Classificazione degli impianti

Gli impianti sono classificabili in:

  • impianti isolati ( stand-alone ), nei quali l’energia prodotta alimenta direttamente un carico elettrico e, per la parte in eccedenza, viene generalmente accumulata in apposite batterie di accumulatori, che la renderanno disponibile all’utenza nelle ore in cui manca l’insolazione;
  • impianti connessi ad una rete elettrica di distribuzione grid-connected ): l’energia viene convertita in corrente elettrica alternata per alimentare il carico-utente e/o immessa nella rete, con la quale lavora in regime di interscambio.

Un impianto fotovoltaico è costituito da un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che captano l’energia solare, la trasformano in energia elettrica, sino a renderla disponibile all’utilizzazione da parte dell’utenza. Esso sarà quindi costituito dal generatore fotovoltaico, da un sistema di controllo e condizionamento della potenza e, per gli impianti isolati, da un sistema di accumulo.

Il rendimento di conversione complessivo di un impianto è il risultato di una serie di rendimenti, che a partire da quello della cella, passando per quello del modulo, del sistema di controllo della potenza e di quello di conversione, ed eventualmente di quello di accumulo, permette di ricavare la percentuale di energia incidente che è possibile trovare all’uscita dell’impianto, sotto forma di energia elettrica, resa al carico utilizzatore.

Il generatore fotovoltaico

Collegando in serie-parallelo un insieme opportuno di moduli si ottiene un generatore o un campo fotovoltaico, con le caratteristiche desiderate di corrente e tensione di lavoro. I suoi parametri elettrici principali sono la potenza nominale, che è la potenza erogata dal generatore in condizioni nominali standard (irraggiamento di 1000 W/m2 e temperatura dei moduli di25 °C) e la tensione nominale, tensione alla quale viene erogata la potenza nominale.

I moduli o i pannelli sono montati su una struttura meccanica capace di sostenerli e ancorarli. Generalmente tale struttura è orientata in modo da massimizzare l’irraggiamento solare.

Il sistema di condizionamento della potenza

La caratteristica di variabilità di tensione e corrente in uscita dal generatore fotovoltaico al variare dell’irraggiamento solare mal si adatta alle specifiche dell’utenza, che spesso richiede corrente in alternata, per alimentare direttamente il carico o per il collegamento alla rete elettrica di distribuzione, nonché un valore costante per la tensione in uscita dal generatore.

Nei sistemi fotovoltaici il generatore è quindi collegato, a seconda dei casi, alla batteria, agli apparecchi utilizzatori o alla rete, tramite un sistema di controllo e condizionamento della potenza.

Nei sistemi isolati il sistema di condizionamento della potenza adatta le caratteristiche del generatore fotovoltaico a quelle dell’utenza e gestisce il sistema di accumulo attraverso il regolatore di carica. In particolare il regolatore di carica serve sostanzialmente a preservare gli accumulatori da un eccesso di carica ad opera del generatore fotovoltaico e da un eccesso di scarica dovuto all’utilizzazione, entrambe condizioni nocive alla salute e alla durata degli accumulatori.

Nei sistemi connessi alla rete il sistema di controllo della potenza converte la corrente prodotta dal generatore fotovoltaico da continua in alternata, adatta la tensione del generatore a quella di rete effettuando l’inseguimento del punto di massima potenza e, infine, controlla la qualità della potenza immessa in rete in termini di distorsione e rifasamento.

Gli impianti isolati

 

La disponibilità di energia elettrica, fornita da un generatore fotovoltaico, risulta spesso economicamente conveniente rispetto alle altre fonti concorrenti. Ciò in ragione degli elevati costi legati alla realizzazione di linee di distribuzione in zone a bassa densità abitativa e bassi consumi, oltre che del negativo impatto sul paesaggio.

Anche nei casi in cui non esistono impedimenti di ordine economico all’approvvigionamento di elettricità tramite gruppi elettrogeni, bisogna considerarne, a fronte dei costi d’investimento indubbiamente più bassi, gli inconvenienti legati all’approvvigionamento del combustibile, alla rumorosità, all’inquinamento indotto e ai non trascurabili costi di manutenzione.

Piccoli generatori fotovoltaici sono utili ad alimentare utenze elettriche situate in località non ancora raggiunte dalla rete elettrica, o in luoghi in cui il collegamento alla rete comporta costi di investimento troppo elevati rispetto alle piccole quantità di energia richieste.

Una simile applicazione può essere, inoltre, molto utile per portare l’energia elettrica a rifugi, case isolate e siti archeologici, evitando onerose e problematiche operazioni di scavo per i collegamenti elettrici e costose gestioni di linee di trasmissione e sottostazioni elettriche.

Inoltre, le caratteristiche dei sistemi fotovoltaici permettono risposte adeguate ai problemi di mancanza di energia elettrica nei Paesi in via di sviluppo: oltre due miliardi di persone, abitanti nelle regioni più povere del pianeta, sono prive di collegamento alla rete elettrica di distribuzione.

 

Rispetto alle fonti tradizionali il fotovoltaico è facilmente gestibile in modo autonomo dalle popolazioni locali e può essere applicato in modo capillare, senza dover costruire grandi reti di distribuzione, risultando quindi economico e compatibile con eco-ambienti ancora non contaminati da attività industriali.

 Esempi o campi di applicazioni per utenze isolate sono: 

  • il pompaggio dell’acqua, soprattutto in agricoltura;
  • l’alimentazione di ripetitori radio, di stazioni di rilevamento e trasmissione dati (meteorologici, sismici, sui livelli dei corsi d’acqua), di apparecchi telefonici nel settore delle comunicazioni;
  • la carica di batterie, nella marina da diporto, nel tempo libero, per installazioni militari ecc.;
  • la segnalazione o prevenzione incendi, nei servizi di protezione civile;
  • nei servizi sanitari, ad es. per l’alimentazione di refrigeratori, molto utili soprattutto nei Paesi in via di sviluppo per la conservazione di vaccini e sangue;
  • l’illuminazione e, in generale, la fornitura di potenza per case, scuole, ospedali, rifugi, fattorie, laboratori ecc.;
  • la potabilizzazione dell’acqua;

la segnaletica sulle strade, le segnalazione di pericolo nei porti e negli aeroporti;

la protezione catodica nell’industria e nel settore petrolifero e delle strutture metalliche in generale

 

Impianti per il pompaggio dell’acqua

Tali impianti richiedono sistemi di accumulo che garantiscano la fornitura di energia anche di notte o in condizioni meteorologiche sfavorevoli e, se gli utilizzatori sono in corrente alternata, viene anche adottato un inverter, che trasforma la corrente continua in uscita dal generatore fotovoltaico in alternata, assicurando il valore desiderato di tensione.

Nel caso di generatori fotovoltaici al servizio di impianti di pompaggio, il sistema di accumulo è generalmente costituito dal serbatoio idrico.

 

Gli impianti collegati alla rete

Tali impianti sono utilizzati dove la produzione di energia elettrica da fonte convenzionale è costosa e/o a elevato impatto ambientale: tipiche applicazioni riguardano la generazione diffusa mediante piccoli impianti collegati alla rete elettrica di distribuzione in bassa tensione, che, a differenza delle utenze isolate, non vedono l’utilizzo di batterie.

  A =  Generatore fotovoltaico;
B =  inverter
C
=  Sistema di connessione alla rete
D
= Apparecchi utilizzatori;
E = Rete di distribuzione 

Una tipica applicazione in questo settore è quella relativa ai sistemi fotovoltaici integrati negli edifici.

Questo tipo di utilizzazione, in rapido sviluppo, richiede l’impegno non solo dell’industria fotovoltaica e delle capacità progettuali di architetti ed ingegneri che ne rendano possibile l’integrazione tecnica, estetica ed economica nelle strutture edilizie, ma soprattutto degli organi politici preposti all’emanazione di leggi che ne incentivino lo sviluppo e la diffusione.

Altre applicazioni riguardano il supporto a rami deboli della rete di distribuzione o alle reti di piccole isole. In quest’ultimo caso il costo del kWh fotovoltaico è prossimo a quello prodotto mediante un sistema diesel.

Non meno importanti nel lungo periodo sono, infine, le applicazioni costituite da vere e proprie centrali di generazione di energia elettrica, collegate alla rete, realizzate sino ad oggi, principalmente, con propositi di ricerca e dimostrazione, al fine di studiare in condizioni reali le prestazioni del sistema e dei vari componenti.

A titolo di esempio, la centrale fotovoltaica realizzata dall’ENEL a Serre, in provincia di Salerno, è una fra le più grandi del mondo, occupa una superficie totale di7 ettari, ha una potenza nominale di 3,3 MW e una produzione annua di progetto di 4,5 milioni di kWh.

Applicazioni di impianti collegati alla rete

La generazione diffusa

Viene realizzata mediante tanti piccoli impianti (1-50 kW) collegati alla rete in BT senza batterie.

Tali impianti sono adatti per essere installati su edifici e infrastrutture (modularità, assenza rumori, parti in movimento e emissioni)

La potenzialità di questa applicazione è enorme nel senso che se si ricoprissero i tetti disponibili si produrrebbe energia sufficiente a tutti fabbisogni elettrici. Per questo tipo tipologia di impianti il costo dell’energia prodotta risulta però ancora doppio rispetto a quello della bolletta.

I principali vantaggi offerti da questa applicazione riguardano:

  • l’impiego distribuito di una sorgente diffusa per sua natura;
  • la generazione di energia elettrica nel luogo del consumo, evitando perdite di trasmissione;
  • la semplicità di collegamento alla rete e la facilità di quest’ultima ad assorbire la potenza immessa;
  •  la possibilità di impiego di superfici inutilizzate;
  • la valenza architettonica positiva del fotovoltaico nel contesto urbano

Fotovoltaico a concentrazione

 

Tra le principali linee strategiche si ritrova il fotovoltaico a concentrazione per la sua maggiore potenzialità in alcuni segmenti del mercato della produzione di energia elettrica.Il principio su cui si basa una cella fotovoltaica a concentrazione è molto semplice, consiste nel far convergere la radiazione solare tramite un sistema ottico sulla cella fotovoltaica. In questo modo è possibile ridurre l’area di estensione della cella e quindi ridurre la quantità di silicio a parità di output energetico. Tale apparato richiede ovviamente l’ inseguimento della radiazione solare.A livello internazionale il fotovoltaico a concentrazione è considerato un’interessante opzione per ridurre in maniera significativa l’incidenza dei costi del componente fotovoltaico (il costo di investimento di un sistema fotovoltaico piano, che si aggira intorno ai 7 €/W, è per il 50% dovuto al componente fotovoltaico e per il 30-35% alle sole celle solari), che viene sostituito con materiali semi-convenzionali meno costosi.Negli impianti fotovoltaici a concentrazione la radiazione solare non va ad incidere direttamente sulle celle ma viene concentrata da opportune lenti; è come se le celle fossero investite non dalla radiazione proveniente da un unico sole ma da 100, 200 o più soli (in funzione del tipo di lente utilizzata) con una proporzionale riduzione dell’area effettiva delle celle solari da utilizzare.La diffusione di tale applicazione, parallelamente allo sviluppo di componenti non fotovoltaici a basso costo, fa intravedere la possibilità di raggiungere, nel medio  – lungo termine, un costo di sistema inferiore a 2 €/W.

Il progetto PHOCUS (Photovoltaic Concentrators to Utility Scale) ha lo scopo di dimostrare la fattibilità tecnica del fotovoltaico a concentrazione e la sua maggiore potenzialità rispetto al fotovoltaico convenzionale, ai fini del conseguimento della competitività economica con le altre fonti di energia.

Da un confronto fra sistemi fissi e a inseguimento emerge che i primi sono:

  • esenti da manutenzione
  • si sviluppano anche in altezza con difficoltà per la manutenzione
  • il montaggio e il trasporto è semplice
  • hanno un risultato estetico modesto

richiedono fondazioni modeste.

I sistemi ad inseguimento invece:

  • necessitano di manutenzione
  • il trasporto e il montaggio è impegnativo
  • il costo è ancora maggiore
  • hanno un risultato estetico armonioso
  • l’energia captata è maggiore (+20 per inseguimento su un asse, +35% per inseguimento su due assi)
  • richiedono maggiori superfici per l’installazione.