Il funzionamento dei dispositivi fotovoltaici si basa sulla capacità di alcuni materiali semiconduttori, opportunamente trattati, di convertire l'energia della radiazione solare in energia elettrica in corrente continua senza bisogno di parti meccaniche in movimento. Il materiale semiconduttore quasi universalmente impiegato oggi a tale scopo è il silicio. Il componente base di un impianto FV è la cella fotovoltaica, che è in grado di produrre circa 1,5 Watt di potenza in condizioni standard, vale a dire quando essa si trova ad una temperatura di 25 °C ed è sottoposta ad una potenza della radiazione pari a 1000 W/m². La potenza in uscita da un dispositivo FV quando esso lavora in condizioni standard prende il nome di potenza di picco (Wp) ed è un valore che viene usato come riferimento. L'output elettrico reale in esercizio è in realtà minore del valore di picco a causa delle temperature più elevate e dei valori più bassi della radiazione.

L’alternanza giorno/notte, il ciclo delle stagioni, le variazioni delle condizioni meteorologiche fanno sì che la quantità di energia elettrica prodotta da un sistema fotovoltaico non sia costante né al variare delle ore del giorno, né ne al variare dei mesi dell’anno.Ciò significa che, nel caso in cui si voglia dare la completa autonomia all’utenza, occorrerà o collegare gli impianti alla rete elettrica di distribuzione nazionale o utilizzare dei sistemi di accumulo dell’energia elettrica che la rendano disponibile nelle ore di soleggiamento insufficiente.     

La cella

La cella fotovoltaica è il componente elementare del sistema ed è costituita da una sottile “fetta” di un materiale semiconduttore, quasi sempre silicio, (l’elemento più diffuso in natura dopo l’ossigeno) di spessore pari a circa 0,3 mm. Può essere rotonda o quadrata e può avere una superficie compresa tra i 100 e i 225 cm2.

Il silicio che costituisce la fetta viene “drogato” mediante l’inserimento su una “faccia” di atomi di boro (drogaggio p) e sull’altra faccia con piccole quantità di fosforo (drogaggio n). Nella zona di contatto tra i due strati a diverso drogaggio si determina un campo elettrico; quando la cella è esposta alla luce, per effetto fotovoltaico, si generano delle cariche elettriche e, se le due facce della cella sono collegate ad un utilizzatore, si avrà un flusso di elettroni sotto forma di corrente elettrica continua.

Attualmente il silicio, mono e policristallino, impiegato nella costruzione delle celle è lo stesso utilizzato dall’industria elettronica, che richiede materiali molto puri e quindi costosi.

Tra i due tipi il silicio policristallino è il meno costoso, pur avendo rendimenti leggermente inferiori.

Per ridurre il costo della cella sono in studio nuove tecnologie che utilizzano il silicio amorfo e altri materiali policristallini, quali il seleniuro di indio e rame e il tellurio di cadmio.

Una cella fotovoltaica di dimensioni 10x10 cm si comporta come una minuscola batteria, e nelle condizioni di soleggiamento tipiche dell’Italia (1 kW/m2), alla temperatura di 25°C fornisce una corrente di 3 A, con una tensione di 0,5 V e una potenza pari a 1,5-1,7 Watt di picco. L’energia elettrica prodotta sarà, ovviamente, proporzionale all’energia solare incidente, che come sappiamo varia nel corso della giornata, al variare della stagioni, e al variare delle condizioni atmosferiche, ecc.    

Mercato dei sistemi fotovoltaici

Il mercato fotovoltaico mondiale ha conosciuto negli ultimi anni un notevole sviluppo, passando dai 45 MWp (Megawattpicco=milioni di wattpicco)del 1990, ai 1300 MWp del 2002. Questo grande risultato è stato  possibile grazie al parallelo sviluppo di due tipologie di applicazioni: gli impianti isolati e quelli installati sugli edifici ed integrati alla rete elettrica.

Gli incrementi più elevati nella potenza installata sono stati senza dubbio quelli del Giappone, degli Stati Uniti e della Germania, soprattutto grazie ai programmi di incentivazione da parte dello stato che, non solo hanno fornito sussidi per l'installazione di impianti FV, ma in alcuni casi (come in Germania) hanno comprato l'elettricità in eccesso prodotta da tali impianti e riversata in rete ad un prezzo molto maggiore di quello di vendita dell'elettricità tradizionale, come a voler "premiare" le caratteristiche ecologicamente compatibili di tale energia. In Italia, dopo una fase di grande fermento della prima metà degli anni '90 in cui l'ENEL ha installato diverse centrali fotovoltaiche (la più grande delle quali la centrale di Serre nel salernitano di 3,3 MWp), il mercato ha vissuto un forte rallentamento soprattutto per l'assenza di adeguati meccanismi di incentivazione.

Il Programma Tetti Fotovoltaici ha dato a tutto il comparto fotovoltaico una forte accelerazione: nel 2004 sono state installazioni per complessivi 23 MW dalla partenza del programma. Ora (2007) questo governo ha promesso incentivi decisamente sostenuti per coloro che volessero utilizzare questo ed altri sistemi per il risparmio energetico, attendiamo di conoscere maggiori dettagli.

Data la loro modularità, i sistemi fotovoltaici presentano una estrema flessibilità di impiego. La principale classificazione dei sistemi fotovoltaici divide i sistemi in base alla loro configurazione elettrica rispettivamente in:

• sistemi autonomi ("stand alone")

• sistemi connessi alla rete elettrica ("grid connected")

I sistemi connessi alla rete elettrica si dividono a loro volta in:

• Centrali fotovoltaiche

• Sistemi integrati negli edifici

La quantità di energia elettrica prodotta da un sistema fotovoltaico dipende da numerosi fattori:

• superficie dell’impianto

• posizione dei moduli FV nello spazio (angolo di inclinazione rispetto all’orizzontale ed angolo di orientamento rispetto al Sud)

• valori della radiazione solare incidente nel sito di installazione
• efficienza dei moduli FV
• efficienza del BOS
• altri parametri (p.es. temperatura di funzionamento)

A titolo di esempio viene calcolata la quantità di energia elettrica mediamente prodotta dai sistemi fotovoltaici in un anno di funzionamento nei tre siti di Roma, Milano e Trapani. Ai fini del calcolo si può ragionare indifferentemente per m² di pannelli o per unità di potenza installata (ad es. 1 kWp). Si ipotizza che i pannelli FV siano inclinati di 30° sull’orizzontale ed orientati verso Sud. Per l'efficienza dei moduli si è preso un valore conservativo di 12.5% (i moduli possono avere efficienze anche fino al 16 – 17%), mentre per quella del BOS un valore dell'85% (include l'efficienza dell'inverter ed altri fattori di perdita, come ad esempio le perdite nei cavi elettrici di collegamento.

Calcolo dell’energia elettrica mediamente prodotta in un anno da 1 kWp di moduli:    

Anche se sono stati realizzati impianti centralizzati di produzione di energia elettrica fotovoltaica di grande potenza (multimegawatt), come quello dell’ENEA a Monte Aquilone (Foggia), attualmente si vanno sempre più diffondendo, grazie anche agli incentivi pubblici, piccoli sistemi distribuiti sul territorio con potenza non superiore a 20 kWp. Gli impianti più diffusi hanno potenze tra 1,5 e 3 kWp.

Questi impianti vengono installati sui tetti o sulle facciate degli edifici, e contribuiscono a soddisfare la domanda di energia elettrica degli utenti. Sono impianti stabilmente collegati alla rete elettrica. Nelle ore in cui il generatore fotovoltaico non è in grado di produrre l’energia necessaria a coprire la domanda di elettricità, la rete fornisce l’energia richiesta.

Viceversa, se il sistema fotovoltaico produce energia elettrica in più, il surplus viene trasferito alla rete e contabilizzato. Negli impianti integrati negli edifici vengono installati due contatori per contabilizzare gli scambi fra l’utente e la rete.

Costi

Le voci che costituiscono il costo di un sistema fotovoltaico sono: costi di investimento, costi d'esercizio (manutenzione e personale) e altri costi (assicurazioni e tasse). Il costo d'investimento è in prima approssimazione diviso al 50% tra i moduli ed il resto del sistema. Nel corso degli ultimi due decenni il prezzo dei moduli è notevolmente diminuito al crescere del mercato.

I costi di un impianto fotovoltaico sono fortemente dipendenti dal tipo di applicazione e di installazione, e sono in continua evoluzione. Ad esempio, il costo di realizzazione, chiavi in mano, di un impianto fotovoltaico connesso alla rete può essere stimato nell’ordine dei 6.500/8.000 €/kWp, dove il valore superiore si riferisce ad impianti di piccola taglia e quello inferiore a quelli di taglia elevata.

Facciamo un esempio:

Prendiamo in considerazione una famiglia di 4 persone che vive nell’Italia centrale. Il consumo elettrico medio annuo è di circa 2.500 kWh. Per far fronte a tale domanda di energia si può utilizzare un impianto fotovoltaico con moduli in silicio policristallino che sono i più economici.

che dimensioni dovrà avere l’impianto?

Tenendo conto che, un metro quadrato di moduli in silicio policristallino installato in Italia centrale produce 160 kWh all’anno, bisognerà installare una superficie di 16 metri quadrati di moduli. Considerando che ogni modulo occupa 0,5 metri quadrati, saranno dunque necessari 32 moduli.

Ai costi di mercato attuali, il costo di questo impianto può essere stimato in circa 15.000 €, IVA esclusa.

quanto costa il chilowattora?

Per questo impianto il costo del chilowattora è di circa 0,34 €, IVA esclusa. Questo valore è calcolato tenendo conto del costo dell’investimento, del costo di manutenzione annuo dell’impianto, del numero di chilowattora prodotti in un anno e della durata dell’impianto, di solito considerata superiore ai 30 anni.

Il costo di produzione dell’energia elettrica prodotta con un impianto fotovoltaico è quindi ancora troppo elevato per competere con quello da fonti fossili, che è di circa 0,18 € a kWh.

Però, installare un impianto fotovoltaico diventa economicamente conveniente quando intervengono forme di incentivazione finanziaria da parte dello Stato come attualmente avviene con il programma nazionale “Tetti fotovoltaici” che prevede contributi in conto capitale pari al 75% del costo dell’investimento.

Con questi incentivi il costo del chilowattora si riduce a 0,11 €, IVA esclusa. E anche il tempo necessario per recuperare l’investimento iniziale si riduce, arrivando a valori dell’ordine di circa 10 anni, pochi se confrontati ai circa 30 anni di vita previsti per un impianto.

Per riassumere possiamo dire che l’energia fotovoltaica richiede un forte impegno di capitale iniziale e basse spese di mantenimento: si può dire che “è come se si comprasse in anticipo l’energia che verrà consumata nei prossimi trent’anni”.

Una volta raggiunto il recupero dell’investimento, per il resto della vita utile dell’impianto si dispone di energia praticamente a costo zero”. Dotare la propria casa, azienda, ufficio od altro di un impianto di questo genere, usufruendo dei contributi pubblici, può quindi rivelarsi un buon investimento.

Vantaggi ambientali

I vantaggi dei sistemi fotovoltaici sono la modularità, le esigenze di manutenzione ridotte (dovute all’assenza di parti in movimento), la semplicità d'utilizzo, e, soprattutto, un impatto ambientale estremamente basso. In particolare, durante la fase di esercizio, l'unico vero impatto ambientale è rappresentato dall'occupazione di superficie.

Tali caratteristiche rendono la tecnologia fotovoltaica particolarmente adatta all'integrazione negli edifici in ambiente urbano. Per produrre un chilowattora elettrico vengono bruciati mediamente l'equivalente di 2,56 kWh sotto forma di combustibili fossili e di conseguenza emessi nell'aria circa 0,53 kg di anidride carbonica (fattore di emissione del mix elettrico italiano alla distribuzione). Si può dire quindi che ogni kWh prodotto dal sistema fotovoltaico evita l'emissione di 0,53 kg di anidride carbonica.Questo ragionamento può essere ripetuto per tutte le tipologie di inquinanti.

I combustibili fossili, dai quali ricaviamo circa il 90% dell’energia di cui abbiamo bisogno, bruciando emettono anidride carbonica, CO2, un gas a cui viene attribuito il lento riscaldamento per effetto serra che si sta verificando sul nostro pianeta.

Inoltre i processi di combustione producono ossidi di carbonio (COX), di azoto (NOX), di zolfo (SOX), idrocarburi (HC), che sono causa di una serie di altre modificazioni ambientali, quali l’inquinamento delle città e le piogge acide.

Sistema a celle fotovoltaiche motorizzato. Segue il sole e si orienta automaticamente allo scopo di ottenere la massima insolazione. Il sistema è installato in un piccolo comune in provincia di Treviso (Pederobba) e permette la completa autonomia di un piccolo complesso scolastico.