Celle fotovoltaiche, come e perché… II

 

Alimentare una casa con il fotovoltaico

Che cosa si deve fare per alimentare la propria casa con l’energia solare? Anche se non è così semplice come “buttare” alcuni moduli sul tetto, non è neanche molto difficile da fare.

Prima di tutto, non tutti i tetti hanno l’orientamento corretto o l’angolo d’inclinazione per sfruttare appieno l’energia solare. Gli impianti fotovoltaici (montati senza l’ausilio di tracker) nell’emisfero nord dovrebbero idealmente essere rivolti verso il “vero sud” (non quello magnetico), anche se orientamenti che si affacciano in direzioni più a est oppure ovest possono comunque fare a caso nostro, sacrificando però vari gradi di efficienza. I pannelli solari devono anche essere inclinati a un angolo più vicino possibile alla latitudine dell’area per riuscire ad assorbire la massima quantità di energia tutto l’anno. Un diverso orientamento e/o inclinazione può essere utilizzato se si vuole massimizzare la produzione di energia verso la mattina o il pomeriggio, e/o durante l’estate oppure l’inverno. Naturalmente, i moduli non dovrebbero mai essere ombreggiati da alberi o edifici vicini, non importano l’ora del giorno o il periodo dell’anno. In un modulo fotovoltaico, se anche una sola delle sue celle è ombreggiata, la produzione di energia può essere significativamente ridotta.

Se si dispone dunque di una casa che non sia ombreggiata e col tetto rivolto a sud, il prossimo passo è di decidere quale formato d’impianto sia necessario. Questo è complicato dal fatto che la produzione di energia elettrica dipende anche dalle condizioni meteorologiche, che non sono mai del tutto prevedibili, e che la propria domanda di energia elettrica può anche variare. Per fortuna, questi ostacoli sono abbastanza facili da superare. I dati meteorologici danno i livelli medi di luce solare mensile per le diverse aree geografiche. Questo tiene conto di piogge e delle giornate nuvolose, così come di altitudine, umidità e altri fattori più sottili. Si consiglia di progettare per il mese peggiore, in modo da avere abbastanza elettricità durante tutto l’anno. Con tali dati e conoscendo il fabbisogno medio della famiglia in elettricità (la propria bolletta ci permette facilmente di sapere quanta energia si utilizza ogni mese), ci sono metodi semplici che sono facili da impiegare per determinare di quanti moduli fotovoltaici ne abbiamo bisogno. Abbiamo anche bisogno di decidere su la tensione del sistema, che è possibile controllare scegliendo il numero di moduli collegati in serie.

Forse avete già intuito un paio di problemi che dovremo ancora risolvere. In primo luogo, che cosa facciamo quando il sole non splende?

 

Risoluzione dei problemi dell’alimentazione solare

Il pensiero di vivere in base al capriccio del meteorologo probabilmente non entusiasmerà la maggior parte delle persone ma tre scelte principali sono in grado di garantirci di avere ancora elettricità, anche se il sole non sta collaborando. Se si vuole vivere completamente fuori griglia (rete elettrica nazionale), ma non si fida dei pannelli fotovoltaici per la fornitura di tutta l’energia elettrica di cui abbiamo bisogno, è possibile utilizzare un generatore di backup per quando la fornitura solare scarseggia. Il secondo sistema autonomo comporta l’accumulo di energia sotto forma di batterie. Purtroppo, le batterie possono aggiungere un sacco di costi e manutenzione in un impianto fotovoltaico, ma è attualmente una necessità se si vuole essere completamente indipendenti.

L’alternativa è quella di collegare la propria casa alla rete elettrica, acquistando elettricità quando ne abbiamo bisogno e vendendola quando si produce più di quanto si usa. In questo modo la rete pubblica agisce come un sistema d’immagazzinamento in sostanza perpetuo. Tenete a mente, però, che le norme governative possono variare secondo la zona e sono soggette a modifiche. L’azienda elettrica può decidere o no di farne parte, e il prezzo di riacquisto dell’elettricità’ prodotta può variare notevolmente. Avremmo probabilmente anche bisogno di attrezzature speciali per assicurarsi che l’elettricità che si sta cercando di vendere alla rete è compatibile. La sicurezza è un problema pure. La società elettrica deve fare in modo che se c’è un’interruzione di corrente nel nostro quartiere, il sistema fotovoltaico, non deve continuare ad alimentare con energia le linee elettriche che un tecnico penserà libere. Si tratta di una situazione di pericolo chiamato “islanding”, ma può essere evitato con uno inverter speciale (di cui parleremmo nel paragrafo seguente).

Se si decide di utilizzare le batterie invece si dovrà tenere presente che vanno mantenute, e poi sostituite dopo un certo numero di anni. La maggior parte dei pannelli solari tendono a durare circa 30 anni (e longevità ancora migliore è certamente un obiettivo di ricerca), ma le batterie semplicemente non hanno quel tipo di vita utile. Le batterie in impianti fotovoltaici possono essere anche molto pericolose a causa dell’energia e degli elettroliti acidi che contengono, quindi avremmo bisogno di un luogo ben ventilato e un contenitore non metallico per immaganizzarle.

Anche se diversi tipi di batterie sono comunemente usati, la caratteristica che dovrebbero avere tutte in comune è che sono batterie a “ciclo continuo”. A differenza della batteria dell’auto, che è una batteria a “basso ciclo”, una batteria a ciclo continuo può scaricare più della propria energia immagazzinata, pur mantenendo una lunga durata. Le batterie per auto invece possono scaricare una corrente di grandi dimensioni per un tempo molto breve (per riuscire ad avviare l’auto per esempio) e sono ricaricate immediatamente dopo mentre si guida. Le batterie fotovoltaiche generalmente devono scaricare una corrente piccola per un periodo di tempo più lungo (ad esempio durante la notte o durante un’interruzione di corrente), e vengono ricaricate  durante il giorno. Le batterie più comunemente usate sono batterie al piombo (sia sigillato e ventilato) e al nichel-cadmio, entrambi hanno vari pro e contro.

 

Ultimare la configurazione dell’impianto

L’uso di batterie richiede l’installazione di un altro componente chiamato regolatore di carica. Le batterie durano molto più a lungo se non vengono sovracaricate oppure drenate troppo. Questo è ciò che fa un regolatore di carica. Una volta che le batterie sono completamente cariche, il regolatore di carica non lascia che la corrente dai moduli fotovoltaici continui a fluire in esse. Allo stesso modo, una volta che le batterie sono state drenate fino a un livello predeterminato (controllato misurando la tensione della batteria), molti regolatori di carica non consentono più corrente di essere prelevato dalle batterie fino alla loro ricarica. L’uso di un regolatore di carica è essenziale per la vita delle batterie.

L’altro problema oltre all’accumulo di energia è che l’energia elettrica prodotta dai vostri pannelli solari (ed estratta dalle batterie se si sceglie di usare loro), non è nella forma che viene fornita dalla rete pubblica o usata dai dispositivi elettrici nella nostra casa. L’energia elettrica prodotta da un sistema solare è sotto forma di corrente continua (DC), quindi è necessario uno inverter per la sua conversione in corrente alternata (AC). E come abbiamo discusso nell’ultima pagina, a parte il passaggio DC ad AC, alcuni inverter sono inoltre progettati per proteggere contro l’islanding se il sistema è collegato alla rete elettrica.

La maggior parte degli inverter a grandi dimensioni vi permetterà di controllare automaticamente come funziona il sistema. Alcuni moduli fotovoltaici, chiamati moduli AC, in realtà hanno un inverter già integrato in ogni modulo (un microinverter appunto), eliminando la necessità di un grande inverter centrale, e semplificando problemi di cablaggio.

Includiamo a tutto questo, la ferramenta di montaggio, cablaggio, scatole di derivazione, apparecchiature di messa a terra, protezione da sovracorrente, e altri accessori, e otteniamo un impianto fotovoltaico proprio completo. È necessario seguire codici elettrici (c’è una sezione dedicata al fotovoltaico) ed è altamente raccomandato che un elettricista qualificato che ha esperienza con i sistemi fotovoltaici faccia l’installazione. Una volta installato, un impianto fotovoltaico ha bisogno di pochissima manutenzione (soprattutto se non si utilizzano le batterie) e ci fornirà di energia elettrica in modo pulito e in silenzio per 20 o più anni.

 

Gli sviluppi della tecnologia delle celle solari

Abbiamo parlato molto di come funziona un tipico sistema fotovoltaico, ma, le questioni riguardanti il rapporto costo-efficacia (di cui parleremo in più anche in seguito) hanno stimolato sforzi di ricerca infiniti volti a sviluppare e mettere a punto nuove modalità per rendere la produzione di energia solare sempre più competitiva in confronto alle fonti energetiche tradizionali.

Per esempio, il silicio monocristallino non è l’unico materiale utilizzato nelle celle fotovoltaiche. Il silicio policristallino viene utilizzato nel tentativo di ridurre i costi di produzione, anche se le celle risultanti non sono cosi efficienti come quelle monocristalline. La seconda generazione della tecnologia delle celle solari è costituita da ciò che è noto come celle fotovoltaiche a film sottile. Mentre tendono a sacrificare un po’ di efficienza, sono più semplici e più economici da produrre, e diventano sempre più efficienti attraverso innovazioni del campo col passare del tempo. Le celle solari a film sottile possono essere fatte da una varietà di materiali, tra cui il silicio amorfo (che non ha una struttura cristallina), arseniuro di gallio, diseleniuro di rame indio e tellururo di cadmio.

Un’altra strategia per aumentare l’efficienza è quello di utilizzare due o più strati di materiali diversi con diverse energie di gap. Ricordate che in base al substrato, sono assorbiti fotoni di energie variabili? In tal modo impilando materiali ad alta energia di gap sulla superficie della cella per assorbire fotoni ad alta energia (consentendo ai fotoni di energia inferiore di essere assorbiti dal materiale sottostante con energia di gap inferiore), possiamo raggiungere efficienze molto superiori. Tali celle, chiamate celle a multigiunzione, possono avere più di un campo elettrico.

Tecnologia fotovoltaica detta a concertazione è un altro campo di sviluppo molto promettente. Invece di limitarsi a raccogliere e convertire solo la parte della luce solare che capita di arrivare per essere convertita in energia elettrica, i sistemi fotovoltaici a concentrazione utilizzano in aggiunta strumenti ottici come lenti e specchi per concentrare una maggiore quantità dell’energia solare su delle celle solari altamente efficienti. Sebbene questi sistemi siano generalmente più costosi da produrre, hanno un numero di vantaggi rispetto alle tradizionali configurazioni dei pannelli solari e questo incoraggia successivi sforzi di ricerca e sviluppo.

Tutte queste diverse versioni di tecnologia delle celle solari spronano le aziende di ideare applicazioni e prodotti che spaziano dagli aerei solari a centrali elettriche messe nello spazio fino agli oggetti di uso più quotidiano come fotovoltaiche tende, vestiti e borse per laptop. Nemmeno il mondo in miniatura delle nanoparticelle è stato risparmiato, e ricercatori stanno pure esplorando il potenziale di celle fotovoltaiche a produzione biologica.

Ma se il fotovoltaico è una meravigliosa fonte di energia gratis, allora perché non tutto il mondo gira a energia solare?

 

I costi dell’energia solare

Alcune persone hanno un concetto sbagliato sull’energia solare. Mentre è vero che la luce solare è gratis, l’energia elettrica prodotta da impianti fotovoltaici, non lo è. Ci sono molti fattori coinvolti nel determinare se l’installazione di un impianto fotovoltaico vale il prezzo.

In primo luogo, c’è la questione di dove si risiede. Le persone che vivono in parti soleggiate del mondo iniziano con un vantaggio maggiore rispetto a quelle finite in località meno assolate, in quanto i loro sistemi fotovoltaici sono generalmente in grado di generare più elettricità. In aggiunta a questo, il costo dei servizi della rete elettrica pubblica in una zona dovrebbe essere preso in considerazione. Tariffe elettriche variano notevolmente da luogo a luogo, in modo che qualcuno che vive più a nord può ancora prendere in considerazione una soluzione solare se i loro costi sono particolarmente elevati.

Poi, c’è il costo d’installazione, nonostante il prezzo di listino, ci sono diversi modi per coprire il costo di un impianto fotovoltaico sia per i residenti e le aziende che vogliono aggiornarsi e passare al fotovoltaico. Questi sono sotto forma d’incentivi fiscali europei e statali, sconti aziendali della rete pubblica e le opportunità di finanziamento. Inoltre, secondo quanto sia grande la configurazione del pannello solare, e quanto sia performante, si potrebbe avere un ritorno d’investimento più veloce, producendo più di quello che si necessità. Infine, un importante fattore e l’aggiunta stima del valore della casa. L’installazione di un impianto fotovoltaico potrebbe aggiungere migliaia di euro al valore di una casa.come avrete notato dalla nostra discussione di un sistema fotovoltaico domestico, un po’ di roba è necessaria. A partire dal 2009, una configurazione residenziale di pannelli fotovoltaici in media si aggira tra  8 e  10 euro per watt. Più grande è il sistema, meno costa tipicamente per watt. E’ anche importante ricordare che molti sistemi di energia solare non coprono completamente il carico di energia elettrica 100% del tempo. Le probabilità sono, che si dovrà ancora pagare la bolletta elettrica, anche se sarà certamente inferiore.

In questo momento, l’energia solare ha ancora qualche difficoltà a competere con la rete pubblica, ma i costi stanno scendendo perché’ la ricerca migliora la tecnologia. I sostenitori sono fiduciosi che il fotovoltaico potrà un giorno diventare costo-efficace nelle aree urbane, oltre a quelle rurali. Parte del problema è che la produzione deve essere fatta su larga scala per ridurre i costi, il più possibile. Questo tipo di domanda di fotovoltaico, tuttavia, non esisterà fino a quando i prezzi non scenderanno a livelli ancor più competitivi. E’ un circolo vizioso. Tuttavia, con i costanti miglioramenti dell’efficienza dei moduli, della domanda in continua crescita, i prezzi che scendono e il mondo che diventa sempre più consapevole dei problemi ambientali connessi alle fonti di energia convenzionali, risulta probabile che il fotovoltaico avrà un futuro molto promettente.

Celle fotovoltaiche, come e perché… II
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