Progetto fotovoltaico

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 Nel presente elaborato, verranno approfonditi tutti gli aspetti tecnici di un
impianto connesso in rete4. Saranno illustrati i concetti riguardo alle modalità per
attingere energia dalla risorsa solare introducendo una serie di parametri
significativi per l’ottimizzazione dell’assorbimento dell’energia 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 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. Saranno in seguito messi in luce gli aspetti relativi al montaggio ed al
collegamento dei vari componenti5 del sistema fotovoltaico compatibilmente con
le normative vigenti6. Verrà esaminata la resa energetica dell’impianto, così
come le conseguenze sull’impatto ambientale; sarà inoltre illustrato l’insieme
degli incentivi in conto energia7, che lo Stato ha messo a disposizione per la
produzione di energia pulita, e si considererà anche la relativa legislazione in
merito. Verranno introdotti gli aspetti economici più rilevanti connessi.
L’elaborato presenta una parte specifica in cui si illustra il progetto di un sistema
connesso in rete installato su un edificio nella città di Milazzo (ME). 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 assoluto8, permetteranno una prima valutazione
dei potenziali vantaggi di tale tipo di impianto basandosi su più scenari: il primo
basato su condizioni attuali, il secondo favorevole dal punto di vista
macroeconomico e il terzo dal carattere più conservativo.
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 Grid connect o connesso in rete .  Stand-alone o ad isola.
5
 Pannelli,inverter,accerrori di protezione e di misurazione.
6
 Vedi normativa CEI  UNI.
7
 Finanziaria 2007 vedi indice, Conto Energia.
8
 I costi per impianto variano in base al tipo di cella “silicio” ed alle caratteristiche.
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CAPITOLO PRIMO
PRIME VALUTAZIONI PER LA REDAZIONE DI UN
PROGETTO  DI IMPIANTO  FOTOVOLTAICO  E  SUO
DIMENSIONAMENTO  -  STUDIO
Prima di procedere alla stesura del progetto e  dei relativi calcoli e’ fondamentale
iniziare a definire le caratteristiche che sono alla base per la buona esecuzione di
un progetto; lo studio del sito9, degli ombreggiamenti, l’inclinazione dei pannelli
ecc. sono elementi essenziali  per il corretto dimensionamento di un impianto.
Le informazioni sul sito influiscono anche sul rendimento energetico ed
economico10, le scelte progettuali rivestono particolare importanza per la durata e
la redditività  dell’impianto.
Oltre allo studio di cui sopra, bisogna evidenziare che i materiali,e soprattutto la
qualità di questi e’ di fondamentale importanza, sia dal punto di vista tecnico, che
economico, poiché  un impianto non funzionante non  produce reddito.
Dal punto di vista economico c’e’ da dire che il reddito vero e proprio si avrà
dopo circa sette anni, e pertanto nella redazione del conto economico e’
preferibile investire in qualità  più  che sul basso prezzo.
Ricordando che un pannello se ben mantenuto avrà una vita superiore ai 30 anni,
e pertanto, e’ dovere del tecnico, consigliare al meglio il cliente per evitare
brusche perdite economiche.
9
 Luogo ove installare l’impianto.
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 Ricordiamo che il rendimento economico dell’impianto,post ammortamento dei costi iniziali  si ha
dopo diversi anni dalla sua messa in funzione,circa 7 anni in Sicilia.
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 1.1 – Introduzione  Effetto fotovoltaico   Aspetti teorici
Per meglio capire l’effetto fotovoltaico, e’ importante cercare di introdurre gli
elementi che sono alla base della sua nascita ed i principi che costituiscono il
cardine del suo sviluppo.L'effetto fotovoltaico, osservato per la prima volta da
Alexandre Edmond Becquerel nel 1839, costituisce una delle prove indirette
della natura corpuscolare delle onde elettromagnetiche. La teoria fisica che
spiega l'effetto fotoelettrico, del quale l'effetto fotovoltaico ne rappresenta una
sottocategoria, fu pubblicata nel 1905 da Albert Einstein che per questo ricevette
il premio Nobel. Quando una radiazione elettromagnetica investe un materiale11
può, in certe condizioni, cedere energia agli elettroni più esterni degli atomi del
materiale e, se questa è sufficiente, l'elettrone risulta libero di allontanarsi
dall'atomo di origine. L'assenza dell'elettrone viene chiamata in questo caso
lacuna. L'energia minima necessaria all'elettrone per allontanarsi dall'atomo
(passare quindi dalla banda di valenza che corrisponde allo stato legato più
esterno alla banda di conduzione ove non è più legato) deve essere superiore alla
banda proibita del materiale.
2
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 Il silicio viene drogato con delle scorie di fosforo e di boro al fine di creare una carica negativa ed una
positiva l’incidenza delle radiazioni solari e,la differenza di potenziale che si sarà creata tramite uno
sbarramento produrrà una scarica elettrica in corrente continua.
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1.2 L'utilizzo nelle celle fotovoltaiche
Questo fenomeno viene normalmente  utilizzato nella produzione elettrica nelle
celle fotovoltaiche. Il meccanismo di funzionamento si basa sull'utilizzo di
materiali semiconduttori. Infatti, nel caso di materiali isolanti, il band gap risulta
troppo elevato per poter essere eguagliato dall'energia del fotone incidente,
mentre per i materiali conduttori l'energia del band gap è piccolissima, quindi a
temperatura ambiente c'è una continua creazione e distruzione di coppie
elettrone-lacuna e l'energia necessaria alla creazione viene fornita direttamente
dalle fluttuazioni termiche. Quando un flusso luminoso investe invece il reticolo
cristallino di un semiconduttore, si verifica la transizione in banda di conduzione
di un certo numero di elettroni al quale corrisponde un eguale  numero di lacune
che passa in banda di valenza. Si rendono pertanto disponibili portatori di carica,
che possono essere sfruttati per generare una corrente. Per realizzare ciò è
necessario creare un campo elettrico interno alla cella, stabilendo un eccesso di
atomi caricati positivamente in una parte del semiconduttore ed un eccesso di
atomi caricati negativamente nell’altro. Questo meccanismo si ottiene mediante
drogaggio del semiconduttore che generalmente viene realizzato inserendo atomi
di boro e di (fosforo) per ottenere rispettivamente una struttura di tipo p (con un
eccesso di lacune) ed una di tipo n (con un eccesso di elettroni).         Lo strato
drogato con elementi di fosforo, che hanno cinque elettroni esterni (o di valenza)
contro i tre di quelli del boro, presenta una carica negativa debolmente legata,
costituita da un elettrone in eccesso per ogni atomo drogante. Nello stesso modo,
nello strato drogato con elementi di boro, che hanno invece tre elettroni esterni, si
ottiene un' eccesso di carica positiva, data dalle lacune degli atomi droganti. Il
primo strato, a carica negativa, viene generalmente chiamato strato n, l'altro, a
carica positiva, strato p, la zona di separazione è detta giunzione p-n.  È evidente
quindi che il materiale risulta essere globalmente neutro, però, mettendo a
contatto i due materiali così ottenuti, si viene a verificare un flusso di elettroni
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dalla zona n alla zona p e di lacune in direzione opposta, fino al raggiungimento
dell'equilibrio elettrostatico, che determina un eccesso di carica positiva nella
zona n, un eccesso di elettroni nella zona p e una regione intermedia detta
regione di svuotamento. Il risultato è un campo elettrico interno al dispositivo
che si estende a cavallo della regione di svuotamento, generalmente spessa pochi
micrometri.   A questo punto, se viene illuminata con fotoni la giunzione dalla
parte n, vengono a crearsi delle coppie elettrone-lacuna sia nella zona n che nella
zona p. Il campo elettrico  permette di dividere gli elettroni in eccesso (ottenuti
dall’assorbimento dei fotoni da parte del materiale) dalle lacune, e li spinge in
direzioni opposte gli uni rispetto agli altri. Gli elettroni, una volta oltrepassata la
zona di svuotamento non possono quindi più tornare indietro, perché il campo
impedisce loro di invertire la marcia. Connettendo la giunzione con un
conduttore esterno, si otterrà un circuito chiuso nel quale il flusso di elettroni
parte dallo strato n, a potenziale maggiore, verso lo strato p, a potenziale minore
fintanto che la cella resta esposta alla luce” 12
12
 Fonte wikepedia.org
15
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1.3  Calcolo dell’irraggiamento solare disponibile sul piano moduli
Per poter calcolare la radiazione su superficie inclinata, partendo da quella su
superficie orizzontale (deducibile dai dati storici del sito), è necessario
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 Fonte electroportal.net
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scomporre la radiazione globale, su piano orizzontale, nelle sue due componenti:
diretta e diffusa.
Sul sito ENEA è a disposizione un’ archivio che fornisce i valori stimati della
radiazione solare globale al suolo sul piano orizzontale per 1614 comuni italiani:
tutti quelli aventi almeno 10.000 abitanti (che sono 1039) ed il comune con la
maggiore popolazione in ogni porzione di territorio (10 km2) rimangono scoperti
(575 comuni, aventi una popolazione compresa tra 5.000 e 10.000 abitanti).
L’archivio fornisce :
• Valori giornalieri medi mensili ed insolazione annua per ognuno degli
anni dal 1994 al 1999
• Valori medi della radiazione giornaliera media mensile e dell'insolazione
annua sull'intero periodo 1994-1999
Per il calcolo della radiazione diffusa su una superficie orizzontale si fa uso di
metodi di calcolo sperimentali di cui il più noto è quello di Liù-Jordan14. Nota la
componente diffusa, la componente diretta si ottiene per differenza dalla
radiazione globale.
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 LE COMPONENTI DELL’IRRAGGIAMENTO (metodo di Liu-Jordan)• Componente diffusa
dell’irraggiamento su superficie orizzontale  Hdif,o = Ho (a + b Ho / Qo)    Ho : irraggiamento su superficie
orizzontale (dati storici)
 Qo : irraggiamento su superficie orizzontale fuori dell’atmosfera  a e b : coefficienti
funzione del sito Componente diretta dell’irraggiamento su superficie orizzontale   Hdri,o = Ho –
Hdif,o  “FONTE ENEA”
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Per diverse località dislocate sul territorio italiano, i valori della componente
diretta e diffusa della radiazione su superficie orizzontale vengono direttamente
forniti dalle norme UNI 10349 “Riscaldamento e  raffreddamento  degli edifici”.
Negli impianti fotovoltaici la superficie di captazione è quasi sempre inclinata15,
pertanto è necessario calcolare, a partire dalla conoscenza della radiazione solare
incidente su una superficie orizzontale, la quantità di radiazione raccolta da una
superficie inclinata, come somma della radiazione diretta, diffusa e di quella
riflessa dal territorio circostante.
Nota la componente diretta e diffusa della radiazione solare su superficie
orizzontale è possibile determinare mediante formule geometriche valori della
componente diretta e diffusa su superficie inclinata.
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Inoltre note le proprietà riflettenti del terreno (riflettanza) è possibile determinare
il valore della componente riflessa su superficie inclinata, detta componente di
albedo18.
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 In genere orientata a sud con angolo di 30 gradi.
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 Fonte Enea
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 Fonte Enea