In questo articolo, prima facciamo il punto della situazione tecnologica relativa ai pannelli fotovoltaici oggi disponibili e le tecniche di utilizzo e poi verranno affrontate le problematiche relative alla progettazione e realizzazione di un impianto fotovoltaico da 3 KW (3.000 Watt) o 5KW (5.000 Watt) in grado di contribuire o sostituire la fornitura di energia elettrica ENEL di casa o di un ufficio dove è installato un contatore da 3KW o 5KW di fornitura di energia elettrica. Quindi potrà essere un impianto molto grande 3 o 5KW oppure uno piccolo che ci permette di avvicinarci a questa tecnologia in grado di contribuire attivamente al risparmio energetico.
FOTOVOLTAICO PER LA STAZIONE RADIO
Vedremo anche come sia semplice con l’installazione di un singolo pannello solare da 100W, esposto a SUD, un regolatore di tensione ( parliamo di 100,00 euro pannello + regolatore ) e una batteria anche di auto 50/60 Ah, avere l’alimentazione a 12V per far funzionare perfettamente la nostra stazione radio per ore senza accendere l’alimentatore a 12V alimentato dalla rete elettrica ENEL.
Questo progetto d’impianto fotovoltaico da 3 KW (3.000 Watt) o 5KW (5.000 Watt) in grado di contribuire o sostituire la fornitura di energia elettrica ENEL è in controtendenza rispetto alle proposte che fanno alcuni fornitori di impianti di fotovoltaico, per produrre la mattina energia da vendere a ENEL e la sera poi collegarsi al contatore ENEL, cioè impianti, senza accumulo con batterie.
Ovviamente si deve avere uno spazio sul tetto, terrazzo o giardino dove installare i pannelli fotovoltaici, che devono essere esposti a SUD e con una inclinazione che poi vedremo in base alla posizione geografica e alla stagione (estiva o invernale) quale sia la migliore.
Orientamento dei pannelli solari
Quale è l’orientamento dei pannelli solari. In questa pagina affronteremo l’argomento dell’orientamento dei pannelli solari. L’orientamento e l’inclinazione sono due fattori fondamentali per determinare il rendimento di un pannello solare. Un cattivo orientamento può causare forti perdite di rendimento energetico. Al pari può accadere con una cattiva inclinazione. Partiamo dal presupposto che un pannello solare deve catturare la maggiore quantità di energia solare possibile. Per farlo deve essere esposto direttamente ai raggi solari in modo perpendicolare e non sempre è facile. Durante la giornata la posizione del sole nel cielo non è mai la stessa. Inoltre, le zone d’ombra causate dalla presenza di ostacoli (alberi, palazzi, ecc) sono sempre in agguato.
Per catturare l’irraggiamento solare in modo perpendicolare i pannelli solari sono sempre rivolti verso il sole. La nostra stella percorre il cielo nella zona sud del cielo nell’emisfero boreale del pianeta (in pratica il nostro). Al contrario, nell’emisfero australe il percorso del sole nel cielo ha luogo a nord. Pertanto nel nostro continente tutti i pannelli solari sono “teoricamente” orientati verso sud. L’inclinazione è invece determinata dalla latitudine del luogo di installazione dei pannelli. Il motivo è molto semplice: quanto più ci si allontana dall’equatore, tanto più il percorso del sole si svolge più in basso nell’orizzonte.
Eccezioni all’orientamento verso sud dei pannelli
Possono però verificarsi delle eccezioni alla regola teorica dell’orientamento verso sud. Alcune zone geografiche sono caratterizzate da alcune regolarità meteorologiche locali nel corso della giornata. Ad esempio, la foschia nelle ore del mattino o le precipitazioni piovose in quelle pomeridiane. In questi casi l’orientamento verso sud non è detto sia la soluzione migliore. Per ottenere l’orientamento migliore dei pannelli solari occorre tenere in conto dei fattori meteo e della morfologia del territorio.
- Orientamento verso sud-ovest. Molti progettisti tendono ad orientare i pannelli solari verso sud/sud-ovest (ponente) per massimizzare il rendimento dei pannelli solari nelle ore pomeridiane, quando i raggi del sole sono particolarmente più caldi. L’orientamento verso sud-ovest consente di catturare i raggi solari in modo perpendicolare nelle ore del pomeriggio, sacrificando quelli della mattina quando la foschia e la nebbia possono ostacolare l’irraggiamento.
- Orientamento verso sud-est. Può accadere che una determinata regione geografica sia caratterizzata da regolari precipitazioni piovose nelle ore pomeridiane (es. alcune zone costiere e montane). In quest’ultimo caso i progettisti tendono ad orientare i pannelli solari verso sud/sud-est (levante) per massimizzare il rendimento dei pannelli solari nelle ore della mattina, sacrificando la fascia oraria pomeridiana della giornata.
- Fattori morfologici del territorio. Oltre ai fattori meteo l’orientamento dei pannelli solari può essere determinato anche dalla presenza di ostacoli all’irraggiamento solare. Ad esempio, l’impianto a pannelli solari potrebbe subire delle zone d’ombra in alcune ore della giornata a causa della presenza di ostacoli naturali (alberi, montagne, ecc) o artificiali (edifici, costruzioni ecc). In questi casi il progettista dell’impianto tenderà a valutare l’orientamento ottimale, in grado di aumentare il rendimento dei pannelli solari soltanto nelle ore d’irraggiamento solare.
QUALI SONO LE COMPONENTI DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO
Adesso esaminiamo, con semplici esempi e spiegazioni, come avviene la trasformazione dell’energia solare in energia elettrica a 230V 50 Hz AC (AC sta per corrente alternata). Ecco gli elementi minimi necessari alla trasformazione e sono:
- Il pannello fotovoltaico
- il regolatoree di carica
- le batterie di accumulo
- l’inverter da (corrente continua a corrente alternata) 1-2-3KW
IL PANNELLO FOTOVOLTAICO
Il pannello fotovoltaico è un dispositivo optoelettronico, composto da celle fotovoltaiche, in grado di convertire l’energia solare incidente in energia elettrica mediante effetto fotovoltaico, tipicamente impiegato come generatore di corrente continua in un impianto fotovoltaico.
IL REGOLATORE DI CARICA
Il regolatore di carica è deputato a stabilizzare l’energia raccolta e a gestirla all’interno del sistema in funzione di varie situazioni possibili. Il regolatore di carica è un dispositivo elettronico che possiede le seguenti funzionalità minime:
- sezionamento automatico del campo fotovoltaico (inteso come insieme di tutti i moduli) dalla batteria di accumulatori nel caso in cui la tensione erogata dai moduli sia inferiore a quella minima di ricarica degli accumulatori (cielo molto coperto, notte, guasti, interruzioni per manutenzioni ecc.); in questo caso infatti i moduli si comporterebbero come dei carichi resistivi scaricando gli accumulatori;
- sezionamento automatico del campo fotovoltaico dagli accumulatori in caso di ricarica completa ed eventuale bypass della corrente prodotta dai moduli in modo da inviarla direttamente all’inverter nel caso ci sia richiesta di energia da parte degli apparecchi utilizzatori;
- sezionamento automatico del campo fotovoltaico dagli accumulatori in caso di scarica totale di questi ultimi (batteria ormai esaurita) ed eventuale bypass della corrente prodotta dai moduli in modo da inviarla direttamente all’inverter nel caso ci sia richiesta di energia da parte degli apparecchi utilizzatori.
L’INVERTER
In elettronica un inverter è un apparato elettronico di ingresso/uscita in grado di convertire una corrente continua in ingresso in una corrente alternata in uscita. In pratica riceve la tensione a 12V in corrente continua dalle batterie di accumulo e la trasforma in corrente alternata a 230V 50Hz ad onda sinusoidale, in effetti la stessa fornitura di energia elettrica di ENEL. L’inverter viene anche chiamato con il nome di convertitore C.C./C.A.( dalla conrrente continua a corrente alternata), deputato a convertire la tensione continua (DC dall’inglese Direct Current , corrente continua) in uscita dal pannello (solitamente 12 o 24/48 volt) in una tensione alternata (AC Alternate Current, corrente alternata) più alta nel nostro caso 230 Volt 50Hz con potenze che dipendono dall’inverter utilizzato 1,2 o 3 kW).
LE BATTERIE DI ACCUMULO
L’accumulatore è in genere costituito da monoblocchi, o elementi singoli specificamente progettati per cariche e scariche profonde e cicliche. Negli impianti che devono garantire continuità di servizio anche alle più severe condizioni non sono, in genere impiegati accumulatori per uso automobilistico, che pur funzionando a dovere hanno bassa “vita utile” ossia tollerano un minor numero di cicli di carica e scarica rispetto ad accumulatori progettati e costruiti appositamente per questo tipo di impiego. Nel caso di installazioni degli accumulatori su palo o in altezza (per es. pubblica illuminazione o lampione fotovoltaico) non possono essere utilizzati accumulatori per uso automobilistico in quanto eventuali perdite di elettrolita (che è costituito da una soluzione altamente corrosiva) potrebbero causare danni a persone, animali e cose. In queste installazioni si utilizzano appositi accumulatori nel quale l’elettrolita liquido è sostituito da uno speciale gel. L’autonomia della fornitura di energia da impianto fotovoltaico e direttamente collegata alle Ah ( Amper Ora) che avremo a disposizione. Esempio per capire, una batteria da 10 Ah è in grado di mantenere accesa una lampadina che asorbe 10Amper per 1 ora, (10 Ah/ 10A= 1 ora) una batteria da 100 Ah invece la terra accesa per 10 ore (100 Ah/ 10A= 10 ore), quindi più batterie al gel avremo per l’accumulo, maggiore autonomia avremo quando manca il sole o è nuvoloso.
Quando si decide di installare un impianto fotovoltaico ci si trova a dover effettuare la scelta tra queste due tipologie: vediamo insieme quali sono le differenze.
Pannello fotovoltaico monocristallino
I pannelli fotovoltaici monocristallini si riconoscono per la loro colorazione blu scura, quasi nera. Le celle hanno i bordi smussati e sono costituiti da cristalli di silicio monocristallino, tutti orientati nella stessa direzione.Questo fa si che la produzione di energia sia maggiore in presenza di luce perpendicolare. Sono generalmente più efficienti: hanno cioè bisogno di una superficie inferiore rispetto ai moduli policristallini per generare lo stesso quantitativo di energia.
Pannello fotovoltaico policristallino
La produzione dei pannelli in silicio policristallino, o multicristallino, è meno costosa di quella dei moduli monocristallini e questo si riflette anche sul prezzo finale. Le celle sono di colore blu cangiante, costituite da cristalli di silicio orientati in modo casuale. Questo fa si che abbiano un’efficienza inferiore se colpite perpendicolarmente dai raggi del sole. Tuttavia questa pecca rappresenta anche la loro peculiarità: riescono a sfruttare meglio la luce del sole durante l’arco della giornata.
Pannello in silicio amorfo
Esistono anche pannelli in silicio amorfo, più flessibili dei precedenti ma con una resa inferiore, motivo per cui vengono utilizzati per lo più in casi particolari.
Differenze tra le due tipologie
Volendo individuare le differenze principali tra i due tipi di pannelli, queste riguardano il grado di purezza del silicio utilizzato e la dipendenza dalle variazioni di temperatura. I pannelli in silicio monocristallino rendono meglio alle basse temperature e sono più efficienti dei moduli policristallini in presenza di un’intensità solare minore. Al contrario, i moduli policristallini producono di più alle alte temperature. Un’altra differenza sostanziale riguarda il prezzo dei pannelli, più alto per il monocristallino rispetto al policristallino.