Principi essenziali di funzionamento e dimensionamento di un impianto fotovoltaico.

Il solare fotovoltaico, da distinguersi dal solare termico utilizzato per la produzione di acqua calda, è dedicato alla sola produzione di energia elettrica sfruttando il cosiddetto “effetto fotovoltaico” dove una parte dello spettro solare stimolando gli elettroni del silicio crea carica elettrica.

Un impianto fotovoltaico si distingue in impianto di tipo “stand-alone” o “isolato” oppure in tipo “grid-connected” o “connesso alla rete”. I due impianti generalmente non possono coesistere per alimentare gli stessi apparati elettronici, attrezzature e macchinari (di seguito “carichi”), ma possono coesistere su due circuiti differenti, ad esempio utilizzare l’impianto isolato per l’illuminazione esterna del capannone o immobile in genere, e un impianto connesso alla rete per alimentare le attrezzature industriali, impianti di condizionamento o aspirazione, ecc.

I carichi elettrici per il loro funzionamento prelevano l’energia necessaria dalle batterie o dalla rete. Il collegamento generatore fotovoltaico - carichi elettrici generalmente non è mai diretto.

Aspetto fondamentale della realizzazione di un impianto fotovoltaico è il suo corretto dimensionamento. Approfondendo l’argomento sugli impianti “grid-connected” il requisito principale del suo dimensionamento è il consumo annuo dell’utenza tenendo conto anche delle prospettive di incremento dell’esigenza energetica negli anni successivi.
Se una utenza dispone di una potenza contrattuale da 20 kWp, ciò non interagisce sul dimensionamento ottimale di un impianto ma costituisce solamente la dimensione massima del generatore fotovoltaico di cui una utenza può disporre. Dimensione massima non coincide con dimensione ottimale che invece è legata:

1. al consumo annuo dell’utenza,
2. alla superficie disponibile,
3. alla esposizione o orientamento della superficie stessa rispetto al Sud,
4. all’eventuale aree di ombreggiamento della superficie,
5. al budget disponibile da investire.

Un impianto fotovoltaico da 20 kWp realizzato con tecnologia cristallina(1), struttura fissa(2) e posizionato alla latitudine del Roma è in grado di produrre diversamente in funzione dell’orientamento e della inclinazione dei pannelli o “Tilt”(3).

Tabella: Produzione media annua in kWh/anno di impianto da 20kWp sito in Roma realizzato in moduli cristallino, struttura fissa, con perdita di sistema del 25%.

Se l’utenza in questione dispone di potenza contrattuale da 20 kWp, se l’orientamento della superficie è rivolta a Est (oppure Ovest), se i pannelli vengono posizionati con inclinazione di 10° ed il consumo annuo risulta essere di 23.500 kWh/anno, può ottenere un dimensionamento ottimale proprio con un impianto da 20 kWp. In questo caso la dimensione ottimale coincide con la dimensione massima installabile. Altrimenti la dimensione ottimale, a fronte di un consumo sempre di 23.500 kWh/anno, potrebbe essere un impianto di dimensione inferiore ai 20 kWp; ad esempio un impianto da 17,4 kWp orientato a Sud e con Tilt di 30° può produrre circa 23.572 kWp. Questo comporta un numero inferiore di pannelli, una struttura di supporto più piccola, un apparato di conversione o “inverter” di potenza inferiore, insomma un investimento di importo inferiore.
Si deve comunque sempre considerare che la produzione di un impianto è soggetto a logorio temporale, tale per cui deve essere sempre valutata una perdita di produttività di poco meno dell’ 1% annuo.

I maggiori produttori di pannelli fotovoltaici ad oggi oltre ad offrire garanzie di prodotto dai 2 ai 5 anni, offrono anche una garanzia di prestazione mediamente dell’90% al 10° anno e dell’80% al 25° anno.

I componenti essenziali di un impianto fotovoltaico “grid-connected” sono i pannelli o moduli fotovoltaici, le strutture di sostegno dei pannelli, i quadri di parallelo stringa, inverter o gruppo di conversione da corrente continua a corrente alternata, contatore di rilevamento della produzione.

Come viene gestito il rapporto con il gestore di rete?.

Nel caso di impianti connessi alla rete, i rapporti con il gestore della rete possono essere gestiti sia mediante compensazione tra quanto immesso in rete (produzione al netto dell'autoconsumo) e quanto prelevato oppure mediante un semplice rapporto di compravendita dell'energia prodotta e quella prelevata.
La compensazione, nel primo caso, agisce sulla parte della bolletta elettrica relativa alla computazione dei consumi. Le spese fisse e le tasse permangono in bolletta perché legate alla potenza contrattuale accordata con il gestore e al consumo effettivamente prelevato.

Se certe condizioni non consentono al generatore fotovoltaico di produrre energia elettrica (tempo nuvoloso o orario notturno), ciò non produce effetti sul funzionamento delle attrezzature e macchinari, perché, come già accennato, il loro funzionamento è garantito dall’energia erogata dal gestore di rete ed i carichi non sono collegati direttamente al generatore fotovoltaico.

In caso di black-out della rete (creato dal gestore per attività di manutenzione o per problemi tecnici), l’impianto interrompe la sua erogazione dell’energia alla rete e le attrezzature e macchinari che assorbono energia dalla rete cessano la loro attività. Le ragioni di ciò risiedono nelle caratteristiche tecniche dell’impianto tale per cui il black-out provoca una interruzione di funzionamento dell’inverter che non percependo più i segnali derivanti dalla rete, come ad esempio la frequenza di rete (50 Hz), non effettua alcuna attività di conversione AC/DC.
Trattasi comunque di una misura di sicurezza richiesta dal gestore della rete per salvaguardare la propria rete e, ad esempio, i tecnici che operano sulla linea.
Solo dei gruppi di continuità possono garantire la continuità della attività, ma questo aspetto prescinde dalla esistenza o meno di un impianto fotovoltaico.
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Funzionalità

Il sole riversa ogni anno sul nostro pianeta una quantità di energia 15.000 volte superiore ai consumi attuali dell’umanità. Questa immensa potenzialità a oggi è sostanzialmente inutilizzata.

La possibilità di trasformare l’energia solare in energia elettrica fu scoperta nella prima metà dell’800. Nei primi anni del ‘900, Albert Einstein descrisse le leggi fisiche del fenomeno, inquadrandolo in una rigorosa struttura matematica. Solo dopo la seconda guerra mondiale, grazie allo sviluppo dei semiconduttori, furono realizzati in modo sistematico generatori fotovoltaici, costituiti da una pluralità di celle al silicio, incapsulate in pannelli di cristallo, allo scopo di creare moduli tra loro collegabili elettricamente.

Negli anni 80 del secolo scorso si passò quindi all’industrializzazione dei processi produttivi dei moduli stessi. In questo modo si determinò una forte riduzione dei costi, tale da far nascere l’attuale mercato del solare elettrico. Oggi la sua velocità cresce di oltre il 40% all’anno.

I moduli, connessi tra loro, generano una corrente continua mutevole coi capricci del tempo, come mutevole è il flusso della luce che il sole riversa a terra.

Lo sfruttamento di questa energia è dunque legato alla capacità tecnica di convertirla in energia elettrica monofase o trifase, coerente per tensione e frequenza agli standard normalmente utilizzati dai sistemi di utenza. E ciò con il massimo rendimento possibile.

La macchina che consente questa conversione è l’inverter solare. Esso rappresenta l’elemento di collegamento tecnologicamente più complesso tra i moduli solari e la rete elettrica di utilizzo, richiedendo pertanto una progettazione mirata a questo specifico impiego e consolidata da numerose esperienze applicative.

Anche per l'inverter vige la distinzione definita per il generatore fotovoltaico: inverter "grid-connected" e inverter "stand-alone".

Nell'ambito degli inverter "grid connected" possiamo ulteriormente dintinguere gli inverter in "monofase" e "trifase". Gli inverter "monofase" vengono applicati a generatori fotovoltaici di tipo residenziale di piccola taglia (fino a 6kWp), gli inverter "trifase" trova la sua applicazione ideale per i generatori fotovoltaici a supporto di consumi di tipo industriale (superiori a 6kWp).