L’energia fotovoltaica
Nel corso degli ultimi anni è stata dedicata crescente attenzione, sia da parte delle autorità che degli operatori, alla produzione di energia da fonti rinnovabili. La ricerca di uno sviluppo sostenibile include sempre più, tra le opzioni strategiche, l’uso crescente di fonti rinnovabili. L’importanza dell’utilizzo sempre crescente delle fonti rinnovabili è strettamente collegata alla possibilità che il sistema economico mondiale attui un processo progressivo di sviluppo sostenibile, soprattutto in relazione a tematiche ambientali di grande rilevanza, quali, in primo luogo, la questione del cambiamento climatico. Le energie rinnovabili rappresentano una valida alternativa alle tradizionali fonti di energia da combustibili fossili, la cui disponibilità futura è incerta e il cui costo in costante aumento dipende da molti fattori, non ultimi quelli politici e speculativi. Una delle principali fonti rinnovabili disponibili in natura è il sole, utilizzabile per la produzione diretta di energia elettrica, con impianti fotovoltaici (FV). Il solare fotovoltaico è una delle fonti di energia rinnovabile che l’Italia può sfruttare grazie a un livello di irraggiamento particolarmente favorevole.

La tecnologia fotovoltaica consente di trasformare direttamente in energia elettrica l’energia associata alla radiazione solare. Essa sfrutta il cosiddetto effetto fotovoltaico, basato sulle proprietà di alcuni materiali semiconduttori (fra cui il silicio, elemento molto diffuso in natura) che, opportunamente trattati ed interfacciati, sono in grado di generare elettricità se colpiti dalla radiazione solare.
La quantità di energia solare che arriva sulla superficie terrestre e che può essere utilmente captata ed utilizzata da un dispositivo fotovoltaico dipende dall’irraggiamento solare del luogo.
L’irraggiamento è, infatti, la quantità di energia solare incidente su una superficie unitaria in un determinato intervallo di tempo, tipicamente un giorno (kWh/m2/giorno). Il valore istantaneo della radiazione solare incidente sull’unità di superficie viene invece denominato radianza (kW/m2).
L’irraggiamento è influenzato dalle condizioni climatiche locali (nuvolosità, foschia ecc..) e dipende dalla latitudine del luogo, cresce cioè quanto più ci si avvicina all’equatore.
In Italia l’irraggiamento medio annuale varia dai 3,6 kWh/m2/giorno della pianura padana ai 4,7 kWh/m2/giorno del centro-Sud e ai 5,4 kWh/m2/giorno della Sicilia.
Il dispositivo più elementare capace di operare una conversione dell’energia solare è la cella fotovoltaica, in grado di produrre una potenza di circa 1,5 Watt in condizioni standard, cioè quando si trova ad una temperatura di 25°C ed è sottoposta ad una potenza della radiazione pari a 1.000 W/m². Le celle sono costituite da una sottile fetta di un materiale semiconduttore, quasi sempre silicio opportunamente trattato, dello spessore di circa 0,3mm, possono essere rotonde o quadrate e possono avere una superficie compresa tra i 100 e i 225cm2.

La cella si comporta come una minuscola batteria e nelle condizioni di soleggiamento tipiche dell’Italia (1kW/m2), alla temperatura di 25°C fornisce una corrente di 3A, con una tensione di 0,5V e una potenza pari a 1,5-1,7Wp.
In commercio si trovano moduli fotovoltaici che sono costituiti da un insieme di celle. I più diffusi sono costituiti da 36 celle disposte su 4 file parallele collegate in serie. Hanno superfici che variano da 0,5 a 1m2 e permettono l’accoppiamento con gli accumulatori da 12Vcc nominali. Più moduli collegati in serie formano un pannello, ovvero una struttura comune ancorabile al suolo o ad un edificio. Più pannelli collegati in serie costituiscono una stringa. Più stringhe, collegate generalmente in parallelo per fornire la potenza richiesta, costituiscono il generatore fotovoltaico (Figura 1)


Figura 1 - Impianto fotovoltaico: schema di funzionamento

Un modulo fotovoltaico tipo, formato da 36 celle, ha una superficie di circa mezzo metro quadrato ed eroga, in condizioni standard, circa 50W.

Dal punto di vista elettrico non ci sono praticamente limiti alla produzione di potenza da sistemi fotovoltaici, perché il collegamento in parallelo di più file di moduli (stringhe) consente di ottenere potenze elettriche di qualunque valore. Il trasferimento dell’energia dal sistema fotovoltaico all’utenza avviene attraverso ulteriori dispositivi (inverter) necessari a trasformare la corrente continua prodotta in corrente alterna, adattandola alle esigenze dell’utenza finale.

Il campo fotovoltaico è un insieme di moduli fotovoltaici, opportunamente collegati in serie e in parallelo, in modo da realizzare le condizioni operative desiderate. La bassa densità energetica dell’energia solare necessita di grandi superfici per ottenere energie necessarie a rifornire le abitazioni civili. I sistemi fotovoltaici possono essere in isola (stand-alone) e collegati alla rete (grid connected), questi ultimi a loro volta si dividono in centrali fotovoltaiche e sistemi integrati negli edifici.
Nei sistemi isolati, in cui la sola energia è quella prodotta dal fotovoltaico, occorre prevedere un sistema di accumulo (in genere costituito da batterie tipo quelle delle automobili, e dal relativo apparecchio di controllo e regolazione della carica), reso necessario dal fatto che il generatore fotovoltaico può fornire energia solo nelle ore diurne, mentre solitamente la richiesta energetica si ha durante tutte le ore del giorno.
E’ opportuno prevedere quindi un dimensionamento del campo fotovoltaico in grado di permettere, durante le ore di insolazione, sia l’alimentazione del carico, sia la ricarica delle batterie di accumulo. Nei sistemi fotovoltaici isolati, l’immagazzinamento dell’energia avviene, in genere, mediante accumulatori elettrochimici (tipo le batterie delle automobili). Tali accumulatori permettono di far fronte a punte di carico, senza dover sovradimensionare i generatori, nonchè di garantire la continuità dell’erogazione dell’energia anche in caso di basso (o nullo) irraggiamento o guasto temporaneo dei generatori.

Poichè l’energia prodotta dal generatore fotovoltaico è sotto forma di corrente continua (CC), qualora si debbano alimentare apparecchi che funzionino con corrente alternata (AC), è necessario introdurre nel sistema un dispositivo elettronico (inverter) che provvede alla conversione da CC a AC. L’inverter è un elemento essenziale negli impianti collegati alla rete elettrica (che è a AC a bassa tensione), mentre può non essere previsto se il sistema è isolato (in tal caso tutte le apparecchiature presenti dovranno funzionare in corrente continua). Nei sistemi collegati alla rete l’inverter è sempre presente mentre, al contrario degli impianti isolati, non è previsto il sistema di accumulo, poichè l’energia prodotta durante le ore di insolazione viene immessa nella rete. Viceversa, nelle ore notturne, il carico locale viene alimentato dalla rete. Un sistema di questo tipo è, sotto il punto di vista della continuità di servizio, più affidabile di un sistema isolato.