Come funziona un impianto fotovoltaico e come produce elettricità

Come funziona un impianto fotovoltaico? E come riesce a produrre elettricità con la sola energia del sole? Oggi ormai tutti sanno cosa è il fotovoltaico, tutti sanno che è una tecnologia che permette di produrre energia pulita sfruttando la luce del sole. Tutti sanno che si tratta di una fonte rinnovabile che permette di ridurre le emissioni inquinanti in atmosfera. Molti sanno ormai che, come fonte di energia pulita, sarà il futuro (e forse già presente) di un nuovo modello energetico che scalzerà le fonti fossili in esaurimento. Si sa, insomma, “cosa è” il fotovoltaico, ma non tutti sanno come funziona.

In questa mini guida vediamo come funziona un impianto fotovoltaico e come riesce a produrre energia sfruttando l’energia del sole. Vediamo quali sono le componenti principali e quali sono i fattori che ne possono compromettere il rendimento. Vedremo, poi, come dimensionare il giusto impianto partendo dalla bolletta elettrica, cioè dai propri consumi effettivi e come mitigare al massimo le perdite dovute agli ombreggiamenti ed altre inefficienze.

Come funzionano gli impianti fotovoltaici

I pannelli fotovoltaici, costituiti dall’unione di più celle fotovoltaiche, convertono l’energia dei fotoni in elettricità. Il processo che crea questa “energia” viene chiamato effetto fotovoltaico, ovvero il meccanismo che, partendo dalla luce del sole, induce la “stimolazione” degli elettroni presenti nel silicio di cui è composta ogni cella solare.

Semplificando al massimo: quando un fotone colpisce la superficie della cella fotovoltaica, la sua energia viene trasferita agli elettroni presenti sulla cella in silicio. Questi elettroni vengono “eccitati” e iniziano a fluire nel circuito producendo corrente elettrica. Un pannello solare produce energia in Corrente Continua, in inglese: DC (Direct Current).

Sarà poi compito dell’inverter convertirla in Corrente Alternata per trasportarla ed utilizzarla nelle nostre reti di distribuzione. Gli edifici domestici e industriali, infatti, sono predisposti per il trasporto e l’utilizzo di corrente alternata.

I componenti di un impianto fotovoltaico

Come molti sanno ogni sistema fotovoltaico è formato da almeno due componenti di base:

• i moduli fotovoltaici, composti da celle fotovoltaiche che trasformano la luce del sole in elettricità,
• uno o più inverter, apparecchi che convertono la corrente continua in corrente alternata. I moderni inverter integrano sistemi elettronici di gestione “intelligente” dell’energia e di ottimizzazione della conversione. Possono inoltre integrare dei sistemi di stoccaggio temporaneo dell’elettricità: batterie AGM, batterie al Litio o di altro tipo.

Ecco lo “schema di base” di un semplice impianto fotovoltaico, costituito da 18 pannelli collegati in un’unica stringa ad un unico inverter DC/AC.

Schema di base di un impianto fotovoltaico da 4,5 kWp costituito da 18 moduli collegati in serie un un’unica stringa e ad un unico Inverter.

Oltre a queste componenti principali ci sono poi i quadri elettrici, i cavi solari, le strutture di supporto, centraline, ecc..

I fattori che condizionano l’efficienza del fotovoltaico

Non tutti sanno che l’efficienza di conversione di ogni impianto fotovoltaico non è del 100%. Cioè: i pannelli, le celle solari, che vengono colpiti dai raggi del sole, non trasformano tutta l’energia ricevuta in elettricità. Riescono a convertirne solo una parte: questa è l’efficienza di conversione.  I migliori moduli hanno un’efficienza di conversione intorno al 20-22%. Ciò significa che solo un quinto dell’energia solare che colpisce il pannelli viene effettivamente convertita in elettricità. Alcuni moduli “sperimentali” riescono ad ottenere efficienze di conversione anche oltre il 30%, ma per questi i costi di produzione sono ancora troppo elevati.

Oltre a questo fattore “fisiologico”, molti altri determinano l’effettivo rendimento di ogni impianto. Si tratta sia di “perdite” dovute a fattori ambientali, sia di inefficienze dovute a varie dispersioni elettriche (cavi, apparecchi, trasporti,…).

Tipicamente i fattori che determinano il rendimento di un impianto fotovoltaico sono:

1. La temperatura.
   L’efficienza dei moduli fotovoltaici varia in funzione della temperatura di esercizio: più la temperatura di funzionamento è elevata, meno i pannelli sono efficienti. Il surriscaldamento delle celle ha un impatto negativo sull’efficienza dei moduli e sul rendimento dell’intero impianto.
2. La sporcizia.
   I materiali che si possono accumulare sulla superficie dei pannelli (terra, sabbia, inquinamento, escrementi di volatili, foglie, resine, ecc…) hanno un impatto negativo sulla piena ricezione della luce solare e ostacolano il rendimento dell’impianto fv. Alla lunga potrebbero anche compromettere il ritorno economico previsto dal piano d’investimento. Le perdite di rendimento dovute a questo tipo “inefficienza” possono essere molto variabili e dipendono molto dalle condizioni ambientali e dalla frequenza di pulizia dei pannelli. La pulitura non è, in questo caso, solo un elemento “estetico”, ma “funzionale”.
3. Gli ombreggiamenti.
   Possono essere “passeggeri” (in alcune fasce orarie) e possono derivare dalla presenza circostante di alberi, altri edifici o anche di camini presenti sul tetto stesso. Queste sono inefficienze “calcolabili”. Hanno un alto indice di variabilità, invece, gli altri ombreggiamenti passeggeri provocati da nuvole e dell’ambiente circostante. Ci sono comunque tecnologie in grado di ridurre al minimo l’incidenza degli ombreggiamenti sul rendimento dell’impianto fotovoltaico. Le vediamo più avanti in questa guida.
4. Cablaggi e Connettori.
   Anche l’utilizzo di cavi e connettori causano piccole perdite di rendimento. Si tratta, in questo caso, di dispersioni elettriche che incidono solo in minima parte sul rendimento complessivo dell’impianto.
5. Mismatch.
   Potremmo tradurre il termine Mismatch come “mancata corrispondenza” o, meglio, come “irregolarità”. Che significa? Significa che non tutti i pannelli della stessa marca, della stessa potenza e dello stesso modello, producono in maniera perfettamente omogenea. Tra pannelli simili, sottoposti alle stesse condizioni di funzionamento, ci sono sempre minime variazioni di rendimento. Si tratta di minime variazioni “di fabbrica” che danno ai pannelli caratteristiche elettriche leggermente differenti. Anche questo “mismatch” può essere uno dei fattori da prendere in considerazione per stimare le perdite di rendimento di un impianto.
6. Efficienza dell’Inverter.
   Il processo di conversione da corrente continua a corrente alternata per mezzo di un inverter ha normalmente un’efficienza intorno al 96-97%. Gli inverter hanno tipicamente un’efficienza di conversione ottimale quando la potenza della corrente continua “in ingresso” è elevata, ma sempre al di sotto della potenza nominale dichiarata.
7. Anzianità.
   Le celle fotovoltaiche, che durano dai 20 ai 25 anni, non producono in maniera omogenea durante tutto il loro periodo di vita: hanno un calo del rendimento che viene stimato a 0,5% l’anno. A fine vita un impianto fv, potrà dunque avere un rendimento di circa il 10-12 per cento inferiore rispetto a quello che aveva all’inizio. Questo dipende da un degrado “fisiologico” dei materiali e dei componenti e deve venire considerato fin dall’inizio nel piano di ammortamento dell’impianto.

Ecco un quadro riassuntivo dei principali e tipici valori di efficienza di un impianto fotovoltaico.

Come viene calcolata l’efficienza di un impianto fotovoltaico

I fattori sopra esposti vengono combinati in un indice, per la precisione: un coefficiente, che serve a rappresentare quello che in inglese viene chiamato il “System Derate Factor” cioè: il coefficiente di riduzione dell’efficienza di un impianto fotovoltaico. Alcuni fattori che incidono sono (più o meno) “fissi” e calcolabili, altri sono estremamente variabili e dipendono dal luogo in cui viene installato l’impianto.

Alcuni simulatori, tra cui  il PVWatts Calculator del Laboratorio Nazionale del Dipartimento Statunitense dell’Energia, considerano per questo indice un valore di default pari all’86%. Questo però rimane solo un valore indicativo che può essere estremamente variabile in base alle situazioni in cui viene installato l’impianto fotovoltaico.

Come già accennato l’indice di efficienza di un pannello fotovoltaico indica quanta parte dell’energia solare che arriva sul modulo viene effettivamente convertita in corrente elettrica. Per fare questa misurazione vengono in genere considerate alcune “condizioni standard”: le cosiddette STC, Standard Test Conditions. Queste prevedono, in laboratorio, una temperatura di funzionamento di 25°C ed un irraggiamento solare pari a 1.000 Watt/m².

Ecco la formula che viene utilizzata per stimare l’efficienza di un impianto fotovoltaico, ovvero l’efficienza di conversione dell’energia solare in elettricità:

Efficienza Complessiva Impianto Fotovoltaico = (Efficienza Modulo FV) X (System Derate Factor)

Ovviamente le stime di produzione di un impianto vengono fatte con appositi software in grado di calcolare e considerare tutte le variabili in gioco, compresi i “calcoli degli ombreggiamenti”.

Come dimensionare un Impianto Fotovoltaico partendo dalla Bolletta

Come di consueto, si parte dai “bisogni”. Qual è il primo strumento che abbiamo per capire di quanta elettricità abbiamo bisogno? La Bolletta Elettrica.

Normalmente la bolletta ci da alcune importanti indicazioni su come dimensionare correttamente un impianto fotovoltaico: ci indica quali sono i nostri consumi e ci indica, soprattutto, in quali fasce orarie avvengono. L’altro elemento che ci indica la bolletta è.. il costo: quanto spendiamo mensilmente per far fronte ai bisogni energetici della nostra abitazione o della nostra attività?

Con queste importanti informazioni siamo già in grado di fare i nostri calcoli per capire se e quanto il fotovoltaico può esserci utile, se e quanto può farci risparmiare, considerando che l’impianto produce molto di giorno “inseguendo” i cicli giorno/notte e estate/inverno.

La bolletta elettrica, dunque, rivela informazioni su costi e consumi elettrici. Con queste informazioni è possibile stimare le dimensioni più adatte per il nostro impianto fotovoltaico che possono compensare i nostri consumi in maniera ottimale.

Fabbisogno giornaliero di energia = consumo medio mensilegiorni del mese

Ipotizzando un consumo mensile di una piccola attività pari a 500 kWh e considerando un mese di 30 giorni, abbiamo:

Fabbisogno giornaliero di energia = 500 kWh/mese30 = 16,7 kWh/giorno

Avremo bisogno di un impianto che produca, in media, 16 kWh/giorno. La produzione giornaliera è molto variabile in base alle stagioni: d’inverno l’impianto produrrà meno di questa media. D’estate dovrà produrre di più. Il meccanismo dello scambio sul posto andrà a compensare (in parte) queste fluttuazioni produttive stagionali.

Oltre al fabbisogno giornaliero dobbiamo considerare il valore dell’irraggiamento solare che varia in base a dove viene installato il fotovoltaico. Come parametro di riferimento vengono utilizzate le Ore di Sole Equivalenti per ogni specifica zona. Per individuare le “ore di sole equivalenti” ci sono apposite tabelle, ma indicativamente possiamo definirle come il numero ipotetico di ore giornaliere in cui l’irraggiamento a 1.000 Watt/m² produrrebbe l’energia prodotta in media da quella zona. Per esempio: “6 ore equivalenti” significa che in una zona l’energia ricevuta dal sole in un giorno equivale all’energia che avrebbe ricevuto la stessa zona in sei ore con un irraggiamento pari a 1.000 Watt/m². E’ una sorta di “normalizzatore” per misurare il potenziale di produzione di un luogo e poterlo confrontare con altri luoghi.

Graficamente possiamo rappresentarlo in questo modo.

Ipotizzando di trovarci in una zona pari a 5,2 Ore-Equivalenti-Giorno, questa è la formula per individuare il dimensionamento più adatto dell’impianto che corrisponde al nostro fabbisogno giornaliero.

Potenza Impianto FV = Fabbisogno Giornaliero di energia Ore di Sole Equivalenti Giornaliere = 16,7 kWh/giorno5,2 Ore/Giorno = 3,21 kWp

Questa sarebbe la dimensione dell’impianto fotovoltaico se il nostro sistema avesse un’efficienza pari al 100%. Come detto così non è. Per questo bisogna “correggere” questo dimensionamento considerando un tasso medio di inefficienza dovuta a tutti i fattori che abbiamo già elencato in questo articolo: non solo l’efficienza di conversione dell’energia solare, ma anche sporcizia, dispersioni dovute ai cablaggi, connettori, degrado fisiologico dovuto all’anzianità dei moduli, ecc…

Un tasso di inefficienza “standard” che tipicamente viene preso in considerazione è pari 0.8, ma può anche essere molto diverso in relazione al luogo ed alle condizione di installazione.

Dobbiamo quindi aggiungere alla formula questa correzione:

Dimensionamento Impianto FV = Potenza teorica Impianto Tasso di Inefficienza = 3,21 kW0,80 = 4,01 kWp

Il dimensionamento ottimale di un impianto fotovoltaico per un fabbisogno di circa 16 kWh/giorno in una zona con circa 5 Ore Picco di Sole Equivalenti è dunque di 4 kWp. Ovviamente l’esempio non prende in considerazione l’incidenza di eventuali obreggiamenti.

Gli effetti degli ombreggiamenti sulla produzione dell’impianto fotovoltaico

Siccome ogni impianto fotovoltaico produce energia elettrica sulla base della luce del sole che riceve, lo studio delle ombre è una questione fondamentale per calibrare bene ogni installazione solare.

Gli effetti dell’ombreggiamento di un albero, per esempio, che magari colpisce solo un pannello, può essere peggiore di quello che si possa immaginare perchè condiziona a catena il rendimento di tutti gli altri moduli. Al contrario di quello che l’intuito potrebbe suggerire, inoltre, la perdita di rendimento dell’impianto non è proporzionale alla superficie coperta dalle ombre. Uno studio sperimentale della Stanford University (uno dei tanti disponibili) ha dimostrato come ombreggiando solo una delle 36 celle di un pannello fotovoltaico, la potenza in uscita dal modulo può essere inferiore al 75% della potenza iniziale.

Come agiscono le ombre sul flusso dell’energia? Pensiamo all’acqua.

Per capire in maniera semplice l’incidenza delle ombre sulla produzione fotovoltaica possiamo immaginare l’impianto fotovoltaico come un tubo attraversato da un flusso di acqua corrente. Come il flusso dell’acqua che passa in una tubazione è costante, così, a parità di irraggiamento, il flusso dell’elettricità che attraversa i moduli fv è costante.

Ombreggiare una cella solare equivale ad introdurre un ostacolo, una ostruzione, al libero fluire dell’acqua nel tubo: tutto l’impianto verrà inficiato da questa ostruzione. Analogamente quando una cella solare, o una parte di impianto, viene “coperta” da un’ombra, viene ridotto l’intero flusso della corrente elettrica che attraversa la stringa fotovoltaica (la stringa è l’insieme di più pannelli collegati in serie). In questo modo avremo un calo complessivo della generazione elettrica più che proporzionale alla superficie ombreggiata.

Graficamente potremmo rappresentarla così:

Come agisce l’ombra sul funzionamento delle celle fotovoltaiche

Lo stesso meccanismo delle celle fotovoltaiche, avviene anche a livello di pannello fotovoltaico e di stringa: anche se solo una parte della stringa fotovoltaica viene raggiunta da un’ombra, anche i pannelli non ombreggiati, che potrebbero lavorare al 100% del loro potenziale, lavorano di fatto a livelli inferiori, producendo meno di quanto potrebbero.

Come rimediare al problema delle ombre sui moduli fotovoltaici

Il problema dei cali di rendimento dovuti agli ombreggiamenti sui pannelli si può mitigare. Si può ridurre in 3 modi:

1. utilizzando una diversa configurazione delle stringhe,
2. utilizzando i diodi di bypass,
3. utilizzando l’elettronica di potenza al livello dei moduli (più sotto vediamo che vuol dire).

Agire sulla configurazione delle stringhe fotovoltaiche

Più pannelli fotovoltaici connessi in serie formano una stringa. Più stringhe possono essere connesse in parallelo. Se, anzichè connettere tutti i moduli in serie, creiamo più stringhe connesse tra loro in parallelo, possiamo ridurre l’impatto degli ombreggiamenti sulla produzione dell’impianto. Questo è un modo per ridurre al minimo l’impatto delle ombre sul rendimento dell’intera installazione.

Per cui, ad esempio, nel caso in cui si installi un impianto sul tetto piano di un edificio contornato da un parapetto, i moduli che potrebbero essere ombreggiati dal parapetto stesso devono essere collegati in una stringa separata. In questo modo la produzione dell’impianto potrà mantenersi sempre ad un livello ottimale, anche nelle ore in cui alcuni moduli saranno in ombra.

Il meccanismo è semplice e con un disegno tutto diventa più chiaro:

A sinistra: impianto formato da tutti i pannelli fotovoltaici collegati in serie.
A destra: impianto con moduli fv suddivisi in stringhe parallele. Questo impianto consente di mitigare l’incidenza degli ombreggiamenti.

I Diodi di Bypass

I Diodi di Bypass sono piccoli strumenti all’interno dei pannelli fotovoltaici che consentono alla corrente elettrica di “saltare” (“bypassare”) le zone ombreggiare del modulo. In questo modo l’elettricità fluisce regolarmente all’interno del modulo anche se viene ostacolata in alcune celle. Questo “aggiramento” avviene, però, al costo di perdere la potenza generata da quel gruppo di celle.

In teoria, per rendere massimo il beneficio di questo meccanismo, l’ideale sarebbe avere un “diodo di bypass” per ogni cella del modulo fotovoltaico, ma l’operazione rende il tutto ancora troppo costoso ed anti-economico. Ad oggi, per i classici pannelli fotovoltaici a 60 celle, si hanno 3 diodi di bypass posizionati, come nell’immagine di seguito, ogni 20 celle.

Diodi di by pass su modulo fotovoltaico a 60 celle.

L’elettronica di potenza a livello dei moduli

Le “elettroniche di potenza a livello di Modulo”, che abbreviato in inglese sono le MLPEs, non sono nient’altro che dispositivi che permettono di aumentare le performance dei moduli fotovoltaici non solo quando lavorano in condizioni ottimali, ma anche quando sono in ombra. Oltre ad essere utili in tal senso, possono anche monitorare il rendimento a livello di modulo indicando possibili problemi di rendimento o eventuali anomalie. Dal punto di vista tecnico, inoltre, si dice che sono in grado di tracciare e “inseguire” il punto di massima potenza del modulo fotovoltaico (MPPT – Maximum Power Point Tracking).

Si tratta principalmente di due tipi di dispositivo:

• gli Ottimizzatori,
• i Microinverter

Gli ottimizzatori di potenza (lato Corrente Continua) ottimizzano il voltaggio e la corrente “in uscita” dai moduli per mantenere massima la potenza prodotta a livello di modulo senza compromettere le performance degli altri pannelli. Quando un pannello, ad esempio, viene raggiunto da un’ombra la potenza prodotta diminuisce. L’ottimizzatore riesce a ridurre il voltaggio del modulo per ridurre al minimo la diminuzione della potenza e quindi l’impatto sugli altri moduli e sulla produzione dell’impianto stesso.

I Microinverter, invece, non sono altro che tanti piccoli inverter posti al servizio di ogni modulo. Questi convertono la corrente continua prodotta da ogni pannello in corrente alternata e sostituiscono l’utilizzo di un unico inverter al servizio di tutta la stringa (o di tutto l’impianto). L’utilizzo dei microinverter permette di far funzionare ogni pannello in maniera autonoma. Ogni pannello produrrà “inseguendo” il punto di massima potenza (MPPT) e sarà completamente indipendente dall’incidenza degli eventuali ombreggiamenti sugli altri moduli. Il malfunzionamento di un modulo non inciderà sul rendimento degli altri moduli e dell’impianto stesso.

Mediamente il miglioramento delle prestazioni derivante dall’uso di microinverter o ottimizzatori viene stimato intorno al 17 per cento rispetto al rendimento degli impianti installati con le classiche configurazioni. L’incidenza dei microinverter e degli ottimizzatori è in genere molto simile e nella maggioranza dei casi si equivale.

Ecco lo schema che mostra il posizionamento dei Microinverter e degli Ottimizzatori:

Sia i Microinverter che gli Ottimizzatori agiscono a livello di Modulo Fotovoltaico ottimizzando il rendimento e mitigando le conseguenze degli ombreggiamenti delle celle.

Video che spiega come funzionano gli ottimizzatori