Universit degli Studi di Genova
Tesi per il Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale:
La produzione di energia rinnovabile mediante impianti fotovoltaici: valutazione di
opportunit sul territorio ligure di ponente.
Capitolo 1 – Introduzione
Allieve: Sara ROSSO e Silvia SIRI
Relatore: Prof. Ing. Raffaele AROSIO
Correlatore: Prof. Ing. Federico DELFINO 6
Figura 1.1 – Proiezioni relative alla capacità produttiva di energia elettrica con fonti rinnovabili -
tasso di crescita annuale del fotovoltaico al 20,6% nel periodo 2010-2020 (fonte: European
Renewable Energy Council)
L’impiego della tecnologia fotovoltaica risulta essere ad oggi tra le soluzioni a minor
impatto ambientale con maggiore versatilità, grazie alla sua modularità ed al fatto di
poter sfruttare per l’installazione superfici che altrimenti rimarrebbero inutilizzate come
tetti, facciate di edifici, pensiline ed aree degradate o marginali.
Partendo dalla descrizione di questi tipi di impianti, dei materiali attualmente impiegati
e di quelli più innovativi, delle loro possibili applicazioni, degli incentivi presenti, del
mercato italiano attuale e della filiera produttiva, si procederà poi a calare tale analisi
nel contesto del territorio di ponente della Regione Liguria, in quanto caratterizzato da
condizioni geomorfologiche adatte ad ospitare tali tipi di impianti, sia per quanto
riguarda valori di irraggiamento medio sia quanto riguarda la disponibilità di superfici
di insediamenti agricoli (serre) o industriali (capannoni) potenzialmente idonee
all’installazione.
La prospettiva con cui è stato sviluppato il presente lavoro è quella di un imprenditore
che, interessato ad un investimento nel settore, si trovasse a dover affrontare tutte le
problematiche relative alla progettazione e alla scelta della tecnologia più conveniente
al suo caso, alla valutazione di fattibilità in termini di iter autorizzativo e di valutazione
finanziaria.
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L’elaborato è strutturato attraverso undici capitoli nel seguente modo:
ξ il primo che è la presente, “Introduzione”;
ξ il secondo “La tecnologia fotovoltaica” delinea le modalità di funzionamento dei
pannelli fotovoltaici, descrivendone la struttura, i componenti e le due possibili
tipologie di installazione (“grid-connected” e “stand-alone”);
ξ il terzo “Tipologie di materiali e moduli fotovoltaici” presenta i materiali
maggiormente utilizzati e quelli in fase di commercializzazione e di sviluppo;
ξ il quarto “Le applicazioni fotovoltaiche” fornisce i dettagli circa le possibilità
esistenti per l’installazione di impianti fotovoltaici (su tetti o a terra, sistemi ad
inclinazione fissa, e ad inseguimento);
ξ il quinto “Dal protocollo di Kyoto ai provvedimenti italiani in materia di
energia rinnovabile” riporta e commenta le misure adottate a livello
internazionale e nazionale per favorire la diffusione delle energie rinnovabili;
ξ il sesto “Il nuovo conto energia” spiega le principali novità a livello Italiano in
materia di incentivazione dell’energia prodotta da solare fotovoltaico, introdotte
con il D.M. 19/02/2007;
ξ il settimo “Andamento del mercato italiano in risposta al nuovo Conto Energia”
illustra lo sviluppo del mercato dell’energia e della filiera produttiva del
fotovoltaico a seguito dell’introduzione delle misure di incentivazione adottate;
ξ l’ottavo “Valutazioni tecnico-ambientali per l’installazione di impianti
fotovoltaici nell’area ligure di ponente” analizza tutti i vincoli esistenti e i
fattori più importanti relativamente all’installazione di un impianto fotovoltaico,
calandoli poi nella realtà di un caso specifico;
ξ il nono “Aspetti normativi e autorizzativi per la realizzazione di impianti
fotovoltaici nell’area ligure di ponente” riporta tutte le procedure necessarie al
fine di ottenere le autorizzazioni indispensabili per la posa in opera
dell’impianto, compresa la nuova deliberazione dell’Autorità per l’Energia
Elettrica e il Gas relativa all’allacciamento alla rete elettrica;
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ξ nel decimo “Opportunità degli investimenti in campo fotovoltaico” infine si
descrivono le tendenze in atto in materia di investimento e finanziamento delle
energie rinnovabili e si riporta lo studio di analisi economico finanziaria che si è
realizzato relativamente al caso presentato all’interno del capitolo ottavo.
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CAPITOLO 2
La tecnologia fotovoltaica
2.1 LA RADIAZIONE SOLARE
La sorgente energetica primaria di un sistema fotovoltaico è rappresentata dalla
radiazione solare. Per radiazione solare si intende l’energia elettromagnetica emessa dal
Sole come risultato dei processi di fusione dell’idrogeno in esso contenuto.
Con buona approssimazione il Sole può considerarsi come un perfetto emettitore di
radiazioni (black body) ad una temperatura di circa 5800 K.
La distanza media tra il Sole e la Terra è di circa 1,5*10
8
km. Rapportando il diametro
del Sole (~1,39*10
6
km) alla suddetta distanza, la radiazione solare vista dalla Terra,
considerato l’elevato valore del rapporto distanza/diametro, appare come un fascio ben
collimato con una dispersione angolare di circa mezzo grado.
Figura 2.1 - La radiazione solare vista dalla Terra (fonte: www.ingegneriadelsole.it)
Essa copre un ampio campo di lunghezze d’onda, e quindi di energie, con una
distribuzione spettrale dall’infrarosso (IR) all'ultravioletto (UV) in un intervallo di
lunghezze d’onda compreso tra 0,2 e 2,5 µm, con un punto di massimo nel campo del
visibile (da 0,38 a 0,78 µm) intorno a 0,5 µm.
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Figura 2.2 - Spettro della radiazione solare (fonte: Università degli studi di Lecce, Facoltà di
Ingegneria)
La sua penetrazione attraverso l’atmosfera è molto selettiva ed in pratica giungono alla
Terra soltanto le radiazioni del campo visibile; infatti le radiazioni ultraviolette sotto 0,3
µm (che sono letali) vengono arrestate, ad una altezza di 25 Km, dalla fascia di ozono
atmosferico mentre le radiazioni infrarosse sono bloccate dal vapore d’acqua e
dall’anidride carbonica.
E’ opportuno osservare che l’intensità dell’irraggiamento disponibile al suolo e la sua
distribuzione spettrale dipendono oltre che dalle condizioni ambientali anche dalla
massa d’aria attraversata dalla radiazione solare (AM, Air Mass).
La densità di potenza I
n
, raccolta fuori dell’atmosfera terrestre su di una superficie
normale alla radiazione solare, è definita “costante solare” ed assume un valore pari a
circa 1353 W/m
2
.
Per tener conto degli effetti dovuti alla presenza dell’atmosfera, viene definita la massa
d’aria unitaria AM1 (Air Mass One) come lo spessore di atmosfera standard attraversato
dalla radiazione solare in direzione normale alla superficie terrestre e misurato al livello
del mare con cielo limpido e pressione dell’aria pari ad 1,013 bar (1atm).
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~
1
0
0
k
m
h
A
M
=
1
/
s
e
n
(
h
)
AM = AM1 = 1
AM = AM0 = 0
Orizzonte locale
Superficie Terrestre
Limite sup. dell'atmosfera assorbente
Angolo di zenit
Figura 2.3 - Direzioni perpendicolare e inclinata della linea del sole rispetto al piano orizzontale
(fonte: Università degli studi di Lecce, Facoltà degli Ingegneria)
Il valore massimo della costante solare, misurato sulla superficie terrestre in presenza di
una giornata limpida e soleggiata, è di circa 1000 W/m
2
. La sua variazione (dovuta
all'ellitticità dell’orbita terrestre) è percentualmente assai modesta essendo contenuta
entro il ±3% del valore medio.
In generale la potenza complessiva proveniente da una sorgente radiante che investe una
superficie di area unitaria è detta irradianza. Nell’attraversare l’atmosfera terrestre la
radiazione solare incidente sulla Terra viene in parte assorbita dall’atmosfera, in parte
riflessa nello spazio esterno ed in parte diffusa dall’atmosfera stessa. In Figura 2.4 sono
indicate le diverse componenti della radiazione solare raccolta al suolo su una superficie
inclinata rispetto al piano orizzontale.
Figura 2.4 – Componenti della radiazione solare (fonte: Elios s.r.l.)
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2.1.1 Componenti della radiazione solare
L’intensità e la composizione spettrale della radiazione raccolta al suolo dipendono
dall’angolo formato dalla radiazione incidente con la superficie terrestre e dalle
condizioni meteorologiche ed atmosferiche.
E’ opportuno osservare che la capacità di una cella fotovoltaica di convertire l’energia
solare in elettricità è funzione sia dell’intensità che della composizione spettrale della
radiazione incidente. Quindi il rendimento medio di una cella fotovoltaica assume valori
differenti a seconda della località scelta per l’installazione dell’impianto e delle
condizioni atmosferiche caratterizzanti la località stessa.
La radiazione diretta (I
b -
beam radiation) colpisce una superficie al suolo con un unico e
definito angolo di incidenza, mentre la radiazione diffusa (I
d
- diffuse radiation) incide
su tale superficie con diversi angoli.
E’ opportuno osservare che qualora la radiazione diretta non incida sulla superficie al
suolo per la presenza di un ostacolo, la zona ombreggiata non risulta totalmente
oscurata per effetto del contributo fornito dalla radiazione diffusa. Ciò riveste
particolare rilevanza soprattutto per i dispositivi fotovoltaici, che operano anche in
presenza della radiazione diffusa.
Una superficie inclinata rispetto al piano orizzontale può, inoltre, ricevere la radiazione
riflessa dal terreno o da specchi d’acqua o da altre superfici orizzontali circostanti.
La componente riflessa della radiazione solare è detta componente di albedo (I
a
) e
dipende dall’inclinazione della superficie in misura complementare alla radiazione
diffusa e dalle proprietà riflettenti del terreno.
La necessità di valutare separatamente le componenti diretta e diffusa della radiazione è
riconducibile al fatto che i sistemi fotovoltaici si comportano in modo differente rispetto
alle componenti suddette. Infatti ad esempio, i sistemi a concentrazione sono
sostanzialmente insensibili alla componente diffusa che non può essere concentrata dai
dispositivi, specchi o lenti, destinati a focalizzare la radiazione sulle celle fotovoltaiche.
Invece i moduli piani sono sensibili ad entrambe le componenti della radiazione,
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seppure con caratteristiche differenti in relazione alla tecnologia utilizzata ed
all’inclinazione degli stessi rispetto al piano orizzontale (β, angolo di tilt).
La radiazione diffusa può essere considerata, con buona approssimazione,
uniformemente distribuita sulla volta celeste e dunque occorre pesarla per la frazione di
volta celeste vista dal pannello FV. La frazione di radiazione diffusa I
d
raccolta da un
pannello inclinato di un angolo Ε rispetto all’orizzontale è data dalla seguente relazione:
I
d
= I
do
[(1+cosβ)/2]
dove con I
do
si indica la radiazione diffusa raccolta su un pannello orizzontale, il quale
“vede” l’intera volta celeste e quindi raccoglie tutta la radiazione diffusa.
La radiazione riflessa è data da:
I
a
=I
go
− a*[(1−cosβ)/2]
dove I
go
è la radiazione globale sul piano orizzontale ed a è il “fattore di albedo” il quale
dipende sia dalle caratteristiche della località in esame, che dalla risposta spettrale del
dispositivo solare utilizzato. I suoi valori, ricavati sperimentalmente, riferiti ad alcuni
paesaggi tipici sono riportati nella tabella seguente:
Figura 2.5 - Fattore di Albedo (fonte: Elios s.r.l.)
La radiazione globale I
g
su una superficie inclinata è quindi data dalla somma dei
contributi relativi alle componenti diretta, diffusa e di albedo. Pertanto risulta:
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I
g
= I
b
+ I
d
+ I
a
Essa dipende:
ξ dalle condizioni meteorologiche ed atmosferiche, infatti in condizioni di tempo
nuvoloso la radiazione è sostanzialmente diffusa, mentre in presenza di tempo
sereno e clima secco è prevalente la componente diretta (circa il 90% della
radiazione totale);
ξ dall’angolo di inclinazione della superficie di raccolta rispetto al piano
orizzontale, infatti, una superficie orizzontale riceve la massima radiazione
diffusa e la minima riflessa;
ξ dalla presenza di superfici riflettenti, poiché il contributo alla riflessione risulta
tanto maggiore quanto più chiara è la superficie; di conseguenza la radiazione
riflessa è maggiore in inverno, ad esempio, per la presenza della neve ed è
minore in estate a causa dell’effetto di assorbimento dell’erba o del terreno.
La condizione ottimale si ha quando la superficie di raccolta è orientata a sud (angolo di
azimut) con un angolo di tilt prossimo alla latitudine del sito di installazione prescelto.
L’orientamento verso sud consente di rendere massima la radiazione solare catturata dai
moduli fotovoltaici durante l’intera giornata, mentre l’inclinazione prossima alla
latitudine del sito permette di minimizzare le variazioni dell’energia solare raccolta
dovute all’oscillazione di ±23,45° della direzione dei raggi solari rispetto alla normale
alla superficie di raccolta.
In relazione alla località considerata varia il rapporto tra la radiazione solare diffusa e
quella totale. Pertanto, dato che all’aumentare dell’inclinazione della superficie di
captazione si modificano sia la componente diffusa che quella riflessa, l’angolo di tilt
che rende massima l’energia solare raccolta dai moduli fotovoltaici è differente da
località a località.
Con riferimento al territorio italiano è possibile osservare che deviazioni di una decina
di gradi rispetto al valore ottimale di tilt, determinano variazioni dell’energia totale
catturata dal piano dei moduli di qualche percento.
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2.2 L’EFFETTO FOTOVOLTAICO
La parola fotovoltaico deriva da foton=luce e voltaico legato all’elettricità, e significa
elettricità prodotta attraverso la luce.
L’effetto fotovoltaico è tra i fenomeni che fanno pensare ad una natura corpuscolare
della luce, infatti è una particella associata alle onde elettromagnetiche, chiamata fotone,
a fornire l’energia necessaria ad attivare il processo fotovoltaico.
Qualunque sia il materiale impiegato, il meccanismo con cui la cella trasforma la luce
solare in energia elettrica è essenzialmente lo stesso.
Consideriamo per semplicità il caso di una convenzionale cella fotovoltaica in silicio
monocristallino.
2.2.1 La fisica del processo fotovoltaico
Il supporto utilizzato per la realizzazione della cella, caratterizzato da una purezza
definita di “grado solare”, è inizialmente costituito da un wafer di Silicio di tipo “p”
(drogato con degli atomi di boro in parti per milione) e quindi con un eccesso di cariche
positive (+). Il wafer viene poi sottoposto ad una diffusione con fosforo tale da creare
una zona di tipo “n”, caratterizzata da un eccesso di cariche negative (−). Viene così
creata una giunzione “p-n” (Figura 2.6) che presenta quindi un forte campo elettrico
locale (effetto Volta). Gli elettroni polarizzati nel wafer, dal punto di vista energetico si
trovano nella banda di valenza e non potrebbero ancora muoversi. Grazie ai raggi solari
incidenti sulla superficie della cella, un’adeguata energia dei fotoni porta gli elettroni
nella “banda di conduzione”, ovvero essi si muovono e generano un flusso di corrente,
tanto più elevato quanto più elevata è la potenza radiante dei raggi solari. La continua
presenza del campo elettrico di giunzione impedisce quindi la ricombinazione degli
elettroni durante il loro movimento. La corrente elettrica generata viene quindi utilizzata
per essere immessa in una batteria o per alimentare un carico in presa diretta (es.
impianti connessi in rete).
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Figura 2.6 - Funzionamento di una cella fotovoltaica in Silicio cristallino con applicato un carico
esterno (fonte: Università degli studi di Lecce, Facoltà di Ingegneria)
2.2.2 L’efficienza di conversione
Di tutta l’energia che investe la cella solare sotto forma di radiazione luminosa, solo una
parte viene convertita in energia elettrica disponibile ai suoi morsetti.
L’efficienza di conversione di una cella fotovoltaica è il rapporto tra la potenza solare
radiante totale incidente la cella e la potenza elettrica effettivamente erogata dalla cella
stessa. La potenza radiante non convertita si trasforma in calore, inutile e penalizzante
per il rendimento. L’efficienza di conversione di un a cella dipende dai materiali di cui
essa è costituita e dal tipo di tecnologia utilizzata per realizzarla. Per uniformità
internazionale nelle condizioni di test, la misura delle caratteristiche elettriche di celle e
moduli fotovoltaici deve avvenire secondo le standard Test Condition (STC), che sono
le seguenti:
1. Potenza della radiazione luminosa 1000 W/m2
2. Temperatura della/e cella/e 25°C
3. Massa d’aria AM=1.5.
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Attualmente la tecnologia di realizzazione che assicura le maggiori efficienze di
conversione ad una cella commerciale è quella del silicio cristallino (monocristallino e
policristallino), con una media che si attesta attorno al 16 %, come si può osservare
nella figura seguente.
Figura 2.7 – Efficienza di conversione di una cella in silicio cristallino (fonte: AICARR, “Energie
rinnovabili: tecniche e potenzialità”)
I motivi di tale bassa efficienza sono molteplici e possono essere raggruppati in quattro
categorie:
• riflessione: non tutti i fotoni che incidono su una cella penetrano al suo interno, dato
che in parte vengono riflessi dalla superficie della cella e in parte incidono sulla griglia
metallica dei contatti;
• fotoni troppo o poco energetici: per rompere il legame tra elettrone e nucleo occorre
una certa energia, e non tutti i fotoni incidenti possiedono energia sufficiente. D’altra
parte alcuni fotoni troppo energetici generano coppie elettrone-lacuna, dissipando in
calore l’energia eccedente quella necessaria a staccare l’elettrone dal nucleo;
• ricombinazione: non tutte le coppie elettrone-lacuna generate vengono raccolte dal
campo elettrico di giunzione e inviate al carico esterno, dato che nel percorso dal punto
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di generazione verso la giunzione possono incontrare cariche di segno opposto e quindi
ricombinarsi;
• resistenze parassite: le cariche generate e raccolte nella zona di svuotamento devono
essere inviate all’esterno. L’operazione di raccolta viene effettuata dai contatti metallici,
posti sul fronte e sul retro della cella. Anche se durante la fabbricazione viene effettuato
un processo di lega tra Silicio e Alluminio dei contatti, resta una certa resistenza
all’interfaccia, che provoca una dissipazione che riduce la potenza trasferita al carico.
Nel caso di celle al silicio policristallino, l’efficienza è ulteriormente diminuita a causa
della resistenza che gli elettroni incontrano ai confini tra un grano e l’altro e, ancor più
nel caso di celle al Silicio amorfo, per la resistenza dovuta all’orientamento casuale dei
singoli atomi.
2.3 CARATTERISTICA ELETTRICA DELLE CELLE SOLARI
Figura 2.8 - Circuito elettrico equivalente della cella fotovoltaica (fonte: AICARR, “Energie
rinnovabili: tecniche e potenzialità”)
Come descritto in Figura 2.8, dal punto di vista elettrotecnico il circuito equivalente di
una cella fotovoltaica è costituito da:
ξ Un generatore ideale di corrente in serie. L’intensità di corrente generata dalla
cella fotovoltaica è indipendente dal carico ad essa applicato, mentre è
direttamente proporzionale all’intensità della radiazione solare incidente.
Possiamo dire in linea generale che le variazioni di corrente misurabili in una
cella sono pertanto dovute a fluttuazioni della potenza solare radiante (nuvole,
stagioni, ecc.)
ξ Un diodo in parallelo. La giunzione p-n rende la cella fotovoltaica simile ad un
grosso diodo attivo, caratterizzato da una tensione di circuito aperto pari alla
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“tensione di giunzione” (0,4-0,6V), valore quindi piuttosto stabile nel tempo e
poco dipendente dalla radiazione solare del momento.
ξ Una resistenza in serie. Essa riassume complessivamente il contributo delle
resistenze dovute a: caratteristiche fisiche dei materiali, resistenza derivante
dalla temperatura di funzionamento e quindi dall’agitazione termica ecc.
Graficamente, invece, la caratteristica tensione corrente di una cella illuminata risulta
pari a quella di un diodo, traslata però verticalmente di una quantità pari alla corrente
foto generata. Poiché la corrente fotogenerata varia con l’irraggiamento e con la
temperatura (in misura minore), la caratteristica tensione corrente della cella risulta
influenzata da questi parametri (si vedano a questo proposito i paragrafi 8.2.1 e 8.2.4).
Figura 2.9 - Curva caratteristica di una cella in silicio critstallino (fonte: Solarpraxis)
Figura 2.10 - Potenza di una cella FV cristallino in funzione dell’irraggiamento (fonte: Solarpraxis)
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