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Fotovoltaico:
come funzionano i pannelli solari?

Il sole è una potente fonte di energia rinnovabile, poiché inesauribile. Fin dall'antichità gli uomini hanno nutrito l'ambizione di sfruttarla a proprio piacimento. Dagli specchi ustori, in grado di concentrare i raggi solari in un punto solo, conosciuti fin dal III secolo avanti Cristo, alle serre vetrate d'epoca romana, passando per la fornace solare ideata da Antoine Lavoiser nel XVIII secolo (in grado di sciogliere il platino, a oltre 1500 °C), si è arrivati ai primi studi sugli effetti fotovoltaici, condotti 180 anni fa dal fisico francese Antoine César Becquerel. Oggi l'energia solare è sfruttata come mai in passato per produrre energia grazie ai moderni impianti fotovoltaici, di cui i pannelli solari rappresentano un elemento essenziale.

Pannelli solari: la differenza tra termici e fotovoltaici

Innanzitutto, è importante chiarire la differenza tra i pannelli solari termici e i pannelli solari fotovoltaici. Entrambi sfruttano l'energia solare, ma in maniera del tutto differente. I pannelli solari termici convertono le radiazioni solari in energia termica, che può essere trasferita verso un accumulatore termico per un uso successivo. Come produrre acqua calda, ad esempio, o riscaldare un ambiente.

I pannelli solari fotovoltaici sfruttano invece le radiazioni solari per produrre elettricità. Questo avviene attraverso più celle fotovoltaiche collegate tra di loro, costituite da silicio, capaci di convertire i fotoni, attraverso una reazione fisica, in un campo elettrico in corrente continua.

Quali sono le tipologie di pannelli solari fotovoltaici?

Negli ultimi anni i pannelli solari fotovoltaici hanno vissuto un notevole sviluppo tecnologico, che ha comportato un incremento delle loro prestazioni e una maggiore durata nel tempo (25-30 anni). Le prestazioni variano considerevolmente a seconda della loro tecnica di fabbricazione. Pur trattandosi sempre di silicio, ne esistono svariate tipologie, che assicurano una diversa efficienza di conversione di energia solare in energia elettrica. Vediamo le principali tipologie di pannelli fotovoltaici.

  • i pannelli fotovoltaici in silicio monocristallino sono i più performanti, arrivando a trasformare dal 15% fino al 20% di energia solare in elettricità. Ogni cella viene ricavata da un unico cristallo di silicio. Il processo di produzione è piuttosto laborioso, e questo determina un costo solitamente maggiore.
  • i pannelli fotovoltaici in silicio policristallino sono i più comuni, e vengono realizzati attraverso una gettata di silicio fuso. Meno costosi rispetto al monocristallino, sono anche meno efficienti (14%-16%).
  • i pannelli fotovoltaici a film sottile, sono realizzati da pellicole sottili di diversi materiali, come il silicio amorfo (a-Si), il tellururo di cadmio (CdTe) e il seleniuro di indio e gallio di rame (CIS / CIGS). Garantiscono un'efficienza di conversione minore (tra il 6 e il 10%), ma hanno il vantaggio di minori costi di produzione e una versatilità maggiore, poiché più flessibili e leggeri (possono ad esempio rivestire intere facciate o elementi architettonici irregolari).

Dal pannello solare all'elettricità: come funziona un impianto fotovoltaico

La luce solare irraggia il tetto di una casa, all'interno il suo abitante accende una luce o avvia una lavatrice. Quali sono gli elementi dell'impianto fotovoltaico che permettono di produrre energia per soddisfare questi gesti quotidiani? Tutto parte dal pannello solare (o fotovoltaico) che, come abbiamo visto, trasforma la radiazione solare in energia elettrica. Questo avviene grazie ai fotoni solari che interagiscono con gli elettroni presenti negli atomi di silicio, generando un flusso elettrico in corrente continua che viene condotta verso l'inverter.

Quest'ultimo si occupa di trasformare il flusso elettrico da continuo a corrente alternata, necessaria per la rete elettrica. Ai pannelli solari possono essere aggiunti degli ottimizzatori, piccoli dispositivi elettronici che garantiscono un funzionamento autonomo di ogni singolo pannello solare, altrimenti legati tra di loro nella produzione, evitando così che eventuali perdite di produzione di un singolo pannello possano influenzare tutto l'impianto.




L'impianto fotovoltaico prevede poi un contatore, che permette di misurare e contabilizzare l'energia prodotta dall'impianto fotovoltaico e l'eventuale energia acquistata dalla rete. Un impianto fotovoltaico così descritto può generare corrente elettrica soltanto in presenza di sole. Ma grazie a sistemi di accumulo (o storage) è possibile immagazzinare la corrente elettrica prodotta nelle ore più soleggiate della giornata, per utilizzarla nelle ore notturne. I due principali sistemi di accumulo sono un inverter con accumulo (l'accumulatore, in genere al litio, è connesso al corpo stesso dell'inverter) o un pacco batterie esterne, più economico ma anche più ingombrante.

Quali sono i tipi di impianti fotovoltaici?

Parlando di impianti fotovoltaici è possibile distinguerli in due principali tipologie: gli impianti “grid connected” e quelli “stand alone”. Nel primo caso l'impianto è collegato alla rete di distribuzione elettrica, mentre nel secondo non vi è alcuna connessione. Un impianto grid connected può fare a meno di sistemi di accumulo, potendo sempre contare sull'allacciamento alla rete elettrica. L'impianto stand alone, chiamato anche “a isola”, prevede quasi sempre un sistema di accumulo e può essere una soluzione utile, per esempio, per barche, camper o case non fornite da reti di distribuzione elettrica.

Esiste anche una terza via ibrida, sempre più frequente e che rappresenta il futuro del fotovoltaico. È il sistema storage, che prevede una connessione con la rete di distribuzione elettrica, ma al contempo la presenza di adeguati sistemi di accumulo. Così tutta l'energia prodotta viene utilizzata per l'autoconsumo (guida del GSE all'autoconsumo) e il surplus viene trasferito nella rete (così come eventuali carenze sono garantite dalla rete stessa).

Quali sono le caratteristiche di un impianto fotovoltaico?

Le dimensioni e l'efficienza complessiva di un impianto fotovoltaico determinano la sua potenza nominale (detta anche potenza di picco). Questo termine definisce la potenza massima che un impianto fotovoltaico può produrre a determinate condizioni standard (temperatura di 25 °C e radiazione solare incidente di 1000 Watt per metro quadrato). Impianti di piccola taglia a uso domestico si aggirano generalmente attorno ai 3 kw di potenza di picco, sufficienti per coprire il fabbisogno medio di energia elettrica per una famiglia di quattro persone, se associati a un sistema di accumulo per le ore notturne. Di solito per ottenere questa prestazione sono sufficienti da 13 a 15 celle da 200 watt.

La potenza nominale di un impianto è influenzata da molti fattori, quali l'inclinazione dei pannelli fotovoltaici e l'esposizione solare dell'edificio/abitazione. In linea di massima, l'inclinazione ideale si aggira intorno ai 30-35 gradi, che consente di avere il sole perpendicolare d'estate, ed è determinata dalla latitudine: a nord sarà maggiore, mentre a sud inferiore. La disposizione migliore è naturalmente in direzione sud, ed è anche importante evitare quanto più possibile l'ombreggiamento dei moduli fotovoltaici.

Sulle prestazioni, infine, incide la pulizia dei pannelli: celle sporche, ad esempio polvere ma anche fogliame o guano, possono arrivare a perdere fino al 5% delle loro prestazioni in condizioni di alto irraggiamento. Mediamente, per impianti su edificio, si ha un'energia prodotta annua di circa 1150 kWh per kW installato al Nord Italia, che sale a 1250 kWh al Centro e a 1350 kWh al Sud.

I vantaggi di un impianto fotovoltaico

L'investimento su un impianto fotovoltaico è spesso dettato da due fattori distinti, non in conflitto tra loro. Da una parte c'è una scelta ecologica: quella fotovoltaica è un'energia rinnovabile e pulita, a zero emissioni di anidride carbonica, tra i principali responsabili dell'effetto serra. Dall'altra, c'è un risparmio economico annuo che garantisce il rientro dell'investimento iniziale. Con l'installazione di un impianto fotovoltaico domestico, infatti, i costi in bolletta vengono abbattuti notevolmente: fino al 90% in caso di un impianto efficiente con sistema di accumulo.

I vantaggi sono anche fiscali, grazie alle detrazioni sulle imposte IRPEF dei costi complessivamente sostenuti per la realizzazione dell'impianto fotovoltaico. Un ultimo vantaggio è la valorizzazione dell'energia immessa in rete (ovvero prodotta dall'impianto ma non consumata in sito) attraverso i meccanismi gestiti dal GSE (Gestore Servizi Energetici) quali lo Scambio sul posto (SSP) o il Ritiro Dedicato (RID).

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