GUIDA AL FOTOVOLTAICO : i componenti (parte 1/5)

Conoscere il fotovoltaico

Negli ultimi anni il mondo del fotovoltaico ha visto improvvisarsi molti installatori e progettisti gettando tante ombre in un settore già di per se molto variegato e complesso. Impariamo a conoscere nel corso di questi articoli i componenti, gli strumenti e le tecniche di progettazione di un impianto fotovoltaico tralasciando l’aspetto meramente burocratico per concentrarci sulla tecnica.

Negli ultimi tempi abbiamo assistito alla proliferazione di impianti fotovoltaici di diversa natura, dai grandi impianti a terra, a quelli su inseguitori, a quelli sui tetti di grandi capannoni industriali o delle nostre abitazioni. Per quanto diversi possano sembrare, in realtà questi impianti sono tutti accomunati dai medesimi componenti e dagli stessi calcoli per il loro dimensionamento.

Negli anni quello che è cambiato è l’approccio alla progettazione degli impianti, sia per motivi di normativa sia per motivi economici legati alla resa dell’impianto.  Sul fronte delle normative, siamo giunti ormai al 5° conto energia e molti tipi di impianti non sono più realizzabili, come i grandi impianti a terra; per questo motivo la maggior parte delle grandi installazioni viene realizzata su grandi tetti industriali.

Per quanto riguarda la resa dell’impianto, l’orientamento della maggior parte dei progettisti è il frazionamento dell’impianto: se fino a qualche anno fa si prediligevano gli inverter centralizzati (da 100kW in su) oggi si preferisce frazionare l’impianto utilizzando più inverter di taglia inferiore (tra i 10 e 25kw).

La motivazione di questa scelta è da attribuire ad una serie di fattori:

  • gli inverter centralizzati sono generalmente macchine con basso grado IP che necessitano per la loro installazione di un  apposito vano mentre gli inverter di piccola taglia sono disponibili anche con grado IP 65 che li rende adeguati ad essere installati direttamente sul campo, riducendo il costo di cavo fotovoltaico;
  • occorre considerare il rendimento economico dell’impianto in occasione di guasti: gli inverter centralizzati, per via del loro peso e delle dimensioni, non vengono sostituiti in caso di guasto ma riparati sul posto dai tecnici della casa madre il che causa interruzioni di funzionamento di diverse ore se non giorni, immaginiamo un impianto da 500kW fermo una giornata. Gli inverter di piccola taglia, invece, sono sempre sostituiti in caso di guasto e generalmente ne viene sempre tenuto almeno uno di scorta sull’impianto. Prendendo come esempio sempre un impianto da 500kW, ipotizziamo formato da 25 inverter da 20kW, in caso di guasto, si fermerà un venticinquesimo dell’impianto, riducendo le perdite di mancata produzione. Questo modo di progettare impianti non è però solo adatto per installazioni di grandi  dimensioni, ma anche per l’impianto casalingo, ad esempio da 6 kW, utilizzando due inverter da 3kW.

Qualunque sia l’architettura utilizzata per configurare il proprio impianto fotovoltaico, va sempre ricordato che la qualità dei componenti utilizzati ed il loro corretto dimensionamento sono fondamentali per una resa duratura del proprio investimento. Ma quali componenti formano un impianto fotovoltaico?

Elencarli è presto fatto:

  • Pannelli fotovoltaici;
  • Strutture di fissaggio;
  • Quadri DC;
  • Inverter;
  • Quadri AC.

Naturalmente oltre la qualità dei componenti è fondamentale il giusto dimensionamento elettrico dell’intero sistema e la corretta disposizione ed installazione dei vari componenti.

Vi sono poi componenti aggiuntivi, ma non per questo meno importanti, che fanno parte dei sistemi di monitoraggio. È infatti fondamentale tenere sotto controllo il proprio impianto per essere certi che produca quanto stimato in fase di progettazione. Altro fattore determinante per la resa dell’impianto è la manutenzione e pulizia dei pannelli fotovoltaici.

 

1         Componenti dell’impianto

Analizzeremo nel dettaglio ogni singolo componente dell’impianto fotovoltaico per poter optare e selezionare quelli più adatti a seconda del tipo di impianto da realizzare e della sua dislocazione. Conoscere ciò che offre il mercato è fondamentale per bilanciare al meglio il rapporto prezzo/rendimento dell’impianto e massimizzarne la resa.

1.1       Pannello FV

Il pannello fotovoltaico è sicuramente il componente alla base dell’impianto fotovoltaico in quanto trasforma la luce in energia elettrica. I pannelli fotovoltaici non sono però tutti uguali e possono essere realizzati con diverse tecnologie, ognuna delle quali presenta vantaggi e svantaggi.

La tipologia di pannello maggiormente utilizzata degli ultimi due anni nella realizzazione di impianti è quella policristallina che fino a qualche anno fa era considerata un surrogato della tecnologia monocristallina. Le caratteristiche di queste due tecnologie sono:

  • Pannelli monocristallini: sono tra i più costosi e presentano rendimenti tra il 15 ed il 18%, si presentano generalmente sotto forma di celle ottagonali il cui colore tende quasi al nero. Ogni cella è realizzata a partire da un wafer di silicio la cui struttura cristallina è omogenea. Dato il loro costo, sono pannelli usati pochissimo e che hanno una minima fetta di mercato.
  • Pannelli policristallini: sono i più utilizzati ed il loro rendimento ha praticamente raggiunto quello dei monocristallini in quanto lo sviluppo dei processi produttivi si è concentrato su questa tecnologia. Sono realizzati con wafer di silicio la cui struttura cristallina non è omogenea ma organizzata in grani localmente ordinati. Le celle sono generalmente quadrate di colore blu.

 

Le celle realizzate con queste tecnologie producono energia solamente se investite dalla radiazione solare. Questo significa che il raggio di sole deve colpire direttamente la cella perché il processo fotovoltaico si inneschi. Da qui la necessità, in fase di installazione di optare per l’orientamento ed inclinazione migliori possibili.

 

I pannelli cristallini sono realizzati costruendo un vero e proprio sandwich formato dai seguenti materiali:

  1. Vetro
  2. EVA
  3. Celle mono o policristalline
  4. EVA
  5. Backsheet o vetro

Il vetro utilizzato è generalmente a basso contenuto di piombo,trasparente, temperato  e con una particolare texture superficiale per consentire una maggiore diffusione della luce sulle celle. Il suo spessore varia dai 3,2 ai 4mm a seconda dei produttori.

L’EVA è una plastica copolimerica particolarmente flessibile ed elastica utilizzata per isolare dall’aria e dall’umidità le celle fotovoltaiche.

Il backsheet è uno strato plastico ad alto isolamento che protegge la parte retrostante del pannello che generalmente, una volta installato,  non dovrebbe essere soggetta a grosse sollecitazioni. In casi particolari, quando i pannelli sono particolarmente grandi, o nella realizzazione di pannelli per copertura di serre o speciali integrazioni architettoniche, lo strato di backsheet viene sostituito con un ulteriore vetro; si ottengono in questo modo i famosi pannelli vetro-vetro. La maggior parte dei pannelli, utilizzati per impianti tradizionali, sono invece dotati di una cornice (frame) in alluminio che conferisce resistenza al modulo e ne facilita il fissaggio. Lo spessore di questo frame è compreso generalmente tra i 30 e i 50mm.

Nella parte posteriore del pannello è posizionata la “scatola di giunzione” che è fissata sul backsheet con del sigillante. All’interno della scatola sono raccolte le connessioni provenienti dalle celle fotovoltaiche. Queste sono generalmente raggruppate in tre gruppi ed ogni gruppo dotato di un diodo di by-pass posto nella scatola di giunzione. Grazie a questi diodi, non viene inficiata la produttività dell’intero modulo se una serie di celle viene ombreggiata e viene evitato il surriscaldamento delle celle che si verifica in questi casi. Dalla scatola fuoriescono due cavi da 4mmq lunghi circa 1,5 metri dotati generalmente di connettori Tyco maschio e femmina per i due poli positivo e negativo. La tendenza di alcuni produttori è invece di montare un solo cavo per il polo positivo, lungo 2 metri, e montare il connettore negativo direttamente sulla scatola di giunzione utilizzando un apposito connettore da pannello. Naturalmente questa scelta, che solitamente non crea nessun tipo di problemi durante l’installazione permette alle aziende produttrici  di moduli un risparmio di 1 metro di cavo per ogni pannello prodotto, che considerando i numeri in gioco, non sono certo cifre da poco.

Su ogni modulo fotovoltaico deve essere riportata una etichetta contenente:

  • Il produttore;
  • La matricola del pannello;
  • I parametri elettrici nominali del pannello;
  • I loghi delle varie certificazioni acquisite;
  • Il logo dell’ente certificatore.

Ogni singolo modulo fotovoltaico che esce dalla linea di produzione viene sottoposto ad un test per verificarne il corretto funzionamento e rilevarne i reali parametri elettrici. Il pannello fotovoltaico è sottoposto ad un irraggiamento di 1000W/mq in una camera a 25°C e ne vengono letti tutti i parametri elettrici. I dati rilevati andranno a formare quella che viene comunemente chiamata “flash-list”.

Nell’acquistare oggi dei pannelli fotovoltaici è fondamentale prestare attenzione alle certificazioni che il produttore può fornire. Infatti è fondamentale per accedere al conto energia che l’azienda produttrice abbia le certificazioni ISO9001, ISO14001, OHSAS18001 e la Factory inspection.

 

1.1.1       Tipologie di pannelli (Amorfo, Film Sottile: Cigs, tellururo di cadmio ecc…)

Oltre alla tecnologia cristallina, vi sono sul mercato moduli fotovoltaici realizzati con altre tecniche studiate per rendere i pannelli più economici o elevarne il rendimento.

Una delle prime tecnologie sviluppate per rendere più economico il processo produttivo dei pannelli è stata quella legata al “Silicio amorfo”. È  una tecnologia che permette di ottenere pannelli a basso costo che però presentano un rendimento inferiore rispetto alle celle cristalline. Di contro, offrono il vantaggio di produrre energia anche con la sola luce diffusa e non, come accade per i pannelli cristallini, con il solo irraggiamento diretto. I moduli in silicio amorfo si presentano sotto diversa forma ed alcune aziende ne realizzano veri e propri tappeti da srotolare ed incollare con appositi collanti sui tetti. Naturalmente i tetti devono presentare una superficie uniforme per potervi incollare questi particolari pannelli. Una caratteristica particolare dei pannelli realizzati in silicio amorfo è il periodo di assestamento che fa sì che i moduli si allineino ai valori di rendimento previsti dopo qualche mese dalla loro messa in esercizio.

Una tecnologia che invece si sta rivelando molto efficiente è quella legata ai moduli in Film-Sottile con tecnologia CIGS. Si tratta di una giunzione formata da Rame, Indio, Galio e Selenio sulla quale diversi produttori hanno lavorato sviluppando celle con rendimenti ormai simili a quelle cristalline ma con il vantaggio di lavorare anche con luce diffusa. Le celle poste oggi sul mercato hanno efficienze comprese tra il 9,5 ed il 13% con garanzia di 25 anni in quanto non vi è alcun processo intrinseco che ne determini una drastica riduzione delle prestazioni nel tempo: anzi, al contrario dei pannelli in silicio cristallino, queste celle spesso migliorano le loro prestazioni poiché la presenza del rame “rigenera” la struttura del reticolo cristallino durante il funzionamento. Secondo alcuni studi, nei prossimi anni la tecnologia CIGS, in diverse varianti, potrebbe raggiungere rendimenti molto elevati, anche prossimi al 30%.

Molto interessante risulta l’evoluzione del CIGS marchiata IBM che prende il nome di CTZSS e che utilizza Rame, Stagno, Zinco, Zolfo e Selenio. L’efficienza raggiunta è pari al  9,6% ma con costi notevolmente più bassi e numerosi vantaggi rispetto al CIGS. In primo luogo non viene utilizzato l’Indio che ha costi elevati e scarsa reperibilità ed inoltre non viene utilizzato neanche il “Tellururo di Cadmio”, anche questo costoso e soggetto a possibili impennate di prezzi e soprattutto a problemi di smaltimento a fine vita poiché altamente inquinante. Inoltre anche questa tecnologia permette produzione di celle per mezzo di tre processi produttivi:

  • Immersione in una soluzione;
  • Spray;
  • Stampa.

 

In realtà, alcuni produttori si sono focalizzati sulla produzione di moduli in Tellururo di Candio (TeCd) raggiungendo rendimenti straordinari del 14,4% (17,3% della singola cella)  che fino a qualche anno fa erano raggiungibili solo con i migliori pannelli in silicio cristallino. Le caratteristiche elettriche del Tellururo di Cadmio sono simili a quelle dell’Arseniuro di Gallio o del Silicio, ma essendo considerato uno scarto dei processi di estrazione dei minerali non ferrosi ha un costo notevolmente più basso. Si tratta quindi di una tecnologia che promette, secondo i suoi promotori, ampi margini di miglioramento e la possibilità di abbassare il prezzo dei pannelli.

 

Quello che hai appena letto è un Articolo Premium reso disponibile affinché potessi valutare la qualità dei nostri contenuti!

 

Gli Articoli Tecnici Premium sono infatti riservati agli abbonati e vengono raccolti mensilmente nella nostra rivista digitale EOS-Book in PDF, ePub e mobi.
volantino eos-book1
Vorresti accedere a tutti gli altri Articoli Premium e fare il download degli EOS-Book? Allora valuta la possibilità di sottoscrivere un abbonamento a partire da € 2,95!
Scopri di più

23 Comments

  1. Bazinga 14 marzo 2013
  2. Bazinga 14 marzo 2013
  3. Emanuele Emanuele 14 marzo 2013
  4. delfino_curioso delfino_curioso 14 marzo 2013
  5. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 14 marzo 2013
  6. Giorgio B. Giorgio B. 14 marzo 2013
  7. Giorgio B. Giorgio B. 14 marzo 2013
  8. Giorgio B. Giorgio B. 14 marzo 2013
  9. Giorgio B. Giorgio B. 14 marzo 2013
  10. Giorgio B. Giorgio B. 14 marzo 2013
  11. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 14 marzo 2013
  12. Boris L. 14 marzo 2013
  13. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 16 marzo 2013
  14. delfino_curioso delfino_curioso 16 marzo 2013
  15. paolo.barbuti 16 marzo 2013
  16. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 16 marzo 2013
  17. alex272 alex272 16 marzo 2013
  18. ferfabry76 17 marzo 2013
  19. Francesco darkstar55 22 marzo 2013
  20. Giorgio B. Giorgio B. 23 marzo 2013
  21. Boris L. 23 marzo 2013
  22. paolo.barbuti 23 marzo 2013
  23. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 23 marzo 2013

Leave a Reply