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Energie Rinnovabili Ep. 4 - Energia Solare

Energia
Ciao cari lettori, benvenuti in questo nuovo format che vi terrà compagnia ogni due settimane per i prossimi mesi! Seguiteci sulle pagine social di “PIaneta Energy” per non perdere nessun episodio (e se non sapete il significato dei termini con l’asterisco* non preoccupatevi, scorrendo in fondo all’articolo troverete la legenda che spiega tutto in semplici parole!) 

Cenni storici


L’energia solare è stata sfruttata fin dalle civiltà più antiche per riscaldare gli ambienti o far evaporare liquidi. Famoso è l’escamotage, ideato da Archimede, che creò un sistema di specchi a concentrazione di luce solare per incendiare la flotta romana che stava assediando la sua città, Siracusa. L’evento principale che ha dato via allo sfruttamento moderno dell’energia solare risale al 1839, anno in cui il fisico francese Alexandre Edmond Becquerel, compiendo esperimenti sull’elettrolisi con due elettrodi metallici, si accorse di un lieve flusso di corrente elettrica di alcuni materiali se esposti alla luce: è l’effetto fotovoltaico. A teorizzare e dare un significato alla scoperta empirica di Becquerel ci pensò Albert Einstein, la cui teoria pubblicata nel 1905 spiegava proprio questo effetto e valse al fisico il premio Nobel nel 1921. Proprio in questi anni nascevano anche i primi rudimentali collettori solari, sistemi che sfruttavano l’energia solare per fornire acqua calda sanitaria. Infine, dopo due anni di perfezionamento della tecnologia, gli scienziati dei Bell Laboratories Gerald Pearson, Daryl Chapin e Calvin Fuller brevettano la prima cella solare al silicio capace di generare una corrente elettrica misurabile nel 1955, aprendo la strada per la diffusione della tecnologia fotovoltaica in tutto il mondo.  


Fig. 1: Test su di una batteria alimentata ad energia solare, 1954. Credit: Bell Labs.


La fonte solare


L'energia solare è l'energia associata alla radiazione solare e rappresenta la fonte primaria di energia sul nostro pianeta. È la forma di energia normalmente utilizzata dagli organismi autotrofi, cioè quelli che eseguono la fotosintesi. Gli altri organismi viventi invece sfruttano l'energia chimica ricavata dai vegetali, o da altri organismi che a loro volta si nutrono di vegetali, e quindi sfruttano anch'essi l'energia solare, seppur indirettamente.
Da questa energia derivano più o meno direttamente quasi tutte le altre fonti energetiche disponibili all'uomo quali i combustibili fossili, l'energia idroelettrica, l'energia eolica, l'energia del moto ondoso e l'energia da biomassa, con le sole eccezioni dell'energia nucleare, dell'energia geotermica e dell'energia delle maree. 

Dal punto di vista energetico, si tratta di un'energia rinnovabile alternativa ai classici combustibili fossili e, prescindendo dalle tecnologie di captazione e di conversione utilizzate, pulita (no emissioni dirette). Lo sfruttamento di questa fonte soffre di variabilità e intermittenza di produzione ovvero non piena programmabilità (dispacciabilità) a causa dei cicli giorno-notte e della copertura nuvolosa. 

La radiazione solare è l’energia radiante emessa dal Sole. Essa si genera grazie alle reazioni termonucleari che avvengono nel nucleo solare, le quali producono radiazioni elettromagnetiche* a varia frequenza e lunghezza d’onda*. La radiazione solare è distribuita su un ampio spettro di frequenze in modo non uniforme. Tramite la legge di Wien si può ricavare il valore massimo della radiazione fuori dall’atmosfera terrestre (si parla di radiazione extra atmosferica), che corrisponde ad una lunghezza d’onda di circa 500 nm, nella banda del visibile.


La radiazione solare si misura in W/m2, rappresentando l’energia emessa dal Sole nell’unità di tempo e di superficie, ed il suo valore medio extra atmosferico è pari a 1367,7 W/m2. Tale valore varia ogni giorno al variare della distanza Terra-Sole. Inoltre, la radiazione extra atmosferica viene attenuata, nel passare attraverso l’atmosfera, in funzione della “massa d’aria” attraversata dai raggi solari, cioè dalla lunghezza del cammino percorso dai raggi solari dal loro ingresso in atmosfera alla superficie terrestre. Infatti, essa subisce effetti di attenuazione nel passaggio attraverso l’atmosfera ricca di polveri, vapor d’acqua e gas diversi che riflettono e assorbono: il fenomeno di riflessione è dovuto principalmente all’urto con le molecole di aria, pulviscolo e vapor d’acqua, che fa sì che una quota di radiazione venga sia riflessa verso lo spazio esterno in tutte le direzioni (back scattering) sia inviata verso la terra in forma diffusa (forward scattering); invece l’assorbimento è dovuto principalmente all’ozono (nella banda dell’ultravioletto), all’anidride carbonica e al vapor d’acqua (nella banda dell’infrarosso).

In definitiva per valutare la potenza che investe qualunque corpo posto sulla superficie terrestre dobbiamo considerare i seguenti tipi di radiazione:

  • Radiazione collimata o diretta, che raggiunge la superficie della Terra nella direzione dei raggi solari senza aver subito riflessioni o assorbimenti. Si può dire che essa giunge direttamente senza essere assorbita o dispersa dall’atmosfera e per cui è individuabile una sua direzione (sole – oggetto) precisa.

  • Radiazione diffusa, che invece raggiunge il suolo terrestre da tutte le direzioni a causa di processi atmosferici di riflessione e diffusione. Tale radiazione è sempre presente al livello del suolo, anche nelle giornate perfettamente serene proprio perché tali processi nell’atmosfera si verificano in ogni caso. giornate in cui il cielo è sereno quest’ultima è, mediamente, circa il 10% di quella diretta, mentre in giornate molto nuvolose essa costituisce la totalità dell’energia irraggiante. 

  • Radiazione riflessa, che giunge al suolo terrestre (o al corpo in questione) perché riflessa dai corpi circostanti (alberi, edifici, masse d’acqua…). Per meglio capire, Si pensi alla facilità con cui ci si abbronza sulla neve o in acqua, al mare, in una giornata serena. In tali casi alla radiazione solare vera e propria si aggiunge la riflessione della neve o dell’acqua. Il coefficiente di riflessione (albedo) proprio di ogni materiale è definito dalla norma UNI 8477.


Fig. 2: Schema della radiazione solare al suolo con le sue componenti. 

State of art


Nel 2020, la capacità solare globale installata per generazione di potenza (Solar power capacity) era pari a circa 714 GW, di cui 707 GW dati da impianti fotovoltaici (PV) ed i restanti 7 GW da impianti solari termodinamici (CSP). Ciò ha permesso una produzione di circa 844 TWh, il 3% del totale globale. Sempre nello stesso anno, la capacità solare globale installata per scopi termici (Solar thermal capacity) era pari a circa 501 GW, che ha portato a una produzione di 407 TWh, circa l’1% del totale globale.

Tecnologie di sfruttamento dell’energia solare


L’energia solare può essere utilizzata indirettamente o direttamente, in ottica di risparmio energetico o per produrre calore o elettricità con varie tipologie di impianto. La prima classificazione che si può fare è relativa agli usi passivi o attivi della stessa. Gli usi passivi, legati al mondo del risparmio energetico in edilizia, consistono nello sfruttare insolazione e ombreggiatura per alleggerire la domanda dell’edificio all’impianto termico collegato. In Fig. 3 si può notare un tipico strumento che sfrutta passivamente l’energia solare. Per quanto riguarda gli usi attivi, possono essere a loro volta classificati come segue:
  • Per produzione di energia termica, sia di riscaldamento che di raffrescamento;
  • Per produzione di potenza, a sua volta classificabile in solare termodinamico e solare fotovoltaico.

Solare termico


Come anticipato, uno dei modi per sfruttare l’energia solare è quello di convertirla in energia termica. In questo ambito, la tecnologia più diffusa è quella del collettore solare. Esso è composto dai seguenti componenti: l’assorbitore, il cui compito è quello di captare l’energia solare e trasferirla al fluido termovettore* tramite uno scambiatore. A questo punto il fluido termovettore energizzato può essere sfruttato direttamente oppure posto in un accumulo per un utilizzo successivo.


Fig. 3: Schermature solari mobili, che permettono di regolare l’irraggiamento solare nelle stanze di un edificio.

I collettori solari si possono utilizzare per applicazioni industriali disparate, a seconda della temperatura del fluido richiesta. Il fluido è tipicamente acqua, ma può essere anche aria o fluidi basso-bollenti*; quest’ultimi permettono di aumentare l’efficienza del sistema. Esistono applicazioni a medio-bassa temperatura (30 80 °C) o ad alta temperatura (fino a 240 °C), per cui si può produrre tipicamente acqua calda sanitaria oppure vapore di processo, a seconda dell’utente. Ovviamente un range di temperature così vasto è coperto da collettori di varia tipologia. Quella più semplice è il collettore solare piano, che garantisce un guadagno di temperatura fino a 50°C. I collettori solari sottovuoto invece, essendo un sistema più complesso, garantiscono un salto termico anche fino a 150°C. Essi infatti, trasportano il fluido all’interno di una tubazione costituita da due strati concentrici tra i quali è creato il vuoto, che agisce da isolante termico aumentando l’efficienza del sistema. 

I sistemi che invece permettono il raffreddamento sono i sistemi di solar cooling: i pannelli solari termici assorbono la radiazione del sole e la trasferiscono sotto forma di calore a fluidi quali acqua o aria; l’acqua o l’aria calda proveniente dai pannelli solari alimenta e fornisce energia di processo a speciali macchine frigorifere (ad es.: pompe di calore ad assorbimento) impiegate per raffrescare gli ambienti o produrre acqua fredda per la refrigerazione industriale. Nonostante questi sistemi permettano di sfruttare l’energia solare nel periodo dell’anno in cui c’è maggiore disponibilità, la disposizione in serie di più sistemi termodinamici fa sì che il rendimento sia minore rispetto al caso di riscaldamento, e che tali sistemi non abbiano avuto grande diffusione.

Solare termodinamico


Con solare termodinamico (o termoelettrico) si intende l’insieme delle tecnologie finalizzate a convertire la radiazione solare in elettricità mediante processi termodinamici. Le tecnologie associate sono basate sul principio che un elemento assorbitore, investito da un flusso di radiazione solare concentrata, viene riscaldato e rende disponibile un flusso di energia termica ad una temperatura utile a sostenere un ciclo termodinamico dal quale ottenere lavoro meccanico e poi energia elettrica. Negli ultimi tempi questo insieme di tecnologie vengono 



Fig. 4: Le principali tecnologie di concentrazione solare. 

chiamate CSP, Concentrated Solar Power. La concentrazione della radiazione fa sì che, nella superficie in cui viene concentrata, si possa superare la temperatura di 100°C, che rappresenta un limite naturale ottenibile con la semplice radiazione. La concentrazione si ottiene mediante principi di ottica geometrica e permette di arrivare anche a temperature di circa 1500°C. Questi sistemi sono costituiti da un concentratore, un ricevitore (o assorbitore) e da un sistema termodinamico (tipicamente un ciclo Rankine).

Gli impianti solari termodinamici si dividono in quattro tipi: a collettori parabolici lineari, a collettori lineari Fresnel, a riflettore parabolico circolare ed a torre solare. I primi, in alto a sinistra in Fig. 4, sono formati da specchi parabolici che ruotano su un solo asse, concentrando la radiazione su un tubo assorbitore posto nel fuoco del paraboloide. Nel tubo assorbitore scorre il fluido termovettore che, attraverso un processo di espansione in turbina, genererà energia elettrica. Il fluido termovettore è tipicamente olio diatermico (raggiunge i 400°C) o una miscela di sali che fondono alle temperature di esercizio e per questo vengono denominati sali fusi. I collettori Fresnel, in alto a destra in Fig.4, sono formati da file parallele di stretti specchi piani, inclinati in modo da concentrare la radiazione su tubazioni poste opportunamente in alto in cui scorre il fluido termovettore. Questa soluzione permette di avere una maggiore superficie riflettente a parità di superficie occupata rispetto ai collettori parabolici; sono più economici ma hanno un rendimento ottico inferiore. I collettori parabolici circolari (Parabolic Dish) utilizzano pannelli riflettenti di forma parabolica che inseguono il movimento del disco solare parabolico attraverso un meccanismo di spostamento biassiale, e concentrano la radiazione incidente su un ricevitore posizionato nel punto focale. Il calore ad alta temperatura viene comunemente trasferito ad un fluido ed utilizzato in un motore, posizionato al di sopra del ricevitore, dove viene prodotta direttamente energia elettrica.
In questo sistema la concentrazione della radiazione è migliore, permettendo di ottenere temperature di funzionamento tra le più elevate, e di conseguenza elevati rendimenti. Infine, in basso a destra in Fig. 4 si nota la tecnologia denominata a torre solare. Questi impianti hanno un ricevitore centrale e utilizzano pannelli solari riflettenti di tipo piano (detti eliostati) ad inseguimento, che concentrano la radiazione diretta su un singolo ricevitore posto sulla sommità di una torre, all’interno del quale viene fatto circolare un fluido termovettore per l’asportazione del calore generato.
Negli impianti termodinamici a torre centrale, l’energia termica prodotta può essere utilizzata per la produzione di energia elettrica o direttamente come calore di processo. 

I vantaggi di questa tecnologia sono rappresentati dalla possibilità della cogenerazione (calore ed elettricità), ma soprattutto dalla possibilità di poter sfruttare l’energia del Sole anche in assenza di radiazione, accumulando il fluido termovettore caldo in appositi sistemi di storage. Al tempo stesso, le difficoltà costruttive, i costi hanno fatto sì che la tecnologia fotovoltaica, su cui ci concentreremo nel prossimo paragrafo, si sviluppasse in maniera più diffusa. 

Solare fotovoltaico


Componentistica degli impianti 

Per classificare gli elementi costitutivi di un impianto fotovoltaico è possibile operare una prima suddivisione in due categorie principali: i moduli fotovoltaici da una parte e tutta la componentistica non fotovoltaica dall’altra. Quest’ultimo raggruppamento viene comunemente definito BOS (balance of system) ed è composto da cavi e quadri elettrici, inverter, batterie di accumulo e regolatori di carica. Le principali componenti di un impianto fotovoltaico sono: 

  • un impianto di produzione, che genera una corrente elettrica continua tramite moduli fotovoltaici disposti opportunamente a favore del Sole; 
  • in alcuni casi delle batterie di accumulo, deputate a conservare l’energia elettrica in eccesso fornita dei moduli fotovoltaici; 
  • un regolatore di carica*, che stabilizza l'energia raccolta e la gestisce all'interno del sistema in funzione di varie situazioni possibili e che ha il compito di permettere una corretta ricarica del pacco batterie ed evitare che queste si scarichino quando sono a riposo; 
  • un convertitore DC/AC detto inverter*, che serve a convertire la corrente continua in corrente alternata. 

Naturalmente, va considerata anche la struttura di sostegno per il montaggio sulle coperture. La costante evoluzione e il grande impiego dei sistemi fotovoltaici sono dovuti all’estrema flessibilità. La principale classificazione dei sistemi fotovoltaici si basa sulla loro configurazione elettrica:

  • sistemi autonomi ("stand alone")
  • sistemi connessi alla rete elettrica ("grid connected"), la soluzione che ha garantito uno sviluppo del fotovoltaico, grazie alla possibilità di disaccoppiare produzione ed utilizzo tramite lo scambio sul posto.

L’impianto fotovoltaico di tipo stand alone è il sistema di approvvigionamento di energia solare che porta all’estremo significato il concetto di autoconsumo. L’impianto è completamente indipendente dalla rete di distribuzione elettrica, non presentando alcun collegamento con essa, ma per assicurare la completa indipendenza dell’impianto, il sistema fotovoltaico ad isola ha bisogno di batterie nelle quali accumulare l’energia prodotta in eccesso durante la giornata, quella cioè che non viene consumata nel momento stesso in cui viene prodotta.

Materiale 

Fra i materiali impiegabili per la costruzione dei moduli fotovoltaici, il silicio è in assoluto il più utilizzato. Si possono trovare comunemente tre tipi di cella con caratteristiche differenti in base alla struttura del silicio che la compone.



Fig. 5: Tipologie di moduli fotovoltaici a base di silicio

  • Silicio monocristallino: è la cella che ha il rendimento maggiore che si spinge anche al 20%, ma ha il maggior costo. Sono facilmente riconoscibili da un aspetto e colorazione esterna uniformi, che indica la alta purezza del silicio. Per creare il silicio monocristallino, si devono fabbricare grandi lingotti cilindrici con il processo Czochralski. In generale un’altra caratteristica delle celle fotovoltaiche cristalline è che il loro rendimento si mantiene quasi costante nel tempo tanto che oggi i costruttori garantiscono che le perdite dei loro prodotti saranno inferiori al 20% dopo 25 anni.

  • Silicio policristallino: è la cella costituita da silicio caratterizzato da un grado di purezza inferiore rispetto al silicio monocristallino. Il suo rendimento è leggermente inferiore (11% - 14%) a fronte però di un costo minore. Il silicio grezzo viene fuso e versato in uno stampo quadrato, che una volta raffreddato può essere tagliato in wafer perfettamente quadrati e dal momento che i wafer sono già quadrati, c’è anche minor uso di silicio in confronto al monocristallino.

  • Silicio amorfo: è la cella costituita da un sottile strato di silicio che viene depositato chimicamente su un supporto. La forma chimica dello strato non è più cristallina. Il rendimento di questo tipo di cella è molto basso (6%-8%), ma il costo è nettamente il più favorevole. Per quanto riguarda le prestazioni, si hanno perdite stimabili attorno al 30% nei primi due anni; solo dopo questo periodo il rendimento delle celle amorfe mostra un assestamento quasi costante nel tempo.

Dalla cella al modulo fotovoltaico

L'effetto fotovoltaico*, si basa sulle proprietà del silicio (materiale semiconduttore) e consiste nella generazione di una differenza di potenziale, che viene indotta dalla radiazione solare, ed è capace di generare una corrente elettrica ai capi di una giunzione p-n, facendo passare gli elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione. I materiali conduttori non possono essere usati perché la banda di conduzione e quella di valenza sono sovrapposte, mentre negli isolanti sono molto lontane. Per ottenere l’effetto elettrico è necessario mettere in contatto due giunzioni polarizzate in maniera opposta, una di tipo P ed una di tipo N. Il silicio ha quattro elettroni di valenza e per poter generare energia elettrica esso deve essere modificato. Una superficie della cella fotovoltaica di silicio viene drogata con l'inserimento di atomi di boro, ottenendo silicio di tipo P (che presenta lacune di elettroni), mentre l'altra è drogata con fosforo e si ha silicio di tipo N, che presenta un numero di elettroni in eccesso. Con le giunzioni in contatto, gli elettroni in più del cristallo N fluiscono verso il cristallo P, formando quella che viene detta regione di carica spaziale, nella quale le lacune sono colmate dagli elettroni. Quando la struttura del cristallo a giunzione P-N è colpita dalla luce del sole, essa si divide in 3 parti: una viene riflessa, una si trasforma in calore ed una parte è energia in grado di rompere i legami nella struttura cristallina e produrre lo spostamento della carica al suo interno, generando di conseguenza la forza elettromotrice ai capi della giunzione (dell’ordine di circa 0.6 Volt). Naturalmente per ottenere tensioni più elevate vengono sfruttati i collegamenti in serie o in parallelo tra più celle elementari fotovoltaiche e si formano i moduli che possono poi essere collegati in serie in una stringa. La potenza elettrica richiesta determina poi il numero di stringhe da collegare in parallelo per realizzare finalmente un generatore fotovoltaico.


Fig. 6: Schema di accoppiamento che porta dalla cella al generatore.

Nei collegamenti serie/parallelo dei pannelli, occorre verificare che i pannelli siano tutti della stessa potenza e di analoghe caratteristiche elettriche, e che formino una matrice, detta array, con n moduli in serie (ogni serie forma una stringa) e m stringhe in parallelo. In particolare, nei collegamenti in parallelo dei pannelli, è consigliabile inserire dei diodi di blocco al fine di evitare le eventuali correnti di ritorno tra un pannello e l’altro, soprattutto nei casi dove si potrebbero verificare ombre nette solo su alcuni pannelli.



Fig. 7: Tipologie di collegamento moduli.

Influenza degli agenti esterni 

L’efficienza di conversione di una cella è limitata da una serie di fattori, alcuni dei quali di tipo fisico, e quindi inevitabili, altri di tipo tecnologico, che derivano dal particolare processo adottato per la fabbricazione della cella. Il rendimento effettivo dei pannelli fotovoltaici è un dato difficile da prevedere, che viene in genere dichiarato dal produttore e calcolato in Condizioni Standard, ovvero con un irraggiamento di 1000 W per ogni m2 di superficie e una temperatura ideale di 25°C. Ma un  impianto è destinato a subire anche gli effetti degli agenti esterni: basta una variazione della temperatura e il medesimo modulo può dare risultati diversi. Tipicamente i fattori che determinano possibili perdite di rendimento di un impianto fotovoltaico sono: 

  • 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. Ciò fa capire che paradossalmente l’efficienza può essere maggiore nelle giornate invernali con insolazione.

  • Gli ombreggiamenti:
Le perdite per ombreggiamento sono date dall’eventuale presenza di ombre parziali sui moduli, con una conseguente riduzione della radiazione incidente sull’array fotovoltaico. 

  • Mismatching:
Il termine indica perdite date dalla disomogeneità delle caratteristiche delle celle dei moduli, che possono dipendere da differenze costruttive, da differenti inclinazioni e da parziali ombreggiamenti. Se uno dei moduli è soggetto a ombreggiamento, il suo valore di corrente risulta più basso, di conseguenza tutti i moduli connessi in serie nella stessa stringa saranno limitati alla corrente più bassa erogata dal modulo soggetto a ombreggiamenti. Ma una situazione simile si verifica anche nel caso in cui i moduli  abbiano caratteristiche tecniche diverse tra loro, infatti, il modulo più debole presente all’ interno di una stringa farà da collo di bottiglia per tutte le altre.



Metodi di progettazione

Esistono diverse fasi su cui devono essere articolate le operazioni di pianificazione per la realizzazione di un impianto fotovoltaico: 
  • Analisi del fabbisogno dell’utenza e della risorsa; 
  • Disponibilità di superficie sulla quale installare l'impianto; 
  • Dimensionamento del generatore
  • Dimensionamento degli eventuali sistemi di accumulo. 
La tipologia e la taglia dell’installazione ovviamente, sono condizionate dalla richiesta di energia elettrica. Tutte le apparecchiature elettriche che verranno impiegate dall’utenza servita vanno analizzate, così come pure le rispettive ore di esercizio, al fine di comporre un quadro completo dell’andamento del carico. Il consumo di energia di ogni dispositivo è regolato dalla relazione: 

𝐸 = 𝑃 × τ 
In cui: 
  • E rappresenta l’energia elettrica consumata dall’apparecchio in oggetto [kWh]; 
  • P è la potenza elettrica dell’apparecchio [W]; 
  • τ esprime il tempo di funzionamento dell’apparecchio [h]. 
È necessario poter analizzare in via preliminare la capacità produttiva delle differenti configurazioni possibili. Ciò significa eseguire delle stime sulla produzione di elettricità ottenibile, in modo da verificare l’attitudine del sistema a soddisfare l’utenza che andrà a servire. Una volta determinati i parametri di massima scelti per l’impianto, le sue prestazioni possono essere stimate preventivamente secondo la formula: 

𝐸𝑃𝑉 = 𝜂𝐵𝑂𝑆  × 𝐾𝑃𝑉 × 𝐴𝑃𝑉 × 𝜂 × 𝐻  
Dove: 
  • EPV è l’energia producibile dall’impianto fotovoltaico [kWh]; 
  • ηBOS è l’efficienza della componentistica non fotovoltaica del sistema (0,8-0,9) [-]; 
  • KPV rappresenta un fattore di riduzione che tiene in considerazione fenomeni come il surriscaldamento dei pannelli, la riflessione parziale della radiazione incidente e altri effetti esterni (si considera convenzionalmente pari a 0,9) [-]; 
  • H rappresenta l’irradiazione solare incidente sulla superficie dei moduli [kWh/m2] che può essere considerata su base oraria, giornaliera, mensile o annua. 
  • η rappresenta l’efficienza nominale del singolo modulo [-]; 
  • APV esprime l’area occupata dall’insieme dei moduli [m2].

La disponibilità di energia fotovoltaica dipende da quella della radiazione solare che investe i moduli; quindi, si ricorre ai dati climatici relativi alla località in questione. Poiché la quantità e l’andamento annuale dell’energia prodotta variano con gli angoli di inclinazione e di orientamento della superficie captante, è particolarmente importante scegliere la disposizione ottimale dei moduli fotovoltaici. Sulla base delle considerazioni effettuate relativamente al carico e alla disponibilità di radiazione, si può eseguire il dimensionamento del generatore fotovoltaico. Visto che si possono verificare sporadicamente condizioni meteorologiche particolarmente rigide, conviene eseguire il dimensionamento in relazione alla situazione più sfavorevole. Il generatore viene dimensionato in modo che l’energia prodotta giornalmente e quella consumata dal carico si equivalgano, oppure in modo che la prima ecceda leggermente la seconda (allo scopo di godere di un certo margine di sicurezza). Il sistema di accumulo viene progettato in modo da garantire l’approvvigionamento di energia per un certo numero di giorni, nell’ipotesi che, a causa del maltempo, i moduli non riescano a produrre l’energia elettrica necessaria a compensare il consumo.

Valutazioni ambientali

Anche se il funzionamento degli impianti non comporta l’immissione nell’atmosfera di sostanze inquinanti, né la produzione di rumore, in realtà non è del tutto esatto asserire che l’energia che se ne ricava sia completamente priva di impatto ambientale. Non va trascurata la produzione di gas a effetto serra, causata dalla lavorazione del silicio e degli altri semiconduttori impiegati. A ogni modo gli effetti nocivi risultano comunque limitati e per i semiconduttori attualmente in uso in impianti garantiti per durare almeno 25 anni, si può individuare un valore medio intorno ai 0,04 kg CO2/kWh, destinato a ridursi significamente nei prossimi anni. 


Legenda


radiazione elettromagnetica: trasmissione di energia attraverso un mezzo in cui i campi elettrici e magnetici si propagano sotto forma di onde
lunghezza d’onda: distanza tra due creste o fra due ventri di una funzione periodica
fluido termovettore: fluido utilizzato per il trasporto del calore da un centro di produzione fino alle apparecchiature di utilizzazione
fluido basso-bollente: liquido la cui temperatura di ebollizione (normalmente riferita alla P di 1 atm) è più bassa rispetto a quella dell’acqua
regolatore di carica: è uno strumento che permette di modificare la portata della corrente e della tensione applicate ad una determinato apparecchio elettrico
inverter: trasforma la corrente continua, prodotta dai pannelli solari, in corrente alternata
regione di carica spaziale: è uno spazio isolante all'interno di un semiconduttore drogato

Fonti

Dispense di “Risparmio Energetico in Edilizia”, W. Grassi.
https://www.sorgenia.it/guida-energia/energia-solare 
https://solartribune.com/history-of-photovoltaics/ 
https://vgs.gruppostg.com/it/news/energy-blog/87-radiazione-solare-irraggiamento.html 
Dispense e Appunti di “Energie Rinnovabili”, A. Franco.
“Il fotovoltaico per tutti”, F. Groppi.
“Fotovoltaico in architettura”, N. Aste.
“Progettazione di impianti fotovoltaici”, L. M. Maccioni, G. Benvenuti. 
“Progettare tetti e coperture”, A. Perago.
IEA Reports - Renewables 2021

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