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Sistemi fotovoltaicie loro applicazioni
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IMPRESE X INNOVAZIONE
Questa guida è stata realizzata in collaborazione con SEETA Consulting Ltd - Servizi per Ingegneria Ecologica, Tecnologia ed Architettura, Londra.
Suggerimenti per migliorare l’utilità di queste guide e per indicare altri argomenti da approfondire sono più che benvenuti:[email protected]
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luppo sostenibile è molto importante, senoi desideriamo creare un ambiente favo-revole per la vita dei nostri figli e delle fu-ture generazioni.La comunità scientifica ha raggiunto unaopinione concorde sulle ragioni delle al-terazioni climatiche, poiché la temperatu-ra del mondo, senza dubbio, sta aumen-tando. Questo aumento di temperatura èil risultato delle emissioni di ossido di car-bonio ed altri gas serra prodotti dalle atti-vità umane, compresi i processi industria-li, la combustione di carburanti fossili,nonché i cambiamenti nell’utilizzazionedelle risorse della terra come la deforesta-zione.
IL FOTOVOLTAICO UN FATTORE IMPORTANTE
La rapida diminuzione delle risorse natu-rali e il parallelo aumento dei consumimondiali di energia, in combinazione congli aumenti dei prezzi internazionali delpetrolio, sono fattori importanti per l’at-tuale situazione nel mondo e spingono apensare come migliorare l’uso delle fontidell’energia rinnovabile e sostenere forte-mente la loro applicazione a livello mon-diale. Le previsioni internazionali, il pro-blema del mutamento climatico e le sueconseguenze sulla vita e sul pianeta mo-strano che un cambiamento verso lo svi-
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FIGURA 1 - QUOTA DELLE ENERGIE RINNOVABILI NELLA PRODUZIONE MONDIALE DI ELETTRICITÀ
Fonte: European Renewable Energy Council (EREC), 2004
gia. Questa tariffa incentivante può essereconcessa a tutti gli impianti fotovoltaici conpotenza superiore ad 1 kWp, mentre l’entepubblico preposto a fornire questo incenti-vo è il GSE (Gestore dei Servizi Elettrici). Lemodifiche introdotte a febbraio 2007 preve-dono che la richiesta al GSE per la conces-sione della tariffa incentivante debba esserfatta immediatamente dopo l’inizio del fun-ziamento dell’impianto fotovoltaico.
BASE DEL FOTOVOLTAICO/DATI/TECNOLOGIA
L’effetto fotovoltaicoL’ effetto fotovoltaico converte la luce delsole direttamente in elettricità.Fu scoperto per la prima volta nel 1860 ed
voltaica come invece è accaduto nei paesieuropei sopra menzionati. Tuttavia dal Settembre del 2005 è attivo unsistema di incentivazione denominato “Con-to Energia” per la produzione di Energia elet-trica attraverso impianti fotovoltaici. In datamolto recente, febbraio 2007, sono stati in-trodotti cambiamenti radicali allo schemaoriginario. La caratteristica fondamentale diquesto sistema di incentivazione è quella didare un valore all’energia prodotta dall’im-pianto secondo una tariffa incentivante. Inaltre parole, se lo Stato riconoscesse ai cit-tadini ed alle aziende titolari di impianti fo-tovoltaici oltre ad un contributo sulla pro-duzione di energia elettrica, anche un siste-ma di sgravi fiscali più vantaggiosi e finan-ziamenti di altra natura, ci sarebbe una mag-gior attrattiva verso questo tipo di tecnolo-
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Nella figura 1 è interessante notare laprevisione per la fornitura di elettricitàdalle energie rinnovabili per il 2040, co-me esse contribuiscano per più dell’80%alla fornitura globale di elettricità e conuna buona parte fornita dai sistemi foto-voltaici.
SITUAZIONE DEL FOTOVOLTAICOIN ITALIA
Nel corso degli ultimi anni in molti paesieuropei si è verificata una notevole crescitadell’utilizzo di impianti fotovoltaici, comein Germania, Olanda e Svizzera mentre inItalia il mercato è sempre stato limitato adun uso particolare da parte di utenze disagia-te oppure da impianti sperimentali che so-no stati realizzati con finanziamenti pubbli-ci e prevalentemente utilizzati per lo studiodi questa nuova tecnologia e per le sue ap-plicazioni. Tra l’altro va segnalato che daparte dei vari governi che si sono succedutinel corso degli anni non è mai stata avviatauna campagna di finanziamenti a fondoperduto per coprire i costi iniziali di acqui-sto ed installazione della tecnologia foto-
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Il FOTOVOLTAICO: UN FATTORE IMPORTANTE
• Aumento del Prezzo del Petrolio(100$ al Barile/Gennaio 2008)
• Necessità di una politica energetica• Incremento delle energie rinnovabili
per un ‘Mix Energetico’• Sviluppo tecnologico del Fotovoltaico
OBIETTIVI:• Minore costo dell’ impianto• Maggiore efficienza• Aumento delle applicazioni architettoniche
PERCHÉ È CONVENIENTE USAREMAGGIORMENTE L’ENERGIA SOLARE?
L’energia solare è un combustibile: • Gratuito• Rinnovabile, in quanto praticamente inesauribile• Non inquinante, in quanto il suo utilizzo non
determina alcuna emissione di sostanzainquinante e di anidride carbonica, principaleresponsabile dell’effetto serra e delriscaldamento serra e del riscaldamentoglobale in atto
• Accessibile a tutti
FIGURA 2 - SCHEMA DEL FOTOVOLTAICO
Fonte: Prof. Martin A. Green, University of New South Wales, Sydney
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Elementi di un impianto fotovoltaicoUn impianto fotovoltaico è costituito da unaserie di pannelli fotovoltaici collegati fra lo-ro ed appoggiati ad una struttura che li sor-regge e provvede al loro orientamento, dan-do un’inclinazione rispetto al piano orizzon-tale che in Italia è ottimale di circa 30°. I pannelli fotovoltaici sono collegati ad uninverter che è un dispositivo elettronico checonsente di adeguare l’energia elettrica pro-dotta dai moduli alle necessità delle appa-recchiature elettriche o alla rete, effettuandola trasformazione della corrente da continuaad alternata con una frequenza di 50 Hz. Successivamente sulla linea è installato unmisuratore di energia che serve a misuraree conteggiare l’energia prodotta dall’im-pianto e quella immessa nella rete. Com-pletano l’impianto quadri, cavi, interruttoried altri dispositivi di protezione.
pannello rettangolare, spesso pochi millime-tri, con una superficie fra 0,1 e 3 m2 del pe-so di qualche chilogrammo, con prestazionidifferenti a seconda della qualità delle celleutilizzate della relativa tecnologia di fabbri-cazione.
Sistemi fotovoltaici I sistemi fotovoltaici si dividono in due tipi: 1. Sistemi “Stand Alone“ o con accumulo,
quando l’unica fonte di energia utilizza-ta per alimentare una utenza isolata è l’e-nergia solare fotovoltaica.
2. Sistemi “Grid Connected“ o connessi inrete (Tetti Fotovoltaici), quando l’energiaelettrica prodotta con il sistema fotovol-taico viene immessa direttamente nellarete dell’utente per effettuare lo scambiodi energia elettrica con il proprio fornito-re (Fonte: Tecnosolar). A
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è dovuto ad una caratteristica fisica dei ma-teriali detti «semiconduttori», tra cui il sili-cio (usato anche nei componenti elettroni-ci), il boro e il fosforo (questi ultimi servo-no per dare la positività e la negatività). Quando un raggio luminoso colpisce la cel-la solare alcuni fotoni (particelle di energiache lo compongono) trasferiscono la loroenergia agli elettroni che, incominciando amuoversi in una direzione particolare, crea-no corrente elettrica continua. Facendo pas-sare per fili metallici molto sottili la correnteottenuta e aggiungendo altre correnti prove-nienti da altre cellule simili che compongo-no il pannello, si può raggiungere la poten-za necessaria all’uso desiderato (Figura 2).Le celle fotovoltaiche sono fatte di sottili fet-te di silicio, spesse da 0,3 a 0,5 mm, di for- ma circolare, rettangolare o ottagonale. Le
due superfici della cella vengono metalliz-zate per permettere il loro collegamento elet-trico. Nella parte da esporre al sole, la me-tallizzazione assume la forma tipica di unagriglia affinché la luce solare possa passare.Le celle fotovoltaiche cristalline sono usual-mente disposte in strati sottili e piani colle-gati fra loro, oppure quelle a film sottile,possono essere ottenute creando una pelli-cola sottile ed uniforme ricavata distribuen-do il materiale polverizzato direttamente suun supporto, grazie alle tecnologie del vuo-to. Essendo la cella fotovoltaica costituitada un materiale molto delicato, viene pro-tetta nella parte superiore da un vetro o daun altro materiale trasparente e specifica-mente trattato (Figura 3).Il dispositivo più utilizzato consiste in un
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FIGURA 3 - MODULO FOTOVOLTAICO
Fonte: Prof. Martin A. Green,University of New South Wales, Sydney
FIGURA 4 - SCHEMA DI UN PICCOLO IMPIANTO FOTOVOLTAICO CONNESSO ALLA RETE
Fonte: Enel
Per fabbricare i moduli l’industria del foto-voltaico usa il silicio cristallino oppure latecnologia più avanzata del film sottile. Nelcaso del cristallino vengono comunementeutilizzati wafer di silicio monocristallino(single-Si) o policristallino (poli-Si) mentretecnologie emergenti prevedono l’utilizzodi silicio deposto sotto forma di nastri (rib-bon-Si). In ogni caso, il processo di fabbri-cazione delle celle per la realizzazione deimoduli fotovoltaici è quello tipico dell’in-dustria dei semiconduttori.I fabbricanti di cellule solari poi assembla-no le cellule nei moduli o vendono le stes-se a fabbricanti di moduli per il loro mon-taggio. Poiché la prima applicazione impor-tante del fotovoltaico è quella di ricaricarele batterie, molti moduli in vendita sul mer-cato sono progettati per dare corrente con-tinua ad una intensità leggera ai 12 V.
solari si usa di più il silicio policristallino. Ilpannello che viene usato maggiormente èquello “a doppio vetro” dove la cella foto-voltaica è incapsulata tra due strati di vetroad alta resistenza e uniti con uno strato disilicone trasparente. A
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Vantaggi della tecnologiaLa tecnologia fotovoltaica offre particolarivantaggi:• Non produce alcun tipo di inquinamen-
to ambientale.• La manutenzione è minima.• Può essere utilizzata ovunque quando ci
sia luce solare.• Non ci sono perdite nella linea elettrica
essendo l’impianto installato vicino agliapparecchi che lo utilizzano.
• Varie applicazioni, da pochi milliwatt amolti megawatt, e la potenza dell’impian-to può essere modificata senza problemi.
Dati del fotovoltaico• L’energia solare globale che arriva sulla
terraferma è superiore di oltre 2.000 volteagli attuali consumi energetici mondiali.
• La produzione degli impianti fotovoltaiciattualmente installati in Italia è stimabilein 120 milioni di kWh/anno.
• La produzione di energia è uguale allapotenza dell’impianto per le ore “equi-valenti” del suo sfruttamento (dipendentidal sito).
• Producibilità = Potenza x ore-equivalenti (kWh/anno) = (kW) x (1.200 h/anno)
• Il consumo tipico di una famiglia di 4persone in un anno = 2.500-3.500 kWh.
• L’area occupata dai moduli fotovoltaicidi un impianto da 1 kW è circa 10 m2.
• L’area di un generatore fotovoltaico chepuò soddisfare la domanda di una fami-glia tipo è di circa 15-30 m2 in una loca-lità dell’Italia meridionale.
• L’area occupata da un sistema fotovol-taico di 1 MW (1.000 kW) è di circa 1,5ettari (15.000 m2). L’impegno del terri-torio è dovuto per il 50% alle aree oc-cupate dai moduli e dalle parti del siste-ma e per l’altro 50% alle aree “di rispet-to”, di fatto libere, ma necessarie perevitare l’ombreggiamento reciproco del-le file di moduli.
• Una centrale di 1 MW può fornire l’ener-gia necessaria a soddisfare la domandadi circa 500 utenti.
Tecnologie del fotovoltaico sul mercatoLe celle fotovoltaiche sono costituite in sili-cio di diverse tipologie:• silicio monocristallino;• silicio policristallino;• silicio amorfo.Poiché il silicio monocristallino ha costi diproduzione più elevati rispetto al policri-stallino, attualmente per costruire i pannelli
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FIGURA 5 - PANORAMICA GENERALE DELLE TECNOLOGIE DEL FOTOVOLTAICO
CELLULE SOLARI
Cristallino Film sottile
Fonte: Prof. Silke Krawietz, Building Integration of Photovoltaics, 2008
SilicioMonocristallino
Silicio Policristallino
SilicioAmorfo
Diseleniuro di Indio e Rame (CIS)
Tellurio di Cadmio (CdTe)
anche le forti sinergie con l’industria di vetriper l’architettura e l’industria di pannelli piat-ti offrono importanti opportunità per la fab-bricazione su grande scala e a basso costo.L’industria dei pannelli fotovoltaici a film sot-tile sta decollando e la sfida è adesso aumen-tare abbastanza velocemente per stabilire unapresenza significativa nel mercato del foto-voltaico. La probabile evoluzione delle capa-cità produttive già è mostrata nella figura 8.
superficie e efficienza ed hanno in comuneuna serie di principi generali. In ognuna del-le tecnologie del film sottile soltanto una pic-colissima quantità di materiale semicondut-tore è usato (in genere sono di spessore di0,001 mm) ed il materiale utilizzato per laprotezione come vetro o plastica è relativa-mente poco costoso. La disponibilità diun’ampia scelta di attrezzature per la deposi-zione ed i relativi processi tecnologici, come A
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Un tipico modulo al silicio cristallino con-siste in una serie di circuiti di circa 36 cel-lule inserite in una protezione di vetro oplastica per prevenire danni all’ambientecircostante ed atmosferico. Questa prote-zione è rinchiusa in una cornice e provvi-sta di contatti elettrici o scatola di connes-sione (junction box). L’efficienza della con-versione normale da energia solare ad ener-gia elettrica per un normale modulo di sili-cio cristallino varia dall’11% al 15%. Come si è visto, il materiale di cui è com-posta la cella, la sua struttura molecolare ela configurazione elettronica sono gli ele-menti che maggiormente influisco no sulleprestazioni del dispositivo. Attualmente, ilmercato del fotovoltaico è dominato dalletecnologie al silicio.
Tecnologia fotovoltaica del film sottilePer la fabbricazione del film sottile esistonoquattro tecnologie avanzate. I loro nomi de-rivano dal materiale utilizzato nelle cellule:tellurio di cadmio (CdTe), diseleniuro di indioe rame (copper indium diselenide – CIS), si-licio amorfo (a-Si) e film sottile di silicio (thinfilm-Si). Il silicio amorfo è l’unico che ha unaproduzione commerciale, mentre le altre tretecnologie si stanno progressivamente avvi-cinando al mercato. I moduli a film sottilesono fabbricati direttamente sul substrato,senza bisogno di processi intermedi di fab-bricazione (Fonte: Retscreen).Il film sottile del fotovoltaico è una tecnolo-gia a basso costo, a causa dei minori costi peril materiale e la produzione. Ci sono tretecno logie di film sottili su base inorganica etutte hanno realizzato moduli solari a grande
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FIGURA 6 - DISTRIBUZIONE PER TECNOLOGIEDELLA PRODUZIONE MONDIALE DI CELLE FOTOVOLTAICHE
Film sottili7%
Altro3% Silicio
monocristallino32%
Siliciopolicristallino
58%
Fonte: European Commission, Directorate J – Energy, ‘A vision for Photovoltaic technology’, 2005
FIGURA 7 - FILM-SOTTILE CON TRASPARENZA,ASITHRU® MODULO
Fonte: Schott Solar GmbH
FIGURA 8 - EVOLUZIONE DELLA CAPACITÀ PRODUTTIVA MONDIALE DEI FILM SOTTILI SU SCALA MONDIALE NEI PROSSIMI ANNI
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1.200 –
1.000 –
800 –
600 –
400 –
200 –
0 –2005 2006 2007 2008 2009 2010
YearFonte: Tecnosolar.net
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di elettricità è la rete a fornire l’energia ri-chiesta. Viceversa, se il sistema fotovoltaicoproduce più energia di quanta sia effettiva-mente richiesta dal carico, il surplus vienetrasferito alla rete e contabilizzato.Questi sistemi ovviamente non hanno bi-sogno di batterie, perchè è la rete stessa chesopperisce alla fornitura di energia elettri-ca nei momenti di scarsa o assente insola-zione!
L’efficienza dell’impianto fotovoltaico La produzione di energia tramite gli impian-ti fotovoltaici dipende da vari fattori:
elettrica e alle generazioni di energia elettri-ca integrata negli edifici (tetti fotovoltaici).Il grande interesse verso il fotovoltaico na-sce dalle seguenti sue caratteristiche: dispo-nibilità sul territorio della fonte solare, mo-dularità, affidabilità, minime esigenze dimanutenzione, assenza di emissioni inqui-nanti in loco (Fonte: Tecnosolar).
Tetti fotovoltaici / Facciate fotovoltaicheSono sistemi permanentemente collegati al-la rete elettrica; nelle ore in cui il generato-re fotovoltaico non è in grado di produrrel’energia necessaria a coprire la domanda
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APPLICAZIONI DEL FOTOVOLTAICO
Sistemi di utilizzo: l’energia fotovoltaicaLa tecnologia fotovoltaica consente di tra-sformare direttamente le radiazioni solari inenergia nelle situazioni più diverse: dalle ca-se o comunità isolate ai sistemi di segnala-zione aerei, marittimi e terrestri, dagli im-pianti di telecomunicazione a quelli di dis-salazione di acque marine, dosatori di clo-ro, protezione catodiche, dall’illuminazionepubblica ai sistemi di refrigerazione, fino al-le centrali di produzione collegate alla rete
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Fonte: Schott Solar GmbH
FIGURA 10 - COPERTURA SEMITRASPARENTE CON PANNELLI FOTOVOLTAICI.STILLWELL STAZIONE DI NEW YORK, INAUGURAZIONE 2005
Fonte: Schott Solar GmbH
FIGURA 9 - FACCIATA CON PANNELLI FOTOVOLTAICI, SEDE CENTRALE AUDI DI INGOLSTADT, ASI OPAK® MODULI
• Superficie dell’impianto. L’inclinazioneideale dei pannelli solari rispetto al terre-no è di 30°. Per le altre pendenze la per-dita oscilla dal -10% per inclinazioni oriz-zontali (tetto piano) e -35% per inclina-zioni completamente verticali (paretiesterne).
• Posizione dei pannelli rispetto al sole. Ipannelli devono essere esposti a sud perricevere il massimo irraggiamento solare.Orientando i pannelli verso sud-est o ver-so sud-ovest si ottiene una perdita del -5%. È importante anche correggere l’incli-nazione in base alla propria latitudine.L’inclinazione dei pannelli deve essere ag-giustata con angolo di inclinazione parialla latitudine locale sottratta di 10° circa.
• Potenza della radiazione solare. L’ener-gia solare irraggia diversamente una loca-lità del nord e del sud Italia. Basti conside-
rare i diversi valori di insolazione media diMilano (1.372,4 kWh/m2 anno), di Roma(1.737,4 kWh/m2 anno) e di Trapani(1.963,7 kWh/m2 anno). Anche le caratte-ristiche morfologiche e atmosferiche dellazona hanno un ruolo importante nel deter-minare la potenza della radiazione solaree la raccolta di energia fotovoltaica.
• Efficienza dei moduli fotovoltaici. In con-dizioni “standard” d’insolazione (1.000W/m2, temperatura del modulo di 25°C)si stima che l’efficienza dei moduli foto-voltaici oscilli mediamente tra 13-15%(Fonte Ecoage).
• Aumento dell’efficienza dei moduli e cel-le solari, allo scopo di renderle più van-taggiose (tra le altre ricerche in corso nelcampo dello sviluppo delle nuove cellulesolari e la loro riduzione di costi).
• Diminuzione e riduzione dei costi di pro-duzione per i moduli del fotovoltaico edi componenti del sistema. Una generaleriduzione dei prezzi del fotovoltaico eduna più diffusa applicazione andranno dipari passo.
Sono attese nuove forme architettoniche evariazioni del design con l’integrazione dinuovi moduli e cellule fotovoltaiche negliedifici. La ricerca nel campo delle nuoveforme della tecnologia fotovoltaica (adesempio, la Terza Generazione delle cellu-le solari, etc.) sono in futuro molto promet-tenti e possono portare sicuramente profon-de innovazioni, nel lungo termine, insiemead una attesa maggiore efficienza ed a unariduzione di costi nello stesso tempo.
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