Tecnologia fotovoltaica

L’effetto fotovoltaico consiste nella generazione di corrente elettrica in seguito ad assorbimento della radiazione elettromagnetica proveniente dal Sole da parte di materiali semiconduttori. Continua…

Il generatore fotovoltaico

L’insieme dei moduli fotovoltaici di un particolare impianto costituisce il generatore, connesso a sua volta al resto del sistema. L’unità di taglia di un impianto fotovoltaico è il kilowatt di picco (kWp), che rappresenta la potenza che il generatore è in grado di erogare in particolari condizioni di riferimento, denominate STC (Standard Test Conditions), e cioè: irradianza solare sui moduli 1 kW/m2, incidenza normale al piano delle celle, temperatura delle celle 25 °C, spessore di atmosfera attraversato dalla radiazione pari a 1,5 volte quello misurato sulla verticale al sito.

Un impianto fotovoltaico è composto da un insieme di apparecchiature elettriche ed elettroniche che concorrono alla trasformazione della maggior quantità possibile di energia solare in corrente elettrica. Convenzionalmente si usa suddividere i componenti degli impianti in due gruppi principali: i dispositivi più propriamente fotovoltaici (celle e moduli) ed il BOS (balance of system) che comprende tutti gli altri elementi (dalle strutture di sostegno ai cablaggi).

A seconda della componentistica complementare e del tipo di utilizzo, gli impianti fotovoltaici possono essere suddivisi, sostanzialmente, in due categorie: isolati (stand alone) e connessi alla rete (grid connected).

Nei primi, il generatore è connesso ad un sistema di accumulo, rappresentato da batterie in grado di immagazzinare l’energia prodotta e fornirla successivamente all’utenza nei tempi e nei modi richiesti.

Impianto stand-alone – schema di funzionamento

Nel caso di impianti connessi alla rete elettrica pubblica, invece, gli accumulatori sono generalmente assenti, e l’energia prodotta viene immessa nella rete totalmente o per la porzione che non viene utilizzata direttamente in loco. Nei periodi di insolazione scarsa o nulla, poi, è la rete stessa ad integrare il fabbisogno.

Impianto grid-connetted – schema di funzionamento

Entrambi i tipi di impianti, infine, sono dotati di uno o più inverter, dispositivi in grado di convertire la corrente continua, proveniente dal campo fotovoltaico o dalle batterie, in corrente alternata da inviare al carico.

I principali componenti tecnologici

Inverter

Gli inverter sono apparati elettronici in grado di effettuare la conversione tra la potenza fornita dal generatore fotovoltaico, sotto forma di corrente continua, in potenza elettrica compatibile con la tensione e la frequenza della rete elettrica. Questa definizione si applica agli inverter per il funzionamento in parallelo alla rete, che sono concettualmente e funzionalmente differenti dagli inverter per applicazioni isolate.

Negli inverter per servizio in parallelo alla rete, i circuiti di ingresso non hanno come riferimento la tensione delle batterie, non più presenti, ma quella del generatore fotovoltaico. Questo comporta l’adattamento a variazioni molto più ampie ed inoltre richiede un circuito inseguitore del punto di massima potenza o Maximum Power Point Tracker (MPPT) sulla curva caratteristica I-V del generatore stesso. Spesso questa ricerca viene effettuata per tentativi mediante piccoli spostamenti, ad intervalli ravvicinati, del punto di lavoro sulla curva caratteristica I-V.

Metodo di ricerca del punto di massima potenza dell’array fotovoltaico

La finestra di tensione di ingresso degli inverter per il funzionamento in parallelo alla rete elettrica deve tenere conto delle possibili variazioni della tensione di ingresso per l’effetto congiunto delle differenti condizioni di irraggiamento e delle variazioni termiche.

La combinazione di questi fattori fa sì che il rapporto tra la tensione minima e quella massima di ingresso per gli inverter commerciali sia dell’ordine di 1 : 2, per spingersi in qualche caso a 1 : 3 o verso rapporti ancora maggiori.
Le tensioni corrispondenti possono essere estremamente variabili: si parte da valori non superiori a 50 ÷ 100 V per i moduli con inverter integrato fino a spingersi frequentemente verso tensioni massime di 400 ÷ 600 V per i piccoli inverter e 800 ÷ 900 V per i grandi convertitori.

Tanto maggiore è la tensione di ingresso, tanto minore è il numero di stringhe di moduli necessario ad ottenere la stessa potenza, permettendo, allo stesso tempo, di diminuire la sezione e il numero dei cablaggi. Tuttavia non è conveniente avvicinarsi troppo alla tensione massima di isolamento dei moduli fotovoltaici indicata dal costruttore, la quale spesso è compresa tra 600 e 1000 V.

Riguardo ai circuiti di uscita, poiché tensione e frequenza sono imposti dalla rete, l’inverter deve sincronizzarsi con quest’ultima e comportarsi come un generatore pressoché ideale di corrente alternata. Qualora la rete dovesse venire a mancare, anche solo per brevi periodi, l’inverter deve scollegarsi prontamente al fine di evitare di alimentare i carichi con valori di tensione e frequenza non idonei e generare situazioni di pericolo.

Attualmente, i moderni inverter utilizzano la commutazione ad alta frequenza con impulsi di durata variabile. Questa tecnica è detta PWM (Pulse Width Modulation) e consente di limitare il contenuto armonico al di sotto dei limiti imposti dalle norme di compatibilità elettromagnetica.

Le potenze commercialmente disponibili per gli inverter per servizio in parallelo alla rete partono da taglie di circa 100 watt, tipiche dei convertitori per moduli AC, i quali spesso possono essere fissati sul retro dei moduli stessi e inseriti direttamente in una presa elettrica.

Vi è poi una fascia di prodotti la cui potenza di uscita parte da poco meno di 1 kW e arriva a circa 6 kW. Si tratta di inverter monofase, in genere molto versatili, che possono essere usati singolarmente o in configurazioni costituite da più unità la cui uscita è collegata in parallelo in una rete monofase o trifase (nel secondo caso collegandoli a stella, cioè in parallelo alle singole fasi).

Gli inverter trifasi hanno invece potenze che variano da circa 10 kW, per arrivare fino a 1 MW.

Strutture di sostegno

Ai fini di una corretta progettazione, è importante la scelta delle tipologie di strutture di sostegno da abbinare ai moduli, in modo da poter garantire diversi livelli di integrazione architettonica.
Ad esempio, nell’adattamento di una facciata a doppia pelle ventilata o nell’utilizzo dei laminati fotovoltaici in vetrocamera è necessario predisporre strutture appositamente dimensionate, per le quali si può assumere come indicativo un costo intorno ai 400-800 €/kWp, aggiuntivo rispetto a quello dei soli moduli.

Strutture di sostegno per moduli fotovoltaici integrati in facciata

Se le facciate, che costituiscono l’ambito applicativo di maggiore visibilità,  rappresentano anche le realizzazioni più costose, le installazioni in copertura si dimostrano generalmente associate a spese più contenute. Per realizzare la completa integrazione si può ricorrere a sistemi da rivestimento continuo, del tipo a curtain wall, impiegati su falde inclinate in sostituzione  del manto di rivestimento esterno.
Secondo questa soluzione, i moduli fotovoltaici sono inseriti in strutture metalliche a montanti e traversi, per le quali si può considerare un costo intorno ai 200-400 €/kWp.
Per realizzazioni di tipo più tradizionale, ad esempio su tetti in coppi o tegole, si ricorre invece a moduli specifici, che sostituiscono gli elementi in laterizio, o a componenti integrati (modulo+tegola), completati da lattonerie ed elementi di fissaggio e di raccordo.

Strutture di sostegno con moduli fotovoltaici integrati per coperture in coppi

È, inoltre, possibile impiegare appositi sistemi di aggancio e staffatura, a seconda dei casi, per sostituire o sovrapporre i moduli al manto di copertura con extracosti delle strutture limitati (200-300 €/kWp).

Strutture di sostegno per impianti sovrapposti a coperture inclinate

In alternativa, in presenza di coperture inclinate in lamiera aggraffata, si possono impiegare elementi costituiti da un supporto in lamiera su cui viene incollato un modulo in silicio amorfo, ottenendo un manto di copertura leggero e abbastanza flessibile.

Copertura realizzata con moduli in silicio amorfo a tripla giunzione applicati ad elementi in lamiera aggraffata

I moduli flessibili in silicio amorfo possono essere utilizzati anche in sistemi multistrato a guaina, in cui viene realizzato un manto completo di rivestimento (che quindi rientra nella categoria dell’integrazione architettonica), con funzione di impermeabilizzazione ed eventualmente anche di coibentazione.
Nel caso in cui non sia possibile, o non sia richiesto, un risultato estetico-architettonico di livello elevato, una soluzione molto diffusa ed economica consiste nel fissare i moduli a strutture di supporto metalliche a cavalletto oppure sagomate in PVC, che vengono posizionate a piacimento, generalmente su coperture piane. In questi casi l’integrazione architettonica non è verificata o può essere, al limite, solo parziale, ma i prezzi sono decisamente interessanti (300-600 €/kWp per quanto riguarda i supporti).

Strutture di sostegno per impianti installati su coperture piane

Vanno citate infine le strutture da utilizzare per centrali poste su terreno aperto, che possono essere ancora mediante plinti di fondazione o per infissione nel terreno.

Strutture di sostegno per impianti installati su terreno aperto

Le principali tipologie di impiantil

Impianti fotovoltaici in isola

Gli impianti fotovoltaici in isola (o stand-alone) sono impianti in grado di produrre autonomamente energia elettrica a partire dalla fonte solare.

A differenza di quanto accade per gli impianti allacciati alla rete elettrica, in tutti gli impianti fotovoltaici in isola, è sempre presente un accumulo di energia di tipo elettrochimico.

La capacità dell’accumulo è, ovviamente, commisurata alla taglia dell’impianto, ma dipende anche dal grado di autonomia e affidabilità richiesti al sistema. È inoltre importante che i flussi di energia tra generatore fotovoltaico, accumulo e carico siano opportunamente controllati. Quest’ultimo compito è svolto dal regolatore di carica.

A prescindere dal fatto che si abbia a che fare con una semplice lampada fotovoltaica o con un impianto da svariati kW, un impianto fotovoltaico in isola può sempre essere rappresentato come nella figura seguente, nella quale i flussi di energia sono schematizzati con delle frecce.

Schema generale di un impianto fotovoltaico per servizio in isola

Talvolta, soprattutto negli impianti di grossa taglia, si ricorre a soluzioni “ibride”, nelle quali alla generazione fotovoltaica si affiancano generazioni di altro tipo (gruppo Diesel, eolico, mini-idroelettrico ecc.).

Lo schema è quasi sempre quello in figura, con l’unica variante che all’ingrasso del regolatore di carica compaiono anche gli altri generatori. Spesso in questi casi, per far fronte ad eventuali situazioni di emergenza, si lascia la possibilità di alimentare direttamente le utenze tramite un’unica fonte purché di tipo programmabile (ad esempio un generatore Diesel o mini-idroelettrico). In tali evenienze, l’array fotovoltaico, così come il regolatore di carica e l’accumulo elettrochimico, vengono momentaneamente esclusi.

Un’altra tipologia di impianti ibridi, ancora però poco diffusa, è rappresentata dalle mini-reti in corrente alternata, nelle quali tutti i generatori e i carichi sono collegati in parallelo su un’unica rete a 230 V e 50 Hz (o 400 V e 50 Hz se trifase), la cui gestione è affidata ad un inverter bidirezionale alimentato dall’accumulo elettrochimico.

La tabella seguente riassume le principali tipologie di impianti in isola, in essa sono comprese le alimentazioni di apparecchiature ed alcune applicazioni particolari, quali il pompaggio dell’acqua potabile.

Alimentazione di apparecchiature	Segnalazioni marittime (fari, fanali, boe). Lampioni fotovoltaici. Segnalazioni stradali, segnapasso. Ponti radio. Frigoriferi per vaccine.
Applicazioni mobili	Campeggio, roulotte, Camper Imbarcazioni a vela.
Strutture isolate	Abitazioni. Strutture sanitarie e di interesse pubblico. Rifugi di montagna.
Pompaggio	Acqua potabile e per uso sanitario. Acqua per usi agricoli e zootecnici. Fontane.

Le figure seguenti mostrano visivamente alcune applicazioni tipiche.

Impianti fotovoltaici collegati alla rete elettrica

Attualmente, la quasi totalità degli impianti realizzati nei Paesi industrializzati risulta connessa alla rete elettrica di distribuzione, diversamente da quanto avveniva fino a 20 anni or sono, quando invece gli impianti per servizio isolato rappresentavano quasi per intero le applicazioni del settore fotovoltaico.

Poiché la tecnologia fotovoltaica è completamente scalabile, la potenza degli impianti collegati alla rete elettrica varia tipicamente da un minimo di 1 kW (taglia minima per l’ammissione alla tariffa incentivante prevista dal D.M. 19 febbraio 2007) fino ad arrivare agli impianti di grossa taglia che, attualmente, raggiungono potenze di decine di MW.

Si effettua la connessione alla rete BT per potenze fino a 100 kW e alla rete MT per potenze fino a 3÷10 MW. Per potenze maggiori è invece richiesta la connessione alla rete AT.

I grossi impianti sono in generale dedicati alla cessione totale dell’energia alla rete, mentre quelli più piccoli, essendo spesso asserviti ad altre utenze, cedono solo in parte l’energia alla rete e, quando possibile, si avvalgono del meccanismo di scambio sul posto.

In tutti i casi, il grosso vantaggio energetico degli impianti per servizio in rete rispetto a quelli per servizio isolato consiste nell’utilizzo di tutta la produzione fotovoltaica (a meno delle inevitabili perdite nei circuiti) in ogni periodo dell’anno.

Gli impianti per servizio in rete sono, almeno entro certi limiti, svincolati degli eventuali carichi elettrici dell’utente, in quanto la connessione alla rete assicura comunque la continuità del servizio. Inoltre, la presenza delle protezioni di interfaccia sul lato corrente alternata causa il distacco degli inverter in caso di mancanza rete. Quindi, a meno che non siano adottate soluzioni circuitali particolari, questi impianti non sono in grado di intervenire in caso di black-out.

La figura seguente mostra lo schema generale di connessione di un impianto fotovoltaico alla rete elettrica.

Schema generale di connessione di un impianto fotovoltaico alla rete elettrica

La potenza generata dal campo fotovoltaico, costituito da moduli, collegamenti e dispositivi di comando e protezione lato corrente continua, viene successivamente convertita in corrente alternata da uno o più inverter.

A valle della conversione in corrente alternata vi è un primo contatore che permette di valorizzare l’energia prodotta con la tariffa incentivante, secondo quanto previsto dal DM 19 febbraio 2007.

Vi è poi un punto di diramazione che permette l’alimentazione dei carichi e, a valle di questo, il conteggio dell’energia nel punto di consegna. A seconda delle condizioni di produzione fotovoltaica e consumo locale, l’energia può fluire verso la rete o verso i carichi.

Gli impianti fino a 200 kW possono avvalersi del servizio di scambio sul posto, secondo quanto disposto dalla delibera ARG/elt 74/08 e successive integrazioni (TISP). In alternativa, o comunque nel caso di impianti di taglia maggiore, valgono le condizioni per il ritiro da parte del gestore di rete, secondo la delibera ARG/elt 280/07 e successive integrazioni.

Impianti fotovoltaici fissi su terreno aperto

Gli impianti fotovoltaici a terra o realizzati su terreno sono fisicamente ancorati o appoggiati al suolo. Vi sono impianti a terra sia per servizio isolato che per servizio in rete e per questi ultimi, in generale, se la taglia è elevata (impianti multi-MW), una soluzione di questo tipo diventa quasi sempre una scelta obbligata.

Nel caso invece di piccoli impianti, si ricorre all’installazione su terreno quando si verificano una o più delle condizioni elencate di seguito:

• la costruzione o l’edificio non è in grado di ospitare l’impianto perché:
  • non dispone dello spazio necessario;
  • l’orientamento delle falde o la loro disposizione non consentono una buona produttività dell’impianto;
  • sussistono vincoli urbanistici, paesaggistici o archeologici che impediscono l’installazione sull’edificio;
  • si rilevano problemi strutturali che non consentono l’installazione a costi accettabili;
• il terreno circostante non è utilizzabile in altro modo e/o ha un basso valore;
• si intende utilizzare sistemi di inseguimento solare che, in generale, non sono compatibili con l’installazione su edifici.

In figura è mostrata la vista dall’alto di un impianto di 1 MW realizzato su terreno.

Esempio di impianto realizzato su terreno

Impianti fotovoltaici a inseguimento

Gli impianti fotovoltaici ad inseguimento sono realizzati con lo scopo di incrementare la produzione di energia cercando di mantenere il piano dei moduli fotovoltaici in modo perpendicolare alla radiazione solare diretta, in ogni condizione dell’anno.
Gli inseguitori che meglio rispondono a questa esigenza sono quelli biassiali, visibili nella figura seguente.

Esempio di inseguitori solari biassiali

L’inseguimento su due assi permette di ottenere notevoli incrementi di produzione che, su base annua, sono mediamente del 30%, ma possono arrivare anche a valori più elevati. Tuttavia, possibili problemi legati all’occupazione di spazio, alla ventosità del sito e al costo delle strutture non consentono in tutti i casi il ricorso a questa soluzione.

Una soluzione alternativa, più semplice rispetto alla precedente, è rappresentata dagli inseguitori monoassiali. Questi possono avere l’asse di rotazione in direzione Est-Ovest (variazione del Tilt) o, come accade più frequentemente, in direzione Nord-Sud (inseguimento azimutale).

La figura seguente mostra un esempio di campo fotovoltaico con inseguitori monoassiali azimutali, attraverso i quali è in generale possibile ottenere incrementi di produzione del 20 ÷25% rispetto a un sistema fisso.

Esempio di inseguitori monoassiali

L’integrazione architettonica

L’integrazione architettonica rappresenta uno dei settori in cui l’utilizzo dei sistemi fotovoltaici offre prospettive di sviluppo molto promettenti, anche in termini più strettamente economici. L’applicazione degli impianti agli organismi edilizi solari rende disponibile, infatti, un enorme potenziale, consentendo l’utilizzo di territorio già occupato dalle costruzioni, il risparmio sulle strutture di supporto, la sostituzione (a parità di prestazioni) di materiali edilizi tradizionali come elementi di copertura o di facciata, la possibilità di utilizzare in loco l’energia prodotta. Tutto questo si traduce in una sensibile riduzione dei costi, cui va aggiunto anche l’impatto ambientale evitato tramite l’inserimento in un contesto già sfruttato per altri fini.

Al giorno d’oggi la diffusione di sistemi ad energia solare destinati all’edilizia gode di un favore sempre maggiore, grazie soprattutto a leggi e proposte di sovvenzionamento, tese a valorizzare ed incrementare il ricorso alle fonti rinnovabili. Seguendo questa tendenza, componenti destinati specificamente al settore edilizio permettono una vasta libertà di applicazione, coprendo una gamma molto ampia di soluzioni: finestre semitrasparenti, brise-soleil, pensiline, pannelli di facciata, elementi di copertura, cupolini, che si adattano in modo versatile tanto a nuove realizzazioni quanto ad operazioni di retrofit.

Analizzando le metodologie relative all’integrazione architettonica dei sistemi fotovoltaici, bisogna considerare come, a prodotti di impiego relativamente facile ed a tecniche d’installazione piuttosto semplificate, debba necessariamente corrispondere un’accurata procedura progettuale. I dispositivi di captazione devono, infatti, venire posizionati in maniera tale da poter intercettare la massima porzione di radiazione solare nell’arco dell’anno, devono adattarsi al fabbisogno dell’utenza di destinazione, devono essere in grado di lavorare nelle condizioni più favorevoli (non devono surriscaldarsi né venire ombreggiati, ad esempio), ma devono anche essere in grado di operare efficacemente in qualità di componenti di involucro. Per questi motivi le realizzazioni più importanti vengono, in genere, affidate a team di progetto multidisciplinari, in cui competenze impiantistiche, fisico-tecniche, tecnologiche ed architettoniche convergono in un’unica visione sinergica.

Livelli differenziati di integrazione architettonica

Con l’obiettivo di chiarire e semplificare l’interrelazione e le sinergie tra moduli fotovoltaici e facciate, coperture o elementi di arredo urbano, vengono individuate tre tipologie d’installazione (integrata, sovrapposta e indipendente), le cui caratteristiche verranno approfondite nei paragrafi successivi.

Innanzitutto si ritiene utile fornire alcune definizioni di base relative al concetto di integrazione architettonica. L’installazione di un sistema fotovoltaico su di un edificio viene comunemente definita con il termine “integrazione”, indipendentemente dalla tipologia e dalle modalità realizzative, anche se sarebbe più corretto utilizzare la dicitura “applicazione”, precisandone diverse modalità, delle quali l’integrazione rappresenta il livello più completo. Quest’ultimo si considera raggiunto quando i moduli si inseriscono completamente nell’involucro edilizio, assolvendo anche a funzioni richieste tradizionalmente ad elementi e subsistemi convenzionali. Il componente fotovoltaico costituisce lo strato più esterno della chiusura dell’edificio o funge esso stesso da chiusura esterna, garantendo impermeabilizzazione, tenuta all’aria, protezione dall’esterno. È questo il caso delle facciate, delle falde o dei frangisole fotovoltaici che, godendo di crescente diffusione ed apprezzamento, tanta visibilità portano al settore dell’architettura solarizzata.

Si definisce, invece, applicazione per sovrapposizione la tipologia secondo la quale i moduli vengono collocati tramite opportuni elementi di ancoraggio sopra l’involucro dell’edificio, a poca distanza da esso ed in modo da adattarsi alla configurazione della superficie che funge da supporto, in genere senza sostituirsi funzionalmente ad essa, ma comunque integrandosi visivamente. I casi più frequenti in questo senso sono rappresentati da operazioni di retrofit, come ad esempio manti di tegole esistenti che, attraverso l’interposizione di apposite staffe, vengono rivestiti dai pannelli.

Si ha, poi, l’applicazione indipendente quando il fotovoltaico non svolge nessuna prestazione complementare rispetto all’organismo edilizio al di fuori della produzione energetica, e la disposizione dei moduli è del tutto svincolata dalla morfologia dell’involucro, che funge unicamente da supporto. Il caso più comune di questa tipologia è rappresentato dalle installazioni a cavalletti su coperture piane.

Ai fini della definizione della tariffa incentivante, l’applicazione indipendente viene considerata impianto non integrato, a meno che i moduli non vengono mascherati, ad esempio dalla balaustra della copertura a terrazzo su cui si trovano. In effetti, in questa tipologia non si verificano gli extracosti ed i valori aggiunti derivanti dall’integrazione architettonica e l’impianto ha, di fatto, le stesse caratteristiche che avrebbe se si trovasse in campo aperto.

Esempi di impianti non integrati

L’applicazione per sovrapposizione e quella indipendente ma mimetizzata di cui sopra vengono considerate impianti semi-integrati. Non si è ancora in presenza di un vero e proprio involucro energetico, ma comunque si realizza una certa armonia nell’aspetto, o per lo meno non si producono effetti antiestetici, contribuendo alla possibilità di apprezzamento ed all’accettabilità della nuova tecnologia.

Esempi di impianti parzialmente integrati architettonicamente

L’applicazione per integrazione viene considerata, inutile dirlo, impianto integrato. Il modulo fotovoltaico diviene a tutti gli effetti componente di facciata o copertura, a seconda delle scelte e delle opzioni tecnologiche adottate. In questo caso la complessità progettuale è generalmente superiore, giustificando dunque il massimo livello di incentivazione.

Esempi di impianti integrati architettonicamente

Per una trattazione più specifica riguardante le tipologie di interventi validi ai fini dell’integrazione architettonica si rimanda alla “Guida agli interventi di integrazione architettonica degli impianti fotovoltaici” pubblicata dal Gestore dei Servizi Elettrici.