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Guida ai termici del fotovoltaico

Con questo ciclo di articoli vorremmo fare un po’ di chiarezza sulle terminologie utilizzate in campo energetico e, oggi, ci occupiamo della terminologia utilizzata in ambito fotovoltaico. Crediamo che sia un utile ausilio a chiunque si avvicina alla tecnologia e si sente sommerso da dati, nomi, ecc. non sempre di facile comprensione per i non addetti ai lavori.
Ci concentreremo più sugli impianti connessi a rete, consapevoli che, per gli impianti isolati cambiano pochi elementi.

Termini tecnici

STC: ovvero Standard Test Conditions.

Sono le condizioni standard con cui viene testato un modulo FV alla fine del suo ciclo produttivo. Dal momento che le prestazioni del modulo dipendo da: intensità ed inclinazione rispetto alla normale del piano del modulo dell’irraggiamento e dalla temperatura ambiente, le prove vengono effettuate con i seguenti dati: 25° di temperatura atmosferica, irraggiamento a 1.000 W/mq, sorgente parallela alla superficie del modulo in modo che i “raggi” siano perpendicolari ad essa. Nelle prove viene anche considerato il parametro A.M. (Air Mass) di 1,5 considerando la media dello spessore atmosferico.

Derating termico

Qualsiasi dispositivo elettrico, sia esso un cavo, un semiconduttore, o altro ha dei comportamenti diversi a seconda della sua temperatura operativa. Questo fatto ha una grande importanza nella conversione fototermica, e quindi sui moduli fotovoltaici.

Ogni modulo è stato testato con una temperatura atmosferica di 25 °C, quindi una condizione che si ha, per installazioni a tetto, solo nelle giornate invernali. L’energia prodotta, e quindi la potenza emessa dall’impianto è in funzione proporzionale con il parametro di temperatura.

Il modulo, quindi può produrre minore energia (condizione usuale per la maggior parte dell’anno) o maggiore energia a seconda che la temperatura dell’ambiente in cui il pannello fotovoltaico lavora sia rispettivamente maggiore o minore della temperatura di test.

Wp o Watt di picco

da quanto si è detto nelle due voci precedenti, risulta ovvio che il pannello fotovoltaico non ha una produzione fissa, bensì variabile nel tempo a seconda di:

• Posizione del sole, ciclo di luce e buio e condizioni atmosferiche
• Condizioni di installazione
• Temperatura ambiente

le prime due sono condizioni su cui si può intervenire solo in fase progettuale, l’ultima, invece, dipende fortemente dalle condizioni di installazione.

Silicio monocristallino

Tipologia di semiconduttore con cui sono costruite le celle fotovoltaiche la cui struttura atomica e cristallografica è compatta, ordinata e, quindi più capace di convertire energia grazie alle minori perdite.

Silicio policristallino

Tipologia di semiconduttore con cui sono costruite le celle fotovoltaiche la cui struttura atomica e cristallografica è composta da più “nuclei” cioè più cristalli che si sono solidificati in  fase di raffreddamento.

Silicio amorfo

Tipologia di semiconduttore con cui sono costruite le celle fotovoltaiche la cui struttura atomica e cristallografica è disordinata, frutto di un raffreddamento molto veloce e di un processo produttivo differente rispetto alle altre tipologie di semiconduttorre fotovoltaico.

Film sottile

famiglia di semiconduttori su base non silicea, che ha caratteristiche affini a quelle del silicio amorfo. Piccolo spessore, conversione fotovoltaica meno dipendente dalle temperature. Si annoverano tra i film sottili: il CIS (Diseleniuro di Indio Rame), il  CIGS (Diseleniuro di Indio Gallio Rame), il CdTe (Telloruro di Cadmio).

Celle organiche

sono celle fotovoltaiche che utilizzano composti organici (a base di carbonio, quindi) al posto del silicio. Sono celle che non hanno ancora lasciato la fase di sperimentazione e quindi sono “solo” speculazioni da laboratorio. Concetto interessante, ma la resa è molto bassa e la stabilità nel tempo non assicurata.

Celle a pigmentazione

concettualmente sono costruite come le foglie che, ben sappiamo sono da sempre dei “pannelli fotovoltaici” biologici. Come le precedenti sono in fase organica, ma come la clorofilla nelle foglie è un pigmento ad assorbire la radiazione luminosa.

Concentratori solari

Famiglia di fotovoltaico che permette di sfruttare la capacità di concentrazione solare delle Lenti di Fresnel per concentrare i raggi solari “paralleli” nel punto focale della lente. In questo punto è inserita una mini cella fotovoltaica di qualche mmq che riesce a lavorare con una energia molto superiore alle celle tradizionali. Peso e necessità di installazione del pannello a concentrazione su eliostati, ne limitano l’utilizzo nella maggior parte dei casi.

Efficienza di conversione

il parametro che indica (come tutte le efficienze), la quantità di energia convertita in base alla quantità di energia in ingresso. In ambito del fotovoltaico l’efficienza è parametrata sull’area del pannello, le celle hanno un certo grado di efficienza, e i moduli ne hanno uno  minore dovuto dalla presenza dei bordi del modulo. Nel campo degli addetti ai lavori si ragiona anche con un altro tipo di efficienza ed è quella basata sul derating termico.

Componenti principali dell’impianto

Celle fotovoltaiche

composte da materiali semiconduttori, le celle fotovoltaiche sono il cuore produttivo del sistema fotovoltaico. Ognuna è in grado di convertire direttamente, tramite meccanismi ascrivibili alla fisica dello stato solido, energia luminosa in energia elettrica. Una singola cella produce una corrente già interessante in intensità (A) ma con un voltaggio molto basso, per questo, occorre effettuare dei collegamenti in serie tra celle (somma delle tensioni). La qualità e la tipologia del semiconduttore variano molto (vedere sopra).

Modulo fotovoltaico

a livello macroscopico sono i componenti che vengono elencati nelle distinte base e negli ordini degli impianti. Sapete cosa è una cella FV, il modulo è, sostanzialmente, un oggetto che ospita le celle, permette i loro collegamenti serie parallelo, e protegge dagli eventi atmosferici e dalla manipolazione le celle. Per cui, diventa il minimo elemento base della produzione energetica da fonte fotovoltaica. Di forma rettangolare, vetrati con e senza cornice.

Scatola di giunzione

poste sul retro dei pannelli permettono di raggruppare i collegamenti tra celle poste all’interno del modulo FV di permettere all’installatore di manipolare solo due cavi  (polo positivo e negativo) per la connessione in serie dei moduli.

Diodi di Bypass

sono componenti della scatola di giunzione e sono messi a protezione delle singole connessioni seriali all’interno di un modulo in modo che la bassa produzione di una di queste connessioni (spesso dovuta ad ombreggiamenti), non vada a ridurre l’energia prodotta dal resto del modulo.

Stringhe

dal momento che la tensione di un modulo FV è bassa, occorre che siano collegati in serie più moduli in modo da avere una differenza di potenziale sufficiente a valle del campo fotovoltaico. Una serie di moduli connessi in serie è denominata stringa.

Campo fotovoltaico

un campo fotovoltaico è un insieme di stringhe connesse in parallelo tra loro. In sostanza, un impianto fotovoltaico può essere di una sola stringa e quindi di un solo campo; ma può anche avere più stringhe ed un solo campo, oppure più stringhe e più campi. Spesso con il termine campo si indica una sezione di impianto connessa ad un inverter (se in presenza di più inverter) oppure porzioni di impianto con posizionamenti (orientamento ed inclinazione) diversi.

Quadri di sezionamento

detti anche organi di manovra, sono quadri elettrici contenenti i moduli che permettono sia il collegamento fisico delle stringhe e delle linee di corrente alternata e continua, che la loro protezione con dispositivi di sicurezza idonei. I quadri di opportuna forma, grado di protezione e dimensione, sono di vario tipo a seconda dello schema dell’impianto e della sua complessità. In impianti domestici i quadri sono 2: uno di parallelo stringa in corrente continua pre-inverter, il secondo, invece, in corrente alternata è post-inverter. In impianti di più grandi dimensioni i quadri crescono di dimensione e, a volte anche di numero a seconda di scelte progettuali e di ottimizzazione di posa.

Inverter

detto anche convertitore di corrente è l’altro dispositivo fondamentale per gli impianti fotovoltaici connessi a rete. Le sue funzioni principali sono 3. La prima è quella che dà il nome al dispositivo: tramite opportuni algoritmi e dispositivi elettrici di potenza, riceve la corrente continua prodotta dai campi fotovoltaici e la converte in corrente alternata a frequenza e tensione di rete (monofase o trifase). La seconda funzione, invece, riguarda il lato di continua ed i pannelli. L’inverter deve cercare di estrarre la maggior parte dell’enegia disponibile dai pannelli in ogni condizione, e quindi il suo algoritmo di MPPT (Maximum Power Point Tracket o inseguitore del punto di pmassima potenza) deve essere ilp iù accurato e rapido possibile. La terza funzione, invece è a protezione di chi lavora sulla rete ed è l’interfaaccia di rete. Questo dispositivo è programmato per staccare il collegamento in alternata ogni volta che la rete ha un malfunzionamento. In alcuni casi sono proprio le caratteristiche non perfette della rete a determinare blocchi sugli impianti.

Componenti secondari

Sistemi di monitoraggio

i sistemi di monitoraggio sono dispositivi a vario titolo di complessità e di prestazioni, che permettono di controllare il funzionamento dell’impianto fotovoltaico. Possiamo dividere i prodotti presenti sul mercato in tre categorie:

• I modelli più semplici sono semplici segnalatori acustici di guasto. Compatibili con tutti gli impianti, emettono un suono persistente al perdurare di situazioni di non produzione.
• I modelli di fascia intermedia sono piccoli sistemi di domotica che permettono di controllare l’impianto e le sue prestazioni, di produrre grafici e dati in abbondanza. Compatibili con tutti i sistemi, possono anche collegarsi in remoto e, alcuni modelli permettono una discreta interattività e controllo remotabile delle funzioni.
• I modelli di fascia alta, invece, sono quelli detti proprietari, e sono prodotti dalle stesse aziende che producono gli inverter. Sono veri e propri sistemi di diagnostica elettrica, e raccolgono una massa di dati molto complessa di tutti i parametri elettrici dell’impianto e del gruppo di conversione. Permettono infine un controllo fine dei parametri di funzionamento della macchina.

Batterie e sistemi ad accumulo

come sappiamo la produzione del FV è legata principalmente dalla presenza di luce solare. Per lo stesso identico motivo e per la tipologia di vita che le nostre società tendono a farci assumere, i nostri consumi elettrici domestici crescono di sera, vuoi per la normale illuminazione, vuoi perché di giorno viviamo fuori casa.
I sistemi ad accumulo per il fotovoltaico, nati insieme alla tecnologia fotovoltaica per gli scopi di alimentazione elettrica in assenza di rete o nomadica, possono offrire lo sfruttamento di quasi tutta l’energia prodotta dall’impianto fotovoltaico. Lo stoccaggio dell’energia elettrica avviene attraverso le batterie elettrochimiche di varia natura (piombo gel, vaso paerto, ioni litio, nickel/sale, ecc.)

Installazione e tipologia impiantistica

Sistemi in isola

sono tutti quei sistemi fotovoltaici che non lavorano con la rete. O alimentano direttamente il carico (vedasi pompe per agricoltura), oppure alimentano un “pacco batterie” il quale rilascia l’energia immagazzinata in differita. Questo tipo di impianti rappresenta la tipologia originaria per cui il fotovoltaico è stato concepito e sviluppato (vedasi anche sonde e veicoli spaziali).

Sistemi connessi a rete

sono tutti i sistemi fotovoltaici che, in qualche modo, cedono la loro energia in rete. La cessione può essere parziale o totale  a seconda di volontà progettuali o rispetto di esigenze normativa.

Sistemi ibridi

sono i sistemi fotovoltaici che possono funzionare sia in isola che in connessione a rete semplicemente interponendo un pacco batterie che estenda la capacità del FV anche alle ore in cui il sole non c’è. Più che una tipologia impiantistica vera e propria è piuttosto una evoluzione del concetto a rete.

Sistemi ad integrazione architettonica

tipologia di installazione che prevede due casistiche diverse:

• Integrazione spinta (detta anche innovativa sui vari decreti del conto energia)
• Integrazione estetica

Nel primo caso il modulo fotovoltaico ed il suo sistema di ancoraggio e fissaggio a tetto fungono anche da elemento di copertura (leggasi di impermeabilizzazione). Solo alcuni tipi di moduli possono essere utilizzati per rendere impermeabilie alle precipitazioni atmosferiche il tetto.
Nel secondo caso, invece, è una tipologia che può essere richiesta dalle autorità competenti (Comune tipicamente) o per volontà del proprietario dell’immobile, per questioni legate all’aspetto estetico dell’impianto. Il pianto dei moduli è pressochè paralleo a quella della copertura restante e risultano visivamente “annegati”. Attenzione alla producibilità energetica.

Sistemi ad integrazione parziale o sovrapposizione

tipologia di installazione che prevede di installare i moduli sopra la copertura esistente. La libertà di scelta dei moduli è più ampia, minor effetto del derating termico,

Sistemi liberi

tipologia di installazione tipicamente su tetto piano o su terreno in cui orientamento ed inclinazione prescindono dall’inclinazione della copertura.