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Fotovoltaico: come funzionano i pannelli solari?

Quali sono i componenti di un impianto fotovoltaico

Sia gli impianti fotovoltaici ad isola, sia quelli connessi in rete, presentano la stessa composizione per la realizzazione della funzione principale: generare corrente elettrica. L’elemento centrale è rappresentato dai pannelli solari, che sono lastre formate dall’aggregazione di celle fotovoltaiche. In fase di installazione si provvede a inclinarli in modo da ottimizzare l’incidenza dei raggi del sole, e da raggiungere la massima efficienza di produzione. In ciascuna cella si sviluppa l’effetto fotovoltaico, attraverso il quale gli atomi del materiale di costruzione cedono i loro elettroni al sistema, grazie all’impulso delle onde elettromagnetiche della luce. Le unità di produzione appaiono alla vista come piastrelle di circa 10 centimetri di lato, caratterizzate da una colorazione scura: blu o addirittura nera. Sono fabbricate in silicio, e sono ricoperte da una lamina di vetro per proteggere da usura e abrasioni il materiale semiconduttore. La generazione della corrente avviene senza la secrezione di alcuna sostanza di scarto, e con un’emissione di anidride carbonica molto ridotta.

Il secondo componente comune a tutti gli impianti fotovoltaici è il convertitoreinverter»). È il dispositivo che serve a trasformare l’energia continua sviluppata dai pannelli solari in corrente alternata, utilizzabile dalla rete di distribuzione e dagli apparecchi elettrodomestici.

Gli impianti fotovoltaici a isola sono dotati di batterie di accumulo, in cui l’energia viene stoccata in vista del suo uso differito. In altri termini, la corrente viene conservata negli accumulatori durante le fasi di irradiamento, per poter essere resa disponibile anche nelle ore in cui l’impianto è inattivo per assenza di luce solare. Infine, è necessario un regolatore di carica, per gestire il flusso della corrente e governare la sua dislocazione per l’impiego. Gli impianti fotovoltaici connessi in rete invece esigono un’infrastruttura parzialmente diversa, visto che la destinazione della corrente non è più quella dell’uso esclusivo in loco, ma dell’instradamento verso la distribuzione. I cavi di connessione costituiscono quindi una componente essenziale del sistema: la loro struttura deve garantire la conservazione delle prestazioni ottimali, anche in presenza di temperature e di raggi ultravioletti molto elevati. Infine, sulla corrente che si ottiene dopo il lavoro di trasformazione del convertitore, interviene il controllo di un quadro di interfaccia, che governa l’integrazione dell’energia con la rete elettrica, in obbedienza alle leggi che normano il settore.

 

Come funziona il fotovoltaico: breve guida al funzionamento di un pannello solare

Ma come funziona un impianto fotovoltaico? L’insieme dei pannelli solari installati assume il nome di «campo fotovoltaico». Le variabili che bisogna considerare per prevedere la quantità di energia prodotta dall’impianto sono:

• le dimensioni del campo fotovoltaico,
• la temperatura,
• l’inclinazione delle celle e il loro orientamento.

La pendenza ideale si aggira intorno al 30%, mentre la disposizione migliore naturalmente è quella in direzione sud. Di solito la potenza di un pannello è di 3 kWh: per ottenere questa prestazione sono sufficienti da 13 a 15 celle da 200 watt. Esistono però pannelli solari di potenza superiore ai 5 kWh.

I raggi solari passano attraverso le celle collegate in serie, e sviluppano una corrente continua con una tensione di circa 0,5 Volt tra la lastra superiore e quella inferiore del pannello. Per questa ragione occorre traformarla in alternata con il convertitore. Le prestazioni del sistema variano sulla base del materiale di costruzione delle celle. Infatti, i diversi tipi di silicio che vengono adottati assicurano un grado diverso di assorbimento dell’energia solare intercettata dal campo.

• Il silicio amorfo garantisce un’efficienza inclusa nell’intervallo tra il 6% e il 10% della potenza termica incidente;
• Il silicio policristallino si colloca in una posizione intermedia, veicolando un rendimento tra il 12% e il 14%;
• Il silicio monocristallino, infine, procura la capacità migliore, con una resa tra il 13% e il 17%. Ogni cella viene confezionata ricavandola da un unico cristallo di silicio: il peso dell’unità è inferiore ai 20 kg, e tutti gli atomi del minerale risultato orientati nella stessa direzione.

Qualunque sia la soluzione adottata, è indispensabile collegare l’impianto ad un sistema di contollo elettronico collegato alla rete Internet. Questo accorgimento permette di intervenire nell’eventualità che qualche imprevisto scateni dei malfunzionamenti; e naturalmente rende possibile anche il monitoraggio della produzione. A questo scopo è opportuno procedere all’installazione di due contatori.

• Quello di produzione è destinato a sottoporre a misurazione tutta l’energia sviluppata dall’impianto;
• Quello bidirezionale invece esamina i rapporti tra il consumo in proprio della corrente generata, e quella che viene instradata verso la rete di distribuzione.

In vista di una migliore integrazione con la struttura della casa, è possibile procedere all’installazione dell’impianto fotovoltaico con «moduli non convenzionali», che permettono di far coincidere i componenti del sistema con elementi dell’architettura dell’edificio. In particolari, questi moduli coincidono con le unità costruttive del tetto, i «coppi fotovoltaici», con superfici verticali (che possono aderire alle pareti con soluzioni trasparenti o opache), e con elementi che prevedono operazioni di apertura, come porte, finestre e vetrine. Queste unità dell’impianto assicurano il migliore effetto estetico possibile; ma collaborano anche al miglioramento dell’efficienza energetica, interagendo con attività di rivestimento e protezione termica.

 

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