispersione, la superficie terrestre viene raggiunta da 1000W/m² in media.
Questo valore è quello usato come riferimento per la massima potenza di irradiamento ed è possibile solo in caso di giornate con cielo sereno.
I moduli solari, non riescono a trasformare tutta la energia di irradiamento in energia elettrica, in quanto permettono, a seconda del tipo, di raggiungere dei rendimenti dal 3% al 16%.

2) Potenzialità del fotovoltaico:

La quantità di energia creata da un impianto fotovoltaico, dipende da: superficie dell'impianto, efficienza e posizione dei moduli nello spazio, valori di irradiazione solare nel sito in cui è installato e altri, vari, parametri come la temperatura di funzione.

3)L’orientamento e l’inclinazione dei moduli

La posizione in cui moduli fotovoltaici si trovano rispetto al sole, ha una notevole influenza sulla quantità di energia che l'impianto può catturare e produrre.
I parametri che influiscono su questo sono essenzialmente due: l'angolo di tilt, e l'angolo di azimut.
In particolare, l'angolo di tilt è l'angolo d'inclinazione dei moduli fotovoltaici rispetto al suolo, il cui valore ideale varia in funzione della latitudine e indicativamente, è pari alla latitudine stessa meno 15°, quando i moduli fotovoltaici sono posizionati orizzontalmente, si ha una perdita di energia pari al 10-12% e del 35% quando sono posizionati verticalmente.
Mentre l'angolo di azimut, è la deviazione angolare verso Sud-Est o verso Sud- Ovest, se questo è contenuto entro i 45° non si hanno significative perdite rispetto l'azimut zero.

I tipi di impianti fotovoltaici:

Gli impianti fotovoltaici si classificano in:

• Ad alimentazione diretta: dove l’apparecchio da alimentare è collegato direttamente al modulo fotovoltaico con il grande svantaggio di non funzionare in assenza di sole.
Viene usato per piccole utenze come radio, piccole pompe, calcolatrici tascabili, eccetera.

• Funzionamento ad isola: qui il modulo va ad alimentare uno o più apparecchi elettrici e l'energia non utilizzata, va a caricare gli accumulatori.
Se aumenta il fabbisogno o il modulo non funziona, viene utilizzata l’energia immagazzinata negli accumulatori.
Questi sono tipici delle zone non raggiunte dalla rete di distribuzione elettrica

• Funzionamento a immissione in rete: qui il modulo solare va ad alimentare le apparecchiature elettriche ad esso collegate e l'energia non utilizzata viene immessa nella rete pubblica.
Il gestore di un impianto di questo tipo, va dunque a fornire energia eccedente al resto degli utenti collegati alla medesima rete e nelle ore serali e di notte, la corrente può essere nuovamente prelevata dalla rete pubblica.
Si può applicare ad abitazioni, uffici, stabilimenti industriali, officine, banche, scuole, edifici pubblici, eccetera.

Le dimensioni dell'impianto:

Calcolare le dimensioni adatte di un impianto fotovoltaico non è facile in quanto vi rientrano molteplici fattori che sono:
• la latitudine
• la durata e l'intensità dell'irradiamento solare
• la temperatura ambientale media
• la superficie a disposizione
• il fabbisogno energetico degli apparecchi allacciati
• le diverse esigenze dei moduli solari e dell’elettronica.
• la progettazione deve essere eseguita da un esperto.

Un cenno particolare va fatto, inoltre, in merito all’efficienza.
L’efficienza, ossia come l'energia solare viene trasformata in quella elettrica, è data dal rapporto tra potenza elettrica in uscita e potenza della radiazione solare incidente, che variano a seconda dell'irraggiamento solare.
Come riferimento, vengono usate le condizioni standard di insolazione, cioè potenza della radiazione incidente pari a 1000W/m² e modulo a temperatura di 25 °C.
Essa è influenzata anche dai componenti elettrici necessari al trasferimento dell’energia prodotta dal modulo fotovoltaico all’utenza, in questo caso, in termini tecnici, si parla di efficienza del BOS, che deve avere un valore corrispondente all'85% per essere accettabile.
Il dispositivo per ridurre la potenza effettivamente utilizzabile è detto inverter.

I componenti di un impianto fotovoltaico a seconda del tipo:

Impianti ad isola:

Gli impianti fotovoltaici ad isola sono indipendenti dalla rete elettrica pubblica.
Dunque sono impiegati principalmente per l’alimentare zone isolate.
Per poter avere elettricità anche durante le ore notturne, l’energia fornita di giorno viene immagazzinata tramite degli accumulatori.
L'impianto fotovoltaico ad isola è costituito da :
1) un campo fotovoltaico: che trasforma l'energia solare in energia elettrica e per avere più potenza, vengono collegati tra loro diversi pannelli.
2) un regolatore di carica: che va a regolare la ricarica e la scarica degli accumulatori.
Interrompe la ricarica ad accumulatore pieno.
3) gli accumulatori: sono, in pratica, le batterie di un impianto fotovoltaico, essi forniscono energia quando il modulo non è in grado di produrla.
4) un invertitore: che trasforma la corrente continua proveniente o dai moduli o dagli accumulatori in corrente convenzionale alternata a 230V.
5) le utenze: sono apparecchi alimentati dall’impianto fotovoltaico, che spesso sono impiegati anche dagli impianti composti.

Impianti a immissione in rete:

Questi tipi di impianti fotovoltaici possono essere definiti come centrali elettriche perchè forniscono l’energia solare trasformata direttamente alla rete pubblica di distribuzione.
Questo è principalmente composto da:
1) un campo fotovoltaico
2) un invertitore: che trasforma la corrente continua dei moduli in corrente alternata convenzionale a 230V di tensione ed è necessario affinchè il funzionamento delle utenze collegate e per l’alimentazione della rete sia corretto.
4) un quadro elettrico: che permette la distribuzione dell’energia e in caso di consumi elevati o in assenza di alimentazione, preleva la corrente dalla rete pubblica.
In caso contrario, cioè di energia eccedente, questa viene di nuovo immessa in rete.
Inoltre misura la quantità di energia fornita dall’impianto fotovoltaico alla rete.
4) una rete di allacciamento a quella pubblica.
5) le utenze.

I vantaggi ambientali:

L'installazione di un impianto fotovoltaico ha un impatto ambientale estremamente basso.
In particolare, durante la fase di esercizio, l'unico vero e proprio impatto ambientale è dato dall'occupazione di superficie.
I benefici ambientali inoltre sono proporzionali alla quantità di energia prodotta, partendo dal fatto che questa va a sostituire dell'energia altrimenti fornita da fonti convenzionali, che importa sostanze dannose nell'ecosistema.
Infatti, per la produzione di un chilowattora elettrico, vengono bruciati mediamente 2,56 kWh sotto forma di combustibili fossili e di conseguenza vengono emessi nell'aria circa 0,53 kg di anidride carbonica .
A tal proposito, si può dire quindi ben dire, 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.  

Sezione Dossier

 
 
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