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A M B I E N T E E R I S PA R M I O E N E R G E T I C O
Progetto grafico: PRC Roma IMPRESE X INNOVAZIONE
Sistemi fotovoltaici
e loro applicazioni
Questa guida è stata realizzata
in collaborazione con SEETA Consulting Ltd -
Servizi per Ingegneria Ecologica,
Tecnologia ed Architettura, Londra.
Suggerimenti per migliorare l’utilità
di queste guide e per indicare altri argomenti
da approfondire sono più che benvenuti:
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SISTEMI FOTOVOLTAICI E LORO APPLICAZIONI
IL FOTOVOLTAICO luppo sostenibile è molto importante, se
UN FATTORE IMPORTANTE noi desideriamo creare un ambiente favo-
revole per la vita dei nostri figli e delle fu-
La rapida diminuzione delle risorse natu- ture generazioni.
rali e il parallelo aumento dei consumi La comunità scientifica ha raggiunto una
mondiali di energia, in combinazione con opinione concorde sulle ragioni delle al-
gli aumenti dei prezzi internazionali del terazioni climatiche, poiché la temperatu-
petrolio, sono fattori importanti per l’at- ra del mondo, senza dubbio, sta aumen-
tuale situazione nel mondo e spingono a tando. Questo aumento di temperatura è
pensare come migliorare l’uso delle fonti il risultato delle emissioni di ossido di car-
dell’energia rinnovabile e sostenere forte- bonio ed altri gas serra prodotti dalle atti-
mente la loro applicazione a livello mon- vità umane, compresi i processi industria-
diale. Le previsioni internazionali, il pro- li, la combustione di carburanti fossili,
blema del mutamento climatico e le sue nonché i cambiamenti nell’utilizzazione
conseguenze sulla vita e sul pianeta mo- delle risorse della terra come la deforesta-
strano che un cambiamento verso lo svi- zione.
FIGURA 1 - QUOTA DELLE ENERGIE RINNOVABILI NELLA PRODUZIONE MONDIALE DI ELETTRICITÀ
Fonte: European Renewable Energy Council (EREC), 2004
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Nella figura 1 è interessante notare la FIGURA 2 - SCHEMA DEL FOTOVOLTAICO
previsione per la fornitura di elettricità
dalle energie rinnovabili per il 2040, co-
me esse contribuiscano per più dell’80%
alla fornitura globale di elettricità e con
una buona parte fornita dai sistemi foto-
voltaici.
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Il FOTOVOLTAICO: UN FATTORE IMPORTANTE
• Aumento del Prezzo del Petrolio
(100$ al Barile/Gennaio 2008)
• Necessità di una politica energetica
• Incremento delle energie rinnovabili
per un ‘Mix Energetico’
• Sviluppo tecnologico del Fotovoltaico Fonte: Prof. Martin A. Green, University of New South Wales, Sydney
OBIETTIVI: SITUAZIONE DEL FOTOVOLTAICO voltaica come invece è accaduto nei paesi gia. Questa tariffa incentivante può essere
• Minore costo dell’ impianto IN ITALIA europei sopra menzionati. concessa a tutti gli impianti fotovoltaici con
• Maggiore efficienza Tuttavia dal Settembre del 2005 è attivo un potenza superiore ad 1 kWp, mentre l’ente
• Aumento delle applicazioni architettoniche Nel corso degli ultimi anni in molti paesi sistema di incentivazione denominato “Con- pubblico preposto a fornire questo incenti-
europei si è verificata una notevole crescita to Energia” per la produzione di Energia elet- vo è il GSE (Gestore dei Servizi Elettrici). Le
dell’utilizzo di impianti fotovoltaici, come trica attraverso impianti fotovoltaici. In data modifiche introdotte a febbraio 2007 preve-
PERCHÉ È CONVENIENTE USARE in Germania, Olanda e Svizzera mentre in molto recente, febbraio 2007, sono stati in- dono che la richiesta al GSE per la conces-
MAGGIORMENTE L’ENERGIA SOLARE? Italia il mercato è sempre stato limitato ad trodotti cambiamenti radicali allo schema sione della tariffa incentivante debba esser
un uso particolare da parte di utenze disagia- originario. La caratteristica fondamentale di fatta immediatamente dopo l’inizio del fun-
L’energia solare è un combustibile:
te oppure da impianti sperimentali che so- questo sistema di incentivazione è quella di ziamento dell’impianto fotovoltaico.
• Gratuito
no stati realizzati con finanziamenti pubbli- dare un valore all’energia prodotta dall’im-
• Rinnovabile, in quanto praticamente inesauribile
ci e prevalentemente utilizzati per lo studio pianto secondo una tariffa incentivante. In
• Non inquinante, in quanto il suo utilizzo non
determina alcuna emissione di sostanza di questa nuova tecnologia e per le sue ap- altre parole, se lo Stato riconoscesse ai cit- BASE DEL FOTOVOLTAICO/
inquinante e di anidride carbonica, principale plicazioni. Tra l’altro va segnalato che da tadini ed alle aziende titolari di impianti fo- DATI/TECNOLOGIA
responsabile dell’effetto serra e del parte dei vari governi che si sono succeduti tovoltaici oltre ad un contributo sulla pro-
riscaldamento serra e del riscaldamento nel corso degli anni non è mai stata avviata duzione di energia elettrica, anche un siste- L’effetto fotovoltaico
globale in atto una campagna di finanziamenti a fondo ma di sgravi fiscali più vantaggiosi e finan- L’ effetto fotovoltaico converte la luce del
• Accessibile a tutti perduto per coprire i costi iniziali di acqui- ziamenti di altra natura, ci sarebbe una mag- sole direttamente in elettricità.
sto ed installazione della tecnologia foto- gior attrattiva verso questo tipo di tecnolo- Fu scoperto per la prima volta nel 1860 ed
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è dovuto ad una caratteristica fisica dei ma- pannello rettangolare, spesso pochi millime- Elementi di un impianto fotovoltaico
teriali detti «semiconduttori», tra cui il sili- tri, con una superficie fra 0,1 e 3 m2 del pe- Un impianto fotovoltaico è costituito da una
cio (usato anche nei componenti elettroni- so di qualche chilogrammo, con prestazioni serie di pannelli fotovoltaici collegati fra lo-
ci), il boro e il fosforo (questi ultimi servo- differenti a seconda della qualità delle celle ro ed appoggiati ad una struttura che li sor-
no per dare la positività e la negatività). utilizzate della relativa tecnologia di fabbri- regge e provvede al loro orientamento, dan-
Quando un raggio luminoso colpisce la cel- cazione. do un’inclinazione rispetto al piano orizzon-
la solare alcuni fotoni (particelle di energia tale che in Italia è ottimale di circa 30°.
che lo compongono) trasferiscono la loro Sistemi fotovoltaici I pannelli fotovoltaici sono collegati ad un
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energia agli elettroni che, incominciando a I sistemi fotovoltaici si dividono in due tipi: inverter che è un dispositivo elettronico che
muoversi in una direzione particolare, crea- 1. Sistemi “Stand Alone“ o con accumulo, consente di adeguare l’energia elettrica pro-
no corrente elettrica continua. Facendo pas- quando l’unica fonte di energia utilizza- dotta dai moduli alle necessità delle appa-
sare per fili metallici molto sottili la corrente ta per alimentare una utenza isolata è l’e- recchiature elettriche o alla rete, effettuando
ottenuta e aggiungendo altre correnti prove- nergia solare fotovoltaica. la trasformazione della corrente da continua
nienti da altre cellule simili che compongo- 2. Sistemi “Grid Connected“ o connessi in ad alternata con una frequenza di 50 Hz.
no il pannello, si può raggiungere la poten- rete (Tetti Fotovoltaici), quando l’energia Successivamente sulla linea è installato un
za necessaria all’uso desiderato (Figura 2). elettrica prodotta con il sistema fotovol- misuratore di energia che serve a misurare
Le celle fotovoltaiche sono fatte di sottili fet- taico viene immessa direttamente nella e conteggiare l’energia prodotta dall’im-
te di silicio, spesse da 0,3 a 0,5 mm, di for- ma circolare, rettangolare o ottagonale. Le rete dell’utente per effettuare lo scambio pianto e quella immessa nella rete. Com-
due superfici della cella vengono metalliz- di energia elettrica con il proprio fornito- pletano l’impianto quadri, cavi, interruttori
FIGURA 3 - MODULO FOTOVOLTAICO zate per permettere il loro collegamento elet- re (Fonte: Tecnosolar). ed altri dispositivi di protezione.
trico. Nella parte da esporre al sole, la me-
FIGURA 4 - SCHEMA DI UN PICCOLO IMPIANTO FOTOVOLTAICO CONNESSO ALLA RETE
tallizzazione assume la forma tipica di una
griglia affinché la luce solare possa passare.
Le celle fotovoltaiche cristalline sono usual-
mente disposte in strati sottili e piani colle-
gati fra loro, oppure quelle a film sottile,
possono essere ottenute creando una pelli-
cola sottile ed uniforme ricavata distribuen-
do il materiale polverizzato direttamente su
un supporto, grazie alle tecnologie del vuo-
to. Essendo la cella fotovoltaica costituita
da un materiale molto delicato, viene pro-
tetta nella parte superiore da un vetro o da
un altro materiale trasparente e specifica-
Fonte: Prof. Martin A. Green,
University of New South Wales, Sydney mente trattato (Figura 3).
Fonte: Enel
Il dispositivo più utilizzato consiste in un
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Vantaggi della tecnologia Per fabbricare i moduli l’industria del foto-
La tecnologia fotovoltaica offre particolari voltaico usa il silicio cristallino oppure la
vantaggi: tecnologia più avanzata del film sottile. Nel
• Non produce alcun tipo di inquinamen- caso del cristallino vengono comunemente
to ambientale. utilizzati wafer di silicio monocristallino
• La manutenzione è minima. (single-Si) o policristallino (poli-Si) mentre
• Può essere utilizzata ovunque quando ci tecnologie emergenti prevedono l’utilizzo
sia luce solare. di silicio deposto sotto forma di nastri (rib-
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• Non ci sono perdite nella linea elettrica bon-Si). In ogni caso, il processo di fabbri-
essendo l’impianto installato vicino agli cazione delle celle per la realizzazione dei
apparecchi che lo utilizzano. moduli fotovoltaici è quello tipico dell’in-
• Varie applicazioni, da pochi milliwatt a dustria dei semiconduttori.
molti megawatt, e la potenza dell’impian- I fabbricanti di cellule solari poi assembla-
to può essere modificata senza problemi. no le cellule nei moduli o vendono le stes-
• L’area occupata da un sistema fotovol- solari si usa di più il silicio policristallino. Il se a fabbricanti di moduli per il loro mon-
Dati del fotovoltaico taico di 1 MW (1.000 kW) è di circa 1,5 pannello che viene usato maggiormente è taggio. Poiché la prima applicazione impor-
• L’energia solare globale che arriva sulla ettari (15.000 m 2). L’impegno del terri- quello “a doppio vetro” dove la cella foto- tante del fotovoltaico è quella di ricaricare
terraferma è superiore di oltre 2.000 volte torio è dovuto per il 50% alle aree oc- voltaica è incapsulata tra due strati di vetro le batterie, molti moduli in vendita sul mer-
agli attuali consumi energetici mondiali. cupate dai moduli e dalle parti del siste- ad alta resistenza e uniti con uno strato di cato sono progettati per dare corrente con-
• La produzione degli impianti fotovoltaici ma e per l’altro 50% alle aree “di rispet- silicone trasparente. tinua ad una intensità leggera ai 12 V.
attualmente installati in Italia è stimabile to”, di fatto libere, ma necessarie per
FIGURA 5 - PANORAMICA GENERALE DELLE TECNOLOGIE DEL FOTOVOLTAICO
in 120 milioni di kWh/anno. evitare l’ombreggiamento reciproco del-
• La produzione di energia è uguale alla le file di moduli. CELLULE SOLARI
potenza dell’impianto per le ore “equi- • Una centrale di 1 MW può fornire l’ener-
valenti” del suo sfruttamento (dipendenti gia necessaria a soddisfare la domanda Cristallino Film sottile
dal sito). di circa 500 utenti.
• Producibilità = Potenza x ore-equivalenti
Silicio Silicio Silicio Diseleniuro
(kWh/anno) = (kW) x (1.200 h/anno) Tecnologie del fotovoltaico sul mercato Monocristallino Policristallino Amorfo di Indio e Rame (CIS)
• Il consumo tipico di una famiglia di 4 Le celle fotovoltaiche sono costituite in sili- Tellurio di Cadmio (CdTe)
persone in un anno = 2.500-3.500 kWh. cio di diverse tipologie:
• L’area occupata dai moduli fotovoltaici • silicio monocristallino;
di un impianto da 1 kW è circa 10 m2. • silicio policristallino;
• L’area di un generatore fotovoltaico che • silicio amorfo.
può soddisfare la domanda di una fami- Poiché il silicio monocristallino ha costi di
glia tipo è di circa 15-30 m2 in una loca- produzione più elevati rispetto al policri-
Fonte: Prof. Silke Krawietz, Building Integration of Photovoltaics, 2008
lità dell’Italia meridionale. stallino, attualmente per costruire i pannelli
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6. SISTEMI FOTOVOLTAICI E LORO APPLICAZIONI
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FIGURA 6 - DISTRIBUZIONE PER TECNOLOGIE Tecnologia fotovoltaica del film sottile
DELLA PRODUZIONE MONDIALE
DI CELLE FOTOVOLTAICHE Per la fabbricazione del film sottile esistono
quattro tecnologie avanzate. I loro nomi de-
Altro
rivano dal materiale utilizzato nelle cellule:
Film sottili 3% Silicio
7% tellurio di cadmio (CdTe), diseleniuro di indio
monocristallino
32% e rame (copper indium diselenide – CIS), si-
licio amorfo (a-Si) e film sottile di silicio (thin
film-Si). Il silicio amorfo è l’unico che ha una
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produzione commerciale, mentre le altre tre
tecnologie si stanno progressivamente avvi-
cinando al mercato. I moduli a film sottile superficie e efficienza ed hanno in comune anche le forti sinergie con l’industria di vetri
sono fabbricati direttamente sul substrato, una serie di principi generali. In ognuna del- per l’architettura e l’industria di pannelli piat-
Silicio senza bisogno di processi intermedi di fab- le tecnologie del film sottile soltanto una pic- ti offrono importanti opportunità per la fab-
policristallino bricazione (Fonte: Retscreen). colissima quantità di materiale semicondut- bricazione su grande scala e a basso costo.
58% Il film sottile del fotovoltaico è una tecnolo- tore è usato (in genere sono di spessore di L’industria dei pannelli fotovoltaici a film sot-
gia a basso costo, a causa dei minori costi per 0,001 mm) ed il materiale utilizzato per la tile sta decollando e la sfida è adesso aumen-
Fonte: European Commission, Directorate J – Energy,
‘A vision for Photovoltaic technology’, 2005 il materiale e la produzione. Ci sono tre protezione come vetro o plastica è relativa- tare abbastanza velocemente per stabilire una
tecnologie di film sottili su base inorganica e mente poco costoso. La disponibilità di presenza significativa nel mercato del foto-
Un tipico modulo al silicio cristallino con- tutte hanno realizzato moduli solari a grande un’ampia scelta di attrezzature per la deposi- voltaico. La probabile evoluzione delle capa-
siste in una serie di circuiti di circa 36 cel- zione ed i relativi processi tecnologici, come cità produttive già è mostrata nella figura 8.
FIGURA 7 - FILM-SOTTILE CON TRASPARENZA,
lule inserite in una protezione di vetro o ASITHRU® MODULO
FIGURA 8 - EVOLUZIONE DELLA CAPACITÀ PRODUTTIVA MONDIALE DEI FILM SOTTILI
plastica per prevenire danni all’ambiente SU SCALA MONDIALE NEI PROSSIMI ANNI
circostante ed atmosferico. Questa prote- 1.400 –
zione è rinchiusa in una cornice e provvi-
Production capacities in MW/a
sta di contatti elettrici o scatola di connes-
1.200 – CdTe
sione (junction box). L’efficienza della con- 1.000 – a-Si/rel.
versione normale da energia solare ad ener- CIS
800 – Total
gia elettrica per un normale modulo di sili-
thin films
cio cristallino varia dall’11% al 15%. 600 –
Come si è visto, il materiale di cui è com-
400 –
posta la cella, la sua struttura molecolare e
la configurazione elettronica sono gli ele- 200 –
menti che maggiormente influiscono sulle
0–
prestazioni del dispositivo. Attualmente, il 2005 2006 2007 2008 2009 2010
mercato del fotovoltaico è dominato dalle Year
Fonte: Tecnosolar.net
tecnologie al silicio. Fonte: Schott Solar GmbH
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APPLICAZIONI FIGURA 10 - COPERTURA SEMITRASPARENTE CON PANNELLI FOTOVOLTAICI.
STILLWELL STAZIONE DI NEW YORK, INAUGURAZIONE 2005
DEL FOTOVOLTAICO
Sistemi di utilizzo: l’energia fotovoltaica
La tecnologia fotovoltaica consente di tra-
sformare direttamente le radiazioni solari in
energia nelle situazioni più diverse: dalle ca-
se o comunità isolate ai sistemi di segnala-
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zione aerei, marittimi e terrestri, dagli im-
pianti di telecomunicazione a quelli di dis-
salazione di acque marine, dosatori di clo-
ro, protezione catodiche, dall’illuminazione
pubblica ai sistemi di refrigerazione, fino al-
le centrali di produzione collegate alla rete
FIGURA 9 - FACCIATA CON PANNELLI FOTOVOLTAICI,
SEDE CENTRALE AUDI DI INGOLSTADT, ASI OPAK® MODULI
Fonte: Schott Solar GmbH
elettrica e alle generazioni di energia elettri- di elettricità è la rete a fornire l’energia ri-
ca integrata negli edifici (tetti fotovoltaici). chiesta. Viceversa, se il sistema fotovoltaico
Il grande interesse verso il fotovoltaico na- produce più energia di quanta sia effettiva-
sce dalle seguenti sue caratteristiche: dispo- mente richiesta dal carico, il surplus viene
nibilità sul territorio della fonte solare, mo- trasferito alla rete e contabilizzato.
dularità, affidabilità, minime esigenze di Questi sistemi ovviamente non hanno bi-
manutenzione, assenza di emissioni inqui- sogno di batterie, perchè è la rete stessa che
nanti in loco (Fonte: Tecnosolar). sopperisce alla fornitura di energia elettri-
ca nei momenti di scarsa o assente insola-
Tetti fotovoltaici / Facciate fotovoltaiche zione!
Sono sistemi permanentemente collegati al-
la rete elettrica; nelle ore in cui il generato- L’efficienza dell’impianto fotovoltaico
Fonte: Schott Solar GmbH re fotovoltaico non è in grado di produrre La produzione di energia tramite gli impian-
l’energia necessaria a coprire la domanda ti fotovoltaici dipende da vari fattori:
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8. rare i diversi valori di insolazione media di
Milano (1.372,4 kWh/m2 anno), di Roma
(1.737,4 kWh/m2 anno) e di Trapani
(1.963,7 kWh/m2 anno). Anche le caratte-
ristiche morfologiche e atmosferiche della
zona hanno un ruolo importante nel deter-
minare la potenza della radiazione solare
e la raccolta di energia fotovoltaica.
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• Efficienza dei moduli fotovoltaici. In con-
dizioni “standard” d’insolazione (1.000
W/m2, temperatura del modulo di 25°C)
si stima che l’efficienza dei moduli foto-
voltaici oscilli mediamente tra 13-15%
(Fonte Ecoage).
• Aumento dell’efficienza dei moduli e cel-
le solari, allo scopo di renderle più van-
• Superficie dell’impianto. L’inclinazione taggiose (tra le altre ricerche in corso nel
ideale dei pannelli solari rispetto al terre- campo dello sviluppo delle nuove cellule
no è di 30°. Per le altre pendenze la per- solari e la loro riduzione di costi).
dita oscilla dal -10% per inclinazioni oriz- • Diminuzione e riduzione dei costi di pro-
zontali (tetto piano) e -35% per inclina- duzione per i moduli del fotovoltaico ed
zioni completamente verticali (pareti i componenti del sistema. Una generale
esterne). riduzione dei prezzi del fotovoltaico ed
• Posizione dei pannelli rispetto al sole. I una più diffusa applicazione andranno di
pannelli devono essere esposti a sud per pari passo.
ricevere il massimo irraggiamento solare. Sono attese nuove forme architettoniche e
Orientando i pannelli verso sud-est o ver- variazioni del design con l’integrazione di
so sud-ovest si ottiene una perdita del - nuovi moduli e cellule fotovoltaiche negli
5%. È importante anche correggere l’incli- edifici. La ricerca nel campo delle nuove
nazione in base alla propria latitudine. forme della tecnologia fotovoltaica (ad
L’inclinazione dei pannelli deve essere ag- esempio, la Terza Generazione delle cellu-
giustata con angolo di inclinazione pari le solari, etc.) sono in futuro molto promet-
alla latitudine locale sottratta di 10° circa. tenti e possono portare sicuramente profon-
• Potenza della radiazione solare. L’ener- de innovazioni, nel lungo termine, insieme
gia solare irraggia diversamente una loca- ad una attesa maggiore efficienza ed a una
lità del nord e del sud Italia. Basti conside- riduzione di costi nello stesso tempo.
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