Tecnologia

Fotovoltaico (FV) significa conversione diretta di energia luminosa in energia elettrica mediante celle solari. La corrente continua prodotta in questo modo viene convertita mediante un inverter e immessa in rete.

  • Come funziona una cella solare?

    Le celle solari sono composte da semiconduttori, usati pure per la produzione di chip per i computer. I semiconduttori, esposti alla luce, producono elettricità. La corrente elettrica viene accumulata per mezzo di contatti metallici. Tramite un ondulatore, la corrente continua prodotta dalle celle può essere trasformata in corrente alternata.

  • Grazie alla ricerca e allo sviluppo si conoscono oggi vari tipi di tecnologie di celle fotovoltaiche. Esse si differenziano tra celle cristalline e celle a film sottile.

    Per la produzione di celle monocristalline si utilizzano semiconduttori dotati di una struttura ad elevata purezza. Dalla massa fusa di silicio si tagliano delle barre che vengono in seguito tagliate in sottili placche (wafers). Questo metodo di produzione garantisce al prodotto un rendimento molto alto. La produzione di celle policristalline è meno onerosa: In questo caso la massa di silicio viene fusa in blocchi, i quali infine vengono tagliati a dischetti. Durante il processo di solidificazione si formano delle strutture cristalline di differenti dimensioni, che presentano sulla loro superficie alcuni difetti. Di conseguenza, il rendimento di questo tipo di celle è leggermente inferiore.

    Si parla di celle a silicio amorfo o celle a film sottile quando su un substrato di vetro o di altro materiale viene applicato un sottile strato di silicio. Lo spessore di questo strato di silicio è inferiore a 1 µm (spessore di un capello umano 50-100 µm): ne risulta un costo del materiale molto basso e di conseguenza un basso costo di produzione. Questo tipo di celle ha il rendimento minore, ma si adatta anche in caso di irradiamento diffuso.  Si parla di celle tandem quando vengono combinati silicio cristallino e amorfo (a film sottile).

    Per le celle a film sottile, oltre al silicio si possono impiegare altri materiali, come il tellururo di cadmio (CdTe), il diseleniuro di rame e di indio (CIS) e il diseleniuro di rame indio gallio (CIGS). A causa del costo specifico per kWp molto ridotto delle celle in CdTe, queste ultime hanno avuto un'enorme diffusione, soprattutto negli USA e in Germania, nonostante presentino un rendimento sostanzialmente inferiore rispetto alle celle cristalline. Tuttavia, nel frattempo sono prevalse altre tecnologie, per cui in Svizzera i moduli con CdTe non hanno trovato applicazione.

    Molto promettenti sono le celle solari in perovskite, ma per un loro sbocco nel mercato bisognerà attendere ancora qualche anno. 

    L'utilizzo a livello commerciale delle celle solari a colorante, basate su un principio completamente diverso rispetto alle attuali celle solari, è solamente all'inizio. Questo tipo di celle è stato sviluppato presso l'EPFL di Losanna sotto la guida del prof. M. Grätzel.

  • Per ottenere il livello di tensione adatto per la conversione, le celle solari devono venir disposte in serie; prima a livello di modulo e poi più moduli a formare una stringa. Questi moduli solari – detti anche pannelli solari – sono integrati in un involucro di vetro e plastica che li protegge dalle intemperie e vengono impiegati come componenti per impianti solari. I moduli attuali sono per lo più costituiti da 60 celle, con una potenza pari a 180 - 250 W e dimensioni di 1,0 - 1,8 m2

    Il rendimento dei moduli dipende dal tipo di tecnologia usata per la fabbricazione delle celle e non è da confondere con il rendimento totale di un impianto fotovoltaico, il quale è leggermente più basso. I rendimenti riportati nella tabella seguente valgono per moduli disponibili in commercio; in laboratorio si possono ottenere valori significativamente più elevati. 

    Materiale 

    Rendimento dei moduli in condizioni standard (prodotti in commercio) Fonte: Häberlin 2010 

    Silicio monocristallino 16 -24 % 
    Silicio policristallino 14 - 18 % 
    Silicio amorfo 6 -  8 % 
    Microcristallino 8 - 12 % 
    Rame-indio-diselenide (CIS)  10 - 12 % 
    Diseleniuro di rame indio gallio  (CIGS) 11 - 14 %

    La potenza dei moduli è generalmente espressa in Watt peak (Wp), che indica la potenza nominale generata in condizioni standard.

    Nelle condizioni climatiche dell'altopiano svizzero, un impianto fotovoltaico ben posizionato produce annualmente ca. 1'000 chilowattora (kWh) per 1'000 Wp (1 kW). In luoghi con un'insolazione maggiore, come a sud delle Alpi, questa resa è anche più elevata ed è di ca. 1'100 kWh/kWp. A parità di condizioni climatiche, 1 metro quadrato di moduli fotovoltaici produce annualmente da 140 a 170 kWh (moduli cristallini), rispettivamente da 70 a 90 kWh (moduli a film sottile).

    Moduli certificati

    I moduli fotovoltaici vengono testati secondo norma internazionali riconosciute.

    Le norme più applicate sono:

    • per i moduli cristallini: IEC 61215
    • per i moduli a film sottile: IEC 61646
    • PV Module safety qualification: IEC 61730
  • L'inverter è l'elemento di collegamento tra il generatore FV e la rete in corrente alternata. Il suo compito fondamentale è convertire la corrente continua (DC) proveniente dai moduli solari in corrente alternata (AC) e adattare quest'ultima alla frequenza e all'intensità della tensione della rete domestica. Si distinguono inverter di modulo, inverter di stringa (una o più stringhe per ogni inverter) e inverter centrali (per impianti di grandi dimensioni).

    Attualmente, gli inverter offrono di regola una vasta gamma di funzioni per supportare la rete e incrementare l'autoconsumo: possono regolare in modo automatico o telecomandato il fattore di potenza (ovvero consumare o immettere potenza reattiva), inserire o disinserire carichi e svolgere altre funzioni.

  • La quota di elettricità solare autoprodotta e autoconsumata può essere ulteriormente incrementata non solo mediante un'efficace gestione del carico ma anche avvalendosi di accumulatori a batteria. In un'abitazione monofamiliare, si possono raggiungere in questo modo livelli di autoconsumo fino il 60%. In questo campo si usano principalmente batterie al piombo e agli ioni di litio. Ulteriori informazioni sono disponibili nella scheda "Impianti FV con accumulatori"

    Finora, in Svizzera gli accumulatori a batteria vengono utilizzati soprattutto in impianti FV con funzionamento a isola. In considerazione dei costi di investimento tuttora elevati, gli accumulatori a batteria sono ancora poco diffusi nel funzionamento in rete. Presto questa situazione potrebbe cambiare in seguito alla prevista rapida riduzione dei costi.

    Oltre alle batterie per singole utenze domestiche, un'alternativa è data anche dagli accumulatori a batterie per interi quartieri (cfr. i progetti di ricerca ABB e EWZ). Continua

    Studio dell'UFE sugli accumulatori di energia in Svizzera

    Uno studio condotto dall'UFE ha esaminato fabbisogno, economicità e condizioni quadro nell'ambito della Strategia energetica 2050, Accumulatori di energia in Svizzera