01-impianti-fotovoltaici by biesse solution

LE FONTI DELL’ENERGIA ELETTRICA A seconda della fonte utilizzata per produrre l’energia elettrica abbiamo la seguente classificazione: •Termica: si ottiene bruciando combustibili solidi, liquidi e gassosi •Nucleare: Nucleare: si dalla trasformazione dei nuclei di alcuni atomi si dalla trasformazione dei nuclei di alcuni atomi •Idrica: Si ottiene dalla caduta di grandi quantità di acqua. •Geotermica: Si ottiene sfruttando acqua calda e vapore presente nel sottosuolo. •Rinnovabili: per loro natura si rigenerano almeno alla stessa velocità con cui vengono consumate velocità con cui vengono consumate

IL SOLE FONTE DI ENERGIA PULITA IlIl Sole è la nostra stella, si trova al centro del nostro sistema da 4,55 Sole è la nostra stella si trova al centro del nostro sistema da 4 55 miliardi di anni ed emana da sempre luce e calore. La sua distanza dalla terra è di circa 149,6 milioni di Km. Al suo interno avvengono dei processi di fusione nucleare in cui l’idrogeno si trasforma in Elio. Due nuclei atomici si fondono per formare un nuovo nucleo con una massa minore un nuovo nucleo con una massa minore rispetto a quella dei due atomi che l’hanno formato, la massa in più, chiamata l hanno formato, la massa in più, chiamata energia libera, viene spinta verso l’esterno della fotosfera del sole, fuoriuscendone con una potenza di 63.000 KW/m². Questa radiazione raggiunge la terra con una potenza di 1 365 KW/m² potenza di 1.365 KW/m².

CHE COS’E’ UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO? IMPIANTO FOTOVOLTAICO Un “impianto fotovoltaico” o “sistema solare fotovoltaico”:: è un impianto di produzione di energia fotovoltaico elettrica mediante conversione diretta della radiazione solare, tramite ll'effetto effetto fotovoltaico; esso è composto principalmente da un insieme di moduli fotovoltaici piani, uno o più gruppi di conversione (inverter), una struttura di sostegno e altri componenti elettrici minori;

CHE COS’E’ UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO? Un impianto fotovoltaico quindi è un impianto che permette di U i i t f t lt i i di è i i t h tt di produrre energia, trasformando l’energia solare incidente sulla superficie terrestre in energia elettrica superficie terrestre in energia elettrica. Possiamo suddividere un impianto fotovoltaico in quattro principali componenti. Esatto. Quattro principali componenti. •Generatore fotovoltaico Si t di C i •Sistema di Conversione •Linee elettrica e sistemi di protezione •Struttura Struttura di sostegno di sostegno

I COMPONENTI DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO M d li F t Moduli Fotovoltaici lt i i MODULI

STRUTTURE DI SOSTEGNO

INVERTER

I COMPONENTI DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO Moduli Fotovoltaici Moduli Fotovoltaici Sono l’elemento principale dell’impianto fotovoltaico e gravano per p circa il 60% sul costo di tutto l’impianto. I moduli fotovoltaici permettono la conversione dell’irradiazione solare in energia elettrica.

I COMPONENTI DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO Sistema di conversione o Inverter Sistema di conversione o Inverter L’inverter è il dispositivo che permette di “adeguare” la corrente continua prodotta dai moduli fotovoltaici alle caratteristiche della rete e delle apparecchiature elettriche che funzionano a corrente alternata. P Permettono inoltre la protezione dell’impianto ( ad es. spegnendosi tt i lt l t i d ll’i i t ( d d i in caso di malfunzionamenti o guasti dell’impianto stesso). Incidono per circa il 10% sul costo dell’impianto. per circa il 10% sul costo dell impianto.

I COMPONENTI DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO Linee elettrica e sistemi di protezione Linee elettrica e sistemi di protezione Sono tutti quei sistemi che permettono sia il “trasporto ” q p p dell’energia, sia garantiscono la protezione dell’impianto e delle persone, sia la contabilizzazione dell’energia elettrica.

I COMPONENTI DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO Strutture di Sostegno Strutture di Sostegno Sono le strutture che permettono di sostenere i moduli dandogli inclinazione e orientamento ancorandoli sulla superficie di installazione. Sono realizzate in vari materiali, i più utilizzati sono l’alluminio e l’ i i i t i id l’acciaio zincato e incidono per l’8% sul costo dell’impianto. l’8% l t d ll’i i t

I COMPONENTI DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO Installazione dell’impianto Installazione dell impianto L’installazione dell’impianto fotovoltaico deve essere effettuata da personale qualificato e formato; personale che rispetti le norme sulla sicurezza previste dalla legge ( visto che spesso il montaggio avviene ad altezze molto elevate e in situazioni pericolose). L La manodopera incide per circa il 10% sul costo totale dell’impianto. d i id i il 10% l t t t l d ll’i i t

I COMPONENTI DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO Burocrazia Capiremo durante il corso che gli impianti fotovoltaici godono di particolari “incentivi”. Ciò si traduce in una grossa mole di pratiche ( stimate, nella peggiore delle ipotesi, in un numero pari a circa 70 pratiche ) che in genere viene svolta dal progettista dell’impianto stesso La progettazione incide per il 5% sul costo dell’impianto. stesso. dell’impianto

ALTRI COMPONENTI DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO Sistema di Controllo Sistema di Controllo Il sistema di controllo permette di monitorare il funzionamento di tutto l’impianto fotovoltaico. Generalmente è collegato all’inverter e permette di all inverter e permette di inviare i dati del monitoraggio ad una stazione remota o su internet.

APPLICAZIONI DEL FOTOVOLTAICO Il fotovoltaico ha un potenziale illimitato e le sue applicazioni sono tantissime. Inizialmente il fotovoltaico era destinato all’industria spaziale e ad applicazioni semplici come alimentare le calcolatrici spaziale e ad applicazioni semplici come alimentare le calcolatrici, oggi le applicazioni spaziano nei settori più svariati. In base alla potenza abbiamo: potenza abbiamo: Da 0 a 40 Watt: calcolatrici, giocattoli, carica batterie portatili, ecc.. Da 60 a 200 Watt: Sistemi di illuminazione, caricabatterie per computer, segnali stradali, ecc.. Da 500 a 1.000 Watt: Sistemi di pompaggio, sistemi per edifici isolati Da 1 KW a 10 KW: Edifici connessi alla rete impianti stand alone Da 1 KW a 10 KW: Edifici connessi alla rete, impianti stand alone Da 10 KW a 100 KW: Industria, Sistemi medi connessi alla rete Fino a 1.000 KW: Grandi sistemi connessi alla rete, centrali elettriche o a 000 ,

CLASSIFICAZIONE SISTEMI FOTOVOLTAICI Gli impianti fotovoltaici vengono classificati a seconda che siano Gli impianti fotovoltaici vengono classificati a seconda che siano connessi o meno della rete di distribuzione dell’energia elettrica : •Impianti fotovoltaici stand alone p Tali impianti non sono connessi alla rete elettrica nazionale. In questo caso l’energia elettrica viene in parte consumata dall’utente e in parte conservata in apposite batterie ( al fine di poterla utilizzare in un periodo differente rispetto alla produzione). •Impianti fotovoltaici grid connected Tali impianti invece sono connessi alla rete elettrica nazionale. In p questo caso l’energia non utilizzata dall’utente viene immessa nella rete. Naturalmente possiamo anche prelevare dalla rete tutta l’ l’energia che ci necessita. h

IL SISTEMA INTERNAZIONALE (S.I.)

IlIl sistema sistema internazionale di misura prevede 7 p grandezze fondamentali e ne definisce le unità di misura:

S.I. – UNITA’ DERIVATE

IL SISTEMA INTERNAZIONALE (S.I.) L' Ampere è la corrente che, se mantenuta in due conduttori paralleli indefinitamente lunghi e di sezione trascurabile paralleli indefinitamente lunghi e di sezione trascurabile posti a distanza di un metro nel vuoto, determina tra questi due conduttori una forza uguale a 2x10‐7 newton per metro g p di lunghezza.

Il nome Ampere deriva dal nome del fisico e matematico francese André‐Marie Ampère (Lione 1775 ‐ Marsiglia 1836). Professore di matematica all Ampère (Lione 1775 Marsiglia 1836) Professore di matematica all'Ecole Ecole Polytechnique e di fisica al Collège de France. Ha dato un contributo fondamentale alla comprensione e sistemazione teorica dell'elettrodinamica.

IL SISTEMA INTERNAZIONALE (S.I.) Il Joule nel S.I. è utilizzato per quantificare: energia, lavoro , calore . Il Joule è definito come il lavoro compiuto dalla forza di 1 N quando il suo punto di applicazione si sposta di 1 m nella direzione della forza. 1J 1Nm 1J = 1Nm Il Watt nel S.I. è utilizzato per quantificare: potenza, nel S I è utilizzato per quantificare: potenza Il Watt flusso radiante . Il Watt è definito come potenza che dà origine alla produzione (o dissipazione) di energia di 1J in 1 s 1W = 1 J/s

IL SISTEMA INTERNAZIONALE (S.I.) Il Volt nel S.I. è utilizzato per quantificare: potenziale elettrico e f.e.m . Il Volt è definito come la differenza di potenziale esistente tra due punti di un conduttore che, percorso dalla corrente costante di 1 A, dissipa la potenza di 1 W senza che nel conduttore avvengano altri fenomeni 1 W, senza che nel conduttore avvengano altri fenomeni energetici oltre all’effetto Joule 1V 1W/A 1V=1W/A

UNITA’ DI MISURA L Le unità di misura utilizzate nel campo fotovoltaico sono le seguenti: ità di i tili t l f t lt i l ti Ampere A: intensità corrente Ampere A: intensità corrente Volt V: tensione ( differenza di potenziale) Watt W: potenza elettrica i multipli del Watt sono: Chilo watt kW = 1.000 W M tt MW = 1.000 KW = 1.000.000 W 1 000 KW 1 000 000 W Megawatt MW Giga watt GW = 1.000 MW = 1.000.000 KW = 1.000.000.000 W

UNITA’ DI MISURA Watt ora Wh: misura l’energia intesa come lavoro elettrico, i cui W tt Wh i l’ i i t l l tt i i i multipli sono: Chilowattora kWh = 1.000 Wh Chilowattora kWh = 1 000 Wh Megawattora MWh = 1.000 KWh = 1.000.000 Wh Watt W: intesa come potenza della radiazione solare Watt al metro quadro W/m²: misura la potenza dell’irraggiamento solare W tt l t d W/ ² i l di i l b l Watt al metro quadro annuo W/m² x a: misura la radiazione globale annua.

kW ( kilowatt ), kWh (kilowattora), kWp (kilowatt di picco) Abbiamo visto come nel sistema di misura internazionale la potenza venga misurata in W (watt) e nei suoi multipli kilowatt potenza venga misurata in W (watt) e nei suoi multipli kilowatt kW, megavatt MW e così via. Quello che mi preme sottolineare è che con il watt misuriamo la potenza. Differente cosa è l'energia! L'unità di misura che utilizzaremo per energia, che non fa parte del Si Sistema internazionale di misura, i i l di i è il kWh (kilowattora). Per è il kWh (kil ) P definizione 1 kilowattora corrisponde alla potenza di 1000 watt esercitata per un'ora esercitata per un ora.

Per meglio capire la differenza facciamo un esempio. Supponiamo di utilizzare un elettrodomestico molto comune, un phon. Supponiamo che tale phon abbia una potenza di 800 W . Supponiamo di utilizzare tale phon per 12 minuti. Quanta energia avremo consumato? Considerando che 12 minuti corrispondono a 0.2 ore, l'energia consumata sarà pari a 800W x 0 2 h = 160 Wh ovvero 0,16 kWh consumata sarà pari a 800W x 0,2 h = 160 Wh ovvero 0 16 kWh Riassumendo quindi la potenza viene misurata in kilowatt [kW] , mentre l'energia viene misurata in kilowattora[kWh].

Nelle abitazioni solitamente vengono installati contatori con 3 kW di potenza, cosa significa? di potenza, cosa significa? Il contatore limita la potenza che noi possiamo utilizzare. Ciò significa che noi potremmo utilizzare nella nostra abitazione contemporaneamente elettrodomestici, o qualsiasi altra utenza, con una potenza complessiva pari a 3 kW. t l i i 3 kW Se tenessimo accesi tutti questi elettrodomestici per 1 ora avremmo consumato 3 kW x 1 h = 3 kWh. Ed è proprio tale energia che dobbiamo remunerare al gestore elettrico.

I consumi elettrici corrispondono quindi alla energia elettrica utilizzata ed in nessun caso alla potenza impegnata elettrica utilizzata ed in nessun caso alla potenza impegnata.

La Bolletta elettrica ci fornisce informazioni utili al nostro progetto! informazioni utili al nostro progetto! Ci indica la tensione di fornitura e la metodologia di consegna : monofase o trifase. Ci indica la potenza elettrica impegnata dall’utente. Ovvero la massima potenza elettrica fruibile. elettrica fruibile. Abbiamo detto che l'energia elettrica viene misurata in kWh e di conseguenza viene misurata in kWh e di conseguenza anche i consumi di energia elettrica vengono misurati in kWh.

Un concetto molto importante, sul quale torneremo più volte, è questo:

La scelta della potenza dell’impianto fotovoltaico non è in nessun caso correlata alla potenza del contatore installato nessun caso correlata alla potenza del contatore installato. La potenza dell’impianto fotovoltaico sarà funzione esclusivamente dei consumi elettrici dell’utenza esclusivamente dei consumi elettrici dell’utenza

La potenza di un modulo fotovoltaico viene misurata in Wp (watt di picco) Il watt di picco è un “particolare di picco) . Il watt di picco è un particolare tipo di watt tipo di watt”, infatti infatti misura si la potenza ma in condizioni prestabilite dalla normativa IEC 904‐3 (1989). irraggiamento di 1000 W/m2 temperatura della cella di 25 °C posizione del sole a 1,5 AM posizione del sole a 1 5 AM

Questa “unità di misura” nasce da una esigenza. Le prestazioni di moduli diversi possono essere paragonate solo a parità di moduli diversi possono essere paragonate solo a parità di condizioni ambientali e di irraggiamento solare(STC: Standard Test Conditions )). Ciò implica che quando nel campo del fotovoltaico quando parlo Ciò implica che quando nel campo del fotovoltaico quando parlo di potenza mi esprimo sempre in termini di Wp. Quindi ad esempio un modulo fotovoltaico avrà una potenza di x Watt di picco (Wp) così come un impianto fotovoltaico avrà una potenza di y Wp. t di W

DATI FORNITI DAL PRODUTTORE DI MODULI

IlIl Sole presenta una temperatura Sole presenta una temperatura di circa 5 000 000 °C sulla superficie e, come tutti i corpi caldi, emette una radiazione elettromagnetica. Tale radiazione solare è una forma di energia ceduta dal sole forma di energia ceduta dal sole alla terra. Grazie ad essa si manifestano tutti i fenomeni atmosferici e più in generale i processi vitali su tutta la terra.

La radiazione solare, che ricordiamo essere una radiazione elettromagnetica, è distribuita su un ampio spettro di emissione. Lo spettro di emissione del Sole presenta il tipico andamento a campana osservabile in figura.

Giunta in atmosfera tale radiazione solare viene in parte riflessa in parte assorbita è in parte diffusa. p p

Se noi consideriamo una superficie di riferimento questa sarà soggetta a tre “tipi” di radiazione solare: Diretta, Diffusa, Riflessa. tt t “ti i” di di i l Di tt Diff Rifl DIRETTA Definita come la radiazione che giunge al suolo direttamente dal disco solare. DIFFUSA Definita come la radiazione che giunge al suolo dopo essere stata riflessa e in parte assorbita dalle molecole sospese in assorbita dalle molecole sospese in atmosfera. RIFLESSA O ALBEDO RIFLESSA O ALBEDO Definita come la radiazione che viene riflessa da zone limitrofe alla superficie in oggetto. oggetto

Se noi consideriamo una superficie di riferimento questa sarà soggetta a tre “tipi” di radiazione solare: Diretta, Diffusa, Riflessa. tt t “ti i” di di i l Di tt Diff Rifl

La radiazione diretta incide sulla superficie con un angolo ben preciso. La radiazione diffusa incide sulla superficie con angoli diversi. La radiazione riflessa è

LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA La tecnologia fotovoltaica è quell'insieme di strumenti ed apparecchiature tecniche che ci permettono di trasformare i raggi del sole in energia elettrica. L’effetto fotovoltaico consiste nella conversione della radiazione solare in energia elettrica

L’energia luminosa genera una differenza di potenziale che può essere usata per generare corrente elettrica h ò t t l tt i

A seguito dell’effetto fotovoltaico un semiconduttore diventa conduttore. Per generare effettivamente una corrente elettrica però è necessaria una differenza di potenziale nel materiale stesso. Questa differenza di potenziale viene ottenuta introducendo nel semiconduttore piccole quantità di altro materiale, in un processo che viene definito “drogaggio”. drogaggio . In teoria quindi potremmo utilizzare qualsiasi materiale semiconduttore. Nella pratica industriale, industriale di produzione delle celle fotovoltaiche, fotovoltaiche vengono utilizzati i semiconduttori comunemente impiegati per la componentistica elettronica. Tra questi regna sovrano ed incontrastato il Silicio.

LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA Il drogaggio dei semiconduttori ld d d Il processo di drogaggio consiste nell’inserire nel materiale p g gg puro delle impurezze, ovvero degli atomi di altre sostanze che alterano l’equilibrio elettrico del semiconduttore stesso. Il drogaggio mediante sostanze pentavalenti ( Regione di tipo N ) In questo caso si iniettano delle sostanze pentavalenti, in genere viene utilizzato il fosforo, all' interno di un semiconduttore (tetravalente). Queste sostanze si legano al semiconduttore mediante 4 elettroni, mentre il quinto resta libero e pertanto disponibile alla conduzione. Il semiconduttore drogato in questo modo prende il nome di tipo N in quanto al suo interno sono disponibili delle cariche negative introdotte mediante il drogante disponibili alla conduzione. g p

Il drogaggio mediante sostanze trivalenti (Regione P ) In questo caso all' interno del semiconduttore viene iniettata una sostanza trivalente, ad esempio il Boro ; essa si lega al semiconduttore solo con tre legami, , p ; g g , lasciandone libero uno, parleremo quindi di drogaggio di tipo P. Questo legame libero (lacuna) si rende disponibile alla conduzione Il processo di drogaggio non altera le caratteristiche fisiche del materiale.

Avremo quindi una regione di tipo P che avrà un eccesso di lacune ed una regione di tipo N che avrà un eccesso di elettroni ed una regione di tipo N che avrà un eccesso di elettroni.

regione di tipo P

regione di tipo N

Quando l’energia solare incide sulla giunzione P‐N... Quando la luce solare incide sulla giunzione P‐N si creano delle ulteriori coppie elettrone‐lacuna. Questo perché l’energia l l hé l’ posseduta dai fotoni viene trasmessa agli elettroni del semiconduttore. Grazie a tale energia, l’elettrone passa dalla banda di i l’ l tt d ll b d di valenza a quella di conduzione. Si è quindi creata una coppia elettrone lacuna. Gli elettroni al contrario di quanto visto Gli elettroni, al contrario di quanto visto prima (assenza di luce solare), passano dalla regione a potenziale maggiore P, alla regione a potenziale minore N Si crea regione a potenziale minore N. Si crea quindi un flusso di elettroni e, collegando un carico esterno, della corrente elettrica.

Come abbiamo visto il materiale più utilizzato per produrre le celle più utilizzato per produrre le celle fotovoltaiche è il Silicio ; fuso in lingotti, sezionato e infine tagliato in wafer. LLe due facce del wafer vengono d f d l f quindi “drogate” con atomi di fosforo e atomi di boro, ottenendo fosforo e atomi di boro, ottenendo uno strato positivo P e uno negativo N. Avremo a valle di tutto una giunzione P‐N.

LE CELLE FOTOVOLTAICHE Quindi in sostanza una cella fotovoltaica è Q i di i ll f l i è una giunzione P‐N . I fotoni presenti nella radiazione luminosa permettono la separazione degli elettroni negli atomi di silicio, formando le cosiddette lacune, che hanno carica positiva. L Le coppie elettrone‐lacuna si spostano nel i l tt l i t l campo elettrico della giunzione generando corrente elettrica in un circuito esterno corrente elettrica in un circuito esterno. La cella fotovoltaica viene anche chiamate batteria solare o foto‐pila.

CARATTERISTICA CORRENTE‐TENSIONE Abbiamo capito perfettamente che una cella fotovoltaica genera corrente. Si, ma come? Quali sono le ? Q li l caratteristiche elettriche di tale corrente? La curva caratteristica corrente‐tensione ci dà la visione grafica del la visione grafica del come viene generata la corrente elettrica.

CARATTERISTICA CORRENTE‐TENSIONE La corrente di corto circuito ISC è un valore caratteristico della cella fotovoltaica; tale valore aumenta all’aumentare dell’area di giunzione. Nelle celle al Silicio ISC≈

35 mA/cm2

La tensione a vuoto VOC è una caratteristica del materiale semiconduttore. Per l le celle al Silicio abbiamo valori caratteristici di 0,5‐0,6 V ll l Sili i bbi l i tt i ti i di 0 5 0 6 V

CARATTERISTICA CORRENTE‐TENSIONE Per una data cella fotovoltaica il valore della corrente di corto P d t ll f t lt i il l d ll t di t circuito varia al variare dell’irraggiamento solare

Per una data cella fotovoltaica il valore della tensione a vuoto varia al variare della temperatura

DAL SILICIO ALLE CELLE FOTOVOLTAICHE Possiamo distinguere tra due grandi categorie di celle fotovoltaiche , e P i di ti t d di t i di ll f t lt i h quindi di moduli fotovoltaici. Una prima grande categoria è rappresentata dalle celle cristalline, realizzate in silicio policristallino e monocristallino. Altra categoria meno diffusa ma come vedremo molto interessante è Altra categoria, meno diffusa ma come vedremo molto interessante, è rappresentata dalle celle fotovoltaiche a film sottile o di seconda generazione. Fanno parte di questa categoria le celle in: silicio amorfo, CIS ( Copper Indium Diselinide), CIGS ( Copper Indium Gallium Diselinide), CdTe ( Telloruro di Cadmio). Oltre il 90% dei moduli fotovoltaici commercializzati è del tipo cristallino.

CELLE FOTOVOLTAICHE DI SILICIO CRISTALLINO Nel silicio cristallino gli atomi sono disposti in modo regolare e sono N l ili i i lli li i di ii d l legati in modo rigido. Utilizzando tipi di silicio differenti e variando la lavorazione si Utilizzando tipi di silicio differenti e variando la lavorazione si ottengono due tipi di celle cristalline:

Celle Policristalline: Hanno un colore blu cangiante e una forma quadra dovuta al processo produttivo che vede il silicio policristallino quadra dovuta al processo produttivo che vede il silicio policristallino versato in blocchi di forma quadra, una volta raffreddati i blocchi vengono tagliati in lingotti e sezionati in Wafer.

CELLE FOTOVOLTAICHE DI SILICIO CRISTALLINO

Celle Monocristalline: Hanno invece un colore scuro e una forma esagonale o circolare; il processo produttivo è più complesso si fonde il silicio monocristallino in lingotti cilindrici ai quali viene data l f l d ll l i it li iW f ttili la forma esagonale dalla quale si ritagliano i Wafer sottili. Le celle Monocristalline hanno una efficienza migliore 24% contro Le celle Monocristalline hanno una efficienza migliore 24% contro 18% di quelle Policristalline.

CELLE DI SILICIO AMORFO (FILM SOTTILE) Nel Silicio Amorfo gli atomi sono legati tra loro in modo disordinato. N l Sili i A f li i l i l i d di di Con il silicio Amorfo non si può parlare di celle fotovoltaiche in quanto il silicio viene disposto in strati sottili su superfici più grandi delle il silicio viene disposto in strati sottili su superfici più grandi delle normali celle. Per produrre questo tipo di moduli P d i di d li il silicio viene vaporizzato e depositato su lastre di vetro o depositato su lastre di vetro o lamine di altro materiale. Sono sottilissime hanno uno spessore di solo 2µ per questo si chiamano anche Film Sottile.

FOTOVOLTAICO STATO DELL’ARTE Celle al Silicio Amorfo (a‐Si) Celle al Silicio Amorfo (a Si)

Dopo il silicio cristallino, il silicio amorfo è il materiale più utilizzato nella produzione di moduli fotovoltaici. L’ ffi i L’efficienza di questo tipo di moduli è ancora molto bassa: dal 4 al 7 di i di d li è l b d l4 l7 %. Per aumentare l’efficienza si utilizzano celle combinate di silicio amorfo con celle di silicio cristallino a doppia giunzione che portano amorfo con celle di silicio cristallino a doppia giunzione, che portano l’efficienza a valori tra 8,5 e il 10%. Lo sottolineo adesso e lo vedremo Lo sottolineo adesso , e lo vedremo meglio nella prossima unità, la bassa efficienza di conversione non è sinonimo di bassa qualità e non è direttamente correlata alla produzione dell’impianto fotovoltaico d i d ll’i i t f t lt i

FOTOVOLTAICO STATO DELL’ARTE Celle CIS e CIGS Celle CIS e CIGS Altre celle a film sottili sono quelle a: CIS acronimo di copper indium (di)selenide, ossia “(di)seleniuro (di)seleniuro di rame indio indio” e CIGS acronimo di copper indium gallium (di)selenide, ossia “(di)seleniuro di rame indio gallio”. Poiché il materiale ha un elevato potere di assorbimento della luce solare, è sufficiente una pellicola (film) molto più sottile rispetto ad altri materiali semiconduttori.

Cella di un'unità CIGS. Rosso = Cu, giallo = Se, blu = In/Ga

FOTOVOLTAICO STATO DELL’ARTE Celle CdTe Celle CdTe Le celle al Telloruro di Cadmio CdTe, che è il materiale che viene utilizzato per produrle e da cui prendono anche il nome, sono utilizzato per produrle e da cui prendono anche il nome, sono realizzate con processi semplici e hanno delle ottime prestazioni. Purtroppo il Telloruro di Cadmio è di per se fortemente tossico, tuttavia numerosi studi dimostrano che i moduli CdTe non presentano alcun rischio per la natura umana. Alcune prove hanno dimostrato l’assenza dimostrato l assenza di tossicità anche in caso di incendio del modulo di tossicità anche in caso di incendio del modulo stesso.

FOTOVOLTAICO IN FUTURO... Celle Organiche Celle Organiche Le Celle Organiche utilizzano dei processi di funzionamento simili a quelli utilizzati in natura dalla fotosintesi clorofilliana delle foglie,. quelli utilizzati in natura dalla fotosintesi clorofilliana delle foglie,. Vengono dette anche Dye sensitized DSSC. La parte fotoelettrica è costituita da un pigmento organico, da Ossido di Titanio TiO₂ e da un elettrolita, il pigmento organico assorbe la radiazione solare e gli altri componenti producono elettricità estraendo la carica.

Modulo Fotovoltaico Il modulo fotovoltaico è l’elemento base di un impianto fotovoltaico. Esso è costituito da più celle Esso è costituito da più celle collegate elettricamente e meccanicamente. Più moduli fotovoltaici costituiscono un pannello fotovoltaico. Il pannello fotovoltaico è l’elemento fotovoltaico è l elemento commercializzato.

Come collegare le celle? Più celle collegate formano un Più celle collegate formano un modulo. Più moduli formano un p pannello. Il collegamento, sia delle g , celle tra loro, sia dei moduli, può avvenire secondo due modalità: Collegamento in Serie e Collegamento in Parallelo

Collegamento in Serie

Collegamento in Parallelo

La tensione si somma La corrente rimante invariata

La tensione resta invariata La corrente si somma

Posso collegare solo celle aventi stesse caratteristiche elettriche g

Come collegare le celle? SSe collego le celle in serie la tensione totale sarà la somma delle ll l ll i i l i l àl d ll tensioni mentre la corrente resta invariata, ovvero quella della cella. Se collego celle in parallelo avremo come corrente la somma delle Se collego celle in parallelo avremo come corrente la somma delle correnti e come tensione la tensione della singola cella. Combinando tra loro di blocchi di celle, in serie ed in parallelo, otterremo moduli con differenti caratteristiche di tensione e di corrente. Più moduli, collegati in serie o in parallelo costituiscono un ll pannello.

Come collegare i pannelli fotovoltaici? Cosi come visto per le celle, anche i pannelli fotovoltaici possono essere collegati in serie Cosi come visto per le celle anche i pannelli fotovoltaici possono essere collegati in serie ed in parallelo. Posso collegare solo pannelli aventi le stesse caratteristiche elettriche (ne discuteremo ampiamente quando vedremo il dimensionamento dell’impianto)

Collegamento in Serie Collegamento in Serie

La tensione si somma La corrente resta invariata La corrente resta invariata

Collegamento in Parallelo Collegamento in Parallelo

La tensione resta invariata L La corrente si somma t i

Una stringa è un insieme di moduli collegati in serie moduli collegati in serie.

Il generatore fotovoltaico è d h un insieme di stringhe collegate in parallelo

I MODULI FOTOVOLTAICI Le celle vengono collegate tra loro con delle inter‐connessioni Le celle vengono collegate tra loro con delle inter connessioni saldate sulla superficie di ogni cella. Ogni cella viene protetta con due strati di Atilene Acetato Vinilico EVA (Etiline ( Vynil y Acetate) che ) oltre a proteggere le celle evita l’ingiallimento dovuto ai raggi UV.

I MODULI FOTOVOLTAICI La parte superiore del pannello è protetto da una lastra di vetro che La parte superiore del pannello è protetto da una lastra di vetro che protegge dagli agenti atmosferici, trattiene la luce e ha un effetto anti riflessione.

I MODULI FOTOVOLTAICI Le parte inferiore invece è Le parte inferiore invece è protetta da uno strato p plastico isolante per rendere p impossibili penetrazioni di acqua o ossigeno. Tutto viene unito in un processo detto di processo detto di laminazione che permette di p , ottenere un corpo unico, compatto.

I MODULI FOTOVOLTAICI SSui lati vengono poste delle cornici che permettono di collegare il i l ti t d ll i i h tt di ll il modulo ai supporti.

EFFICIENZA DI CONVERSIONE Per ottenere un efficienza del 100% bisogna considerare alle P ffi i d l 100% bi id ll condizioni standard STS il sole allo Zenit, con una irradiazione di 1 000 Watt per m², e un modulo con superficie di 1 m 1.000 Watt per m e un modulo con superficie di 1 m² e una potenza e una potenza di picco di 1.000 Wp. L’efficienza di un modulo quindi determina la superficie in m² necessaria ad ottenere i kWp richiesti.

Ad esempio per avere 1 kWp, considerando che i moduli in silicio Ad esempio per avere 1 kWp considerando che i moduli in silicio cristallino hanno una efficienza tra il 12% e il 16%, occorrono dai 7 agli 8,2 m².

EFFICIENZA DI CONVERSIONE Un modulo più efficiente produce di più? NO! L’efficienza di un modulo fotovoltaico non è in genere correlata ad una elevata producibilità ad una elevata producibilità. Un modulo più efficiente mi permette di avere un impianto, a p p p , partità di potenza di picco, che occupa una superficie inferiore.

EFFICIENZA DI CONVERSIONE Vediamo per le varie tecnologie l’efficienza di conversione e la superficie occupata da 1kWp TECNOLOGIA

Efficienza (%)

Superficie per 1kWp

Cristallina

12 ‐ 16

da 7 a 11 mq

Amorfa

6 ‐ 9

Da 12 a 16 mq

CdTe ‐ CIS

8 ‐ 10

Da 11 a 13 mq

TECNOLOGIA MODULI FOTOVOLTAICI II moduli fotovoltaici si dividono fondamentalmente in due categorie moduli fotovoltaici si dividono fondamentalmente in due categorie fondamentali, a seconda della tecnologia utilizzata per realizzae le celle fotovoltaiche in essi contenute: 1) Moduli a silicio cristallino (c‐Si) • Silicio policristallino • Silicio monocristallino 2) Moduli a Film Sottile ( ) • Silicio Amorfo (a.Si) • Tellururo di Cadmio (CdTe) • Diseleniuro di indio rame (CIS) • Diseleniuro di indio rame gallio (CIGS)

MODULI SILICIO CRISTALLINO IlIl Silicio cristallino, o c‐Si, è attualmente il composto più utilizzato Silicio cristallino o c Si è attualmente il composto più utilizzato nella tecnologia fotovoltaica. Grazie alla sua abbondanza in natura e ad una tecnologia di produzione matura, sviluppata per la g p , pp p produzione del silicio per l’industria dei semiconduttori. Essenzialmente una cella al silicio cristallino consiste di una o più piastre di silicio spessi alcune centinaia di micron (detti wafer) posizionati su un substrato di vetro posizionati su un substrato di vetro. , g p Tra i moduli a silicio cristallino, distinguiamo silicio policristallino e silicio monocristallino.

SILICIO POLICRISTALLINO IlIl Silicio policristallino consiste in una moltitudine di piccoli cristalli Silicio policristallino consiste in una moltitudine di piccoli cristalli di silicio che si formano in uno stampo. Per formare un lingotto, il silicio policristallino viene posto in un g , p p crogiuolo di quarzo puro, con forma di parallelepipedo di base rettangolare. Il blocco formatosi, viene tagliato prima in mattoncini e poi affettato in wafers di 15 cm², che vengono assemblati per formare le celle fotovoltaiche fotovoltaiche. Le celle vengono quindi montate su di un supporto resistente alle p p intemperie e cablate tra loro per formare il modulo fotovoltaico. Il pannello è tipicamente costituito da un sandwich di vetro temperato, acetato di vinile (EVA), celle connesse tra di loro, un secondo strato di vinile, ed una copertura posteriore.

SILICIO MONOCRISTALLINO IlIl silicio monoscristallino silicio monoscristallino (come dice il nome stesso) è costituito da (come dice il nome stesso) è costituito da silicio sotto forma di un singolo cristallo che viene fatto crescere. La struttura interna, completamente omogenea, può essere , p g ,p facilmente riconosciuta grazie alla colorazione esterna omogenea. I lingotti di silicio monocristallino vengono generalmente prodotti con il processo Czochralski (CZ), nel quale un singolo cristallo puro (detto inoculo) viene immerso nel crogiuolo di silicio fuso e quindi (detto inoculo) viene immerso nel crogiuolo di silicio fuso e quindi estratto lentamente, accrescendosi in un singolo cristallo di forma g cilindrica grazie alla installazione di altro silicio attorno all’inoculo stesso.

SILICIO MONOCRISTALLINO IlIl lingotto cilindrico viene quindi tagliato in wafers lingotto cilindrico viene quindi tagliato in wafers di sei o otto pollici di sei o otto pollici che vengono assemblati per formare celle fotovoltaiche circolari o q quadrate. Le celle vengono quindi montate su di un supporto resistente alle intemperie e cablate tra loro per formare il modulo fotovoltaico. Come per i moduli in silicio policristallino il pannello è tipicamente Come per i moduli in silicio policristallino, il pannello è tipicamente costituito da un sandwich di vetro temperato, acetato di vinile (EVA), , celle connesse tra di loro, un secondo strato di acetato di vinile ed una copertura superiore.

SILICIO MONOCRISTALLINO LL’efficienza efficienza tipica di questi moduli attualmente è di circa 14 % ‐ tipica di questi moduli attualmente è di circa 14 % 16 %. 16 %

p p g , p Poichè il processo CZ è più lento e richiede molta energia, il costo per watt dei moduli di silicio monocristallino è di circa 20% maggiore di quello di quello dei moduli in silicio policristallino.

MODULI A FILM SOTTILE La tecnologia film sottile utilizza strati di pochi micron di un La tecnologia film sottile utilizza strati di pochi micron di un materiale assorbente la luce solare depositati su un substrato. Per far ciò si utilizzano processi industriali tipici della manifattura dei p p film, quali lo sputtering, la deposizione ed il printing. Diversamente dal caso del silicio cristallino, dove il substrato deve necessariamente essere di vetro, il modulo a film sottile può utilizzare una moltitudine di substrati, sia rigidi che flessibili, quali il vetro il metallo (acciaio o alluminio) e la plastica vetro, il metallo (acciaio o alluminio) e la plastica. Una volta depositato il materiale sul substrato, occorrono diverse p p p , lavorazioni per ottenere un pannello fotovoltaico. In particolare, occorre definire le celle, creare i contatti e incapsulare la superficie per proteggerla dagli agenti atmosferici.

FILM SOTTILE A differenza del caso dei moduli in silicio cristallino, il cui processo A differenza del caso dei moduli in silicio cristallino il cui processo produttivo è discontinuo e a più fasi, la tecnologia del film sottile p permette la produzione di moduli fotovoltaici in continuo e grande p g velocità.

SILICIO AMORFO Diversamente dal silicio cristallino, il silicio utilizzato per le celle a Diversamente dal silicio cristallino il silicio utilizzato per le celle a silicio amorfo (a‐Si) non ha una forma cristallina definita. I moduli fotovoltaici basati sul a‐Si furono i primi moduli a film sottile p prodotti e commercializzati su larga scala. La ricerca sul fotovoltaico a silicio amorfo è iniziata già nel 1975, quando Sanyo produsse il primo modulo ibrido amorfo e cristallino. Il silicio amorfo può essere ottenuto in strati di spessore inferiore ad 1 micron tramite deposizione da fase gassosa di silano (SiH4), un (SiH4) un 1 micron tramite deposizione da fase gassosa di silano composto del silicio e dell’idrogeno. g p Le celle vengono prodotte utilizzando diverse tecniche di deposizione, a temperature relativamente basse (meno di 300°C) su substrato flessibile o rigido (vetro, acciaio, plastica).

SILICIO AMORFO Tipicamente, le celle a singola giunzione in silicio amorfo hanno Tipicamente le celle a singola giunzione in silicio amorfo hanno efficienza piuttosto bassa (circa 6,5 %). Per questo motivo la tecnologia si è evoluta nel tempo verso la cella a multi giunzione, in g p g , cui strati multipli di materiale fotovoltaico drogato per specifiche bande spettrali vengono depositati su un substrato tra due strati di contatti elettrici, per formare il contatto di fronte e del retro. Uno degli svantaggi principali delle celle a silicio amorfo è la Uno degli svantaggi principali delle celle a silicio amorfo è la tendenza della cella a perdere efficienza dopo la prima esposizione , alla luce solare, un fenomeno noto come effetto Staebler‐Wronski.

SILICIO AMORFO Un importante nuova tecnologia sviluppate per ovviare a questo Un importante nuova tecnologia sviluppate per ovviare a questo problema combina uno strato di silicio amorfo con uno strato di silicio micro cristallino per formare le cosiddette celle microforme p (a‐Si/µSi). Lo strato micro cristallino ha ottime proprietà di assorbimento della radiazione solare e una buona stabilità all’esposizione prolungata. Il risultato è una cella con buona efficienza e allo stesso tempo più Il risultato è una cella con buona efficienza e allo stesso tempo più stabile di quelle a silicio amorfo normali.

TELLOLURO DI CADMIO IlIl Telloluro Telloluro di Cadmio, CdTe di Cadmio CdTe è un alto è un alto materiale il cui comportamento fotovoltaico è noto e ben compreso p da tempo. Parimenti al silicio amorfo, il Telloluro di Cadmio è stato caratterizzato con ricerche risalenti all’inizio degli anni ‘70 ed è il materiale attualmente utilizzato dal materiale attualmente utilizzato dal più grande produttore di pannelli , fotovoltaici a film sottile al mondo, la Find Solar, con base in USA.

TELLOLURO DI CADMIO Le celle al Telloruro di Cadmio vengono Le celle al Telloruro di Cadmio vengono prodotte depositando quattro strati di materiale: •Uno strato di ossido conduttivo trasparente (TCO), utilizzato come contatto elettrico frontale; •Uno strato di Solfuro di Cadmio (CdS) •Uno strato di para Telloruro di Cadmio •Uno strato di para Telloruro di Cadmio (CdTe) •Uno strato di materiale conduttivo, , utilizzato come contatto posteriore.

TELLOLURO DI CADMIO IlIl vetro è l’unico substrato che può t è l’ i bt t h ò essere utilizzato per i moduli a base di CdTe poiché il processo per base di CdTe, poiché il processo per la disposizione del CdTe (noto come Closed Space Sublimation (CSS)) avviene a temperature molto alte. L’efficienza dei moduli commerciali è cresciuta negli anni in maniera stabile ed è attualmente circa 10,4%, con la più alta efficienza raggiunta in laboratorio pari a 15 8% laboratorio pari a 15,8%.

TELLOLURO DI CADMIO

Essendo il Cadmio tossico, i moduli al Telloruro di Cadmio hanno Essendo il Cadmio tossico i moduli al Telloruro di Cadmio hanno suscitato alcune preoccupazioni di carattere tossicologico ed ambientale, fin quando uno studio condotto dal Dipartimento di Energia degli Stati Uniti (DOE) non ha mostrato come il Telloruro di Cadmio sia più stabile del cadmio elementare, e che quindi l’impiego l l di d li f t lt i i d CdT non comporta rischi t i hi su larga scala di moduli fotovoltaici ad CdTe significativi di salute o di inquinamento ambientale grazie a specifici programmi di riciclo dei pannelli fotovoltaici. programmi di riciclo dei pannelli fotovoltaici.

ESEMPIO DI MODULO AL CdTe

COPPER INDIUM (GALLIUM) DISELENIDE (CIS/CIGS) Copper Indium Gallium DiSelenide (CIGS) and Copper (CIGS) and Copper Indium DiDelenide (CIS) sono composti semiconduttori con elevati coefficienti di assorbimento ottico, e danno luogo ad efficienze di , g conversioni più elevate rispetto agli altri materiali impiegati nella tecnologia del film sottile. Le celle CIGS mostrano anche una eccellente stabilità nel tempo. Il materiale CIGS è robusto, non eccessivamente sensibile ai difetti, e può essere depositato su supporti rigidi e flessibili può essere depositato su supporti rigidi e flessibili.

COPPER INDIUM (GALLIUM) DISELENIDE (CIS/CIGS) Soprattutto, le celle CIGS possono potenzialmente essere prodotte potenzialmente essere prodotte con tecnologie manifatturiere di alta velocità, (alcune società hanno dichiarato velocità di produzione pari a 100‐1000 piedi/minuto), il che comporta un minor costo per h t i t wp prodotto.

COPPER INDIUM (GALLIUM) DISELENIDE (CIS/CIGS) Grazie a queste caratteristiche il CIGS è stato indicato come un Grazie a queste caratteristiche il CIGS è stato indicato come un potenziale “game changer” e le società che hanno adottato il CIGS sono state oggetto di considerevole interesse mediatico e sono sotto gg osservazione da parte degli investitori da circa 18 mesi. Ciononostante, gli avanzamenti tecnologici degli ultimi mesi sono stati più lenti del previsto e diverse società hanno dovuto cedere il passo e solo nella seconda metà del 2008 alcuni produttori sono passo e solo nella seconda metà del 2008 alcuni produttori sono riusciti ad avviare una produzione stabile su scala industriale. Al , momento, l’efficienza dei moduli a CIGS è circa 10%.

ESEMPIO DI MODULO CIS

TECNOLOGIA MODULI FOTOVOLTAICI 1) Moduli a silicio cristallino (c‐Si) 1) Moduli a silicio cristallino (c Si) • Silicio policristallino • Silicio monocristallino 2) Moduli a Film Sottile • Silicio Amorfo (a.Si) • Tellururo di Cadmio (CdTe) di indio rame (CIS) • Diseleniuro di indio rame • Diseleniuro di indio rame gallio (CIGS) Oltre il 90% delle installazioni vengono effettuate con tecnologia l il d ll i ll i i ff l i cristallina. Tale tecnologia è di facile reperibilità, di facile progettazione e di semplice installazione! progettazione e di semplice installazione!

TECNOLOGIA MODULI FOTOVOLTAICI 2) Moduli a Film Sottile 2) Moduli a Film Sottile • Silicio Amorfo (a.Si) • Tellururo di Cadmio (CdTe) ( ) • Diseleniuro di indio rame (CIS) • Diseleniuro di indio rame gallio (CIGS) Si può affermare che mediamente i moduli in tali materiali semiconduttori presentano una maggiore produzione di energia annuale ( nell’ordine del 5‐10%) pur presentando una efficienza nettamente inferiore ( occupano circa il 50% in più di superficie). L La progettazione e l’installazione devono essere curati con tt i l’i t ll i d ti dovizia di particolari. Compatibilità elettriche e supporti meccanici variano al variare Compatibilità elettriche e supporti meccanici variano al variare sia della tecnologia sia del produttore!

INVERTER CENTRALI E DI STRINGA Qualunque generatore fotovoltaico, dal più piccolo impianto Q l t f t lt i d l iù i l i i t domestico, agli impianti multimegawatt di potenza, prevede la suddivisione dell’intero suddivisione dell intero numero di moduli fotovoltaici in stringhe , numero di moduli fotovoltaici in stringhe cioè un numero prefissato di moduli, tipicamente da 10 a 24 secondo le esigenze, collegati tra loro in serie; ogni stringa dovrà avere una potenza solitamente compresa tra 2 e 6 KW. Gli inverter di stringa sono così chiamati perché prevedono il ll t i ll l di l i l t i h di collegamento in parallelo di una o al massimo alcune stringhe di moduli al loro ingresso. Esistono di contro inverter con potenze di centinaia di KW detti Esistono, di contro, inverter con potenze di centinaia di KW, detti inverter centrali o centralizzati, che accentrano al loro ingresso l’energia dei molti paralleli di stringhe che formano le grosse installazioni.

INVERTER CENTRALZZATI LLa soluzione centralizzata prevede la messa in parallelo sullo stesso l i t li t d l i ll l ll t ingresso dell’inverter di molte stringhe di moduli, ognuna delle quali avrà una potenza di qualche KW fino a raggiungere la potenza di avrà una potenza di qualche KW, fino a raggiungere la potenza di picco richiesta. La messa in parallelo di molte stringhe va però eseguita seguendo un certo numero di regole fondamentali. Dato l’unico ingresso dell’inverter, sarà presente un solo inseguitore MPPT i di il t di l (t i di l ) à l MPPT, quindi il punto di lavoro (tensione di lavoro) sarà uguale per tutti: è fondamentale perciò che le stringhe si comportino nel modo più uniforme possibile per ottenere da ognuna di esse e quindi dal più uniforme possibile, per ottenere da ognuna di esse, e quindi dal loro parallelo, la massima potenza erogabile.

INVERTER CENTRALZZATI SSe le varie stringhe infatti non presentano lo stesso punto di lavoro l i t i h i f tti t l t t di l ottimale MPP, il punto di lavoro scelto dall’unico inseguitore non può che essere frutto di un compromesso che non garantisce può che essere frutto di un compromesso, che non garantisce quindi l’erogazione della massima potenza. Risulta quindi evidente che si dovranno utilizzare moduli tutti della stessa marca, modello e classe di potenza. Sarà da privilegiare la massima uniformità possibile, utilizzando d li li it t di i i d ll tt i ti h l tt i h moduli con limitate dispersioni delle caratteristiche elettriche: questo può essere fatto utilizzando i flash report (un listato del produttore che riporta le caratteristiche elettriche di ogni modulo produttore che riporta le caratteristiche elettriche di ogni modulo fotovoltaico), avendo cura di collegare all’interno della stessa stringa moduli con la stessa corrente IMPP e ponendo in parallelo stringhe aventi il più possibile uguale tensione VMPP.

INVERTER CENTRALZZATI EEsiste comunque un criterio semplificato, anche se non it it i lifi t h rigorosissimo, che evita di effettuare questa analisi; tale procedimento prevede l’utilizzo procedimento prevede l utilizzo di moduli con limitata tolleranza in di moduli con limitata tolleranza in potenza, ad esempio tolleranza di potenza pari a ±1‐ 2 % anziché ±3‐ 5%. Naturalmente le stringhe dovranno avere tutte la stessa lunghezza (t di d li) lt i ti t bb l (stesso numero di moduli), altrimenti non potrebbero avere la stessa tensione ottimale di lavoro.

INVERTER CENTRALZZATI IInfine, clausola molto importante, i moduli dovranno essere tutti fi l l lt i t t i d li d t tti esposti allo stesso modo, evitando il più possibile di porre in parallelo stringhe soleggiate con stringhe soggette a parallelo stringhe soleggiate con stringhe soggette a ombreggiamenti sistematici durante la giornata: condizione che complicherebbe la ricerca del punto di lavoro ottimale, ma che soprattutto, in assenza di particolari dispositivi (quadri di parallelo con diodi di blocco), rischierebbe di danneggiare irreparabilmente i d li b i ti moduli ombreggiati.

INVERTER CENTRALZZATI Ecco lo schema esemplificativo di un impianto con inverter centralizzato: Ecco lo schema esemplificativo di un impianto con inverter centralizzato:

QUADRI DI PARALLELO INTELLIGENTI Una considerazione importante sul monitoraggio delle stringhe va U id i i t t l it i d ll t i h fatta negli impianti con inverter centralizzati. Essendo tutte le stringhe in parallelo risulta diffi cile, se non impossibile, individuare stringhe in parallelo, risulta diffi cile se non impossibile individuare la presenza di moduli non perfettamente funzionanti, cosa che non si limita a un danno legato al calo produttivo, ma che potrebbe portare anche a un danneggiamento dell’intera stringa a cui tali moduli sono collegati. P t è i l’ di ti l i di h ll iù Per questo è necessario l’uso di particolari quadri, che collegano più stringhe, detti quadri di parallelo. Quadri che consentano la verifi ca dei parametri di ogni singola stringa e che in caso di anomalia dei parametri di ogni singola stringa e che, in caso di anomalia grave, arrivino allo scollegamento della stessa, per preservarla dai danneggiamenti.

QUADRI DI PARALLELO INTELLIGENTI TTali quadri effettuano la trasmissione dei dati registrati, li d i ff tt l t i i d i d ti i t ti permettendo il perfetto monitoraggio in locale o a distanza tramite collegamento internet dell’intero collegamento internet dell intero impianto, consentendo al tecnico impianto consentendo al tecnico una visione d’assieme dell’impianto e la possibilità di effettuare manutenzioni mirate ed efficaci.

INVERTER DI STRINGA Nel caso venga realizzato l’impianto con inverter di stringa anziché N l li t l’i i t i t di t i i hé centralizzato, ci si trova di fronte a diverse problematiche. Innanzitutto la differenza fondamentale è data dalla maggiore Innanzitutto la differenza fondamentale è data dalla maggiore flessibilità dovuta al minimo numero di stringhe collegate allo stesso inverter: i criteri di uguaglianza di esposizione, modello dei moduli, lunghezza delle stringhe, ecc., sono infatti validi solamente per le stringhe che sono poste in parallelo, non per tutto l’impianto. I t lt lifi i d l t di i t In questo senso, oltre a una semplificazione, dal punto di vista tecnico la scelta dell’inverter di stringa può essere vincolante nel caso di installazione su tetti di edifici in cui alcune stringhe siano caso di installazione su tetti di edifici, in cui alcune stringhe siano sottoposte durante la giornata ad ombreggiamenti da parte di altre strutture.

INVERTER DI STRINGA IIn questo caso risulta conveniente il collegamento in parallelo di t i lt i t il ll t i ll l di stringhe di moduli tutti sottoposti allo stesso tipo di ombreggiamento con un proprio piccolo inverter posto in parallelo ombreggiamento, con un proprio piccolo inverter posto in parallelo a un inverter centrale che colleghi le stringhe non ombreggiate. Lo stesso dicasi nel caso di falde con diverso orientamento: ogni falda dovrà avere un proprio inverter. U ’ lt li ità d ll l i di t ib it è d t i Un’altra peculiarità della soluzione distribuita è dovuta a ogni eventuale fermo macchina, che comporta la non produzione di una parte limitata dell’impianto parte limitata dell impianto, limitando quindi le perdite economiche. limitando quindi le perdite economiche

INVERTER DI STRINGA IInoltre normalmente, data la leggerezza e la semplicità di allaccio di lt l t d t l l l li ità di ll i di questi inverter, la sostituzione diventa molto rapida, con conseguente minimizzazione dei tempi improduttivi specie se si conseguente minimizzazione dei tempi improduttivi, specie se si tiene sempre a disposizione a magazzino un inverter di scorta o se comunque il fornitore è in grado di inviare l’inverter di ricambio in tempi brevi. D l t di i t d l bl i d ll t i ti i ò Dal punto di vista del cablaggio, dalla parte in continua vi può essere una riduzione della lunghezza dei cavi grazie al posizionamento degli inverter di stringa vicini alle relative stringhe con conseguente inverter di stringa vicini alle relative stringhe, con conseguente semplifi cazione dei quadri D C.

INVERTER DI STRINGA Viceversa si avrà sul lato alternata un numero maggiore di cablaggi, Vi i à l l t lt t i di bl i la complicazione del quadro elettrico, dovendo collegare le uscite di molti inverter in parallelo oltre a maggiori perdite nei collegamenti molti inverter in parallelo, oltre a maggiori perdite nei collegamenti rispetto alla soluzione centralizzata. Nella scelta se centralizzato o di stringa, vanno poi valutate eventuali differenze di performance degli inverter; spesso gli i t t li ti di di ffi i i i di inverter centralizzati dispongono di efficienze superiori e di maggiore tensione massima di ingresso, con inferiore numero di stringhe da collegare In realtà queste differenze si sono ridotte stringhe da collegare. In realtà queste differenze si sono ridotte nel tempo, per cui i migliori costruttori dispongono oggi di efficienze e tensioni massime elevate anche nei loro inverter di stringa.

INVERTER DI STRINGA Ecco lo schema esemplificativo di un impianto con inverter di stringa: Ecco lo schema esemplificativo di un impianto con inverter di stringa:

INTRODUZIONE L’ancoraggio dei pannelli fotovoltaici viene eseguito utilizzando strutture di sostegno modulari appositamente progettate, che rendono il montaggio estremamente semplice, sicuro ed affidabile. LL’impianto impianto fotovoltaico può essere installato su: fotovoltaico può essere installato su: • tetti di case • tetti di capannoni industriali p • terreno libero • pensiline • terrazzi

INTRODUZIONE Per ciascuna tipologia di installazione sono disponibili strutture di P i ti l i di i t ll i di ibili t tt di supporto specifiche, complete di staffe di supporto, profilati in vari materiali per l’appoggio materiali, per l appoggio dei pannelli ed accessori per il loro dei pannelli ed accessori per il loro fissaggio.

INTRODUZIONE LLe strutture di sostegno variano per tipologia e geometria, a seconda t tt di t i ti l i ti d che l’impianto sia fisso o ad inseguimento.

Strutture Fisse Impianti su tetto (Piano o inclinato) Impianti su tetto (Piano o inclinato) Impianti a terra Altri tipi di impianto Altri tipi di impianto

Strutture ad inseguimento Monoassiale Pluriassiale

INTRODUZIONE LLe strutture di sostegno solitamente vengono realizzate t tt di t lit t li t assemblando dei profili metallici in acciaio zincato. I più utilizzati sono i profili piegati a freddo o a caldo a sagoma C o L sono i profili piegati a freddo o a caldo a sagoma C o L. Negli ultimi anni con la diffusione di dei cosiddetti tetti fotovoltaici, che non devono sopportare impegnative sollecitazioni meccaniche, si utilizzano profili sagomati in alluminio.

PROFILI IN ACCIAIO ZINCATO II profili in acciaio zincato sono facilmente reperibili, hanno ottime fili i i i i t f il t ibili h tti prestazioni meccaniche in relazione al peso, ma di contro sono di difficile lavorazione al di fuori di una officina difficile lavorazione al di fuori di una officina. La qualità della zincatura è fondamentale per garantire una lunga durata nel tempo, deve avere uno spessore adeguato, deve essere uniforme senza sbavature nelle forature, non devono essere fatte successive lavorazioni, come forature o saldature, dopo il processo di i t zincatura.

PROFILI IN ACCIAIO ZINCATO IIn sede di progettazione dell’impianto, bisogna tenere conto che ci d di tt i d ll’i i t bi t t h i possa essere la possibilità del manifestarsi di corrosione di tipo galvanico sulle pareti, nei punti di giunzione tra metalli differenti, sulle pareti nei punti di giunzione tra metalli differenti che potrebbe deteriorare tutta la struttura.

PROFILI IN ALLUMINIO Negli ultimi anni si è affermato sul mercato l’uso di profili in alluminio N li lti i i i è ff t l t l’ di fili i ll i i con sagome differenti da quelle dell’acciaio. Rappresentano oltre il 60% delle installazioni. I profili in alluminio hanno un peso molto contenuto, delle installazioni. I profili in alluminio hanno un peso molto contenuto, sono facili da tagliare e hanno a disposizione una nutrita gamma di accessori quali morsetti, bulloni piastre di giunzione, ecc..

PROFILI IN ALLUMINIO Il più grande problema delle strutture in alluminio sono le prestazioni meccaniche che sono di molto inferiori a quelle dell’acciaio, oltre al costo di molto superiore costo di molto superiore.

PROFILI IN ALLUMINIO Vengono utilizzate per impianti montati sulle falde dei tetti fotovoltaici, dove le sollecitazioni meccaniche sono contenute ad esempio la pressione della neve e del vento direttamente sulle staffe di sostegno al pressione della neve e del vento direttamente sulle staffe di sostegno al tetto.

SAGOME DISPONIBILI LLe sagome disponibili in commercio sono per la maggior parte di ibili i i l i t derivanti dalle applicazioni per i serramenti. Negli ultimi tempi alcuni costruttori hanno sviluppato dei profili che Negli ultimi tempi alcuni costruttori hanno sviluppato dei profili che oltre a sostenere il modulo sono dotati anche di scanalature per il passaggio dei cavi che aumentano la sicurezza e fanno risparmiare sugli accessori, ad esempi non sono più necessarie fascette anti UV.

“TIPI DI ENERGIA” EFV = Energia prodotta dall’impianto FV Eu = Energia utilizzata EIMM = Energia immessa in rete E i i i EPREL = Energia prelevata dalla rete

EFV = Energia prodotta dall’impianto FV Energia prodotta dall’impianto Energia prodotta dall impianto fotovoltaico. fotovoltaico Tale energia prodotta varia al variare delle condizioni di irraggiamento del sistema fotovoltaico Tale energia prodotta può essere fotovoltaico. Tale energia prodotta può essere immediatamente utilizzata (Eu = Energia utilizzata ) oppure immessa in rete ( EIMM = Energia immessa in rete ). Energia immessa in rete ).

Abbiamo quindi che E + E + EIMM EFV = Eu

Quando l’impianto non produce energia oppure quando la produzione dell’impianto non è sufficiente a coprire i fabbisogni istantanei di energia “siamo costretti” a prelevare energia dalla rete ( EPREL = Energia prelevata dalla rete )

Il fabbisogno totale di energia sarà pari a PREL Eu + + EPREL

Dobbiamo capire dal punto di vista economico cosa implicano questi flussi di energia. EFV FV = Energia prodotta dall Energia prodotta dall’impianto impianto FV FV Dal punto di vista economico tale energia direttamente non implica nulla, in quanto analizzeremo separatamente i flussi che derivano, che dipendono, da tale energia Abbiamo detto che EFV = Eu + EIMM Eu = Energia utilizzata g Tale energia risulta essere la più importante, come vedremo nell’analisi economica di un impianto fotovoltaico. EIMM = Energia immessa in rete Tale energia è quella che viene remunerata. Dobbiamo capire bene le modalità di valorizzazione economica dell’energia immessa EPREL = Energia prelevata dalla rete Tale energia comporta dei costi per l’utenza. Possiamo limitare tali costi con un buon di dimensionamento del nostro impianto fotovoltaico. i t d l t i i t f t lt i

EIMM = Energia immessa in rete rappresenta quindi l’energia che noi immettiamo in rete. Tale energia viene remunerata secondo varie metodologie. Possiamo occuparci noi direttamente della vendita tramite la Borsa Elettrica oppure p pp tramite contratti bilaterali. Tuttavia non sarà il nostro caso. Per la valorizzazione della energia prodotta ed immessa in rete ci rivolgeremo al GSE. Il GSE si occuperà del ritiro e della valorizzazione della nostra energia. Quando ci rivolgiamo al GSE possiamo scegliere due forme di valorizzazione di tale energia : ‐RITIRO DEDICATO ( RID ) ‐SCAMBIO SUL POSTO ( SSP ) ( )

RITIRO DEDICATO Il ritiro dedicato è una modalità semplificata a disposizione dei produttori per la vendita dell’energia elettrica immessa in rete, in alternativa ai contratti bilaterali o alla vendita diretta in borsa alternativa ai contratti bilaterali o alla vendita diretta in borsa. Consiste nella cessione dell’energia elettrica immessa in rete g GSE S.p.A. (GSE), p ( ), che provvede a p al Gestore dei Servizi Energetici – remunerarla, corrispondendo al produttore un prezzo per ogni kWh ritirato.

RITIRO DEDICATO I produttori di piccola taglia, con impianti di potenza nominale elettrica fino a 1 MW, possono ricevere dal GSE una remunerazione garantita (i cosiddetti “prezzi minimi garantiti”)) per i primi 2 milioni di kWh annui per i primi 2 milioni di kWh annui cosiddetti prezzi minimi garantiti immessi in rete, senza pregiudicare la possibilità di ricevere di più nel caso in cui la remunerazione a prezzi orari zonali dovesse risultare più vantaggiosa. vantaggiosa Alla fine di ogni anno, il GSE riconosce un conguaglio a favore degli impianti i li il i i i i i li i l i iù l di ll per i quali il ricavo associato ai prezzi orari zonali risulti più elevato di quello risultante dall’applicazione dei prezzi minimi garantiti. I prezzi minimi garantiti sono aggiornati annualmente dall’Autorità per l'energia elettrica e il gas (AEEG).

IL MECCANISMO DELLO SCAMBIO SUL POSTO Cos’è Lo scambio sul posto, regolato dalla Delibera ARG/elt 74/08 e s.m.i., “testo integrato delle modalità e delle condizioni tecnico‐ i “ i d ll d li à d ll di i i i economiche per lo scambio sul posto (TISP)” . Lo scambio sul posto è una particolare modalità di valorizzazione dell’energia elettrica che consente, al Soggetto Responsabile di un impianto, di realizzare una specifica forma di autoconsumo immettendo in rete l’energia elettrica prodotta ma non direttamente autoconsumata, per poi prelevarla in un di i l l i momento differente da quello in cui avviene la produzione.

IL MECCANISMO DELLO SCAMBIO SUL POSTO La compensazione non si ha direttamente tra i flussi di energia ( ovvero posso prelevare dalla rete la quantità di energia immessa, gli stessi kilowattora) ma tra il valore economico associabile all’energia elettrica prodotta e immessa in rete e il valore economico associabile all’energia economico associabile all energia elettrica prelevata e consumata elettrica prelevata e consumata in un periodo differente da quello in cui avviene la produzione.

EIMM = Energia immessa in rete EPREL = Energia prelevata dalla rete

IL MECCANISMO DELLO SCAMBIO SUL POSTO Il contributo in conto scambio (Cs)garantisce, al più, l’equivalenza tra quanto pagato dall’utente, limitatamente all’energia elettrica prelevata, e il valore dell’energia dell energia elettrica immessa in rete tramite il punto di scambio: elettrica immessa in rete tramite il punto di scambio:

Il contributo Cs è dato dalla sommatoria di “quota energia”e “quota servizi”.

CONFRONTO Senza entrare nei tecnicismi del calcolo possiamo affermare che: ‐Ad oggi un kWh valorizzato con il RID vale circa 0,10€ ed un kWh valorizzato con lo scambio sul posto vale 0,15€ p , ‐ Nelle abitazioni, nelle industrie, ed in tutte le situazioni nelle quali consumo parte dell’energia prodotto è sempre più conveniente lo scambio sul posto.

Gli impianti fotovoltaici possono usufruire delle detrazione fiscale sulle ristrutturazioni edilizie detrazione fiscale sulle ristrutturazioni edilizie Dal 1° gennaio 2012, la detrazione fiscale sulle ristrutturazioni edilizie non ha più scadenza. scadenza L’agevolazione, introdotta fin dal 1998 e prorogata più volte, è stata resa permanente dal decreto legge n. 201/2011 (art. 4) che ha previstoil suo i inserimento tra gli oneri detraibili ai fini Irpef. i t t li i d t ibili i fi i I f

per il periodo d’imposta 2013 d ld l 83/2012 h h l l ff d l 26 •dal decreto legge n. 83/2012, che ha elevato, per le spese effettuate dal 26 giugno 2012 al 30 giugno 2013, la misura della detrazione (50%, in luogo di quella ordinaria del 36%) e l’importo massimo di spesa ammessa al beneficio (96.000 euro per unità immobiliare, invece che 48.000 euro) •dal decreto legge n. 63/2013 che ha esteso tali maggiori benefici alle spese effettuate entro il 31 dicembre 2013.

DETRAZIONI FISCALI È possibile detrarre dall’Irpef (l’imposta sul reddito delle persone fisiche) una parte degli oneri sostenuti per persone fisiche) una parte degli oneri sostenuti per ristrutturare le abitazioni e le parti comuni degli edifici residenziali situati nel territorio dello Stato. Quando gli interventi di ristrutturazione sono realizzati su immobili residenziali adibiti promiscuamente all’esercizio immobili residenziali adibiti promiscuamente all esercizio di un’attività commerciale, dell’arte o della professione, la detrazione spetta nella misura ridotta del 50%.

CHI PUÒ FRUIRE DELLA DETRAZIONE Possono usufruire della detrazione sulle spese di ristrutturazione tutti i contribuenti assoggettati all’imposta ristrutturazione tutti i contribuenti assoggettati all imposta sul reddito delle persone fisiche (Irpef), residenti o meno nel territorio dello Stato nel territorio dello Stato. L’agevolazione spetta non solo ai proprietari degli immobili g p p p g ma anche ai titolari di diritti reali/personali di godimento sugli immobili oggetto degli interventi e che ne sostengono le relative spese

Esempio impianto da 10 kWp Costo impianto 14000+iva = 15400€ iva incl. Detrazioni 7700€ Detrazioni 7700€

10 rate annuali costanti di 770€ 10 rate annuali costanti di 770€

Anno1 Irpef dovuta 5000€ Detrazioni 770€ f Irpef pagata 4230€

Anno2 Irpef dovuta 500€ Detrazioni 770€ Irpef pagata 0€

Anno3 Irpef dovuta 5000€ Detrazioni 770€ Irpef pagata 4230€

Anno4 ... 10 Anno4 10 Irpef dovuta ...€ Detrazioni 770€ Irpef pagata ...€

CERTIFICATI BIANCHI PER IMPIANTI FOTOVOLTAICI CON POTENZA INFERIORE A 20 kWh CON POTENZA INFERIORE A 20 kWh E’ possibile beneficiare dei certificati bianchi, nel rispetto delle condizioni e dei requisiti indicati nel D.M. 28 dicembre 2012 e nelle condizioni e dei requisiti indicati nel D.M. 28 dicembre 2012 e nelle Linee guida, nel solo caso in cui l’energia prodotta dagli impianti non sia incentivata ai sensi di altri meccanismi di incentivazione statali (Conto Energia). invece consentito accedere al meccanismo dei certificati qualora EE’ invece consentito accedere al meccanismo dei certificati qualora siano state stipulate o si intendano stipulare con il GSE le co e o pe o Sca b o su osto o pe t o ed cato convenzioni per lo Scambio sul Posto o per il Ritiro Dedicato.

TEE PER L’IMPIEGO DI IMPIATI FOTOVOLTAICI DI POTENZA INFERIORE A 20 kW POTENZA INFERIORE A 20 kW

1) Descrizione dell’intervento Categoria di intervento: (CIV‐GEN) piccoli sistemi di generazione elettrica e cogenerazione Vita Utile: U = 5 anni Vita Tecnica: T = 20 anni Vita Tecnica: T = 20 anni Settore di intervento: ‐‐ Tipo di utilizzo: ‐‐ p Condizioni di applicabilità della procedura: Gli impianti oggetto di intervento non accedono ai benefici previsti dai regime del c.d. Conto Energia (ai sensi dei decreti ministeriali DM 8/7/2005, DM 19/2/2007, ( d d l / / / / DM 6/8/2010, DM 5/5/2011 e s.m.i.).

TEE PER L’IMPIEGO DI IMPIATI FOTOVOLTAICI DI POTENZA INFERIORE A 20 KWH POTENZA INFERIORE A 20 KWH

2) Calcolo del risparmio di energia primaria Metodo di valutazione: Valutazione Standardizzata Unità fisica di riferimento (UFR) impianto fotovoltaico potenza elettrica <20Kw Unità fisica di riferimento (UFR): impianto fotovoltaico potenza elettrica <20Kw Risparmio Specifico Lordo (RSL) di energia primaria conseguibile per singola unità fisica di riferimento: RSL = kWp * heq * k1 * 0,187/1000 [ tep/UFR/anno] dove: è la potenza di picco dell’impianto [kW] kWp è la potenza di picco dell impianto [kW] heq è il numero di ore annue equivalenti, ricavabile dalla Tabella 1 riportata di seguito [h/anno]; k1 è un coefficiente adimensionale che varia in funzione dell’inclinazione β dei moduli fotovoltaici rispetto all’orizzontale: k1 = 0 70 se β è maggiore di 70°,negli altri casi k1 = 1). k1 = 0,70 se β è maggiore di 70 negli altri casi k1 = 1)

TEE PER L’IMPIEGO DI IMPIATI FOTOVOLTAICI DI POTENZA INFERIORE A 20 KWH POTENZA INFERIORE A 20 KWH

TEE PER L’IMPIEGO DI IMPIATI FOTOVOLTAICI DI POTENZA INFERIORE A 20 KWH POTENZA INFERIORE A 20 KWH Coefficiente di addizionalità: a = 100 % Coefficiente di curabilità: τ = 3,36 Quote annue dei risparmi di energia primaria [tep/a]: Risparmio netto contestuale (RNc) RNc = a ∙ RSL ∙ NUFR Risparmio netto anticipato (RNa) RNa = (τ = (τ ‐ 1) ∙ RNc 1) ∙ RNc Risparmio netto anticipato (RNa) Risparmio netto integrale (RNI) RNI = RNc + RNa = τ ∙ a ∙ RSL ∙ NUFR Tipo di Titoli di Efficienza Energetica riconosciuti all’intervento 4: Tipo I

ESEMPIO PRATICO Ecco un esempio pratico per capire meglio: Ecco un esempio pratico per capire meglio: 2kW instalalto a Milano e 1 TEE (100€) ( ) Pertanto RNI=3,36*0,1*1282*2*0,187/1000=1,60 tep Si riceverebbe di contributo 160 €/anno, non cumulabile con il conto energia e detrazione per ristrutturazione edilizia. E’ possibile usufruire del meccanisco dello scambio sul posto. Inoltre occorre considerare il risparmio dell’energia che non q g acquisterei dal gestore: 2*1100*0,2 = 440 €/anno

NORME TECNICHE DA RISPETTARE Per i moduli fotovoltaici è richiesta la certificazione in relazione alla Per i moduli fotovoltaici è richiesta la certificazione in relazione alla rispondenza alle norme: ‐ CEI EN 61215 per i moduli in silicio cristallino p ‐ CEI EN 61646 per i moduli in silicio amorfo In tutti i casi in cui rientrano nel campo di applicazione della norma CEI EN 61000‐3‐2 gli inverter” devono essere costruiti in conformità alla norma stessa per quanto riguarda i disturbi condotti lato c a e alla norma stessa per quanto riguarda i disturbi condotti lato c.a. e devono comunque essere conformi a tutte le norme di prodotto per q p p questo tipo di dispositivo.

Esempi di Business Plan i di i l realizzati utilizzando il li i ili d il software Simulare 11 dell’Ing. Caffarelli. Il software è scaricabile gratuitamente previa Il software è scaricabile gratuitamente previa registrazione http://www ingalessandrocaffarelli it/download asp http://www.ingalessandrocaffarelli.it/download.asp Con pochi semplici imput Con pochi semplici imput avremo una analisi economica avremo una analisi economica completa