I sistemi fotovoltaici sono dei dispositivi capaci di trasformare lenergia solare in energia elettrica . Il principio di funzionamento si basa sull "effetto fotovoltaico", ovvero il fenomeno attraverso il quale si genera una tensione elettrica ai capi di un materiale semiconduttore, opportunamente trattato, quando questo viene investito dalla radiazione solare. Comè fatto. Lelemento principale che costituisce un sistema fotovoltaico è la cella fotovoltaica, una piastrina (circolare o quadrata) le cui facce, superiore ed inferiore, costituiscono i poli (positivo e negativo) della cella a basso voltaggio (0.5 Volt e intensità di 3 Ampere), ma ad alta densità di corrente (eroga circa 1/1.5 W di potenza se investita da una radiazione di 1000 W/m2). Questo valore di tensione, minore di quello necessario per il funzionamento della maggior parte delle apparecchiature elettriche, può essere aumentato collegando tra loro più celle che, in questo modo, costituiscono un modulo. Un modulo è costituito da 36 celle, ha una superficie di circa mezzo metro quadrato ed eroga, in condizioni ottimali, tra i 40 e 50 W. Per far funzionare le apparecchiature domestiche è necessario collegare più moduli tra loro, formando così un campo fotovoltaico. La potenza massima ipoteticamente raggiungile non ha limiti ed è strettamente connessa al numero di moduli collegabili tra loro. Per trasferire la corrente continua prodotta allutenza sono necessari una serie di dispositivi, elettrici ed elettronici, di trasformazione ed adattamento, nel loro complesso chiamati BOS (Balance Of System), diverso a seconda del tipo di applicazione del sistema fotovoltaico. Applicazioni.
La modularità di tali sistemi determina una loro particolare flessibilità di utilizzo.
Infatti la loro applicazione può andare dallalimentazione di piccoli orologi da
polso (0.01 W) fino alle centrali di potenza (oltre 1 MW).
I sistemi autonomi sono
caratterizzati dalla necessità di fornire lenergia elettrica allutenza anche
in condizioni di bassa insolazione o buio. Si rende così la necessità di accumulare
lenergia elettrica prodotta e non utilizzata al momento della produzione attraverso
un opportuno sistema di batterie. Poiché la corrente generata dal sistema fotovoltaico è
una corrente continua, se il carico richiede una corrente alternata è necessario disporre
di un convertitore cc/ca (inverter).I sistemi connessi alla rete elettrica non necessitano
del sistema di accumulazione, in quanto, nelle ore in cui il generatore fotovoltaico non
produce energia sufficiente per soddisfare la domanda, è la rete a fornire lenergia
richiesta. Viceversa se è il sistema fotovoltaico a produrre più energia di quanta viene
richiesta, il surplus viene trasferito alla rete. In un impianto tipo due contatori
contabilizzeranno gli scambi di energia fra lutente e la rete. Anche in questo caso
abbiamo un inverter che trasforma lenergia elettrica da continua ad alternata,
controllando ed ottimizzando il passaggio di energia tra il modulo fotovoltaico ed il
carico. Vantaggi. Se inizialmente lapplicazione dei moduli FV era circoscritte ad apposite centrali di grosse dimensioni o per applicazioni spaziali, oggigiorno tali moduli vengono utilizzati nelle telecomunicazioni, nella segnaletica terrestre e marittima ed in reti in isole minori. Uno dei problemi derivanti dallutilizzo di moduli fotovoltaici negli edifici deriva dalla loro integrazione nella struttura esterna delle costruzioni, tali da poter generare un ottimo impatto visivo. I vantaggi dei sistemi integrati negli edifici sono:
La quantità di energia elettrica prodotta dipende da diversi fattori:
Costi. Per applicazioni convenzionali in località già servite dalla rete elettrica i moduli FV non sono ancora concorrenziali con le tradizionali tecnologie di produzione dell'energia elettrica, nonostante il loro costo si sia stato abbattuto di circa 10 volte negli ultimi 20 anni. I costi principali di un impianto FV sono da ascrivere al tipo dei componenti scelti ed al tipo di impianto installato. I tipi di moduli più comunemente utilizzati sono quelli in silicio monocristallino (m-Si) e policristallino (p-Si), che hanno caratteristiche di efficienza (rispettivamente 13.5% e 12.5%) e durata (circa 30 anni) pressoché simili tra loro. Il prezzo di questi moduli varia tra le 7.000 e 9.000 £ (3.5-4.5 Euro) per Watt di picco. Costi inferiori si hanno con pannelli al silicio amorfo che però hanno anche un'efficienza (circa 7%) e una durata (10 anni) minore dei precedenti. Altro elemento che pesa in maniera considerevole sul costo di un impianto FV sono le batterie di accumulo. Le più diffuse, quelle al piombo acido, hanno un costo che varia fra le 300.000 e 350.000 £ (150-175 Euro) per KWh di capacità di accumulo. Altresì la vita utile varia tra i 2 e i 5 anni (a seconda del tipo di manutenzione) a fronte dei 30 anni di vita dei moduli. Viceversa l'inverter non incide granché (circa 15%) sul costo dell'impianto. Allo stesso modo, di difficile quantificazione risulta essere il costo della struttura di supporto, strettamente dipendente dal tipo di sistemazione dell'impianto. Da ciò deriva come il costo di 1 kWh, per un impianto collegato in rete, sia di circa 700 £ (0.35 Euro) e di 1.000 £ (0.5 Euro) per un impianto isolato. Incentivi statali. In relazione ai notevoli benefici ambientali derivanti dall'utilizzo dei pannelli FV (1 KWp di moduli installato evita l'emissione in aria di oltre 23 tonnellate di anidride carbonica) vanno diffondendosi interventi pubblici e sostegno della diffusione di tale tecnologia:
Viceversa, per un contributo al fabbisogno annuo vicino al 100% del consumo di energia elettrica per un nucleo familiare tipo necessita un impianto con le seguenti caratteristiche.
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