Un impianto fotovoltaico è un impianto elettrico costituito essenzialmente dall'assemblaggio di più moduli fotovoltaici che sfruttano l'energia solare per produrre energia elettrica mediante effetto fotovoltaico, della necessaria componente elettrica (cavi) ed elettronica (inverter) ed eventualmente di sistemi meccanici-automatici ad inseguimento solare.
Gli impianti fotovoltaici sono principalmente suddivisi in 2 grandi famiglie:
Un caso particolare di impianto ad isola, detto "ibrido", resta connesso alla rete elettrica di distribuzione, ma utilizza principalmente le sue fonti, una sola, o può avere una combinazione, ad esempio, fotovoltaico, eolico, gruppo elettrogeno, anche con l'aiuto di un accumulatore. Qualora nessuna delle fonti sia disponibile o l'accumulatore sia scarico, un circuito collega l'impianto alla rete elettrica per la continuità della fornitura.
Dal punto di vista strutturale, va menzionata la posa "architettonicamente integrata" (noto anche con l'acronimo BIPV, Building Integrated PhotoVoltaics, ovvero "sistemi fotovoltaici architettonicamente integrati"). L'integrazione architettonica si ottiene ponendo i moduli fotovoltaici dell'impianto all'interno del profilo stesso dell'edificio che lo accoglie. Le tecniche sono principalmente:
I costi per realizzare un impianto fotovoltaico integrato sono più alti rispetto a quello tradizionale, ma il risultato estetico è privilegiato dalla normativa del Conto energia, con il riconoscimento di una tariffa incentivante sensibilmente più elevata.
Questa famiglia è al servizio di quelle utenze elettriche isolate da altre fonti energetiche, come la rete nazionale in C.A., che si riforniscono da un impianto fotovoltaico elettricamente isolato ed autosufficiente.
I principali componenti di un impianto fotovoltaico ad isola sono generalmente:
Le tensioni più utilizzate sono 12 o 24 V. Conseguentemente, dato che la maggior parte dei moduli fotovoltaici utilizzati in questa tipologia di impianti ha tensioni in uscita pari a 12 o 24 V, le cosiddette stringhe elettriche che formano il campo sono costituite da pochissimi moduli, fino al limite del singolo modulo per stringa. In quest'ultimo caso, in pratica, il campo fotovoltaico è costituito da semplici paralleli elettrici tra moduli, dotati di diodi di stringa per la protezione dalle cosiddette correnti inverse di cui tratteremo oltre.
L'accumulatore è in genere costituito da monoblocchi, o elementi singoli specificamente progettati per cariche e scariche profonde e cicliche. Negli impianti che devono garantire continuità di servizio anche alle più severe condizioni non sono, in genere impiegati accumulatori per uso automobilistico, che pur funzionando a dovere hanno bassa "vita utile" ossia tollerano un minor numero di cicli di carica e scarica rispetto ad accumulatori progettati e costruiti appositamente per questo tipo di impiego. Nel caso di installazioni degli accumulatori su palo o in altezza (per es. pubblica illuminazione o lampione fotovoltaico) non possono essere utilizzati accumulatori per uso automobilistico in quanto eventuali perdite di elettrolita (che è costituito da una soluzione altamente corrosiva a base di acido solforico) potrebbero causare danni a persone, animali e cose. In queste installazioni si utilizzano appositi accumulatori nel quale l'elettrolita liquido è sostituito da uno speciale gel.
Il regolatore di carica è un dispositivo elettronico che possiede le seguenti funzionalità minime:
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 Lo stesso argomento in dettaglio: Conto energia e Net metering. |
Questa famiglia identifica quelle utenze elettriche già servite dalla rete nazionale in AC, ma che immettono in rete tutta o parte della produzione elettrica risultante dal loro impianto fotovoltaico, opportunamente convertita in corrente alternata e sincronizzata a quella della rete, contribuendo alla cosiddetta generazione distribuita.
I principali componenti di un impianto fotovoltaico connesso alla rete sono:
All'interno della famiglia degli impianti fotovoltaici connessi in rete si distinguono gli impianti "Plug and Play", ovvero sistemi di taglia ridotta non superiori a 350 watt che possono essere collegati direttamente all'impianto elettrico dell'utente, tramite una propria spina, alla normale presa di corrente domestica a 230 volt su un circuito elettrico dedicato, facente capo al centralino domestico.
Sono immediatamente utilizzabili senza particolari interventi tecnici o burocratici e contribuiscono al risparmio energetico dell'abitazione, per un 15% del fabbisogno annuale, sfruttando l'irraggiamento solare contestualmente disponibile.
Con la consultazione 614/2016/R/eel del 2016 vennero riportate le prime disposizioni della AEEGSI (oggi ARERA) per la connessione cogente di questi impianti a spina, di seguito definiti dalla stessa Autorità, "Impianti Fotovoltaici Plug & Play". La Norma CEI 0.21 definisce l'impianto di produzione "Plug and Play" come "un particolare impianto di taglia ridotta destinato alla produzione di elettricità, avente potenza nominale non superiore a 350 watt, che risulta completo e pronto alla connessione diretta tramite spina ad una presa dedicata e visivamente identificabile rispetto alle altre prese all'interno dell'impianto elettrico dell'utente".
Il 4 agosto 2020, con la Delibera 315/2020/R/eel di ARERA, vengono semplificate le condizioni procedurali ed economiche per la connessione di tutti gli impianti di generazione con potenza nominale inferiore a 800 watt, Plug and Play ivi compreso.
La potenza nominale di un impianto fotovoltaico si considera generalmente come la somma dei valori di potenza nominale di ciascun modulo fotovoltaico di cui è composto il suo campo, e si intende come il valore in Watt di picco, indicato con il simbolo: Wp e multipli (kWp, MWp, ...). Una indicazione più puntuale della potenza utile è quella della potenza in alternata, ovvero dopo l'inverter (una indicazione della potenza netta, utile, dell'impianto), valore che si indica in WCA (WAC sulle pubblicazioni in lingua inglese) e multipli (kWCA, MWCA, ...). In tale frangente, la potenza di picco, ovvero lorda, si indica con WCC (WDC sulle pubblicazioni in lingua inglese), per indicare che si tratta della potenza in corrente continua.
La superficie occupata da un impianto fotovoltaico è in genere poco maggiore rispetto a quella occupata dai soli moduli fotovoltaici, che richiedono, per la tecnologia silicio policristallino e silicio monocristallino, circa 4 m² / kW (per moduli di circa il 18-20% di efficienza esposti a Sud) ai quali vanno aggiunte eventuali superfici occupate dai coni d'ombra prodotte da ostacoli, tipo camini, antenne TV ecc., se montati in modo complanare alle superficie, invece se montati in modo non complanare si deve tenere conto dell'ombra che gli stessi pannelli producono e quindi la superficie impiegata è di circa 8 m²/kW.
Negli impianti su terreno o tetto piano, è prassi comune distribuire geometricamente il campo su più file, opportunamente sollevate singolarmente verso il sole, in modo da massimizzare l'irraggiamento captato dai moduli. Queste file vengono stabilite per esigenze geometriche del sito di installazione e possono o meno corrispondere alle stringhe.
In entrambe le configurazioni di impianto, ad isola o connesso in rete, l'unico componente disposto in esterno è il campo fotovoltaico, mentre regolatore, inverter e batteria sono tipicamente disposti in locali tecnici predisposti (es. cabina).
L'energia prodotta è tanto maggiore quanto più l'impianto gode di un'esposizione favorevole all'irraggiamento solare, che è funzione dell'eliofania e massima con determinati angoli di inclinazione rispetto ad un piano orizzontale al suolo e per esposizioni il più possibile verso sud.
Per massimizzare la captazione dell'irraggiamento solare si progettano e si realizzano moduli fotovoltaici ad inseguimento solare che adattano cioè l'inclinazione del pannello ricevente all'inclinazione dei raggi solari durante il giorno e la stagione.
Infine, occorre tenere presente l'“Efficienza del B.O.S.” (Balance of System), che nella lingua inglese significa considerare tutte le parti in gioco ed indica l'efficienza di tutta la catena che compone il sistema fotovoltaico, escluso i moduli stessi. Per BOS si intende l'insieme dei dispositivi e della componentistica elettrica/elettronica dell'impianto fotovoltaico, che trasferiscono l'energia prodotta dai moduli alla rete elettrica. Un valore accettabile è generalmente valutato intorno all'85%. In termini di potenze, un WCA equivale al prodotto dell'efficienza citata per un WCC (grosso modo il Wp).
L'effetto della temperatura sui moduli fotovoltaici viene solitamente quantificato mediante alcuni coefficienti relativi alle variazioni della tensione a circuito aperto, della corrente di cortocircuito e della potenza massima alle variazioni di temperatura. In questo documento, linee guida sperimentali complete per stimare i coefficienti di temperatura.[2]
La regolamentazione nazionale suddivide gli impianti fotovoltaici in vari gruppi, per dimensione, modalità di utilizzo e di posa. Prima in 3 gruppi:
Questa classificazione è stata in parte dettata dalla stessa normativa italiana del Conto energia, tuttavia il 2º Conto Energia (febbraio 2007) definisce tre nuove tariffe incentivanti: da 1 a 3 kW, da 3 a 20 kW e oltre i 20 kW.
Con l'entrata in vigore del 4º Conto Energia (maggio 2011) vi è stato un'ennesima modifica alla normativa: la tariffa corrispondente per il 2012 è divisa per fasce di potenza, impianti su edifici od altri impianti e per semestre, es. nel 2º semestre per impianti su edificio fino a 3 kW avremo una tariffa pari a 0,252 €/kWh di energia generato. Le fasce per gli impianti su edificio sono diventate: da 1 a 3 kW, da 3 a 20 kW, da 20 a 200 kW (limite Scambio Sul Posto), da 200 kW a 1 MW (limite piccoli), da 1 a 5 MW e oltre i 5 MW.
L'STMG e il Testo unico della produzione elettrica definisco i criteri di allacciamento per impianti fotovoltaici superiori a 1 kWp fino ad impianti di grandi dimensioni.
Negli ultimi anni ci sono state numerose critiche negative sia da parte di istituti di ricerca privati sia pubblici sulla necessità di proseguire con il conto energia a causa degli alti costi finanziari rispetto alla bassa produzioni di potenza elettrica[3].
Il 27 agosto 2012 entra in vigore il 5º Conto Energia, con un sistema incentivante completamente rivisto rispetto ai precedenti e che vede l'inserimento di un premio per l'energia autoconsumata ed un meccanismo di accesso a registri per gli impianti di potenza superiore a 12 kW o 50 kW se con rimozione amianto. Il 5º Conto Energia termina ufficialmente il 6 Luglio 2013 a seguito del raggiungimento del tetto limite di spesa di 6,7 miliardi di euro.
Nell'ambito della progettazione, il dimensionamento di un impianto domestico si fa usualmente tenendo in conto:
Da tutti questi fattori si risale alla misura della superficie di pannelli fotovoltaici necessaria a soddisfare le specifiche di impianto in termini di produzione richiesta, pervenendo di conseguenza ad una primitiva stima complessiva del costo di impianto, cui andranno poi aggiunti i costi delle componenti elettriche ed elettroniche (cavi e inverter) e i costi di installazione. Le ore equivalenti di funzionamento: rapporto produzione/potenza (kWh/kW) che in Italia é intorno alle 1200 ore all'anno.
In tutti i casi risulta necessaria una valutazione o studio di fattibilità economica che valuti la realizzabilità tecnica e la convenienza economica ovvero costi e ritorni dell'investimento in base all'energia elettrica annuale stimata prodotta e ai tempi inevitabili di dismissione dell'impianto (lifetime).
Durante l'anno 2019, il GSE ha pubblicato il portale dell'autoconsumo Archiviato il 15 gennaio 2020 in Internet Archive. che permette ad ogni cittadino di poter approfondire il tema, dimensionare il proprio impianto e valutare l'andamento dei flussi di cassa. Per utilizzarlo basta inserire le superfici disponibili, i consumi elettrici e l'indirizzo della propria abitazione.
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Lo stesso argomento in dettaglio: Centrale solare. |
Il principale ostacolo all'installazione di questo tipo di tecnologia è stato, per lungo tempo, l'alto costo degli impianti stessi, e di conseguenza dell'energia prodotta. Tali limiti sono stati fortemente ridotti negli ultimi anni dalla produzione in massa, conseguenza diretta dell'incentivazione offerta alla produzione di energia solare che ha portato ad un sostanziale abbattimento dei costi.
La ricerca sul silicio amorfo ha dato risultati inferiori alle aspettative, mentre risultati migliori sono stati ottenuti, in via sperimentale su diversi altri materiali (grafite, diseleniuro di indio e rame CiS, tellururo di cadmio, ecc.), per coprire il consumo energetico elettrico italiano sarebbero necessari circa 500 km²[5] pari allo 0,17% del territorio italiano. Un'estensione pari a circa il comune di Foggia.
Molte speranze si possono riporre nel fotovoltaico, se integrato con gli altri sistemi di energia rinnovabile, (energia eolica, energia delle maree e energia da biomassa), per la sostituzione graduale delle energie a fonti fossili, le cui riserve sono limitate. Segnali di questo tipo provengono da diverse esperienze europee. In Germania in particolare, leader mondiale del settore[6], sono state avviate molte centrali elettriche fotovoltaiche utilizzando zone dismesse o tetti di grandi complessi industriali. Più discussa è viceversa l'installazione su aree agricole e collinari.
In Italia è consentita l'installazione di impianti fotovoltaici sulle aree agricole solo se soddisfano i requisiti in merito alla compatibilità ambientale (assenza in area di progetto di vincoli ambientali, idrogeologici, paesaggistici). L'attuale normativa non consente comunque l'accesso a incentivi economici per la produzione fotovoltaica in caso di installazioni in aree agricole. Nei paesi particolarmente soleggiati, tra cui l'Italia, per impianti a terra, in competizione al fotovoltaico è la tecnologia termoelettrica a concentrazione solare, in particolare nella versione con accumulo termico. Questa tecnologia, oltre ad utilizzare il Sole come fonte, risolve il problema della dispacciabilità, affrontato nel paragrafo seguente, che il fotovoltaico, attualmente, affronta con l'abbinamento a svariate soluzioni convenzionali: impianti idroelettrici a pompaggio e impianti turbogas.
La produzione energetica solare è intrinsecamente legata al ciclo giorno-notte, varia inoltre durante la giornata e durante l'arco dell'anno in base alla posizione del Sole, risente di cali improvvisi di diversa intensità dovuti al passaggio delle nuvole. Intermittenza e variabilità sono problemi condivisi anche dagli impianti a energia eolica. Infine, anche la richiesta di energia è parzialmente prevedibile e risente di grandi variazioni giornaliere, stagionali, casuali. La produzione effettiva media e costante di energia risulta infatti essere molto minore della produzione teorica massima.
Per garantire un flusso omogeneo di energia, proporzionato alla domanda, gli impianti domestici usano il fotovoltaico in affiancamento alla rete elettrica, come risparmio occasionale. Un impianto domestico indipendente, e a maggior ragione un impianto su larga scala, necessita l'affiancamento di soluzioni di accumulo energetico e gestione programmata.
Si cerca pertanto di implementare delle smart grid, reti intelligenti nella gestione dei flussi di energia non solo dalla produzione all'utilizzatore (produzione, trasmissione, distribuzione), ma in una logica di adattamento continuo alle variazioni (con affiancamento di sistemi informatici per il rilevamento dati e la gestione).
Nodo fondamentale è il sistema di accumulo: quello più comune è una stazione con batterie ricaricabili per immagazzinare energia in eccesso che viene restituita in rete quando manca l'approvvigionamento alla fonte. L'accumulo energetico può essere realizzato anche in ambito idroelettrico o gravitazionale, sfruttando l'eccesso di energia fotovoltaica per riportare l'acqua o i pesi a monte del generatore.
Una delle questioni che riguardano un possibile utilizzo su vasta scala dell'energia fotovoltaica è relativa alla produzione di grandi quantità di moduli fotovoltaici, che comporterebbe la necessità di reperire quantità rilevanti di materie prime minerali per effetto della ridotta densità energetica[7][8][9][10][11] di tale tecnologia e il dover lavorare, in fase di fabbricazione, anche grossi quantitativi di sostanze tossiche[12][13].
Ad esempio, se si volesse produrre tutta l'energia elettrica di cui l'Italia necessita tramite l'energia fotovoltaica, per quanto riguarda le principali sostanze tossiche necessarie alla produzione di silicio di grado solare, si dovrebbero utilizzare circa 10,4 milioni di tonnellate di acido cloridrico, 186.000 tonnellate di tetraclorosilano più altre sostanze tipo cadmio, germanio e arsenico - mentre per quanto riguarda l'utilizzo di alcuni materiali rari, come ad esempio l'argento, si avrebbe bisogno di circa 18.600 tonnellate di pasta d'argento e circa 130.000 tonnellate di pasta Ag/Al (5,59 kg/m² di HCl, 0,10 kg/m² di SiCl4, 0,01 kg/m² di pasta d'argento, 0,07 kg/m² di pasta Ag/Al)[14]; non vengono considerati in tale calcolo i materiali necessari alla costruzione degli inverter, all'adeguamento della rete elettrica (smart grid) a causa della produzione non programmabile e alla costruzione delle infrastrutture necessarie per lo stoccaggio dell'energia elettrica in eccesso non immediatamente consumata da utilizzare poi nei periodi di scarso soleggiamento (soprattutto nel periodo invernale e la notte) come ad esempio bacini idroelettrici di accumulo, impianti elettrochimici, idrogeno, aria compressa ecc.
L'affidabilità a lungo termine dei moduli fotovoltaici è fondamentale per garantire la fattibilità tecnica ed economica del fotovoltaico come fonte energetica di successo. L'analisi dei meccanismi di degrado dei moduli fotovoltaici è fondamentale per garantire una durata di vita attuale superiore a 25 anni.[15]
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Anno 2019: dai dati statistici di TERNA[4] risulta una produzione di energia elettrica fotovoltaica pari a 694,741 TWh su un totale di energia elettrica prodotta pari a 27.031,4 TWh (contributo del 2,57%) con una potenza fotovoltaica installata pari a 587,441 GW.
Anno 2019: dal rapporto statistico GSE risulta che il contributo dell'energia fotovoltaica al fabbisogno di energia totale lorda (1155 Mtep - consumi finali lordi) è stato dello 0,94%[16] (consumi finali lordi da FER = 219 Mtep di cui il 5% da energia fotovoltaica)[17].
Anno 2022: dal rapporto statistico GSE, risulta una produzione lorda di energia solare fotovoltaica pari a 28.121 GWh, contribuendo col 22% alla produzione totale di energia rinnovabile in Italia con una potenza efficiente lorda fotovoltaica installata pari a 25.064 MW[18] (Energia da fonti rinnovabili - Rapporto statistico 2019).
Alcuni esempi di grossi impianti fotovoltaici nel mondo sono:
Al 2023, l'impianto fotovoltaico Gemasolar di Fuentes de Andalucía, in Spagna, è il più efficiente al mondo. Sorge nell'area a maggior irraggiamento solare al mondo. Inaugurato a maggio 2011, occupa 185 ettari ed ha una superficie irradiata di 240.000 m2, composta da 2.493 eliostati orientabili di 96 m2 ciascuno, aventi un lato di vetro altamente riflettente e un altro di metallo. La potenza installata è di 20 megawatt, per una produzione annua fino a 110 gigawattore [23]
