Fotovoltaico

 

 

 

Fotovoltaico

 

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Fotovoltaico

 

IL FOTOVOLTAICO

 

Il fotovoltaico è una tecnologia che permette di produrre energia elettrica direttamente dall’irraggiamento solare; è una delle tecnologie più promettenti per la produzione di energia.

Non si tratta affatto di un sistema di nuova sperimentazione poco collaudato, bensì di una tecnologia matura, nata negli anni cinquanta con la ricerca aerospaziale e in uso da ben trent’anni per applicazioni “terrestri” ad uso civile.

 

 

Storia del fotovoltaico

 

L’effetto fotovoltaico  è stato scoperto da H. Becquerel nel 1839, ma bisogna arrivare al 1954 per vederne la realizzazione pratica: è la Bell Telephone che  realizza le prime celle fotovoltaiche al silicio ad alto rendimento e le usa per alimentare  un telefono militare da campo.

Negli anni successivi l’intera produzione di celle fotovoltaiche viene assorbita da una nuova tecnologia: i satelliti spaziali. Uno dei più noti è lo Skylab, un vero laboratorio spaziale, messo in orbita nel 1973 dagli Stati Uniti; ricava 25 KW di energia  da 500.000 celle fotovoltaiche montate su una superficie di 1250 metri quadrati.

I satelliti artificiali, civili e militari  che oggi girano a migliaia intorno alla Terra, sono quasi sempre alimentati da celle fotovoltaiche.

 

Alla base del processo  c’è l’effetto fotovoltaico che si fonda sulla proprietà che hanno alcuni materiali semiconduttori, opportunamente trattati, di generare direttamente energia elettrica, se colpiti dalla luce del Sole.
Uno dei materiali che ha questa proprietà fotovoltaica è il silicio, materiale molto diffuso in natura e il più utilizzato per la produzione di elementi generatori.

La trasformazione della luce solare in energia elettrica avviene senza l’utilizzo di combustibili, non producendo alcun rumore o spreco né emissioni gassose o rifiuti, né dispersioni di calore.

La luce solare è inoltre una fonte energetica inesauribile, ancora poco utilizzata, che attraverso un suo migliore sfruttamento, permetterebbe un uso più razionale delle altre risorse energetiche.

Negli ultimi anni la sensibilità nei confronti di questi argomenti ha portato alla nascita di una coscienza energetica anche nel settore edile.

 È possibile oggi  creare architetture che utilizzino intelligentemente l’energia o che addirittura la producano, attraverso, per esempio, l’integrazione al suo interno di dispositivi fotovoltaici.

I componenti dei sistemi fotovoltaici

 

La struttura  del sistema fotovoltaico può essere molto varia a seconda del tipo di applicazione. Una  prima distinzione può essere fatta tra sistemi isolati (stand-alone) e sistemi collegati  alla rete (grid connected), questi ultimi a loro volta si suddividono in centrali fotovoltaiche e sistemi integrati negli edifici.

 

Il sistema fotovoltaico  è costituito da:

- il generatore

- da un sistema  di condizionamento e da un eventuale “accumulatore” di energia, la batteria, e naturalmente da una struttura di sostegno.

 

Generatore

 

E’ costituito da  un sistema di moduli fotovoltaici collegati in modo da ottenere  i valori di potenza  e tensione desiderati; 1m2 di moduli eroga 0,4-0,6 KWh

I moduli sono costituiti da un insieme di celle.

I più diffusi sono quelli costituiti da 36 celle di silicio mono e policristallino, disposte  su 4 file parallele, collegate in serie; hanno una  superficie che varia  da 0,5 ad  1 m2 e una potenza in uscita  pari a 50 Watt.

Attualmente si mettono in commercio anche moduli  con molte più celle tanto da arrivare ad ottenere una potenza pari a 200 Watt per ogni singolo modulo.

L’orientamento dei moduli fotovoltaici deve essere il più possibile a Sud; per quanto riguarda l’inclinazione del modulo, generalmente si sceglie una inclinazione pari alla latitudine del luogo di installazione; per ottimizzare la produzione in estate, ideale  sarebbe una inclinazione pari alla latitudine meno 15-20°; invece d’inverno ideale sarebbe una inclinazione vicina a 60°.

 

Caratteristiche del silicio

Il silicio, dopo l’ossigeno, è l’elemento più diffuso in natura; per essere sfruttato deve presentare  una opportuna struttura molecolare e un elevato grado di purezza, delle caratteristiche  non presenti nei minerali  in cui ritrova allo stato naturale.

Tenendo presente la diversa struttura, si può suddividere  in tre tipi diversi:

• Monocristallino
• Policristallino
• Amorfo

 

Nella struttura  monocristallina gli  atomi sono orientati nello stesso verso e legati gli uni agli altri nello stesso modo; in quella policristallina gli atomi sono aggregati in piccoli grani monocristallini orientati in modo casuale; in quella amorfa gli atomi  sono orientati in modo casuale, come in un liquido, pur conservando le caratteristiche dei corpi solidi.

A secondo della purezza possiamo distinguere il silicio di grado elettronico, in cui le impurezze sono circa una parte su cento milioni, silicio di grado solare, con impurezze di una parte  su 100 milioni; silicio metallurgico, con impurezze di una parte su 100. Il silicio di grado elettronico, impiegato  nella costruzione di componenti elettronici, deve essere estremamente puro e con struttura monocristallina; gli scarti di questo silicio vengono utilizzati per le celle solari.

 

La cella

 

La cella è il dispositivo più elementare, capace di operare una conversione dell’energia solare  in c.s., cioè  a temperatura di 25° C, sottoposta ad una potenza della radiazione solare pari a 1W/m2.

La potenza in uscita da un dispositivo fotovoltaico, quando lavora in c. s.  prende il nome di potenza di picco (Wp) ed è un valore che viene usato come riferimento.

Un insieme di moduli connessi elettricamente tra loro  costituisce il campo fotovoltaico che insieme  ad altri componenti meccanici, elettrici ed elettronici, consente di   realizzare  i sistemi  fotovoltaici.

Più moduli assemblati  meccanicamente costituiscono il pannello. Pannelli o moduli  collegati  elettricamente in serie formano la stringa.

 

 Le celle si possono costruire con silicio cristallino ma anche con diversi altri semiconduttori, fatti con leghe quali il diseleniuro di rame  e indio, telleruro  di cadmio, arseniuro di gallio; il meccanismo  comunque è lo stesso.

 

Funzionamento della cella

 

Celle di silicio collegate tra loro formano complessi sistemi in grado di generare energia elettrica.
Il materiale di base della cella, che è il componente primo dei sistemi fotovoltaici, è in genere il silicio.

Nella maggior parte dei casi la cella è costituita da un singolo cristallo (silicio monocristallino), che garantisce il massimo rendimento, oppure viene realizzata attraverso l’accostamento di più cristalli adiacenti, (silicio policristallino).

Il primo tipo si distingue per una sostanziale omogeneità di colore della superficie, mentre il secondo è caratterizzato da una particolare sfaccettatura data dall’accostamento dei singoli cristalli.

Siamo soliti riconoscere le celle fotovoltaiche dal loro caratteristico colore blu, ma è possibile richiedere pannelli dalla colorazione differente. Queste variazioni sono ottenute attraverso la variazione dello spessore del rivestimento antiriflettente, che condiziona fortemente la capacità di captazione della luce solare e quindi il rendimento. Più ci si discosta dalla colorazione blu, più si diminuisce la quantità di energia generabile.

Le celle fotovoltaiche hanno fornito elettricità ai veicoli spaziali fin dai loro primi voli e cominciano a essere utilizzate in certi prodotti commerciali, come le calcolatrici e gli orologi da polso. Questo dispositivo è stato costruito fino oggi con silicio cristallino.

Sappiamo che la corrente elettrica consiste nel passaggio  di cariche elettriche  in un circuito. Il fenomeno che ci interessa allora è il movimento dei portatori di carica nei semiconduttori, dato che l’elettricità consiste nel passaggio di queste cariche lungo un circuito.

Normalmente l’atomo di silicio possiede 14 elettroni, quattro dei quali sono elettroni di valenza: ciò significa che essi possono partecipare alla formazione di legami con gli atomi, sia di silicio, sia di altri elementi.

In un cristallo di silicio puro, ciascun atomo è legato covalentemente con altri quattro atomi, una coppia di elettroni viene messa in comune fra i due atomi che formano il legame. Questo legame, abbastanza forte, può essere spezzato da  una quantità sufficiente di energia. Se l’energia fornita è sufficiente, l’elettrone viene portato a un livello energetico superiore, chiamato banda di conduzione, dove è libero di spostarsi e può contribuire al flusso di elettricità. Quando esso passa nella banda di conduzione, si lascia dietro una buca, cioè una lacuna dove manca un elettrone.

Un elettrone vicino può riempire la “buca”; quindi all’interno di un cristallo, tanto gli elettroni che le “buche” si possono muovere. 

Una cella fotovoltaica è un diodo di grande superficie. Un diodo è una superficie costituita da  due semiconduttori diversi, in cui il passaggio della  corrente (costituita da portatori di carica liberi, per es. elettroni), è ostacolato in una direzione e facilitato in quella opposta, questo grazie alla presenza di un campo elettrico fisso, dovuto al fatto che il diodo è costituito da due semiconduttori di materiale diverso. Questo campo spinge le cariche di un segno ad attraversare il diodo e respinge le cariche di segno opposto.

Una cella fotovoltaica è costituita da strati di semiconduttori diversi che creano  dentro la cella un campo elettrico fisso, simile a quello del diodo. Questo campo è incorporato molto vicino  alla regione del dispositivo che assorbe la luce,

La luce solare  trasporta energia: i fotoni, quando colpiscono un semiconduttore della cella fotovoltaica, possono venire riflessi, attraversarlo o essere assorbiti. I fotoni potenzialmente utili sono quelli che vengono assorbiti.

Un fotone che viene assorbito da un semiconduttore può produrre calore urtando il materiale semiconduttore oppure, se possiede abbastanza energia, può strappare un elettrone da uno stato legato ed elevarlo a uno stato libero nella banda di conduzione del materiale.

Quando l’elettrone passa nella banda  di conduzione  si crea una buca, questa rappresenta una carica positiva libera che si comporta in modo analogo, ma opposto ad  una carica negativa libera.

In un semiconduttore di silicio, una buca (+) può spostarsi liberamente, perché un elettrone legato, che si trovi nelle vicinanze, può saltare nella buca, mentre quest’ultima va ad occupare la posizione lasciata libera dall’elettrone che si è spostato.

La luce che viene assorbita da un semiconduttore produce due portatori di carica liberi: l’elettrone libero nella banda di conduzione e la buca libera nella banda di valenza.

La conversione da luce ad energia elettrica, effettuata dalla cella, avviene essenzialmente perché questi portatori di carica liberi, generati dalla luce, sono spinti in direzione opposte dal campo elettrico incorporato: supponiamo che il campo abbia un verso tale  da facilitare il passaggio degli elettroni e respingere le buche, gli elettroni allora attraversano il campo e vengono accelerati, mentre le buche  restano vicino  al punto dove  sono state generate.

Una volta che gli elettroni liberi abbiano attraversato il campo, non tornano indietro, perché il campo, agendo come  un diodo, impedisce  loro  di invertire  la marcia.  Perciò quando la luce incide  sulla cella  fotovoltaica, le cariche positive sono spinte in numero crescente verso la parte superiore della cella e, le cariche  negative verso  quella inferiore o viceversa  a seconda del tipo di cella.

La luce assorbita dalla cella può generare portatori liberi sia nella stretta regione del campo, che fuori di essa. I portatori dentro questa regione vengono separati molto efficacemente dal forte campo elettrico, che a sua volta li spinge ad alta velocità verso la parte superiore e verso la parte inferiore della cella.

Se la parte  superiore  e quella inferiore sono collegate  da un conduttore, le cariche libere lo attraversano e si osserva una corrente elettrica. Fino a quando la cella resta esposta alla luce,  l’elettricità fluisce  sottoforma di corrente continua.

In genere un cella fotovoltaica poggia su di un supporto di vetro o di plastica, che si chiama substrato e che serve  a sostenere la cella. Su di esso è depositato uno strato conduttore, per esempio di metallo, che funge da polo inferiore: poi viene  depositato un semiconduttore fotoassorbente e in quest’ultimo viene posto un semiconduttore diverso o modificato. Il campo critico  incorporato si trova  in corrispondenza  della superficie  che separa questi due semiconduttori. Spesso il semiconduttore superiore è trasparente, per consentire alla luce di passare  e di essere assorbita più vicino al campo elettrico, Questo accorgimento accresce la probabilità che gli elettroni e le buche generate dalla luce raggiungano la zona di campo e vengano separati.

L’ultima componente di una cella è di solito una griglia,  che costituisce il polo superiore,

Se i due poli sono tra loro collegati e formano un circuito, quando la cella viene illuminata, si osserva il passaggio di una corrente elettrica, che può essere sfruttata.

 

Rendimento

 

Lo spessore di una cella fotovoltaica e, in larga misura, il suo costo, in termine di materiali e di lavorazione, sono determinati dalla sua capacità di assorbire la luce solare. Questo assorbimento dipende da due fattori critici, l’ampiezza della banda proibita e il coefficiente di assorbimento.

La banda proibita di un semiconduttore è il livello di energia caratteristico al quale il semiconduttore inizia ad assorbire la luce. Materiali come silicio iniziano ad assorbire la luce già a elevate lunghezze d’onda, di conseguenza riescono ad assorbire una quota cospicua della luce ambiente.

Le cosiddette celle fotovoltaiche a pellicola sottile sono fatte di materiali che presentano il massimo assorbimento ad uno spessore intorno a un micrometro, quindi sono da preferire, perchè riducono i costi di lavorazione e di materiali.

Alcuni materiali, detti a banda proibita diretta, presentano un forte assorbimento, invece i materiali a banda indiretta assorbono poco. Il silicio cristallino è un materiale a banda proibita indiretta, invece il silicio amorfo e il diseleniuro di rame e indio sono materiali a banda proibita diretta.

Quando si lavora con le celle fotovoltaiche, si deve tener conto della quantità di luce solare che raggiunge la Terra. L’energia solare, a livello della superficie terrestre è concentrata nell’intervallo di lunghezza d’onda a 0,4 a 2,5 micrometri, l’energia ha un massimo fra 0,5 e 0,55 micrometri.

Il rendimento di una cella è determinato dallo spettro di energia dell’assorbimento ottico dell’area attiva del semiconduttore e dalla profondità della giunzione p-n.  Un esempio di  efficienza ci può essere fornita da una cella  di silicio cristallino che è sensibile alla luce nell’intervallo fra circa 0,35 e circa 1,1 micrometri, che contiene quindi quasi tutto lo spettro visibile e si prolunga  nell’infrarosso.

Il massimo rendimento teorico della conversione fotoelettrica di una cella di silicio è circa il 28%, a causa delle perdite dovute al calore, alla riflessione  ed ai fotoni che  non vengono assorbiti dal semiconduttore. Per aumentare il rendimento, molto importante è applicare alla superficie anteriore della cella un rivestimento antiriflettente, perché in una cella non rivestita, le perdite per riflessione possono raggiungere il 30%. Si cerca anche di impiegare la cosiddetta tecnologia del campo superficiale posteriore, che consiste nel creare un campo elettrico presso la superficie posteriore di un semiconduttore, in modo da respingere verso la giunzione p-n i portatori di carica liberi in movimento casuale e migliorare la separazione di elettroni e buche. Grazie a questi accorgimenti, il rendimento delle celle fotovoltaiche cristalline di serie ha raggiunto circa il 14%.

 Negli ultimi anni si sono sperimentati molti materiali  per celle fotovoltaiche: uno di questi materiali è il silicio amorfo, che non possiede la struttura reticolare regolare del silicio cristallino. La struttura amorfa accresce notevolmente la probabilità che la luce venga assorbita e che gli elettroni passino nella banda di conduzione. Per quanto riguarda l’assorbimento luminoso questo materiale presenta notevoli vantaggi rispetto al silicio cristallino, quindi si possono ricavare con questo materiale, semiconduttori a pellicola sottile, con uno spessore di 0,5 micrometri rispetto ai 300 micrometri del silicio cristallino. Dato che contengono una minore quantità di materiale, le celle a pellicola sottile sono più economiche.

Un altro progresso compiuto nella tecnologia delle celle fotovoltaiche a pellicola sottile consiste nel sovrapporre più celle, per sfruttare meglio lo spettro solare.  Le celle fotovoltaiche ad alto rendimento, sono per esempio, le celle a cristallo unico di arseniuro di gallio e silicio.

 

Il “drogaggio”

All’interno della cella avviene dunque la conversione dell’energia solare in elettricità.

Ciò è reso possibile da un particolare trattamento del silicio: la struttura cristallina viene “drogata” attraverso l’inserimento di atomi di boro, dopodiché una delle facce viene a sua volta drogata con piccole quantità di fosforo. Nella zona a contatto tra le due parti a diverso potenziale si forma un campo elettrico. È l’esposizione alla luce del Sole che determina quindi la generazione di cariche elettriche e l’applicazione di un utilizzatore crea il flusso di elettroni.

Le cariche vengono raccolte da una griglia metallica frontale, mentre sul lato posteriore della cella viene posto il contatto elettrico per elettrodeposizione o serigrafia. L’energia generata si trova, però, a questo stadio, sotto forma di corrente continua: la sua utilizzazione sarà dunque possibile solo attraverso un inverter, che la trasformi in corrente alternata.

 

L’inverter

 

Poiché l’energia  prodotta dal generatore F V  è sottoforma di corrente continua e la maggior parte degli apparecchi elettrici funzionano a corrente alternata, è necessario  introdurre nel sistema fotovoltaico  un dispositivo  che provveda a trasformare  l’energia elettrica continua in alternata (CC in AC), questo dispositivo è l’inverter.

L’inverter è un elemento essenziale negli impianti  collegati alla rete elettrica che è AC, a bassa tensione (BT), ma può non esserci se il sistema è isolato e tutte le apparecchiature funzionano in corrente continua.

Attualmente però si nota  un forte aumento della richiesta di inverter da istallare  negli impianti solari per l’alimentazione di utenze isolate; esistono inverter ad onda quadra, ad onda sinusoidale  modificata, ad onda sinusoidale.

Nei sistemi collegati alla rete, l’inverter è sempre presente ma non è previsto il sistema di accumulo, in quanto l’energia  prodotta  durante le ore di insolazione viene immessa in rete; viceversa, nelle ore notturne, il carico locale viene alimentato dalla rete; un meter provvede a scalare la differenza  dal contatore.

 

Il meter

Il meter è lo strumento che misura l’energia elettrica, quindi è un contatore elettrico; viene usato per misurare la corrente elettrica che un impianto collegato alla rete immette in rete poiché prodotta in eccesso. Il valore di questa energia viene detratta dalle future bollette dell’utente.

 

Per controllare questo sistema collegato alla rete, ci si serve di un quadro di controllo: tra i morsetti del generatore e la linea ci sono dispositivi che controllando il funzionamento della centrale, la proteggono, la mettono in parallelo con la rete o la staccano dalla stessa in caso di guasto.

Tale controllo si realizza mediante la misura della tensione, l’intensità e la frequenza della corrente. La tensione e l’intensità di corrente si misurano mediante trasformatori.

Il trasformatore

È quell’elemento che si interpone tra la centrale  e la rete  elettrica. Ha la funzione di variare la tensione della corrente in uscita dall’alternatore, in particolare di portare la corrente dalla tensione di uscita del generatore a quella della linea elettrica. Ricordiamo infatti che il trasporto della corrente elettrica, per ridurre le perdite per effetto Joule, avviene ad alta tensione.

 

Vantaggi del Fotovoltaico.

 

I moduli fotovoltaici producono  una forma di energia di alto valore che può essere impiegata in modi diversi.

Non necessitano di nessun combustibile. I sistemi fotovoltaici migliorano l’ambiente, infatti non producono  alcun rumore, né emissioni né dispersioni di calore; sono modulari e possono essere installati in piccole unità vicino al punto di consumo dell’energia.

Il fotovoltaico è  una tecnologia collaudata ed è una delle tecnologie energetiche del futuro.

Tale tecnologia può portare a dei sostanziali miglioramenti nelle condizioni di vita delle popolazioni rurali del Terzo Mondo, dove non esiste una rete pubblica.

I moduli fotovoltaici integrati in un edificio non richiedono spazio addizionale, questo riduce i costi e l’utilizzo del suolo.

Un inserimento di elementi fotovoltaici ben progettati architettonicamente può migliorare l’aspetto dell’edificio e può essere una caratteristica pregevole estetica, inoltre l’uso di tali sistemi in un edificio è un affermazione molto visibile dell’interesse dei proprietari verso i temi del risparmio energetico e della difesa dell’ambiente.

I benefici ambientali ottenibili dall’adozione di sistemi FV sono proporzionali alla quantità di energia prodotta: per produrre un kWh elettrico vengono bruciati  mediamente l’equivalente di 2,5 kWh sottoforma di combustibili fossili e di conseguenza emessi nell’aria circa 0,53 kg di anidride carbonica, quindi ogni kWh prodotto dal sistema fotovoltaico evita l’emissione di 0,53 kg di anidride carbonica. Per stimare l’emissione  evitata nel tempo di vita di un impianto FV è sufficiente moltiplicare le emissioni evitate annue per i 30 anni di vita stimata degli impianti

 

 

 

Il costo del chilowattora fotovoltaico

 

Il costo dell’energia prodotta da un impianto fotovoltaico può essere calcolato con lo stesso metodo usato nel caso degli impianti tradizionali. Secondo le Aziende elettriche, il costo dell’energia viene diviso in due parti: un costo fisso, dovuto all’investimento iniziale necessario per la costruzione dell’impianto e ad un costo variabile, dovuto alle spese per il funzionamento e la manutenzione dell’impianto. I costi variabili  includono le spese per il personale, il combustibile e le parti di ricambio.

In formule si può scrivere:

costo kWh = (A x I + E) / N

in cui

A =fattore di attualizzazione dell’investimento

I = costo dell’investimento

E = costo di esercizio e manutenzione

N = numero di kWh prodotti dall’impianto in un anno

 

Il fattore A dipende dalla durata dell’impianto, di solito stimata in 30 anni, e dal tasso di interesse reale.

 

Applicazioni fotovoltaiche in edifici

 

I moduli fotovoltaici possono essere impiegati per:

• coperture di tetti
• rivestimenti di facciate
• elementi di schermatura dal Sole quali pensiline poste davanti alle finestre
• schermatura solare per lucernari
• pensiline per parcheggi
• sistema di alimentazione per apparecchiature isolate, quali illuminazioni esterne, apparecchiature di controllo e segnalazione, cartelloni ecc.

 

Fonte: http://istruzione.umbria.it/news2006/fotovoltaico/iis-rosselli-castiglion-lago/Il%20fotovoltaico_piccolo_manuale.doc

Autore del testo: non indicato nel documento di origine

Parola chiave google : Fotovoltaico tipo file : doc

 

La radiazione solare

 

La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre si distingue in diretta, diffusa e riflessa.

Radiazione DIRETTA = è quella che colpisce direttamente una superficie con un unico e ben definito angolo di incidenza.
L’irradiazione diretta viene misurata tramite il PIRELIOMETRO; esso presenta una apertura ridotta e riceve i raggi del sole mediante un tubo allungato.
La superficie ricevente deve essere mantenuta ortogonale ai raggi del sole e per far questo è dotato di un apposito sistema (inseguitore solare).

 
Radiazione RIFLESSA = è quella che arriva indirettamente su una superficie, dopo aver colpita precedentemente un'altra.

Radiazione DIFFUSA = è la componente della radiazione solare che incide su una superficie dopo la riflessione e la dispersione dovuta all'atmosfera;
incide secondo vari angoli e grazie a questa anche la parte di una superficie che non può essere colpita dalla radiazione solare diretta a causa di ostacoli esterni, non si trova completamente oscurata.

Per la misura dell'irradiazione diffusa vengono utilizzati dei piranometri con banda ombreggiante, ossia forniti di un dispositivo supplementare che fa da schermo all’irradiazione diretta.

Le proporzioni di radiazione riflessa, diffusa e diretta ricevuta da una superficie dipendono:

 - dalle condizioni meterologiche (in una giornata nuvolosa la radiazione è praticamente tutta diffusa, viceversa in una giornata srena con clima secco, predomina la componente diretta fino al 90% del totale);

-  dall'inclinazione della superficie rispetto al piano orizzontale (una superficie orizzontale riceve la massima radiazione diffusa e la minima riflessa; la componente riflessa aumenta al crescere dell'inclinazione);

- dalla presenza di superfici riflettenti (le superfici chiare riflettono maggiormente di quelle scure).

 

VALUTAZIONE DELLA RISORSA

La radiazione solare su una superficie inclinata può essere determinata mediante metodi di calcolo sperimentali oppure, in modo più approssimato, mediante opportune mappe isoradiative. Da mappe di tale genere, pubblicate da vari organismi in Italia e nel mondo, è possibile dedurre che, dal punto di vista dell'irraggiamento, località disposte sulla costa sono assai simili anche se distanti tra loro e, viceversa, località vicine tra loro, ma poste una in zona montuosa e l'altra lungo la costa, presentano caratteristiche di irraggiamento alquanto diverse. L' acquisizione di questi dati viene effettuata dal servizio metereologico nazionale, registrando separatamente le componenti "diretta" e "diffusa" delle radiazioni. Alcune pubblicazioni oltre a presentare i dati di radiazione solare sul piano orizzontale riportano i dati relativi ad alcune inclinazioni delle superfici di captazione per l'importanza che questi rivestono nel progetto esecutivo di una centrale fotovoltaica.

 SISTEMI PER LA MISURA DELLA RISORSA
Gli strumenti per la misura delle componenti della radiazione solare, genericamente chiamati solarimetri, sono classificati in base alla componente di radiazione solare misurata (pireliometro, piranometro con banda ombreggiante), in base al principio utilizzato per effettuare la misura (a termopila, a effetto fotovoltaico) o in base alla classe di precisione.

 

 

 

Rapporto con l'ambiente                    

 

I sistemi fotovoltaici, specialmente se integrati negli edifici, non hanno praticamente impatto ambientale (se non per i processi industriali di produzione delle celle) e sono oggi particolarmente ben visti da tutta l'opinione pubblica.

La loro silenziosità, l'assenza di qualsiasi emissione, il loro sfruttare direttamente l'energia solare hanno giustamente contribuito alla creazione di quella immagine di energia "pulita" a cui sono associati i pannelli fotovoltaici.

Spesso infatti, quando si parla di energie rinnovabili, viene immediatamente fatta l'associazione con l'energia ottenibile direttamente dal sole mediante i pannelli fotovoltaici.

BENEFICI AMBIENTALI
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 kWh 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 (CO2) (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 di 30° rispetto al piano orizzontale). 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.

Emissioni evitate da un kWp di moduli nel tempo di vita degli impianti:

• A Milano si possono produrre in un anno 1167.4 kWh per ogni kWp installato, quindi le emissioni risparmiate sono di 729kg di CO2 in un anno e di 18590kg di CO2 in 30anni.
• A Roma a fronte di una produzione annua di 1477.4 kWh per ogni kWp installato, si evitano 922kg di CO2 all'anno e 23529 kg di CO2 in 30 anni.
• Infine a Trapani con 1669.7kWh prodotti per ogni kWp installato, si ha un risparmio di 1043kg di CO2 annui e di 26587kg di CO2 in 30 anni.

 

IMPATTO VISIVO
L'impatto visivo delle centrali fotovoltaici è sicuramente minore di quello delle centrali termoelettriche o di qualsiasi grosso impianto industriale; in particolare le installazioni hanno bassa altezza.
L'integrazione negli edifici privati permette addirittura di essere virtualmente invisibile se si sfrutta la copertura dell'edificio, oppure di ottenere notevoli soluzioni architettoniche con le facciate fotovoltaiche.

 

VANTAGGI
I vantaggi dei sistemi fotovoltaici sono:

• la modularità del sistema;
• le esigenze di manutenzione ridotte (dovute all’assenza di parti in movimento);
• la semplicità d'utilizzo;
• un piccolo sistema isolato FV ha il vantaggio di produrre energia elettrica esattamente dove serve e nella quantità vicina alla effettiva domanda;
• un impatto ambientale praticamente nullo: non contribuisce all'effetto serra, alle patologie respiratorie , alle piogge acide.

 

Mercato

Il mercato fotovoltaico mondiale ha conosciuto negli ultimi anni un notevole sviluppo, passando dai 45 MWp del 1990 ai 290 MWp del 2000. Questo grande risultato è stato possibile grazie al parallelo sviluppo di due tipologie di applicazioni: gli impianti isolati e quelli installati sugli edifici ed integrati alla rete elettrica. Gli incrementi più elevati nella potenza installata sono stati senza dubbio quelli del Giappone, degli Stati Uniti e della Germania, soprattutto grazie ai programmi di incentivazione da parte dello stato che, non solo hanno fornito sussidi per l’installazione di impianti FV, ma in alcuni casi (come in Germania) hanno comprato l’elettricità in eccesso prodotta da tali impianti e riversata in rete ad un prezzo molto maggiore di quello di vendita dell’elettricità tradizionale, come a voler “premiare” le caratteristiche ecologicamente compatibili di tale energia.

PARAGONE CON LE ALTRE FONTI
L'energia solare presenta caratteristiche molto interessanti: è molto diffusa (anche se ha una bassa densità), è "silenziosa", non è inquinante e permette di ottenere immediatamente energia elettrica direttamente sfruttabile, mentre con altre fonti si ottiene energia meccanica e poi energia elettrica.

Curiosità
Produzione in ITALIA di energia da fonti rinnovabili nel 2000:

Idroelettrica 42.404 GWh
Eolica 563 GWh
Fotovoltaico 6 GWh
Geotermico 4.705 GWh
Biomassa 1.906 GWh

 

IN ITALIA
In Italia, dopo una fase di grande fermento della prima metà degli anni '90 in cui l'ENEL ha installato diverse centrali fotovoltaiche (la più grande delle quali la centrale di Serre Persano nel salernitano di 3,3 MWp), il mercato ha vissuto un forte rallentamento soprattutto per l'assenza di adeguati meccanismi di incentivazione.

Oggi la strada da preseguire è quella degli impianti fotovoltaici da inserire negli edifici, cioè per i singoli utenti. Il Programma "10000 Tetti Fotovoltaici" sarà in grado di dare a tutto il comparto fotovoltaico una forte accelerazione: per il 2001 sono previsti 2000 impianti fotovoltaici installati presso soggetti pubblici e privati.
Se questa prima fase di avvio del programma avrà successo si prevede la realizzazione di 50.000 impianti fotovoltaici entro il 2007.

I principali impianti di produzione e relative potenze installate in kiloWatt di punta (kWp) ed applicazione (1995):

• SERRE PERSANO (SA) 3.300 kWp (in Rete)
• VASTO (CH) 1.000 kWp (in Rete)
• DELPHOS (FG) 600 kWp (in Rete)
• CARLOFORTE (CA) 600 kWp (+900kW eolico) (in Rete)
• LAMEZIA TERME (CZ) 600 kWp (+600kW eolico) (in Rete)
• SALVE (LE) 600 kWp (+600kW eolico) (in Rete)
• CASACCIA (RM) 100 kWp (in Rete)
• ALTA NURRA (SS) 100 kWp (in Rete)
• LAMPEDUSA 100 kWp (Dissalatore)
• LIPARI 100 kWp (Dissalatore)
• NETTUNO (RM) 100 kWp (Alimentazione villaggio)
• VULCANO 80 kWp (Rete locale)
• ZAMBELLI (VR) 70 kWp (Pompaggio)
• TREMITI 65 kWp (Dissalatore)
• GIGLIO 45 kWp (Refrigerazione)
• CETONA/SOVANA (SI) 20+6 kWp (Sito archeologico)

La produzione di energia nel 2000 è stata pari a 6300 MWh, valore ancora basso per essere rilevante rispetto alle altre fonti rinnovabili (è infatti il valore di gran lunga più basso).

Il mercato italiano delle energie rinnovabili alla fine del 2000: 

 

NEL MONDO
Nel mondo ci sono numerose installazioni, sia centrali fotovoltaiche che installazioni in complessi residenziali.
Per quanto riguarda le centrali fotovoltaiche le maggiori installazioni sono:

• Carrisa (California) 6500 kWp (in Rete)
• Sacramento (California) 2000 kWp (in Rete)
• Lugo (California) 1000 kWp (in Rete)
• Austin (Texas) 600 kWp (in Rete)
• Davis (California) 1100 kWp (Sperimentazione)
• Koben Gondorf (D) 340 kWp (in Rete)
• Isola di Pellworm (D) 300 kWp (centro ricreativo)
• Isola di Kythnos (GB) 100 kWp (in Rete con altre rinnovabili)

 

 

Sviluppi di mercato

IN ITALIA
La fonte solare ha grandi possibilità di contribuire in misura significativa alla diminuzione dell'impiego delle fonti fossili. Possiede le caratteristiche adeguate per la produzione di energia elettrica su grande scala, soprattutto in Italia dove i livelli di insolazione sono elevati.
In particolare mediante la diffusione di piccoli impianti privati (1-3 kWp), la cosiddetta "microgenerazione", che possono abilmente sfruttare le coperture degli edifici esistenti ( si veda il programma 10.000 tetti fotovoltaici). L'innovazione tecnologica, in particolare l'abbattimento dei costi di produzione, può risultare estremamente utile per una sua generalizzata promozione e sviluppo.

 

Il fotovoltaico appare, almeno nel lungo periodo, tra le più promettenti tecnologie "rinnovabili" . Il Piano Energetico Nazionale (PEN) del 1988, nell'intento di diversificare le fonti di produzione e di ridurre la percentuale di energia importata, attribuiva al FV un ruolo rilevante nell'ambito delle fonti rinnovabili definendo diverse azioni per il suo sviluppo.
Per quanto riguarda le applicazioni energetiche dei sistemi FV, al fine di valutare sul campo la loro fattibilità tecnica ed economica, era stato fissato l'ambizioso obiettivo di impianti per complessivi 25 MW installati entro il 1995. Pur se tale obiettivo non è stato raggiunto, sono attualmente installati sul nostro territorio ben 14 MW, che pongono l'Italia al primo posto tra i paesi europei. I principali operatori del settore sono l'Università, l'ENEA (che svolge ricerca sia sui materiali che sui sistemi), l'ENEL (ricerca sui sistemi ed applicazioni su larga scala) e l'industria.

Al fine di incoraggiare ed accelerare la diffusione del FV (e delle altre fonti di energia rinnovabile) è in vigore, in Italia, un sistema di regolamenti e sussidi. Già la legge 9 del 1991, consentiva agli investitori privati di produrre energia da fonti rinnovabili e di immetterla nella rete elettrica nazionale. Esiste oggi il programma "10000 Tetti fotovoltaici", promosso dal Ministero dell'Ambiente e dal Ministero dell'Industria, del Commercio e dell'Artigianato.

Il Programma pluriennale si propone la diffusione della tecnologia fotovoltaica mediante l'erogazione di contributi pubblici per la realizzazione di impianti fotovoltaici di piccola potenza (tra 1 e 50 kW) collegati alla rete elettrica e preferibilmente integrati nelle strutture edili, come tetti, terrazze, facciate, elementi di arredo urbano, ecc...
La prima fase prevede l'erogazione di contributi in conto capitale, nella misura massima del 75% del costo di investimento (IVA esclusa) dell'impianto.

 

NEL MONDO
Il mercato mondiale del fotovoltaico nel 1997 ha visto un incremento del 42 % rispetto all’anno precedente. Si è trattato della maggiore crescita registrata nel settore da oltre 15 anni. I 126 MWp di celle fotovoltaiche vendute nel 1997 hanno permesso di raggiungere una potenza installata complessiva pari a 800 MWp.

Considerando quello che sta avvenendo in alcuni paesi (Giappone e Germania in testa) e i progetti in fase di realizzazione o preparazione (Italia compresa) si può affermare che l’industria del fotovoltaico è in una importantissima fase di transizione : il mercato, fino ad ora considerato di "nicchia", si sta decisamente allargando, dimostrando una maturità tale da convincere le industrie produttrici di moduli ad investire somme sempre più rilevanti. In Giappone, nel 1997, sono stati realizzati 9.400 tetti fotovoltaici, per una potenza complessiva di 35 MW.
Il programma giapponese prevede di raggiungere nel 2000 una potenza fotovoltaica installata pari a 400 MW (70.000 tetti), che salirà a 4.600 MW nel 2010. Il 30% del costo di questi impianti è coperto da incentivi statali in conto capitale.

In Germania si sono sfruttate differenti politiche d’incentivazione. Alcune compagnie elettriche hanno adottato la cosiddetta "green power" (utilizzata anche in altri stati europei), con la quale l’utente paga l’energia elettrica ad un prezzo superiore all’usuale, nella consapevolezza che i soldi offerti in più saranno utilizzati per la costruzione di impianti di produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile.
Altre società invece riconoscono all’autoproduttore un prezzo incentivato. In questo momento è in atto il piano "100000 tetti fotovoltaici" che prevede l'installazione di altrettanti impianti entro il 2003. Negli Stati Uniti si parla addirittura di un milione di tetti fotovoltaici, nell’ambito del PATH (Partnership for Advancing Technology in Housing), iniziativa promossa dal Presidente Clinton avente lo scopo di ridurre il consumo di energia del 50 % nelle nuove case e del 30 % in 15 milioni di case già esistenti.

 

Fonte: http://istruzione.umbria.it/news2006/fotovoltaico/iis-rosselli-castiglion-lago/Radiazione_Solare_e_fotovoltaico_1.doc

Autore del testo: non indicato nel documento di origine

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Il Sole e la sua energia.

Il Sole è la stella intorno a cui orbita la Terra. Dal nostro punto di vista appare come un disco, di circa mezzo grado di diametro, che emette luce e calore. Anche guardandolo con vari strumenti si capisce poco della sua vera struttura fisica, che è in realtà molto complessa. Capire il Sole è (ed è stato) importante da molti punti di vista.  Prima di tutto la sua luce e la sua energia sono fondamentali per la vita sulla Terra. Le piante, la fotosintesi, e quindi tutta la catena alimentare sono legate alla sua luce. Indirettamente,  quasi tutta l'energia che si trova immagazzinata in varie forme (combustibili fossili, biomasse, energia eolica) è energia solare.

Il Sole invia sulla Terra una potenza di 14 Kilowatt su metro quadrato, l'equivalente della potenza di un ciclomotore, tanto è vero che l'energia solare viene a volte sfruttata per produrre elettricità in modeste quantità 

Adesso si ha una chiara percezione dei fenomeni che mantengono acceso il Sole, e quindi si sa che non si corrono rischi che  si spenga. Fino alla fine del secolo scorso questo concetto non era chiaro, e sembrava inevitabile che prima o poi la luce solare venisse mancare decretando la "morte termica" dell'umanità.

 

Il Sole non emette solo luce, ma anche un flusso di particelle cariche che viaggiano a circa 500 m/s, che interagiscono con il campo magnetico terrestre dando le aurore boreali, creando a volte problemi di comunicazione, e diminuendo spesso la vita di progetto dei satelliti che, orbitando intorno alla Terra non sono protetti dall'atmosfera terrestre.

 

Il Sole, oltretutto, è un esempio perfetto di stella media, e di fatto dà accesso a tante informazioni sulla fisica delle stelle che ci sarebbero altrimenti precluse. Il Sole ha un diametro che sottende mezzo grado, visto da Terra. Delle altre stelle non si riesce nemmeno a distinguere il disco, se non facendo ricorso al telescopio spaziale e solo per stelle molto grandi e vicine, come Betelgeuse, in Orione.

Molte delle informazioni che abbiamo del Sole vengono dall'analisi dello spettro della luce che emette.

In generale qualsiasi corpo che si trovi a una certa temperatura emette delle onde elettromagnetiche. Lo spettro di queste onde è variabile con la temperatura.

Tanto più un corpo è caldo tanto più il picco di emissione è spostato verso le alte frequenze. Lo spettro elettromagnetico, in realtà, è diviso per convenzione in vari domini.  In realtà le proprietà della radiazione variano in modo continuo con la frequenza. Partendo dalle frequenze più alte si hanno i raggi gamma, i raggi x, gli ultravioletti, la luce visibile, gli infrarossi, le microonde e le onde radio

 

Nello spettro di una stella come il Sole sono riconoscibili delle righe scure, dette righe di assorbimento, dovute al fatto che intorno al Sole si trovano degli strati di gas che assorbono la luce in corrispondenza di alcune lunghezze d'onda. Dalla lunghezza d'onda in cui compaiono le righe d'assorbimento si riconoscono gli elementi che hanno assorbito la luce. Nello stesso modo, ci sono alcune zone che emettono luce in corrispondenza di determinate lunghezze d'onda.

 

Questi spettri, detto spettri d'emissione, permettono di riconoscere nello stesso modo gli elementi che emettono luce. 

Con le onde elettromagnetiche l'effetto è lo stesso, solo che si vede solo per velocità significative rispetto a quella della luce (almeno qualche Km/s). Quando la sorgente si avvicina la vediamo più blu (blueshift), quando si allontana la vediamo più rossa (redshift).

Questi spostamenti si riconoscono perché si vedono delle righe caratteristiche spostate verso il blu o verso il rosso.

Nel Sole avviene un processo di fusione nucleare: a temperature molto elevate, avvengono incessantemente  reazioni termonucleari.

Questo processo  libera una gigantesca quantità di energia e la cede come radiazioni all’uni­verso sottoforma di onde elettromagnetiche. Una parte di queste radiazioni passa l’atmosfera terrestre e arriva come radiazione solare diretta sulla superficie terrestre con un’intensità al suolo di circa 1000W/m2. Questo  flusso di energia è pari a 15.000 volte l’attuale  consumo energetico mondiale ma di questa energia solo una parte può essere trasformata in energia utile.

L’intensità e  la distribuzione spettrale della radiazione solare che arriva sulla superficie terrestre  dipendono dalla composizione dell’atmosfera; la quantità di energia che il Sole irraggia, ogni secondo su un centimetro quadrato di superficie terrestre, è detta costante solare

Le radiazioni solari possono essere utilizzate in due modi: sfruttando il suo calore per riscaldare l’acqua oppure sfruttando la sua luce che la trasforma  direttamente in elettricità grazie agli impianti fotovoltaici.

 

Le radiazioni elettromagnetiche

Il campo delle onde elettromagnetiche

 

Raggi gamma

Raggi x

Ultra violetti

Luce visibile

Infrarossi

Onde radar Micro-onde

Onde radio

 

Qualunque radiazione  elettromagnetica  è composta da fotoni, particelle elementari elettricamente neutre dalla natura corpuscolare ed ondulatoria.

 

Fonte: http://istruzione.umbria.it/news2006/fotovoltaico/iis-rosselli-castiglion-lago/Il%20Sole%20e%20la%20sua%20energia.doc

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