Progetto di impianto fotovoltaico connesso alla rete in bassa tensione

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Capitolo 1 - Aspetti generali 
 
1.1 Radiazione solare e Irraggiamento solare 
La radiazione solare è definita come l’energia elettromagnetica emessa dal sole; al suo 
interno avvengono incessantemente reazioni termonucleari di fusione, che sprigionano enormi 
quantità di energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche. L’energia irradiata si propaga 
nello spazio e, dopo aver attraversato l’atmosfera, arriva sulla superficie terrestre (
A1
). Qui 
viene rilevata ed espressa come quell’energia ricevuta in un determinato periodo di tempo 
dall’unità di superficie (kWh/m
2
). I valori della radiazione solare media annua in Italia si 
possono desumere dalla Norma UNI 10349 (
B1
). 
L’irraggiamento solare, invece, è definito come la radiazione solare per unità di 
tempo e di superficie ed è pari a 1353 W/m² (valore “storico”) fuori dall’atmosfera terrestre; 
tale valore prende il nome di costante solare (recenti misurazioni satellitari indicano valori 
compresi fra 1367 W/m² e 1371 W/m²). Tuttavia, nell’attraversare l’atmosfera terrestre, 
questo valore si attenua fino a circa 1000 W/m² in una giornata serena a causa degli effetti di 
riflessione, diffusione ed assorbimento da parte di gas e vapor acqueo; tale radiazione che 
giunge al suolo è composto da (
A2
): 
• radiazione diretta: proveniente dalla 
linea congiungente il Sole alla Terra e 
costituisce la quota maggiore di energia 
irraggiata annualmente al suolo; 
• radiazione diffusa: è la quota parte 
di radiazione assorbita e riemesssa in tutte 
le direzioni dai gas presenti nell’atmosfera, 
dal vapor d’acqua e dal pulviscolo 
atmosferico; costituisce circa il 20% 
dell’energia irraggiata;
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• radiazione di albedo (o riflessa): che giunge dagli oggetti circostanti riflettenti; 
solitamente trascurabile perchØ spesso non supera l’1% della radiazione totale (con 
paesaggio innevato tale valore cresce sensibilmente). 
 
1.2 Air Mass 
L’influenza dell’atmosfera terrestre sulla radiazione solare, rilevata in un determinato 
istante su un punto della superficie terrestre prende il nome di indice di massa d’aria AM (Air 
Mass) (
A1
): 
=
 (  ∙)
 
con: 
 P = pressione atmosferica nel punto e nell’istante considerato; 
 P
0
 = pressione di riferimento 1,013·10
5
 Pa; 
 θ = angolo di elevazione del sole sull’orizzonte nell’istante considerato. 
Valori tipici sono: 
• AM = 1 attraversamento zenitale al livello del mare (P = P
0
) 
• AM = 0 sulla superficie esterna dell’atmosfera (P = 0); nessuna attenuazione 
  della radiazione solare 
• AM = 1,5 condizioni di prova standard
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1.3 Principio di funzionamento di una cella fotovoltaica 
1.3.1 Bande di energia 
Nei materiali isolanti gli elettroni di valenza non possono allontanarsi dall’atomo, sono 
bloccati nella banda di valenza e non possono passare nella banda di conduzione. Nei 
materiali conduttori, invece, gli elettroni di valenza sono liberi di muoversi e tale movimento, 
sotto l’azione di un campo elettrico, dà origine alla corrente elettrica; qui le bande di valenza e 
di conduzione sono sovrapposte. 
Nei materiali semiconduttori si ha una situazione intermedia: gli elettroni di valenza 
non possono muoversi ma la differenza energetica tra banda di valenza e banda di conduzione 
è piccola e quindi gli elettroni passano in conduzione con facilità se ricevono energia 
dall’esterno; tale energia può essere fornita dalla luce con un meccanismo chiamato effetto 
fotoelettrico. Il semiconduttore diventa conduttore ma non è ancora un generatore elettrico; 
per fare ciò si ricorre ad una giunzione P-N. 
 
 
 
 
 
 
 
1.3.2 Giunzione P-N 
Il silicio presenta 4 elettroni di valenza; se in esso inseriamo atomi pentavalenti (come 
il fosforo), ci sarà un eccesso di carica rappresentato dall’elettrone in piø che passa facilmente 
nella banda di conduzione: il silicio è drogato negativamente (N). Discorso analogo se
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applichiamo atomi trivalenti (come il boro); in questo caso la mancanza di carica elettrica 
negativa, chiamata lacuna, si comporta come se fosse disponibile una carica positiva: il silicio 
è drogato positivamente (P). 
Gli atomi di fosforo quindi saranno chiamati donatori (“donano” un elettrone) mentre 
quelli di boro accettori (in quanto possono “acchiappare” un elettrone nello spazio mancante 
costituito dalla lacuna). 
 
Mettendo a contatto le due regioni si forma la cosiddetta giunzione P-N in cui vi è un 
eccesso di elettroni da un lato (zona N) e un eccesso di lacune dall’altro (zona P). Per il 
fenomeno della diffusione, gli elettroni liberi della regione N tendono a migrare in quella P 
creando qui un eccesso di carica negativa a ridosso della giunzione (zona di svuotamento); 
analogamente accade alle lacune provenienti dalla zona P.
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Elettroni e lacune nella zona di carica spaziale (zona di svuotamento) si combinano 
lasciando gli ioni donatori e accettori (ioni fissi) senza cariche libere. In corrispondenza della 
zona di svuotamento si viene a creare un campo elettrico interno (diretto da N a P) che, 
raggiunta una situazione di equilibrio, si oppone all’ulteriore diffusione di cariche (
A3
). 
 
1.3.3 Effetto fotoelettrico 
Se una coppia elettrone-lacuna viene formata per assorbimento di un fotone nella 
regione di svuotamento, il campo elettrico interno esistente li separa e li accelera verso 
l’esterno. Lacune uscenti dalla zona P e elettroni dalla zona N danno luogo ad una tensione 
che fa circolare una corrente, qualora la giunzione venga inserita in un circuito chiuso (
A4
). 
L’effetto fotoelettrico, quindi, converte l’energia del fotone sotto forma di energia elettrica. 
La cella fotovoltaica (detta anche cella FV o PV) non è altro, quindi, che una 
giunzione P-N di silicio che sfrutta l’effetto fotoelettrico per produrre energia elettrica in 
corrente continua. 
 
1.4 Tipi di celle fotovoltaiche 
La maggior parte delle celle PV attualmente in commercio è costituita da 
semiconduttori in silicio; il motivo è che la sua disponibilità sul nostro pianeta è pressochØ 
illimitata ed essendo, soprattutto negli ultimi decenni, il principale materiale di tutta 
l’industria elettronica, i metodi di estrazione, lavorazione e drogaggio si sono evoluti 
enormemente. Fra l’altro, gli scarti della lavorazione della componentistica elettronica sono 
riciclabili dall’industria del fotovoltaico che tollera gradi di impurità maggiori (
A2
). 
 
1.4.1 Celle di 1a generazione 
Circa il 90% delle celle presenti oggi sul mercato è costituito da silicio cristallino 
(celle di 1
a
 generazione) suddiviso in 2 tipi (
A1
):
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• silicio monocristallino: ogni cella è realizzata a partire da un wafer la cui struttura 
cristallina è omogenea (monocristallo), opportunamente drogato in modo da realizzare 
una giunzione p-n;  
• silicio policristallino: la cella è ottenuta a partire da un lingotto i cui cristalli hanno un 
orientamento variabile da zona a zona; dato il processo produttivo piø semplice, esso 
ha un costo inferiore al monocristallino. 
 
1.4.2 Celle di 2a generazione 
Successivamente si sono sviluppate celle a film sottile (celle di 2
a
 generazione) come il 
silicio amorfo che presenta un orientamento casuale degli atomi e, per questo, il rendimento è 
piuttosto variabile, il CdTe (tellururo di cadmio), il CIS (solfururo di indio e rame) e il CIGS 
(solfururo di rame, indio e gallio). In questi, tramite processi fisici e chimici, viene depositato 
uno strato semiconduttore di pochi micron (da qui il nome “celle a film sottile” per 
distinguerle dalle celle di silicio cristallino di spessore di centinaia di micron) su una 
superficie di supporto (
A1
). Il risparmio di materiale semiconduttore è notevole rispetto alle 
celle in silicio cristallino e il supporto può essere flessibile tale da poter essere installato su 
superfici non strettamente piane. Il loro rendimento, però, è minore di quello delle celle di 1
a
 
generazione (η
2
 = 7% - 10%  contro  η
1
 = 15% - 18%). 
 
1.4.3 Celle di 3a generazione 
Attualmente sono in fase di sviluppo celle di 3
a
 generazione che sfruttano processi 
produttivi già collaudati in altri ambiti e, per questo, piø economici e semplici. In questa 
categoria rientrano le celle all’arseniuro di gallio (GaAs) con efficienza del 25% circa e celle 
multigiunzione con la sovrapposizione di piø giunzioni PN ognuna con differente energia per 
far passare gli elettroni nella banda di conduzione; esse così possono sfruttare un maggior 
numero di fotoni dello spettro solare con un’efficienza superiore al 30% (
A1
).
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1.4.4 Celle OPV 
Le piø recenti sono le celle organiche (OPV = Organic PhotoVoltaic) costituite da 
materiali organici che si comportano come la clorofilla vegetale; tuttavia la loro efficienza è 
ancora molto bassa (circa il 6%) ma le prospettive rimangono interessanti in quanto, in futuro, 
questa tecnologia potrà integrarsi nelle superfici vetrate degli edifici o addirittura nella 
carrozzeria delle auto o nei vestiti. Accanto alle celle OPV si stanno sviluppando le celle di 
Gratzel che sfruttano come principio base ancora quello della fotosintesi; presenta costi di 
produzione bassissimi e efficienze dell’ordine dell’11%. Altre celle di 3
a
 generazione sono 
quelle polimeriche che sfruttano i vantaggi delle nanotecnologie con rendimenti ancora molto 
bassi (
A2
). 
 
1.5 Caratteristiche elettriche 
1.5.1 Caratteristica corrente - tensione 
La caratteristica corrente-tensione di una cella PV è simile a quella di un diodo (fig. a); 
quest’ultimo ha una relazione del tipo (
A1
): 
=	  ∙   −1 
con: 
• I
0
 = la corrente inversa di saturazione; 
• q = la carica elettrica dell’elettrone pari a 1,6·10
-19
 C; 
• k = la costante di Boltzmann pari a 1,38·10
-23
 J/K; 
• T = la temperatura assoluta della cella.
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Se in questa relazione portiamo in conto la corrente generata dall’effetto fotovoltaico 
I
sc
 in presenza di luce e cambiamo convenzione passando a quella del generatore, ricaviamo la 
caratteristica di una cella PV (fig. b): 
=	  −  ∙   1 
 
 
 
 
 
 
 
Per una data cella il valore di I
sc
 aumenta con l’irraggiamento solare poichØ aumentano 
i fotoni e le cariche elettriche che passano nella banda di conduzione. Questa corrente è il 
valore della corrente di cortocircuito ed è un parametro caratteristico della cella PV con valori 
tipici di 30-35 mA/cm
2
. Ora ponendo I = 0 possiamo ricavare un altro parametro fondamentale 
e cioè la tensione a vuoto U
oc
 (
A1
): 
   	
 ln     1 
La tensione a vuoto è tipica del materiale semiconduttore e per il silicio vale 0,6 V. Se 
la cella viene chiusa su una resistenza R, il suo punto di funzionamento è dato 
dall’intersezione della caratteristica corrente-tensione della cella stessa e la retta U = RI (
A1
) 
come riportato in figura: