Gli impianti fotovoltaici sono fondamentalmente classificabili in:

1) Isolati (stand-alone), si veda lo schema sottostante, nei quali l’energia prodotta alimenta direttamente un carico elettrico, e per la parte in eccedenza, viene generalmente accumulata in apposite batterie di accumulatori, che la renderà disponibile all’utenza nelle ore in cui manca l’insolazione;

2) Connessi ad una rete elettrica di distribuzione (grid-connected):  l’energia è convertita in corrente elettrica alternata per alimentare il carico e/o immessa nella rete, con la quale lavora in regime di interscambio. 

Un impianto fotovoltaico è costituito da un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che captano l’energia solare, la trasformano in energia elettrica, sino a renderla disponibile all’utilizzazione da parte dell’utenza. Esso sarà quindi costituito dal generatore, da un sistema di controllo e condizionamento della potenza e, per gli impianti isolati, da un sistema di accumulo.

Il rendimento di conversione complessivo di un impianto sarà il risultato di una serie di rendimenti, che a partire da quello della cella, passando per quello del modulo, delle stringhe, del sistema di controllo della potenza e di quello di conversione, ed eventualmente di quello di accumulo, permette di ricavare la percentuale di energia incidente che è possibile trovare all’uscita dell’impianto, sotto forma di energia elettrica, resa al carico utilizzatore.
La cella

La conversione della radiazione solare in una corrente di elettroni avviene nella cella solare, un dispositivo costituito da una sottile fetta di un materiale semiconduttore, molto spesso silicio.

Essa è generalmente di forma quadrata e di superficie pari circa a 100 cm2, si comporta come una minuscola batteria, producendo – nelle condizioni di soleggiamento tipiche italiane – una corrente di 3 A con una tensione di 0.5 V, quindi una potenza di 1.5 W.

Il modulo

Le celle solari sono assemblate in modo opportuno per costituire un’unica struttura: il modulo fotovoltaico.

I moduli in commercio attualmente più diffusi (con superficie attorno a 0.5 m2) hanno una potenza che va dai 50 W agli 80 W, a seconda del tipo e della efficienza delle celle.

I moduli, in silicio monocristallino, comunemente usati nelle applicazioni commerciali hanno un rendimento complessivo del 10-13 %.

Esistono in commercio anche moduli in silicio policristallino e in silicio amorfo, questi però, rispetto ai primi, hanno un rendimento più basso; pertanto a parità di potenza richiesta occupano una superficie maggiore.

Il campo fotovoltaico

Collegando opportunamente un certo numero di moduli si ottiene un generatore o un campo fotovoltaico, con le caratteristiche desiderate di corrente e tensione di lavoro.

I moduli sono orientati in modo da massimizzare l’irraggiamento solare.

La quantità di energia prodotta da un generatore fotovoltaico varia nel corso dell’anno in funzione del soleggiamento e della latitudine della località. Per ciascuna applicazione il generatore sarà da dimensionare sulla base di: carico elettrico, potenza di picco, possibilità o meno di collegamento alla rete, latitudine del sito e suo soleggiamento, specifiche elettriche del carico utilizzatore, ecc.

A titolo indicativo si consideri che alle latitudini dell’Italia centrale 1 m2 di moduli di buona qualità (a cui corrisponde una potenza installata pari circa a 130 W) possa produrre in media

0.35 kWh/giorno nel periodo invernale e 0.83 kWh/giorno nel periodo estivo; o se si preferisce circa 220 kWh/anno.

Le utilizzazioni dei sistemi fotovoltaici sono sostanzialmente raggruppabili in tre categorie: per utenze isolate, piccoli impianti collegati alla rete elettrica di distribuzione in bassa tensione, grandi impianti di generazione, ovvero centrali di generazione, collegate alla rete elettrica.

Applicazioni per utenze isolate
Pompaggio dell’acqua
Illuminazione
Segnaletica stradale
Alimentazione di ripetitori radio
Ecc.

ESEMPI DI UTILIZZO

Impianto stand-alone/consumo medio

Utilizzando come dato di riferimento, per l’energia giornaliera richiesta da un’utenza a medio consumo, un valore di 3.4 kWh/giorno si riportano di seguito le caratteristiche principali di un sistema relativamente a diverse fasce climatiche.

(*) Negli impianti fotovoltaici si utilizzano apposite batterie di tipo stazionario, mentre solo in casi d’emergenza è possibile adottare batterie per autoveicoli. A differenza di quelle adottate dall’industria automobilistica, queste sono realizzate, ad esempio, con piastre positive tubolari a basso tenore di antimonio, che assicurano: un basso valore di autoscarica; lunga vita (7-8 anni); manutenzione quasi nulla.

Nord Italia
Potenza da installare: 3.270 W

Numero di moduli da 60 W: 54

Capacità di accumulo elettrico per un’autonomia di 4 giorni: 26 kWh

Energia generata in un anno: 3.410 kWh

Centro Italia
Potenza da installare: 1.570 W

Numero di moduli da 60 W: 26

Capacità di accumulo elettrico per un’autonomia di 4 giorni: 21 kWh

Energia generata in un anno: 2.140 kWh

Sud Italia
Potenza da installare: 1.210 W

Numero di moduli da 60 W: 20

Capacità di accumulo elettrico per un’autonomia di 4 giorni: 16 kWh

Energia generata in un anno: 1.890 kWh

Alpi
Potenza da installare: 1.290 W

Numero di moduli da 60 W: 22

Capacità di accumulo elettrico per un’autonomia di 4 giorni: 21 kWh

Energia generata in un anno: 1.700 kWh

Impianto grid-connected/utenza

Utilizzando come dato di riferimento, per l’energia giornaliera richiesta da un’utenza tipo, un valore di 8.5 kWh/giorno si riportano di seguito le caratteristiche principali di un sistema relativamente a diverse fasce climatiche.

Nord Italia
Potenza da installare: 2.780 W

Numero di moduli da 60 W: 46

Energia generata in un anno: 3.080 kWh

Centro Italia
Potenza da installare: 2.130 W

Numero di moduli da 60 W: 36

Energia generata in un anno: 3.150 kWh

Sud Italia
Potenza da installare: 1.850 W

Numero di moduli da 60 W: 31

Energia generata in un anno: 3.120 kWh

Alpi
Potenza da installare: 2.270 W

Numero di moduli da 60 W: 38

Energia generata in un anno: 3.110 kWh