Cosa sono e come funzionano i pannelli fotovoltaici

Come funziona un impianto fotovoltaico? E come riesce a produrre elettricità con la sola energia del sole? Oggi ormai tutti sanno cosa è il fotovoltaico, tutti sanno che è una tecnologia che permette di produrre energia pulita sfruttando la luce del sole. Tutti sanno che si tratta di una fonte rinnovabile che permette di ridurre le emissioni inquinanti in atmosfera. Molti sanno ormai che, come fonte di energia pulita, sarà il futuro (e forse già presente) di un nuovo modello energetico che scalzerà le fonti fossili in esaurimento. Si sa, insomma, “cosa è” il fotovoltaico, ma non tutti sanno come funziona.

In questa mini guida vediamo come funziona un impianto fotovoltaico e come riesce a produrre energia sfruttando l’energia del sole. Vediamo quali sono le componenti principali e quali sono i fattori che ne possono compromettere il rendimento. Vedremo, poi, come dimensionare il giusto impianto partendo dalla bolletta elettrica, cioè dai propri consumi effettivi e come mitigare al massimo le perdite dovute agli ombreggiamenti ed altre inefficienze.

Come funzionano gli impianti fotovoltaici

I pannelli fotovoltaici, costituiti dall’unione di più celle fotovoltaiche, convertono l’energia dei fotoni in elettricità. Il processo che crea questa “energia” viene chiamato effetto fotovoltaico, ovvero il meccanismo che, partendo dalla luce del sole, induce la “stimolazione” degli elettroni presenti nel silicio di cui è composta ogni cella solare.

Semplificando al massimo: quando un fotone colpisce la superficie della cella fotovoltaica, la sua energia viene trasferita agli elettroni presenti sulla cella in silicio. Questi elettroni vengono “eccitati” e iniziano a fluire nel circuito producendo corrente elettrica. Un pannello solare produce energia in Corrente Continua, in inglese: DC (Direct Current).

Sarà poi compito dell’inverter convertirla in Corrente Alternata per trasportarla ed utilizzarla nelle nostre reti di distribuzione. Gli edifici domestici e industriali, infatti, sono predisposti per il trasporto e l’utilizzo di corrente alternata.

I fattori che condizionano l’efficienza del fotovoltaico

Non tutti sanno che l’efficienza di conversione di ogni impianto fotovoltaico non è del 100%. Cioè: i pannelli, le celle solari, che vengono colpiti dai raggi del sole, non trasformano tutta l’energia ricevuta in elettricità. Riescono a convertirne solo una parte: questa è l’efficienza di conversione.  I migliori moduli hanno un’efficienza di conversione intorno al 20-22%. Ciò significa che solo un quinto dell’energia solare che colpisce il pannelli viene effettivamente convertita in elettricità. Alcuni moduli “sperimentali” riescono ad ottenere efficienze di conversione anche oltre il 30%, ma per questi i costi di produzione sono ancora troppo elevati.

Oltre a questo fattore “fisiologico”, molti altri determinano l’effettivo rendimento di ogni impianto. Si tratta sia di “perdite” dovute a fattori ambientali, sia di inefficienze dovute a varie dispersioni elettriche (cavi, apparecchi, trasporti,…).

Tipicamente i fattori che determinano il rendimento di un impianto fotovoltaico sono:

1. La temperatura.
   L’efficienza dei moduli fotovoltaici varia in funzione della temperatura di esercizio: più la temperatura di funzionamento è elevata, meno i pannelli sono efficienti. Il surriscaldamento delle celle ha un impatto negativo sull’efficienza dei moduli e sul rendimento dell’intero impianto.
2. La sporcizia.
   I materiali che si possono accumulare sulla superficie dei pannelli (terra, sabbia, inquinamento, escrementi di volatili, foglie, resine, ecc…) hanno un impatto negativo sulla piena ricezione della luce solare e ostacolano il rendimento dell’impianto fv. Alla lunga potrebbero anche compromettere il ritorno economico previsto dal piano d’investimento. Le perdite di rendimento dovute a questo tipo “inefficienza” possono essere molto variabili e dipendono molto dalle condizioni ambientali e dalla frequenza di pulizia dei pannelli. La pulitura non è, in questo caso, solo un elemento “estetico”, ma “funzionale”.
3. Gli ombreggiamenti.
   Possono essere “passeggeri” (in alcune fasce orarie) e possono derivare dalla presenza circostante di alberi, altri edifici o anche di camini presenti sul tetto stesso. Queste sono inefficienze “calcolabili”. Hanno un alto indice di variabilità, invece, gli altri ombreggiamenti passeggeri provocati da nuvole e dell’ambiente circostante. Ci sono comunque tecnologie in grado di ridurre al minimo l’incidenza degli ombreggiamenti sul rendimento dell’impianto fotovoltaico. Le vediamo più avanti in questa guida.
4. Cablaggi e Connettori.
   Anche l’utilizzo di cavi e connettori causano piccole perdite di rendimento. Si tratta, in questo caso, di dispersioni elettriche che incidono solo in minima parte sul rendimento complessivo dell’impianto.
5. Mismatch.
   Potremmo tradurre il termine Mismatch come “mancata corrispondenza” o, meglio, come “irregolarità”. Che significa? Significa che non tutti i pannelli della stessa marca, della stessa potenza e dello stesso modello, producono in maniera perfettamente omogenea. Tra pannelli simili, sottoposti alle stesse condizioni di funzionamento, ci sono sempre minime variazioni di rendimento. Si tratta di minime variazioni “di fabbrica” che danno ai pannelli caratteristiche elettriche leggermente differenti. Anche questo “mismatch” può essere uno dei fattori da prendere in considerazione per stimare le perdite di rendimento di un impianto.
6. Efficienza dell’Inverter.
   Il processo di conversione da corrente continua a corrente alternata per mezzo di un inverter ha normalmente un’efficienza intorno al 96-97%. Gli inverter hanno tipicamente un’efficienza di conversione ottimale quando la potenza della corrente continua “in ingresso” è elevata, ma sempre al di sotto della potenza nominale dichiarata.
7. Anzianità.
   Le celle fotovoltaiche, che durano dai 20 ai 25 anni, non producono in maniera omogenea durante tutto il loro periodo di vita: hanno un calo del rendimento che viene stimato a 0,5% l’anno. A fine vita un impianto fv, potrà dunque avere un rendimento di circa il 10-12 per cento inferiore rispetto a quello che aveva all’inizio. Questo dipende da un degrado “fisiologico” dei materiali e dei componenti e deve venire considerato fin dall’inizio nel piano di ammortamento dell’impianto.

Come dimensionare un Impianto Fotovoltaico partendo dalla Bolletta

Come di consueto, si parte dai “bisogni”. Qual è il primo strumento che abbiamo per capire di quanta elettricità abbiamo bisogno? La Bolletta Elettrica.

Normalmente la bolletta ci da alcune importanti indicazioni su come dimensionare correttamente un impianto fotovoltaico: ci indica quali sono i nostri consumi e ci indica, soprattutto, in quali fasce orarie avvengono. L’altro elemento che ci indica la bolletta è.. il costo: quanto spendiamo mensilmente per far fronte ai bisogni energetici della nostra abitazione o della nostra attività?

Con queste importanti informazioni siamo già in grado di fare i nostri calcoli per capire se e quanto il fotovoltaico può esserci utile, se e quanto può farci risparmiare, considerando che l’impianto produce molto di giorno “inseguendo” i cicli giorno/notte e estate/inverno.

La bolletta elettrica, dunque, rivela informazioni su costi e consumi elettrici. Con queste informazioni è possibile stimare le dimensioni più adatte per il nostro impianto fotovoltaico che possono compensare i nostri consumi in maniera ottimale.

Fabbisogno giornaliero di energia = consumo medio mensilegiorni del mese

Ipotizzando un consumo mensile di una piccola attività pari a 500 kWh e considerando un mese di 30 giorni, abbiamo:

Fabbisogno giornaliero di energia = 500 kWh/mese30 = 16,7 kWh/giorno

Avremo bisogno di un impianto che produca, in media, 16 kWh/giorno. La produzione giornaliera è molto variabile in base alle stagioni: d’inverno l’impianto produrrà meno di questa media. D’estate dovrà produrre di più. Il meccanismo dello scambio sul posto andrà a compensare (in parte) queste fluttuazioni produttive stagionali.

Oltre al fabbisogno giornaliero dobbiamo considerare il valore dell’irraggiamento solare che varia in base a dove viene installato il fotovoltaico. Come parametro di riferimento vengono utilizzate le Ore di Sole Equivalenti per ogni specifica zona. Per individuare le “ore di sole equivalenti” ci sono apposite tabelle, ma indicativamente possiamo definirle come il numero ipotetico di ore giornaliere in cui l’irraggiamento a 1.000 Watt/m² produrrebbe l’energia prodotta in media da quella zona. Per esempio: “6 ore equivalenti” significa che in una zona l’energia ricevuta dal sole in un giorno equivale all’energia che avrebbe ricevuto la stessa zona in sei ore con un irraggiamento pari a 1.000 Watt/m². E’ una sorta di “normalizzatore” per misurare il potenziale di produzione di un luogo e poterlo confrontare con altri luoghi.

Graficamente possiamo rappresentarlo in questo modo.

Ipotizzando di trovarci in una zona pari a 5,2 Ore-Equivalenti-Giorno, questa è la formula per individuare il dimensionamento più adatto dell’impianto che corrisponde al nostro fabbisogno giornaliero.

Potenza Impianto FV = Fabbisogno Giornaliero di energiaOre di Sole Equivalenti Giornaliere = 16,7 kWh/giorno5,2 Ore/Giorno = 3,21 kWp

Questa sarebbe la dimensione dell’impianto fotovoltaico se il nostro sistema avesse un’efficienza pari al 100%. Come detto così non è. Per questo bisogna “correggere” questo dimensionamento considerando un tasso medio di inefficienza dovuta a tutti i fattori che abbiamo già elencato in questo articolo: non solo l’efficienza di conversione dell’energia solare, ma anche sporcizia, dispersioni dovute ai cablaggi, connettori, degrado fisiologico dovuto all’anzianità dei moduli, ecc…

Un tasso di inefficienza “standard” che tipicamente viene preso in considerazione è pari 0.8, ma può anche essere molto diverso in relazione al luogo ed alle condizione di installazione.

Dobbiamo quindi aggiungere alla formula questa correzione:

Dimensionamento Impianto FV = Potenza teorica ImpiantoTasso di Inefficienza = 3,21 kW0,80 = 4,01 kWp

Il dimensionamento ottimale di un impianto fotovoltaico per un fabbisogno di circa 16 kWh/giorno in una zona con circa 5 Ore Picco di Sole Equivalenti è dunque di 4 kWp. Ovviamente l’esempio non prende in considerazione l’incidenza di eventuali ombreggiamenti.

Prezzi e durata

Il costo di un pannello non è semplice da stabilire, dipende molto da tipo di impianto, dalla superficie e dalle dimensioni dell’area. Nonostante questo, essendo un sistema modulare, il costo della sostituzione o della manutenzione dei pannelli è semplice e non ha prezzi eccessivi.

La durata dell’impianto fotovoltaico è di circa 22 anni con un tasso di degradazione pari allo 0,4% annuo

Incentivi per installare i pannelli fotovoltaici

Anche nel 2019, fino al 31 dicembre, si può beneficiare delle detrazioni fiscali del 50% su una spesa complessiva di 96.000 euro, perchè l’impianto fotovoltaico rientra nelle ristrutturazioni edilizie e non nel risparmio energetico. Il rimborso verrà effettuato con 10 quote annuali di pari importo. Inoltre, si potrà usufruire dell’Iva al 10%, se si tratta di prima casa si può avere anche al 4%, ma in questo caso non è compatibile con la detrazione fiscale.