Studio di un sistema fotovoltaico residenziale connesso in rete

CAP. 1 ENERGIE RINNOVABILI 
 
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alcuni dispositivi elettrici, detti celle fotovoltaiche, che provvedono a trasformare l’energia 
luminosa direttamente in potenza elettrica a tensione e corrente continua. Questa forma di 
sfruttamento di energia solare è considerata come fonte di energia solare fotovoltaica. 
 
 
4. Energia delle biomasse: termica, termoelettrica e biocombustibili 
 
Infine, l’energia può essere fatta assorbire da piante di apposite coltivazioni energetiche ad 
alto rendimento, che attraverso il processo fotosintetico provvedono a trasformarla in energia 
chimica ed accumularla nelle diverse parti della pianta. L’utilizzo così della biomassa può essere 
fatto direttamente per combustione, generando energia termica, oppure il calore prodotto può 
essere utilizzato per alimentare un ciclo termodinamico in modo da produrre energia elettrica 
finale. Recentemente si è aggiunta una nuova modalità consistente nella coltivazione di piante da 
semi oleaginosi (colza, girasole, mais...). Allora la fonte delle biomasse può essere considerata 
articolata in tre aspetti: biomasse per usi termici, biomasse per usi termoelettrici e biomasse 
per biocombustibili o biodiesel. 
 
In conclusione la radiazione solare primaria costituisce il motore di attivazione delle 
diverse fonti di energia rinnovabile. La rinnovabilità delle differenti forme di energia secondaria 
ottenibile deriva direttamente dall’energia solare primaria, il cui flusso le alimenta tutte. 
 
Il territorio come giacimento di energia rinnovabile 
 
Il territorio possiede una valenza energetica, la quale è relazionata alla quantità di energia 
solare primaria e derivata, che insiste su di esso. L’energia primaria è quella associata alla 
radiazione solare globale, sia diretta che diffusa, mentre quella solare derivata si può considerare 
come quella cinetica del vento e quella idraulica connessa alla raccolta in bacini dell’acqua 
piovana. Da queste forme di energia derivano quelle che solitamente vengono indicate come le 
fonti rinnovabili già citate nel precedente paragrafo. A questo punto è possibile affermare che la 
quantità di energia disponibile sul terreno per lo sfruttamento, è una grandezza locale collegata 
strettamente al sito, attraverso due parametri: 
CAP. 1 ENERGIE RINNOVABILI 
 
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• parametri geografici (radiazione solare) 
• condizioni climatiche generali e condizioni microclimatiche puntuali (ventosità, piovosità e 
morfologia del terreno) 
 
Per questo motivo è lecito pensare che le forme assunte dall’energia rinnovabile sono 
strettamente legate al territorio ed immagazzinate in altrettanti giacimenti ciascuno di essi 
caratterizzato dalla sua densità superficiale di energia. 
 
Alcune condizioni per lo sfruttamento delle nuove fonti rinnovabili 
 
Come è stato appena illustrato, i giacimenti di energia rinnovabile vanno pensati come se 
fossero diffusi sul territorio. Di conseguenza, le tecnologie delle diverse fonti permettono in 
pratica di attingere energia dai giacimenti in quantità commisurata a tre fattori: 
 
• Disponibilità di adeguate aree territoriali 
• La capacità tecnica di raccogliere in modo economico l’energia che insiste sul terreno 
• La possibilità di avviare l’energia prodotta al consumo 
 
cioè in tre generali punti chiave: terreno, competitività e vettoriabilità. 
 
Il primo fattore rappresenta una caratteristica generale di tutte le fonti rinnovabili ed è 
indispensabile alla base di qualunque discorso strategico. Il totale dell’energia effettivamente 
disponibile sarà limitato dalla disponibilità territoriale offerta e dall’impatto paesaggistico. 
Il secondo fattore è inerente al tipo di fonte, allo stato di sviluppo della tecnologia ed alla 
situazione economica presente e alle prospettive di miglioramento. Infine il terzo fattore 
rappresenta la possibilità di trasporto e distribuzione che sono condizioni determinanti per il 
successo della competizione quantitativa delle fonti rinnovabili. 
 
 
CAP. 1 ENERGIE RINNOVABILI 
 
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Alcuni pregi, difetti tecnici, aspetti negativi e pregiudizi comuni delle 
fonti rinnovabili 
 
Negli anni recenti, soprattutto a fronte della minaccia della crisi ambientale, le fonti 
rinnovabili hanno guadagnato molte posizioni sia nell’opinione pubblica sia negli esperti 
energetici. Vediamo alcuni aspetti positivi di questo tipo di fonti rinnovabili che, come dice il 
nome stesso, hanno come caratteristica principale la rinnovabilità, cioè la capacità di fornire 
energia senza esaurirsi nel tempo. 
Per tracciare un bilancio più dettagliato conviene dedicare un po’ di spazio alle più 
importanti caratteristiche fisiche. 
 
• E’ stato appurato che la quantità di energia solare che cade sulla Terra ogni anno 
basterebbe di gran lunga a soddisfare il fabbisogno energetico dell’umanità. 
• E’ ormai acquisito che le nuove fonti rinnovabili come il solare termico e termodinamico, 
nuove biomasse, eolico e fotovoltaico hanno ormai sviluppato tecnologie e sistemi per la 
produzione d’energia che sono altrettanto collaudati ed affidabili rispetto le fonti 
rinnovabili tradizionali come il geotermico e l’idroelettrico. 
• Le fonti rinnovabili hanno la capacità reale di fornire energia pulita in quantità consistenti; 
infatti tali energie o non producono anidride carbonica (eolico, fotovoltaico, solare termico 
o termodinamico e idroelettrico) o la producono in una fase del ciclo in quantità uguale a 
quella che riassorbono nel ciclo successivo cosicché il bilancio totale risulti nullo 
(biomasse). 
• L’uso degli impianti di produzione di energia rinnovabile, soprattutto per quanto riguarda 
le nuove fonti, risulta sempre abbastanza facile ed adeguato. Va anche considerata la 
modularità degli impianti, caratteristica che ne permette la collocazione distribuita in 
prossimità delle utenze. 
 
Accanto al grande pregio di produrre energia pulita, esente da emissioni di carbonio e di 
altri inquinanti, le nuove fonti mostrano alcuni difetti tecnici: alcuni connaturati con la loro origine 
della comune fonte solare primaria, altre dalle specifiche modalità oggi adottate per le linee di 
sviluppo. Ecco alcuni di tali inconvenienti: 
CAP. 1 ENERGIE RINNOVABILI 
 
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• La densità superficiale dell’energia solare a livello del suolo è bassa. Il suo valore medio 
annuale nella fascia temperata, può andare pressappoco da 1200 a 1900 kWh/m
2
 che 
corrispondono a 3.3 e 5.2 kWh in media al giorno. Questo comporta in generale che lo 
sfruttamento delle fonti rinnovabili richiede grandi superfici per gli impianti di captazione 
con notevole impegno di territorio determinando così un alto costo dell’unità di energia 
secondaria (termica, elettrica...) prodotta e rendendo difficile il raggiungimento della 
competitività economica. 
• Un altro importante difetto dell’energia rinnovabile è che la sua produzione in generale 
risulta intermittente nel tempo a causa della variabilità giornaliera, stagionale, climatica 
della fonte solare primaria. Proprio a causa dell’intermittenza della generazione di energia, 
come si vedrà più avanti, il valore economico del kWh delle fonti rinnovabili risulta 
notevolmente più basso di quello tradizionale e l’aggiunta del valore ambientale non riesce 
a compensare il deficit dovuto all’intermittenza. 
• Un terzo aspetto da prendere in considerazione consiste nel fatto che, quelle più 
promettenti come l’eolico e il fotovoltaico, producono direttamente energia elettrica; questa 
caratteristica, che viene considerata positiva in quanto l’energia elettrica viene considerata 
come forma pregiata di energia, non permette di espandersi in altre fette di mercato 
energetico, come per esempio i trasporti, settore in rapida espansione che produce 
emissioni di CO
2
, che continuerà a far aumentare la concentrazione nell’atmosfera. 
 
Assieme a questi difetti tecnici appena illustrati, le nuove fonti rinnovabili mostrano anche 
alcuni elementi negativi di natura sociale che ne ostacolano la loro diffusione: 
 
• Occupazione del territorio: la densità di energia superficiale comporta la necessità di 
occupare con gli impianti delle varie fonti rinnovabili aree territoriali molto estese in 
confronto con quelle occupate dagli impianti convenzionali. 
• Modifica del paesaggio: le grandi estensioni di impianti necessari per la produzione 
dell’energia rinnovabile hanno un aspetto sicuramente poco naturale, sia per la forma dei 
componenti, sia per l’impatto visivo. 
• Variazione dell’albedo terrestre: in relazione alla diffusione su larga scala degli impianti 
solari termodinamici e fotovoltaico nasce immediatamente una preoccupazione che le 
CAP. 1 ENERGIE RINNOVABILI 
 
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grandi superfici a specchi possano provocare un’alterazione dell’albedo terrestre, causando 
in tal modo una variazione del bilancio energetico naturale del pianeta. 
• Rumore delle turbine eoliche: gli aerogeneratori durante il loro funzionamento generano 
rumore. Questo disturbo fonico può raggiungere intensità tali da quelle consentite per legge 
• Riflessione delle onde radiotelevisive da parte degli aerogeneratori: la pale di alcuni 
aerogeneratori sono in alluminio. L’alluminio essendo un metallo, quindi anche un 
conduttore, può produrre delle interferenze nella ricezione da parte di antenne in quanto 
l’onda elettromagnetica che colpisce la pala viene deviata di un angolo dipendente 
dall’incidenza e alla fine produrre tale effetto indesiderato. Questo discorso è valido per 
alcuni aerogeneratori, per la precisione quelli di più vecchia costruzione. 
CAP. 2 ENERGIA SOLARE FOTOVOLTAICA 
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ENERGIA SOLARE FOTOVOLTAICA 
 
Dopo una panoramica generale sulle varie fonti di energia rinnovabile, le condizioni per lo 
sfruttamento delle stesse, i pregi e i difetti etc. etc. si vedrà più in dettaglio il processo di 
sfruttamento dell’energia solare come fonte di energia solare fotovoltaica partendo 
dall’irraggiamento sulla Terra, seguirà l’interazione fra un materiale semiconduttore e una 
radiazione luminosa per concludere con alcuni dati e statistiche del fotovoltaico in Italia e in 
Europa. 
La tecnologia fotovoltaica consente di trasformare direttamente la luce solare in energia 
elettrica. Essa sfrutta l’effetto fotovoltaico che è basato sulle proprietà di alcuni materiali 
semiconduttori (fra cui il silicio, elemento molto diffuso in natura) che, opportunamente trattati, 
sono in grado di generare elettricità se colpiti dalla radiazione solare, senza l’uso di alcun 
combustibile. 
 
L’irraggiamento solare della Terra 
 
E’ ormai noto che la distanza che separa la Terra dal Sole è pari a 50 · 10
6
 km. A tale 
distanza il Sole può essere considerato come una sorgente puntiforme e il flusso della radiazione 
che invia alla Terra come se fosse composto da raggi fra di loro paralleli. La quantità media di 
energia solare che incide ortogonalmente, nell’unità di tempo, su una superficie unitaria posta al di 
fuori dell’atmosfera, prende il nome di costante solare ed assume il valore medio di I
0
 = 1353 
W/m
2
. 
Pertanto il disco terrestre intercetta nell’arco dell’anno una quantità di energia solare pari a: 
 
2
00
E ( R I 8760)=π      kWh/anno  (2.1) 
 
dove R = 6.38 · 10
6
 m è il raggio terrestre e 8760 sono le ore presenti in un anno. Di questa 
energia, una parte viene riflessa nello spazio senza penetrare nell’atmosfera. Questa componente è 
detta albedo terrestre ed indicata con a (a = 0.30). A questo punto l’energia assorbita annualmente 
dal pianeta ammonta a: 
CAP. 2 ENERGIA SOLARE FOTOVOLTAICA 
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2
00
E (1- a)E R I 8760(1- a)==π    kWh/anno  (2.2) 
 
Per quanto riguarda la composizione spettrale, la radiazione solare può essere considerata 
in buona approssimazione come se provenisse da un corpo nero che, alla temperatura di 5760 °K, 
irradia energia nello spazio. L’espressione della radiazione di un corpo nero in funzione della sua 
lunghezza d’onda λ è data dall’equazione di Planck: 
 
2
5
1
(C / T)
C
H( ,T)
e1
−
λ
⋅ λ
λ=
−
        (2.3) 
 
Dove T è la temperatura assoluta del corpo e le costanti di radiazione C
1
 e C
2
: 
 
 
-12
1
C 3.7405·10=      W·cm
2
 
2
C 1.4388=       cm·°K  (2.4) 
 
Siccome nella (2.3) l’unità di misura che rappresenta la radiazione H(λ,T) è il W/cm
2
 per 
cm di lunghezza d’onda, si preferisce indicare la distribuzione spettrale riferendola al μm di 
lunghezza d’onda. In questo caso la distribuzione verrà indicata con I(λ,T) dove: 
 
4
I( ,T) 10 H( ,T)
−
λ= λ    W/(cm
2 
·μm)  (2.5) 
 
Visto che la (2.5) rappresenta la distribuzione spettrale della radiazione solare in prossimità 
della superficie del Sole, si avrà che in vicinanza alla Terra, appena al di fuori della stratosfera, la 
densità di tale radiazione sarà attenuata da un fattore (r/D)
2
, dove r e D sono rispettivamente il 
raggio della Terra e la distanza media che separa il Sole dalla Terra. A questo punto si può 
affermare che la distribuzione spettrale della luce solare che si presenta sulla Terra al di fuori 
dell’atmosfera è: 
 
-4 2
0
I ( ,T) 10 (r/D) H( ,T)λ= ⋅ ⋅λ  W/(cm
2 
·μm)  (2.6)