La situazione energetica mondiale è ormai da qualche anno un serio problema che preoccupa l’intero pianeta. Black-out, la sempre maggiore richiesta energetica, l’inquinamento prodotto dalle centrali responsabile degli stravolgimenti climatici dei nostri giorni e il relativo impatto ambientale, fanno si che la ricerca nel campo della generazione energetica con “fonti alternative” rispetto a quelle tradizionali, sia notevolmente in crescita.
In questo contesto la fonte di energia più nobile ed inesauribile è l’energia che proviene dal Sole.
Il Fotovoltaico infatti, è una tra le principali ed importanti tecnologie che sfruttano la luce solare, trasformandola in energia elettrica, senza effetti negativi sull’ambiente.
Molteplici sono le applicazioni del fotovoltaico: dai piccoli e semplici fabbisogni del singolo utente, ai grandi sistemi per comunità ed usi commerciali.
In effetti questi sistemi possono essere forniti in varie dimensioni di potenza, voltaggio, grandezza, a seconda della richiesta energetica.

LA CELLA FOTOVOLTAICA

L'unità di base del fotovoltaico è la cella solare.
Prodotta usando speciali materiali semiconduttori, può essere ottenuta attraverso un particolare processo di purificazione e di lavorazione del silicio, disponibile in abbondanza sul pianeta o più comunemente ottenuto dal riciclaggio degli scarti dell’industria elettronica.

Il funzionamento della cella solare avviene grazie ai Fotoni (particelle di energia solare).
Quando i fotoni raggiungono la superficie della cella, gli elettroni vengono liberati creando la forza elettromotrice.
Questo processo di conversione diretta della luce in elettricità è denominato FOTOVOLTAICO.
Il rendimento delle celle solari è misurato in termini di efficienza nel trasformare la luce solare in elettricità.
Vari tipi di celle solari in silicio sono disponibili nel mercato con diverse dimensioni e misure:

- Monocristallino: sono prodotte con silicio di elevata purezza a cristallo singolo e quindi hanno una maggiore efficienza e potenza, presentando sulla superficie una struttura molecolare aggregata e uniforme;
- Policristallino: questo tipo di celle sono ottenute da un processo di lavorazione del silicio con più cristalli, i quali restano più compatti tra loro presentando delle striature sulla superficie dovute all’orientamento differente dei cristalli. Questo tipo di cella fornisce dei valori elettrici leggermente più bassi del monocristallino;
- Amorfo: con questo tipo di tecnologia si produce un silicio non cristallino che viene posto su varie superfici. Le celle in silico amorfo possono essere prodotte in grande quantità, ma hanno un rendimento molto più basso sia rispetto alle celle monocristalline che policristalline, ed hanno una notevole perdita nella potenza in uscita.

COMPOSIZIONE DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO

Un sistema fotovoltaico è costituito quindi da molte celle fotovoltaiche tra loro collegate in moduli o pannelli.
Ogni singola cella fotovoltaica è di piccole dimensioni e produce tipicamente una potenza, tra 1 e 3 watts e 0,5Volts, alle condizioni di test standard (STC) di 1000W/m2.
Per ottenere una potenza ed un voltaggio maggiori è necessario collegare diverse celle tra di loro per formare delle unità più grandi chiamate moduli.
I moduli, a loro volta, possono essere collegati per formare dei pannelli anche chiamati campi fotovoltaici, che producono la potenza richiesta dall’applicazione.

Il dimensionamento di un intero sistema fotovoltaico si chiama “bilanciamento del sistema” (BOS) attraverso il quale si studia la migliore configurazione dell’impianto in base al carico. Fanno parte integrante del bilanciamento del sistema una serie di componenti quali: regolatori di carica, inverters, batterie per immagazzinare l’elettricità, cavi, ecc…

VARI SISTEMI FOTOVOLTAICI

Le configurazioni tipiche che possono essere realizzate con il fotovoltaico sono:

1) Sistemi autonomi isolati dalla rete (stand-alone o off-grid)
2) Sistemi connessi alla rete elettrica (grid-connected)
3) Sistemi ibridi

1) I sistemi autonomi sono impianti completamente indipendenti dalla rete elettrica che si affidano esclusivamente all’energia solare per assolvere alla richiesta di energia di qualsiasi portata e grandezza.
Sono realizzati particolarmente in zone remote dove potrebbe risultare difficile collegarsi alla rete o dove l’allacciamento ad essa risulterebbe troppo costoso.
L'elettricità generata dai sistemi autonomi semplici può essere usata in vari modi, principalmente in sistemi in corrente continua (DC) senza le batterie. In questo caso l’energia prodotta dai moduli viene direttamente utilizzata dal carico: come per esempio in un sistema di pompaggio delle acque. La pompa solare sommersa lavora nelle ore diurne riempiendo i serbatoi e smette al tramonto.
I sistemi autonomi possono essere anche installati con batterie al fine di poter accumulare l’energia prodotta dai moduli ed avere un sistema completamente funzionante anche nelle ore notturne o in periodi di cattivo tempo. Con questo sistema si possono illuminare strade e case, far funzionare ventilatori e molte altri vari apparecchi in corrente continua già presenti in commercio.
Nel caso di utilizzo di apparecchiature in corrente alternata (AC) bisognerà aggiungere al sistema un inverter, che, posto tra le batterie ed il carico, trasforma la tensione da continua in alternata consumando solo una piccola parte di corrente per il suo funzionamento.
I sistemi stand-alone con batterie funzionano collegando i moduli fotovoltaici alla batteria e la batteria al carico attraverso un regolatore di carica, che permette un controllo dell’intero impianto mantenendo sempre efficiente la carica stessa degli accumulatori. I moduli fotovoltaici caricano la batteria durante il giorno che poi alimenta il carico in base al fabbisogno.
Questi sistemi possono essere usati anche come back-up in caso di back-out.

Principali vantaggi dei sistemi autonomi :
- l’energia è prodotta dove e quando è necessaria e come back-up durante la notte o nei giorni di cattivo tempo
- sono facili da trasportare, installare ed utilizzare
- tutti i moduli fotovoltaici richiedono soltanto un controllo e una pulizia occasionale
- sono silenziosi e non inquinano

2) I sistemi connessi alla rete sono impianti fotovoltaici collegati direttamente alla comune rete elettrica attraverso un particolare inverter appositamente studiato per queste connessioni.
Il loro funzionamento è molto semplice: il sistema produce nelle ore diurne la quantità di energia in base alla richiesta dell’utente (non ci sono limiti di potenza per le installazioni, ma generalmente gli impianti per abitazioni possono partire dal minimo di 1Kwp fino al 3-5Kwp, e per attività commerciali 20-30Kwp fino a 100Kwp). Questa energia è però disponibile solo nelle ore diurne. Nel caso la produzione del campo fotovoltaico non venga utilizzata completamente, l’elettricità fornita dai moduli viene immessa nella rete elettrica e rivenduta alla società fornitrice.
Al contrario se l’elettricità fornita dai moduli non è sufficiente in momenti di maggiore utilizzo, la differenza viene automaticamente fornita dalla rete.
In questo modo i sistemi connessi alla rete riducono il consumo di elettricità della rete e permettono quindi di avere un rimborso direttamente dalla società fornitrice nella bolletta.

3) I sistemi ibridi consistono in una combinazione di moduli fotovoltaici con altre fonti di energia elettrica (ad esempio generatori eolici, generatori idroelettrici, ecc..) per caricare batterie e soddisfare il fabbisogno energetico, considerando le caratteristiche e altri dettagli del luogo di installazione.
I sistemi ibridi, che non sono collegati alla rete elettrica principale, sono sistemi autonomi e funzionano in modo indipendente ed affidabile.
Le migliori applicazioni per questi sistemi sono in aree remote, come ad esempio, villaggi rurali, stazioni di telecomunicazioni, ecc…

Il Ministero delle Attività Produttive ha varato insieme alle Regioni il programma “tetti fotovoltaici”, il quale bando prevede dei contributi a fondo perduto a chi volesse installare un sistema fotovoltaico.
Maggiori informazioni si possono trovare presso i Dipartimenti delle Attività Produttive e pubblicati sui siti web delle rispettive regioni.

VANTAGGI E BENEFICI DELL’ENERGIA FOTOVOLTAICA

Il fotovoltaico è particolarmente usato sempre più nei paesi in via di sviluppo dove c’è scarsità o assenza completa di energia elettrica convenzionale, ma si sta rapidamente espandendo nei paesi industrializzati, soprattutto per i sistemi connessi alla rete.

Alcuni tra i più significativi benefici ambientali ottenuti usando l'energia e le tecnologie del fotovoltaico sono:

- ridotto impatto sul paesaggio
- assenza di inquinamento dell’aria o produzione di rifiuti pericolosi
- fonte di energia pulita ed inesauribile
- protezione dell’ambiente
- non necessitano di combustibili liquidi o gassosi da trasportare o infiammabili
- possono generare elettricità in qualsiasi clima e condizione meteorologica poiché resistono anche alle più difficili condizioni ambientali
- possono essere installati dovunque
- i sistemi fotovoltaici hanno un funzionamento pulito, sicuro, affidabile e silenzioso
- bassa e facile manutenzione
- sicurezza ed efficienza energetica
- i sistemi fotovoltaici installati generano potenza continuamente con minimi costi operativi
- modularità: i moduli fotovoltaici e il banco batterie sono modulari e perciò i sistemi fotovoltaici possono essere dimensionati in base alle esigenze, e modificati anche successivamente
- riduzione della dipendenza da fonti esterne o decentralizzate di energia
- i sistemi fotovoltaici sono posti nelle vicinanze del luogo di utilizzo e perciò richiedono una più corta linea di distribuzione di quelle necessarie per i collegamenti con la rete elettrica
- crescita e sviluppo economico
- redditività
- gli utenti possono produrre l’energia di cui hanno bisogno all’interno della loro proprietà
- breve tempo di rimborso (in genere da due a cinque anni) ma con un funzionamento e vita media di oltre 30 anni
- riduzione delle bollette per l’energia
- funzionamento affidabile per lunghi periodi praticamente senza manutenzione
- La potenza in più prodotta dai moduli fotovoltaici può essere trasferita al gestiore della rete elettrica. L’utente di qualsiasi sistema connesso a rete può acquistare e rivendere elettricità al gestore.

TIPICHE APPLICAZIONI FOTOVOLTAICHE

Adatte ad alimentare :
- stazioni remote di comunicazione
- villaggi rurali e recinzioni elettriche a distanza sui poderi, case ecc…
- telecontrollo
- refrigerazione
- dispositivi portatili (ad esempio i computers)
- boe marine, piattaforme off-shore
- apparecchi per uso domestico (radio, televisioni, luci, frigoriferi ecc…)
- sistemi di pompaggio acqua e irrigazione
- carica o mantenimento della carica delle batterie, particolarmente in camper, applicazioni
militari, barche e sistemi fotovoltaici portatili
- camper e barche
- segnaletica luminosa in prossimità di scuole ed ospedali
- ripetitori
- servizi di emergenza
- illuminazione di sicurezza
- illuminazione esterna: lampioni stradali, parcheggi, aree per il tempo libero, segnaletica
stradale, giardini,…
- telefoni di emergenza lungo le autostrade
- satelliti
- telecomunicazioni
- industrie
- integrazione architettonica, sia nei tetti che nelle facciate dei palazzi
- … e molti altri ancora