LE RADIAZIONI SOLARI E LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA
Le radiazioni solari sono l’energia elettromagnetica emanata dalla fusione dell’idrogeno presente nel Sole.

La radiazione incidente sulla crosta terrestre, prima di entrare nell’atmosfera, ha una potenza radiante che misura in media 1367 W/m2 (detta Costante Solare o irraggiamento extraterrestre). Quando il cielo è sereno incidono la superficie terrestre circa 1000 W/m2, mentre a cielo nuvoloso e completamente coperto l’irradiazione diminuisce sino a circa 100 W/m2.

La tecnologia fotovoltaica consente di convertire le radiazioni solari in una corrente di elettroni sfruttando il cosiddetto effetto fotovoltaico, fenomeno fisico dell'interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nei materiali semiconduttori, tra cui ad esempio il silicio.
Nonostante l’Italia presenti condizioni meteorologiche ottimali per lo sfruttamento dell’energia solare, essa rappresenta ancora oggi uno dei paesi con il minor numero di installazioni realizzate a livello europeo al contrario di nazioni come l’Austria e la Germania che pur essendo caratterizzate da condizioni meteorologiche decisamente più sfavorevoli, sfruttano al meglio l’energia offerta dal sole.
L’irraggiamento solare globale è dato dalla somma dell’irraggiamento diretto + diffuso + riflesso ( = 1.000 W/m2) D’inverno il diffuso è in percentuale molto maggiore. La radiazione solare diffusa, su base annua, è pari al 55% di quella globale.

L’intensità della radiazione solare al suolo è inversamente proporzionale all’angolo d’inclinazione della radiazione stessa, vale a dire: minore è l’angolo che i raggi solari formano con una superficie orizzontale, maggiore è lo spessore di atmosfera che essi devono attraversare; da ciò consegue una minore radiazione che raggiunge la superficie.

La massa d'aria presente nell'atmosfera forma uno strato resistitivo per la tecnologia fotovoltaica. I raccoglitori di energia elettromagnetica necessitano perciò di un orientamento particolare verso il Sole, in modo da evitare lo spessore di atmosfera maggiore. Per poter considerare gli effetti dell’atmosfera, si è stabilita la cosiddetta massa d’aria unitaria AM1 (Air Mass One), che rappresenta lo spessore di atmosfera standard attraversato in direzione perpendicolare alla superficie terrestre e misurato al livello del mare.
L’intensità e la distribuzione spettrale della radiazione solare che raggiunge la Terra dipendono principalmente dalla composizione dell’atmosfera: al suolo l’energia solare ha una lunghezza d'onda che oscilla da 0,2 a 2,5 Micrometri i:

0,2 - 0,38 micrometri = ultravioletto (6,4% dell’energia totale compresa nello spettro)
0,38 - 0,78 micrometri = visibile (48%)
0,78 - 10 micrometri = infrarosso (45,6%)
La massima intensità raggiunta dall’energia solare è compresa tra 0,5 e 0,55 micrometri.
La zona utile per le celle fotovoltaiche di silicio cristallino parte da 0,35 micrometri fino a tutto l’infrarosso compreso.
L’inclinazione ottimale del piano dei moduli (o dei collettori nel caso del termico) tale da massimizzare l’energia captata nell’arco dell’anno alle nostre latitudini si aggira intorno a 35°.
Se il sistema viene utilizzato prevalentemente nel periodo invernale, è consigliabile una inclinazione di 55° - 60°.
N.B.:Questi angoli possono variare a seconda delle zone, pur collocate all’interno della stessa latitudine, poiché la componente diretta e diffusa varia da località a località.
Per effettuare correttamente i calcoli di dimensionamento dei sistemi solari fotovoltaici a seconda del tipo di utilizzo è utile avere per ogni mese dell’anno delle tabelle di irraggiamento solare (diffuso + diretto) -> kWh/mq giorno. E’ bene inoltre considerare il coefficiente di albedo, che misura la riflessione data dai diversi tipi di suolo. (Ad esempio: erba: 0,15 - 0,25; asfalto secco: 0,09 - 0,15)

LA CELLA FOTOVOLTAICA
Il dispositivo che opera la conversione delle radiazioni solari in una corrente di elettroni è la cella fotovoltaica.
Le due tecnologie principali oggi disponibili per la produzione commerciale di celle fotovoltaiche sono quella basata sul silicio cristallino e quella delle celle a film sottile. Nel primo caso la cella è costituita da una sottile fetta, detta anche wafer, di silicio (un materiale semiconduttore) sottoposto a diversi trattamenti chimici (tra i quali i cosiddetti drogaggi). Il wafer di silicio, a seconda del processo di produzione a cui viene sottoposto può essere mono o multicristallino. Rispetto al monocristallo, il wafer di multicristallo permette efficienze interessanti a costi inferiori. Nel secondo caso la realizzazione dei moduli viene effettuata con il silicio amorfo. Fino a poco tempo fa il silicio amorfo non aveva fatto presa sul mercato, soprattutto a causa dei dubbi esistenti sulla sua stabilità nel tempo. Da poco è stata messa a punto una tecnologia che realizza più strati di silicio amorfo detta eterogiunzione che sembra risolvere i problemi di stabilità. Il costo del silicio costo amorfo a due o tre giunzioni è comunque ancora troppo elevato per riuscire a diffondersi sul mercato.
Una tipica cella fotovoltaica ha uno spessore compreso tra 0,25 e 0,35 mm, una superficie, generalmente di forma quadrata, compresa tra 100 e 225 mq. La sua prestazione varia al variare della sua temperatura, della sua area e dell’intensità della radiazione solare. Ad una temperatura di 25°C con un irraggiamento di 1 kW/mq, una cella produce una corrente compresa tra i 3 e i 4 A e una tensione di circa 0,5 V, con una potenza corrispondente di 1,5 - 2 Wp (= watt di picco: potenza fornita dalla cella alla temperatura di 25°C sotto una radiazione di 1.000 W/mq e in condizioni di AM1,5).
Le celle commerciali al silicio raggiungono un’efficienza di conversione (percentuale di energia contenuta nelle radiazioni solari che viene trasformata in energia elettrica disponibile ai morsetti) che varia fra il13 % e il 17 %. Realizzazioni speciali di laboratorio hanno invece toccato anche valori del 32,5 %.

Principali caratteristiche dei materiali

Si mono Si multi Si amorfo GaAs CdTe CIS
(CULNSe2)
Rendimento cella 14-17% 11-14% 4-6% singolo
7-10% tandem 32,5% (lab.) 10% 12%
Vantaggi Alto rendimento stabile tecnologia affidabile < rendimento
costo <
fabbricazione più semplice
miglior occupazione dello spazio costo <
< necessità di materiale ed energia nella fabbricazione
buon rendimento con basso irragiamento
flessibile Alta resistenza alle alte temperature (ok per i concentratori) Basso costo Molto stabile
Svantaggi Costo
E grigia
Quantità di materiale necessaria alla fabbricazione
Complessità Complessità
Sensibilità alle impurita Basso rendimento
Riduzione
Stabilità negli anni Tossicità
Disponibilità del materiale Tossicità
Disponibilità del materiale Tossicità (Cd)

FASI DI PRODUZIONE DELLE CELLE FOTOVOLTAICHE

Perché il wafer diventi una vera e propria cella fotovoltaica, occorre (sia per il mono che per il multicristallo) :
• “pulitura” attraverso un attacco in soda ;
• introduzione nel materiale di atomi di fosforo (drogaggio di tipo N)
• dopo l’applicazione di un sottile strato antiriflesso (biossido di titanio, TiO2), si creano i contatti elettrici anteriori e posteriori;
• la cella viene “testata” sottoponendola alla simulazione delle condizioni standard di insolazione (1000 W/mq a 25°C con spettro AM1,5), per poterla classificare e raggrupparla insieme a celle con analoghe caratteristiche elettriche. Questa fase di classificazione è fondamentale per evitare di realizzare dei moduli con celle troppo diverse tra loro, ciò causerebbe infatti una drastica riduzione delle prestazioni del modulo fotovoltaico.
L’ASSEMBLAGGIO DEI MODULI
Più celle collegate e saldate tra loro in un'unica struttura formano il modulo fotovoltaico. Moduli oggi molto comuni sono costituiti da 36 celle in serie, hanno una superficie di circa mezzo metro quadrato ed erogano, in condizioni ottimali, circa 40-50W. Un metro quadrato di moduli produce una energia media giornaliera tra 0,4 e 0,6 kWh, in funzione dell'efficienza di conversione e dell'intensità della radiazione solare.
Le celle vengono collegate fra loro elettricamente. Si realizza quindi un sandwich costituito dal piano della cella nella parte centrale e intorno, andando dall’esterno verso l’interno, una lastra di fibra di vetro, che assicura un’ottima trasmittanza e una buona resistenza meccanica, seguita da un foglio sigillante di EVA (acetato vinil-etilenico) che permette l’isolamento dielettrico dell’adiacente piano delle celle, seguito posteriormente da un secondo foglio di EVA e da un’altra lastra di vetro o un rivestimento isolante in tedlar.
Il sandwich è quindi scaldato in un forno a circa 100°C, per sigillare tra loro i componenti, l’EVA passa da traslucido a trasparente e l’aria residua interna scompare, eliminando la possibilità di corrosione a causa del vapor acqueo presente.
Il sandwich così trattato viene infine fissato in una cornice d’alluminio estruso anodizzato (per resistere alla corrosione) e si dispone la cassetta di giunzione.

IL GENERATORE FOTOVOLTAICO

Un insieme di pannelli, collegati elettricamente in serie forma una stringa. Più stringhe, collegate generalmente in serie e parallelo costituiscono il generatore fotovoltaico.
Collegando in serie i moduli, la corrente totale del modulo si “adegua” a quella del modulo che genera meno corrente, mentre la tensione globale è pari alla somma della tensione dei singoli moduli. Mettendo in parallelo più stringhe di moduli, la corrente totale del generatore fotovoltaico è data dalla somma della corrente in uscita da ogni stringa.
La tensione globale del sistema è invece equivalente alla tensione generata da una singola stringa. La potenza nominale totale del sistema è pari alla somma della potenza nominale di ogni singolo modulo.

Effetti delle ombre
La riduzione della potenza erogata causata da un ombreggiamento parziale del campo fotovoltaico può essere anche di molto superiore alla parte di superficie in ombra. E’ perciò necessario prestare attenzione ai collegamenti: se, per esempio, di fronte al campo fotovoltaico è situato un palo, occorrerà fare in modo che l’effetto dell’ombra influisca su una sola stringa e non intercetti più serie di moduli.
LE BATTERIE PER I SISTEMI FOTOVOLTAICI

Nei sistemi autonomi, l’energia prodotta dai moduli fotovoltaici viene immagazzinata nelle batterie, per renderla disponibile in assenza di illuminazione sufficiente. Le batterie adottate negli impianti fotovoltaici possono assorbire correnti di carica molto deboli, cosa che le normali batterie non potrebbero fare.

E’ l’unico elemento del sistema che necessita di manutenzione.

Tra le batterie disponibili sul mercato, la più idonea risulta sempre la batteria al piombo, grazie soprattutto al rendimento di carica e scarica e al rapporto tra prezzo e prestazioni.
sistemare le batterie in luoghi ben arieggiati.
Il regolatore di carica: ha lo scopo di prolungare il più possibile la vita delle batterie proteggendole da un eccesso di carica o di scarica.
Le sue funzioni sono:
- il controllo dell’energia fornita dai moduli: se la batteria è completamente carica un eccesso di energia da parte dei moduli produce un’ ebollizione dell’elettrolita. Questo fenomeno fa evaporare velocemente l’acqua nella batteria con un danno irreversibile per gli accumulatori. Il regolatore interviene interrompendo il contatto con i moduli fotovoltaici.
- il controllo dell’energia assorbita dal carico: Se gli accumulatori contengono una quantità di energia troppo bassa, insufficiente per alimentare il carico, il regolatore interviene e blocca la fornitura di energia al carico (cut-off). Un eccesso di scarica degli accumulatori infatti porta a danni irreversibili.
- protezione contro sovraccarichi e cortocircuiti
- fornire informazioni sullo stato generale del sistema

La carica avviene immettendo energia elettrica. Una carica troppo veloce potrebbe danneggiare le piastre.
Il regolatore di carica (centralina) previene la sovraccarica della batteria, bloccando il processo di carica quando si raggiunge una tensione finale di carica di 2,35 V per cella. Per evitare invece l’eccesso di scarica, con relativo rischio di solfatazione delle piastre, il regolatore interromperà il prelievo di corrente nel caso in cui la tensione dell’elemento scende sotto un certo livello (1,75 V). Aumentando la corrente di scarica, inoltre, aumentano le perdite dovute alla resistenza (P = R * I2) e si incrementano le reazioni secondarie, riducendo in tal modo la capacità della batteria.
Ecco che quindi la capacità di una batteria (Cn = In * tn [Ah], In=corrente di scarica nominale; tn=tempo di scarica nominale) viene sempre definita in funzione del tempo di scarica e della temperatura di funzionamento.
Ad esempio, C20 indica la capacità di una batteria che è scaricata in 20 ore alla temperatura di 25°C. Temperatura di esercizio ideale per gli accumulatori al piombo: 15 - 25°C.
Col ridursi della temperatura la capacità diminuisce, mentre con l’aumentare della temperatura si velocizzano le reazioni chimiche e si verifica una maggiore autoscarica--> 3 - 5% / mese a 20°C.

Poiché al variare della temperatura cambia la tensione (DV max (T) = - 6 mV/°C) è importante che il regolatore sia in grado di considerare la temperatura.

Principali tipi di batterie:

Batterie con piastre positive e negative a griglia: autoscarica debole, resistenza ai cicli, poca manutenzione. La loro durata di vita è doppia rispetto a quella delle automobili.

Batterie a blocchi con piastre positive tubolari: Le piastre positive tubolari e le piastre negative a griglia sono isolate le une dalle altre mediante separatori microporosi. Un ulteriore involucro in fibre di vetro racchiude l’elettrodo positivo e previene cortocircuiti interni. Alta resistenza ai cicli (circa 4.500 cicli con profondità di scarica del 30%), alto rendimento in Ah (95-98%), buona carica anche con correnti deboli (ideali quindi per gli impianti fotovoltaici), grande durata di vita. Assenza di manutenzione per 3 anni.
Batterie OPzS con piastre positive corazzate: Piastre positive tubolari corazzate,
piastre negative a griglia. Autoscarica inferiore al 3%, ottima resistenza ai cicli (circa 3000 cicli con una profondità di scarica del 30%), poca manutenzione, lunga durata di vita. Carica senza problemi, utilizzo possibile fino a -5°C, eccezionale rapporto qualità-prezzo. Utilizzate in impianti a forte sollecitazione delle batterie, per grandi capacità.

Batterie con elettroliti solidi:.
Durata cicli: maggiore che nelle batterie con piastra a griglia, ma inferiore a quelle OPzS o tubolari. Cella estremamente sensibile alle perdite idriche: il processo di carica deve essere adeguato perfettamente alla batteria per contenere al massimo la formazione di gas. Utili a temperature sotto lo zero. Costo elevato.

Batterie al nichel-cadmio (Ni-Cd): In caso di piccoli cicli il rendimento in Ah è superiore al 95% e, con scariche profonde, ancora del 70%.
Possono essere scaricate completamente fino all’inversione di polarità. Lunghissima la durata di vita a buone condizioni di funzionamento. E’ possibile la scarica totale: il regolatore di carica è perciò superfluo. Alta autoscarica (5 - 10 volte superiore di quella delle batterie al piombo). Utili per temperature estreme (da - 50°C ad oltre + 55°C). Costo elevato.

Durata di vita: se la batterie è “ben regolata” può arrivare anche a 8 - 10 anni di vita.
Se la profondità di scarica è eccessiva, la durata di vita della batteria si riduce:

Rendimento batterie = Eout / Ein [%]
Più è basso il rapporto tra Isc e Icar più alto è il rendimento. Un buon rendimento 0,83.

Collegamenti: possibili in serie e in parallelo. E’ preferibile il collegamento in serie, tale da ottenere la tensione richiesta dal sistema. Normalmente si evita il collegamento in parallelo, perché la carica risulta sempre non uniforme con conseguente riduzione della durata di vita delle batterie.
N.B.: I collegamenti tra diverse batterie devono essere fatti unicamente tra elementi assolutamente identici.

Manutenzione: Controllo periodico dell’elettrolita.
Mediante l’utilizzo di dispositivi di ricombinazione dell’idrogeno (capsule al carbone attivo da avvitare al posto dei tappi) possono essere prolungati gli intervalli di manutenzione. L’ossigeno e l’idrogeno formatisi durante la carica si ricongiungono per formare acqua, che ritorna alla batteria riducendo così notevolmente le perdite idriche.

E’ opportuno isolare le batterie per ridurre al minimo l’escursione termica.

E’ fondamentale prestare particolare attenzione:
- alle basse temperature: allo stato scarico l’elettrolita potrebbe congelare e distruggere il contenitore dell’accumulatore.
- alla scarica profonda: le griglie delle piastre si trasformano in solfato di piombo provocando perdite di capacità
- alla sovraccarica perenne: l’acqua si scompone in miscela tonante e corrode le piastre.
- allo stoccaggio in stato di scarica: i cristalli duri e grossi di solfato di piombo formati dalle masse attive degli eletrodi provocano una riduzione della capacità.

LE CENTRALINE ELETTRONICHE

Coordinano in modo ottimale il generatore solare e l’accumulatore e ottimizzano il flusso di energia. Servono per il monitoraggio dell’impianto.
Gli strumenti indicatori sono importanti perché l’utenza impara ad adattare il prelievo di corrente all’offerta disponibile, in modo da prolungare sensibilmente l’autonomia del sistema.
Per valutare il funzionamento di un impianto fotovoltaico sono sufficienti un amperometro e un voltmetro all’entrata, un voltmetro per la tensione di batteria e un amperometro per la corrente di scarica.
Se la temperatura del locale batterie non è tra i 15 e i 25°C, è necessaria una compensazione della tensione finale di carica (corretta con una valore compreso tra -3 e -6 mV per ogni °C di aumento della temperatura).

GLI INVERTER

La richiesta di inverter da installare negli impianti solari fotovoltaici per l’alimentazione di utenze isolate è in forte aumento.
Elementi importanti da tenere presenti nella scelta dell’inverter sono:
- precisione della tensione in uscita (% rispetto a 230 Vac)
- spunti di potenza --> molto importante per certi apparecchi utilizzatori (frigo, pompe)
- distorsione armoniche rendimento--> è molto importante verificare il rendimento a potenze basse
- consumo e precisione dello stand - by (sistema di spegnimento parziale automatico in assenza di carico)
Tipi di inverter:
Inverter ad onda sinusoidale
- rendimenti elevati, adatti per quasi tutti gli utilizzatori
- simili agli inverter per connessione a rete, ma con circuiti più semplici, senza protezioni e sincronizzazione rete.
Inverter ad onda quadra
- tecnologia semplice
- pericolo di generazione di armoniche dispari
- nessuna regolazione della tensione in uscita (varia col carico e con la tensione di entrata)
Inverter ad onda sinusoidale modificata
- meno armoniche della quadrata
- rendimento migliore
- esatta regolazione della tensione
- adatti ad alimentare numerosi apparecchi (motori, TV,ecc.)