Tecnologia fotovoltaica per un’energia pulita

Integrati con le strutture di copertura oppure sovrapposti alle strutture esistenti, i pannelli fotovoltaici sono una valida soluzione per soddisfare il fabbisogno energetico di una costruzione. Tra gli elementi da tenere in considerazione, la dimensione degli spazi su cui installare il generatore, la disponibilità della fonte solare, il guadagno energetico preventivato.

Nella foto, la sede della Solar a Friburgo è la prima fabbrica a emissione zero per la produzione di pannelli fotovoltaici che opera esclusivamente sfruttando energie rinnovabili. La facciata è composta da 575 mq di pannelli solari che coprono circa un quinto del fabbisogno energia della fabbrica.

 

Tutte le fonti di energia che utilizziamo sul no­stro pianeta derivano, in maniera diretta o indi­retta, dal sole, eccezion fatta per l’energia nucleare. Però più o meno tutte, per la forma in cui le trovia­mo disponibili sul pianeta e per le modalità con cui dobbiamo trattarle per trasformarle in energia elet­trica, possono risultare in qualche misura dannose per il pianeta stesso. Quando dunque parliamo di energia prodotta con sistemi fotovoltaici, non par­liamo di una nuova fonte di energia quanto di una fonte assolutamente pulita, in grado di non danneg­giare in alcun modo il nostro pianeta.

 

La teoria del fotovoltaico

La trasformazione di energia solare avviene in un elemento semplice di materiale semiconduttore (quasi sempre il silicio), definito cella fotovoltaica, preventivamente trattato attraverso processi chimici che servono a introdurre nel silicio alcune piccole impurità, (atomi di boro e di fosforo) grazie alle quali si permette il movimento degli elettroni all’in­terno della cella e quindi la formazione di una piccola differenza di potenziale tra le due superfici della cella esposta alla radiazione luminosa. Quando a tali superfici si collegano i morsetti di un utilizzato­re, circola una corrente elettrica. È dunque evidente che «raccogliendo» la differenza di potenziale così creata agli estremi della cella, si può avere a dispo­sizione una certa quantità di energia. L’effetto fotovoltaico di alcuni materiali è noto già dal XIX secolo; la vera cella fotovoltaica per uso commerciale fu realizzata però nel 1954, nei labo­ratori statunitensi della Bell, e si iniziò il suo utiliz­zo ristretto per l’alimentazione elettrica di satelliti artificiali. Nel giro di vent’anni si iniziò anche a realizzare sistemi che consentissero migliori rendi­menti e la possibilità quindi di essere utilizzati per applicazioni terrestri. In primo luogo si consolidò l’utilizzo del silicio quale elemento base delle celle, questo per diversi motivi, comprensibilissimi se si pensa che il silicio è uno dei materiali più presenti sul nostro pianeta e quindi praticamente inesauribile. Esistono oggi diversi tipi di celle fotovoltaiche, la cui differenza è determinata essenzialmente dai diversi tipi di processi produttivi della base di silicio, detta comunemente «wafer». Il risultato pratico di tali differenze sta nella diversa efficienza di conver­sione che le celle stesse presentano, a parità di altre condizioni. Un primo tipo di cella è quella in silicio monocristallino, costituita da silicio a cristallo sin­golo, ottenuto attraverso un processo denominato «melting» partendo da cristalli di silicio estrema­mente puri che vengono fusi e quindi fatti nuova­mente solidificare in cilindri del diametro di 13-20 cm. Il cilindro viene poi tagliato in fette o «wafer» di spessori non superiori ai 300 micron. Queste celle richiedono una lavorazione molto delicata su ma­teriale di alto pregio e 0 risultato finale è senz’altro molto positivo, potendo avere i migliori rendimenti presenti oggi sul mercato. Naturalmente sono quelle che hanno maggior costo. Le celle con silicio poli- cristallino invece sono realizzate da residui di silicio meno pregiati dell’industria elettronica che, opportunamente fusi, si ricristallizzano in maniera meno uniforme in un «pezzo» che viene prima tagliato in maniera da formare un parallelepipedo e quindi ta­gliato in wafer. Queste celle richiedono materiale di base meno pregiato e lavorazioni più economiche e di conseguenza i pannelli sono meno costosi dei monocristallini, ma la resa è inferiore. Una tecnologia differente dalle precedenti è quella del silicio amorfo che utilizza un processo produttivo diverso: il materiale attivo viene depositato su varie superfici di sostegno sotto forma di pellicola che si deposita raggiungendo uno spessore di pochi micron a differenza dei wafer di cristallo. Questa soluzione consente delle applicazioni particolari, dove la rigidi­tà dei pannelli tradizionali non è ammessa, ma non offre le stesse garanzie di rendimento e stabilità nel tempo. Infine si devono citare le celle a film sottile che sono composte da materiali semiconduttori de­positati su supporti a basso costo quali polimeri o alluminio che danno consistenza al prodotto. In par­ticolare questa tecnologia consente la realizzazione di celle su materiale flessibile, applicazione questa estremamente importante specie in strutture archi­tettonicamente pregevoli e particolari.

 

Costituzione del generatore fotovoltaico

La singola cella elementare è in grado di generare una quantità di energia decisamente irrisoria e per poter produrre una potenza elettrica accettabile si devono collegare in serie più celle tra di loro a for­mare il modulo fotovoltaico. I moduli vengono poi protetti meccanicamente e dagli agenti atmosferici, da un vetro sul fronte e da materiali plastici e isolanti dall’altro lato. I moduli così composti vengono poi montati su una struttura comune e tra loro collegati, costituendo il pannello fotovol­taico. Più pannelli fotovoltaici collegati in serie tra loro costi­tuiscono una stringa e, colle­gando tra loro più stringhe, si può raggiungere la potenza elettrica desiderata: si è così realizzato un generatore.

 

Costituzione di un impianto

Il generatore non costituisce l’intero impianto fotovoltaico, che ha bisogno per funziona­re di altri componenti. In pri­mo luogo bisogna considerare la possibilità di usufruire del­l’energia prodotta dall’impian­to anche nelle ore in cui manca l’irraggiamento solare, quindi occorre prevedere, a valle dell’impianto, un sistema di batterie in grado di accumulare l’energia in surplus pro­dotta di giorno e di restituirla di notte. Ciò comporta un appesantimento dell’impianto. In primo luogo sotto l’aspetto economico il costo delle batterie può diventare significativo quanto maggiore è la potenza dell’impianto generatore. Poi occorre tener presen­te tutte le condizioni di installazione delle batterie che sono dettate dalle normative vigenti, vale a di­re locali appositi, opportunamente areati e con impianti realizzati secondo precise normative relative a questi locali; ancora, locali il più possibile esenti da umidità e polveri, con temperatura comprese tra i 5 °C e i 50 °C. Si aggiunga poi una considerazione molto importante che è legata alla manutenzione e alla durata di vita di questi componenti. Infatti, a fronte di durate di vita dei pannelli dichiarate di 20-30 anni, una batteria benché ben mante­nuta ed usata nelle condizio­ni ideali, non ha una vita utile superiore a 10 anni e quindi può diventare un elemento de­terminante e discriminante per la scelta dell’impianto da rea­lizzare, proprio per i motivi citati. Infine, per evitare cariche eccessive degli accumulatori e scariche della stessa portata, si deve prevedere l’utilizzo di regola­tori di carica che, mentre risolvono il problema tec­nico, aggravano maggiormente il costo e la necessità di manutenzione del parco batterie. Un secondo elemento fondamentale per l’utilizzo degli impianti fotovoltaici è dovuto alla circostanza che l’impianto è in grado di produrre corrente con­tinua mentre, solitamente, la rete elettrica nazionale e gli utilizzatori finali richiedono corrente alternata.

Gli apparecchi destinati a rea­lizzare tale conversione sono i convertitori statici, apparecchi elettronici che convertono ten­sione e corrente in ingresso in correnti e tensioni diverse per forma e valore in uscita. Tali apparecchi, generalmente co­nosciuti anche con il nome di inverter, per uso negli impianti fotovoltaici, sono sostanzial­mente identici a quelli in uso per tutti gli altri impianti; tut­tavia, è uso comune che il costruttore dei pannelli fotovoltaici proponga anche degli inverter che ben si coordinano con le caratteristiche dei propri pannel­li. Un cenno meritano anche i sistemi di fissaggio dei pannelli alla struttura di supporto, che possono essere di diverso tipo, a seconda del costruttore e del punto su cui vanno ancorati i pannelli; in ge­nerale, se si adoperano profili metallici converrà che essi siano in acciaio zincato o addirittura inox se si prevede l’installazione in ambienti particolar­mente aggressivi. Infine, nel considerare l’efficienza di un impianto fotovoltaico, si incorre spesso nel termine Bos – Balance of System – che comprende tutti i dispositivi necessari alla trasformazione della corrente continua prodotta dai moduli alle esigenze dell’utenza finale, posti tra i moduli stessi e l’uten­za finale. In poche parole, se l’utenza è alimenta­ta in corrente alternata, l’elemento essenziale del Bos è l’inverter ma, oltre a questo, ne fanno parte anche batterie, regolatore di carica e controllore della scarica della batteria e tutto l’insieme di cavi e cablaggi. Il Bos è quindi caratterizzato da una sua efficienza, legata ai componenti che lo costi­tuiscono e funzione di diversi e svariati parametri, quali per esempio le perdite dell’inverter, le perdite per effetto delle sovratemperature, le perdite per la resistenza dei cavi o per l’eventuale difettoso accoppiamento tra i moduli.

 

Tipologie di impianti

Gli impianti fotovoltaici, basati sui prin­cipi e sui componenti sopra descritti sono essenzialmente identificabili in due categorie: impianti connessi alla rete o grid connected e impianti isola­ti o stand alone. I primi sono collegati stabilmente alla rete elettrica e ricevo­no o immettono energia con continui­tà. Quando l’impianto fotovoltaico non è in grado di produrre energia o quan­do quella che produce è insufficiente al fabbisogno, l’energia necessaria vie­ne prelevata dalla rete; quando invece produce più energia della necessaria, il surplus viene ceduto alla rete: la rete costituisce la «batteria di accumulato­ri» dell’impianto. È evidente che que­sto tipo d’impianto, non avendo biso­gno di accumulatori, è decisamente meno costoso di altri e ha una manutenzione praticamente inesistente. In pratica si tratta vere centrali elettriche di produzione di energia che funziona­no in maniera bidirezionale, cedendo energia alla rete o assorbendone. I flus­si sono conteggiati nelle due direzioni attraverso contatori per accreditare o addebitare all’utente il saldo attivo o passivo di energia. Altro vantaggio di questi tipi d’impianti è che nel dimen­sionare l’impianto connesso alla rete si può anche evitare di dimensionar­lo sulla potenza massima richiesta, in quanto la rete può intervenire a soste­gno dell’impianto fotovoltaico. Pertan­to, a parità di altre condizioni, si può realizzare un impianto di dimensioni e costo inferiori. Oltre a ciò, eliminan­do il sistema di batterie di accumulo si evitano tutte quelle perdite dovute all’accumulo della stessa nelle batte­rie e alla sua successiva cessione. Gli impianti isolati sono quelli non colle­gati alla rete che quindi necessitano di batterie di accumulo per immagazzi­nare il surplus di energia prodotta da utilizzare quando l’impianto non è in grado di produrre energia sufficiente al fabbisogno dell’utenza; sono indicati proprio quando è difficile raggiungere il posto con la rete elettrica nazionale come avviene in aree isolate, in mon­tagna ecc. In questi casi infatti, il costo per arrivare con la rete di distribuzione in loco supera di gran lunga il costo dell’impianto fotovoltaico Come detto, l’energia prodotta in surplus in alcuni momenti della giornata viene accumulata localmente in batterie che provve­deranno a cederla quando l’impianto non è in grado di produrre energia o non ne produce a sufficienza.

 

Integrazione in strutture

Alcune strutture già esistenti si presti no in maniera ottimale all’installazione di pannelli fotovoltaici: si tratta di tetti e coperture di edifici, specie se a falda, in quanto può essere utilmente occupata un’area altrimenti infruttuosa. Occorre distinguere tra impianto integrato e impianto retrofit. Nel primo caso la copertura, o parte di essa, vie­ne sostituita dai moduli fotovoltaici; questa circostanza è molto frequente su edifici di nuova costruzione, in cui intervenire fin dall’inizio consente di ottenere i migliori risultati sia tecnici che architettonici, oltre al risparmio per la sostituzione dei materiali della copertura con pannelli. Nel caso di im­pianto retrofit, usato quando la strut­tura e la relativa copertura già esisto­no, i pannelli fotovoltaici vengono sovrapposti alla struttura esistente. So­no installazioni rapide da effettuarsi e di facile progettazione: la struttura di base già esiste e quindi i pannelli pos­sono essere montati su un supporto metallico ancorato alla struttura esi­stente; non ci si deve preoccupare, in questo caso, di dimensionare la strut­tura per resistere all’azione posteriore del vento. Se poi si tratta di edifici in­dustriali a tetto piano, essi sono suffi­cientemente sgombri e facilmente ac­cessibili per consentire il rapido montaggio e la facile manutenzione degli impianti fotovoltaici.