Progettazione di un impianto fotovoltaico

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INTRODUZIONE 
L'energia solare è tra le fonti energetiche, quella in maggiore abbondanza 
sulla terra. 
Ogni anno infatti, il sole irradia sul nostro pianeta circa 20.000 miliardi di 
TEP (Tonnellate Equivalenti di Petrolio) mentre solo 11 miliardi di TEP sarebbero 
sufficienti a soddisfare le richieste energetiche di tutto il pianeta.  
Dal postulato fondamentale di Lavoisier, “nulla si crea, nulla si distrugge, 
tutto si trasforma”, deriva il punto cardine del principio di conservazione 
dell’energia;eppure l’uomo continua a vivere comportandosi in aperta violazione 
di tale concetto, basando le proprie scelte quotidiane sulla convinzione che le 
risorse si creino dal nulla, che i rifiuti si distruggano nel nulla e che tutto rimanga 
sempre uguale senza nessuna trasformazione. 
Il problema energetico sta esercitando negli ultimi anni un notevole 
interesse in tutto il mondo a causa dell’inesorabile esaurimento di combustibili 
fossili quali petrolio, carbone e metano con i quali produciamo oltre il 90% 
dell’energia nel mondo. Sono bastati infatti alcuni decenni di industrializzazione 
per svuotare i “giacimenti di energia”, creati in migliaia di anni da lenti processi 
naturali. La richiesta energetica globale di energia aumenta oggi con il ritmo di 
circa il 2% l’anno, ciò significa, che entro il 2100, la temperatura media della 
Terra subirà un ulteriore incremento di circa il 2°C con tutte le inevitabili 
conseguenze che ciò comporta. 
Dopo la crisi energetica del 1973 diverse nazioni, tra cui la Francia, 
decisero di optare per il nucleare con il preciso intento di raggiungere 
l’indipendenza energetica, mentre altri Paesi come l’Italia, a causa di una politica 
energetica inadeguata, patiscono ancora oggi un dissesto energetico non 
indifferente. 
La tecnologia nucleare ha raggiunto livelli di affidabilità e sicurezza elevati, 
ma rimane la questione, non ancora risolta, delle scorie radioattive, alcune delle 
quali impiegano milioni di anni per divenire innocue. È anche noto, nonostante il 
nucleare sia indiscutibilmente una fonte energetica altamente produttiva, che 
aumentando il numero delle centrali atomiche aumenta la probabilità che si 
verifichino guasti, più o meno rilevanti.
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L’imminente crisi energetica dovuta soprattutto all’industrializzazione di 
quei paesi che fino a poco tempo fa erano considerati poco”energivori” ed il lento 
ma inesorabile processo di inquinamento globale dovuto alla produzione di 
energia da fonti fossili hanno portato l’11 dicembre 1997, nella città giapponese di 
Kyoto, alla stipula di un contratto internazionale in materia ambientale, 
sottoscritto da oltre 160 paesi, per la riduzione delle sostanze climatiche immesse 
in atmosfera allo sfruttamento delle principali fonti energetiche rinnovabili quali 
il sole e il vento. 
Il protocollo di Kyoto impone, ai paesi aderenti, tra cui l’Italia, di ridurre 
per il periodo 2008 – 2012, le proprie emissioni di gas ad effetto serra del 5% 
rispetto ai dati misurati nel 1990. 
Il governo italiano, con lo scopo di rispettare gli obblighi imposti dal 
protocollo di Kyoto, ha attuato un piano di incentivi per favorire la realizzazione 
di impianti fotovoltaici per uso domestico, residenziale, condominiale o 
industriale. 
Un impianto fotovoltaico è un insieme di elementi in grado di produrre 
energia elettrica grazie alla tecnologia di conversione fotovoltaica della radiazione 
solare incidente sulla superficie terrestre. La tecnologia fotovoltaica sfrutta le 
proprietà che hanno alcuni materiali a generare dei flussi elettrici quando sono 
investiti da radiazioni solari. 
Il piano attuativo, denominato comunemente “ Conto Energia”, consente al 
soggetto responsabile dell’impianto fotovoltaico di consumare l’energia elettrica 
prodotta dal sistema ed allo stesso tempo di ricevere un “premio incentivante” su 
tutta l’energia prodotta. 
I sistemi fotovoltaici, grazie al Conto Energia, possono essere considerati 
dei veri e propri investimenti finanziari, ai quali si associa un rendimento 
superiore ai normali tassi di redditività dei titoli di stato e una riduzione delle 
emissioni di atmosfera in sostanze climalteranti che causano l’effetto serra. 
In questo elaborato si vuole far vedere come l’energia solare incidente che 
viene convertita in energia elettrica grazie al processo di conversione fotovoltaica 
possa garantire una parte o la totalità del fabbisogno energetico di un’utenza 
residenziale.
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Verranno approfonditi tutti gli aspetti: da quelli più intrinseci del 
funzionamento della cella fotovoltaica a quelli riguardanti la tipologia dei sistemi 
fotovoltaici focalizzando l’attenzione su quelli connessi in rete. Saranno illustrati i 
concetti riguardo al come si può attingere dalla risorsa solare stessa introducendo 
una serie di parametri significativi per l’ottimizzazione dell’assorbimento 
dell’energia solare incidente. Verranno evidenziati i vari elementi di sistema 
facenti parte di un impianto connesso in rete si spiegheranno le loro 
caratteristiche e requisiti. Saranno anche definiti i profili di consumo necessari 
all’individuazione del fabbisogno energetico delle utenze. Verrà mostrato poi 
come si articola il dimensionamento di un tale impianto considerando la 
massimizzazione dell’energia solare incidente attraverso i componenti più 
efficienti e si considereranno tutte le perdite di potenza dei componenti 
dell’impianto per conoscere così la totalità dell’energia prodotta. Verrà esaminata 
la resa energetica dell’impianto, sarà inoltre illustrato l’insieme degli incentivi in 
conto energia, che lo Stato ha messo a disposizione per la produzione di energia 
pulita, e si considererà anche la relativa legislazione in merito.  
Per ultimo verranno introdotti gli aspetti economici necessari all’acquisto 
di un impianto fotovoltaico. L’elaborato presenta una parte specifica in cui si 
illustra un progetto di un sistema connesso in rete installato su un edificio nella 
provincia di Rovigo. Costituirà parte integrante dell’elaborato anche un’analisi dei 
costi e dei benefici riferita al caso in esame. Sarà quindi possibile trarre delle 
conclusioni di natura economica che, pur non rivestendo carattere assoluto, 
permetteranno una prima valutazione dei potenziali vantaggi di tale tipo di 
impianto.
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CAPITOLO 1 
Un po’ di storia 
1.1 Storia del Fotovoltaico dal 1767 al 1900: 
• Il progressivo diffondersi dell’impiego del vetro nel corso del diciottesimo 
secolo fece sì che si venisse a conoscenza della notevole capacità di trattenere 
il calore solare di questo materiale. 
• Il 27 settembre 1818, Robert Stirling fa domanda di brevetto per il suo 
“Economizzatore” al Chancery di Edinburgh, Scozia. Questo motore, 
successivamente, è stato utilizzato nel Sistema a piatto di Stirling, una 
tecnologia che concentra l’energia termica del Sole per produrre energia 
elettrica. 
• Nel 1839 lo scienziato francese Edmond Becquerel scopre 
l’effetto fotogalvanico in elettroliti liquidi, osservando 
che, se una cella elettrolitica fatta con due elettrodi 
metallici,posta in una soluzione conduttrice, viene 
esposta alla luce solare, la generazione di elettricità 
aumenta. 
 
• Nel 1860 Auguste Mouchout, matematico del liceo della città di Tours, in 
Francia, inventa il primo motore in grado di convertire radiazione solare in 
potenza meccanica. 
• Al 1873 risale la scoperta della fotoconduttività del 
selenio ad opera di Willoughby Smith. Pochi anni 
dopo i fisici inglesi William Grylls Adams e Richard 
Evans Day scoprono che il selenio produce 
elettricità, quando esposto alla luce, senza il 
riscaldamento di un fluido e senza l’utilizzo di parti 
mobili. È il primo esempio di fotovoltaico nei solidi. 
Fig. 1 - Edmond Becquerel 
Fig. 2 – William Grylls 
Adams
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• Nel 1883 l’inventore americano Charles Fritts produce la prima cella solare 
fatta con wafers di selenio. L’efficienza di conversione è di circa 1-2%. 
1.2 1900-1970: 
• Nel 1921 Albert Einstein vince il premio Nobel 
per aver descritto l’effetto fotoelettrico. Un 
decennio più tardi Audobert e Stora scoprono 
l’effetto fotoelettrico nel solfuro di cadmio. 
• Nel 1954 Daril Chapin, Calvin Filler e Gerald 
Pearson sviluppano nei laboratori della Bell 
Telephon una cella solare fotovoltaica a base di silicio. È la prima cella 
fotovoltaica in grado di convertire energia solare in energia elettrica in 
quantità sufficiente ad alimentare una strumentazione; l’efficienza di 
conversione è di circa il 4%. 
• Nel 1956 una cella aveva un costo proibitivo ed era totalmente fuori 
mercato,costava infatti circa 300 $/W, contro i 50 cents $ /W di altre 
tipologie di impianti. Così, l’unica richiesta commerciale di celle solari a base 
di silicio arrivò dal settore aerospaziale. 
• Lo stesso anno le celle solari trovano la loro prima applicazione a bordo del 
satellite Vanguard I proprio per la radio. A differenza delle batterie 
convenzionali che si esaurivano in un breve lasso di tempo (circa una 
settimana), le celle solari potevano fornire energia al satellite per anni. Un 
anno dopo l’Explorer III, il Vanguard II e lo Sputnik III vennero lanciati in 
orbita con un sistema fotovoltaico a bordo; il sistema funzionerà senza sosta 
per otto anni. 
• Nel 1960 Hoffman Electronic riuscì a raggiungere un’efficienza per le celle 
fotovoltaiche del 14% ed il satellite Explorer VI venne lanciato con un 
apparato di 9600 celle fotovoltaiche. Due anni dopo la Bell Telephone 
Laboratories introdusse sul mercato la prima telecomunicazione 
satellitare,Telstar (potenza iniziale 14 W), seguita l’anno successivo dai primi 
moduli fotovoltaici commerciali. 
Fig. 3 - Albert Einstein
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• Lo stesso anno il Giappone installò la più potente installazione fotovoltaica al 
mondo (242 W), presso un faro. 
• Nel 1964 la NASA lancia il primo satellite 
alimentato con moduli fotovoltaici (470 W). 
L’anno successivo viene lanciato il primo 
Orbiting Astronomical Observatory, 
alimentato con moduli fotovoltaici (1KW). 
L’impiego delle celle solari nelle missioni 
spaziali diventa via via più intenso, visto che 
il loro costo elevato era ampiamente ripagato 
da efficienza, durata, scarsa necessità di manutenzione e dimensioni ridotte. 
Diversamente, per le applicazioni terrestri,nelle quali il principale criterio 
commerciale era il costo per chilowattora, il loro uso restava ancora 
proibitivo. 
1.3 1970-2006: 
• Nel 1970 il dottor Elliot Berman, finanziato dalla Exxon Corporation, progetta 
una cella solare che abbassa significativamente il costo di produzione: dai 100 
$/W fino ai 20 $/W. Con questi valori di costo, le celle solari cominciano a 
diventare commercialmente competitive, seppure in un mercato di nicchia: 
luci di emergenza per stazioni offshore, fari, passaggi a livello. 
• Il primo impianto solare ad un incrocio a livello degli Stati Uniti è del 1974, a 
Rex in Georgia. 
• David Charlson e Christopher Wronsky dei laboratori RCA fabbricano, nel 
1976, la prima cella fotovoltaica in silicio amorfo, meno costoso del silicio 
cristallino con un’efficienza dell’ 1,1%. 
• Nel 1973 gli Stati Uniti mandano in orbita la stazione spaziale Skylab. 
Rimarrà in funzione fino al 1979. L’anno successivo si diffondono gli impianti 
nelle zone rurali del pianeta: l’isola di Tahiti, alcune parti di Kenia, Messico e 
in America Centrale. Nella riserva indiana dei Papago, nel sud dell’Arizona 
nasce il primo villaggio fotovoltaico (progetto Lewis Research Center della 
Fig. 4 - Satellite Alimentato con Moduli 
Fotovoltaici