Fotovoltaico: energia pulita, rinnovabile e gratuita

Fotovoltaico

Energia pulita, rinnovabile e gratuita

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Indice

Fotovoltaico ....................................................................................................................................................... 5

Il Sole ............................................................................................................................................................. 6

Storia.............................................................................................................................................................. 6

Funzionamento .............................................................................................................................................. 7

Materiali ........................................................................................................................................................ 8

Posizionamento di un generatore fotovoltaico ............................................................................................. 8

Sistemi fotovoltaici in corrente alternata ...................................................................................................... 9

Sistemi funzionanti in isola (stand-alone) ................................................................................................. 9

Sistemi collegati alla rete elettrica pubblica (grid-connected) .................................................................. 9

Ottimizzazione degli impianti fotovoltaici ................................................................................................... 10

MPPT – Maximum Power Point Tracking (Inseguitore del Punto di Massima Potenza) ......................... 10

Celle solari ad infrarossi e ad ultravioletti ............................................................................................... 10

Inseguimento solare ................................................................................................................................ 11

Gradi di libertà ..................................................................................................................................... 11

Inseguitori ad un grado di libertà .................................................................................................... 11

Inseguitori a due gradi di libertà ..................................................................................................... 12

Tipologia di comando .......................................................................................................................... 12

Programmable Logic Controller (PLC) ............................................................................................................. 14

Storia............................................................................................................................................................ 15

Struttura del PLC .......................................................................................................................................... 16

Programmazione ......................................................................................................................................... 16

Vantaggi del PLC .......................................................................................................................................... 16

Motore a Corrente Continua ........................................................................................................................... 17

Storia............................................................................................................................................................ 18

Aspetti costruttivi ........................................................................................................................................ 18

Statore ..................................................................................................................................................... 18

Rotore ...................................................................................................................................................... 18

Funzionamento ............................................................................................................................................ 19

Svantaggi ..................................................................................................................................................... 19

Algebra degli schemi a blocchi ........................................................................................................................ 21

Blocchi in cascata ......................................................................................................................................... 22

Blocchi in derivazione .................................................................................................................................. 22

Blocchi in retroazione .................................................................................................................................. 23

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Spostamento di nodo sommatore ............................................................................................................... 23

Spostamento di punto di diramazione ........................................................................................................ 24

Integrali indefiniti ............................................................................................................................................ 26

Luigi Pirandello ................................................................................................................................................ 29

Il fu Mattia Pascal ............................................................................................................................................ 32

L’età giolittiana ................................................................................................................................................ 37

Bibliografia ....................................................................................................................................................... 41

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Fotovoltaico

Impianti elettrici Fotovoltaico | Impianti elettrici 5

Il Sole

Il Sole è l’”oggetto” più grande del nostro sistema solare, occupando il 98% della superficie di esso. Ha una circonferenza 109 volte quella della Terra e al suo interno potrebbe contenere 1,3 milioni di Terre. Il Sole è una vera e propria super centrale nucleare all’interno della quale avviene una fusione nucleare alla temperatura di 15 milioni di gradi: quattro protoni (o nuclei di idrogeno) si fondono insieme formando una particella alfa (o nucleo di elio). La massa di questa particella è inferiore dello 0,7% rispetto a quella complessiva dei quattro protoni; la massa mancante viene espulsa sotto forma di energia sulla superficie del Sole con un processo chiamato “convezione”, e successivamente come luce e calore.

L’energia impiega un milione di anni per raggiungere la superficie del sole. Ogni secondo 700 milioni di tonnellate di idrogeno vengono convertiti in nuclei di elio. Complessivamente, durante tutto il processo, vengono rilasciati 5 milioni di tonnellate di energia pura, di cui solo 2 milionesimi raggiungono la Terra.

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Sulla Terra arrivano 1 x 10¹⁸ kWh/a di energia, 10.000 volte l’energia utilizzata dall’uomo. Di conseguenza, basterebbe solo lo 0,01% dell’energia solare che raggiunge la Terra per coprire il fabbisogno energetico mondiale.

Storia

Tutto iniziò per caso nel 1839 quando Alexandre Edmond Becquerel, un fisico francese, mentre stava armeggiando con alcuni elettrodi metallici e un elettrolita, scoprì che la conduttanza variava a seconda dell’illuminazione. Dopo che diversi scienziati sperimentarono l’effetto, il fisico tedesco Albert Einstein riuscì a descrivere e a spiegare l’effetto fotovoltaico, vincendo il premio Nobel.

Successivamente un susseguirsi di scienziati e nuove scoperte hanno trasformato quell’antica scoperta in quella che oggi conosciamo come cella fotovoltaica, in grado di produrre energia elettrica semplicemente stando al sole.

Oggigiorno il fotovoltaico sta avendo un vero e proprio boom, dovuto principalmente ai numerosi vantaggi che esso ha:

Albert Einstein

• Assoluta mancanza di rumore e di emissione di gas inquinanti, il che rende pressoché nullo l’impatto ambientale;
• Assenza di parti in movimento, e quindi di usura; ciò rende marginali i costi per manutenzione;
• Elevata durata di un modulo fotovoltaico commerciale, che viene normalmente garantito per tempi di 20÷25 anni;
• Ridotti costi di smaltimento di un impianto che merita di andare in pensione e che deve essere smantellato; infatti il componente base di un generatore fotovoltaico terrestre è il silicio (che deriva dalla silice SiO₂ di cui è fatta la sabbia);
• Il grado di purezza richiesto al silicio per impieghi fotovoltaici è molto minore di quello necessario per la realizzazione dei chip elettronici; quindi la materia prima di una industria fotovoltaica può essere costituita dagli scarti dell’industria elettronica;
• Ridotta superficie necessaria; ad esempio, per alimentare una abitazione media (con 4 persone e consumi medi di energia) è sufficiente una superficie di 20÷25 m², facilmente ricavabili dal tetto o dal lastrico solare.

Fotovoltaico | Impianti elettrici 6

È anche vero, comunque, che il fotovoltaico, come ogni altra cosa, ha anche i suoi svantaggi:

• Costo elevato.
• Difficoltà nel far coincidere la disponibilità della sorgente con le richieste dell’utente: un pannello fotovoltaico produce meno energia se riceve meno irraggiamento solare (ad esempio, quando il cielo è nuvoloso) e non ne produce affatto di notte. (Per irraggiamento solare si intende l’intensità della radiazione elettromagnetica solare incidente su una superficie di area unitaria [kW/m²]. Tale intensità è pari all’integrale della potenza associata a ciascun valore di frequenza dello spettro della radiazione solare).

Funzionamento

La cella fotovoltaica è un dispositivo che, esposto al sole, è capace di erogare energia elettrica in proporzione alla radiazione solare incidente convertendo i singoli pacchetti (fotoni) di energia di cui è composta la radiazione solare.

Affinché questa conversione avvenga, però, è necessario che il materiale di cui è fatta la cella sia “compatibile” con i fotoni di cui è composta la luce solare, che non sono tutti uguali. Ogni fotone possiede un determinato valore che se è superiore o inferiore al valore supportato dal materiale non innesca il processo di conversione o lo innesca solo parzialmente.

Le applicazioni dell’energia fotovoltaica richiedono per la maggior parte caratteristiche di potenza, corrente e tensione piuttosto elevate, ottenibili soltanto usando più celle contemporaneamente. Per ragioni di praticità, le celle vengono assemblate in una struttura allo stesso tempo robusta e maneggevole, in grado di garantire molti anni di funzionamento anche in condizioni ambientali difficili: il modulo fotovoltaico.

La tensione elettrica prodotta da una cella esposta al sole è pari a circa 0.5 V in corrente continua, e tale valore non dipende dalla superficie della cella, mentre dipende poco dalla intensità della radiazione solare; la corrente elettrica (e quindi la potenza) invece risulta proporzionale sia alla superficie della cella sia alla intensità della radiazione solare (ad esempio, una cella 10 cm x 10 cm, esposta a raggi solari che la colpiscono perpendicolarmente, in condizioni di piena luce eroga una potenza elettrica di circa 1.3 W).

Nella sua forma più comune, un modulo è costituito da 36 celle, disposte su 4 file parallele e collegate in serie tra di loro. Le celle sono sigillate tra due lastre di vetro o, in altri casi, fra una lastra di vetro anteriore e uno strato di plastica posteriore. Fotovoltaico | Impianti elettrici 7

La potenza erogata da un modulo, in condizioni di sole pieno, si aggira generalmente intorno ai 40-50 Watt. La tensione di lavoro ai morsetti è normalmente di 17 Volt (che corrisponde all’incirca a 36 x 0.5 V poiché il collegamento è in serie), in modo che il modulo sia collegabile direttamente a un accumulatore convenzionale in grado di immagazzinare l’energia elettrica prodotta.

Collegando poi in serie/parallelo un insieme di moduli si ottiene un generatore fotovoltaico con le caratteristiche desiderate di corrente e tensione.

La quantità di energia prodotta da un generatore fotovoltaico varia nel corso dell’anno e dipende dalla località in cui è installato. Secondo alcune statistiche, comunque, in una tipica zona dell’Italia meridionale un metro quadrato di moduli produce una energia media giornaliera (media su base annua) pari a 0,3÷0,4 kWh.

Materiali

Una cella fotovoltaica è fatta principalmente di silicio cristallino (c-Si). Esistono diversi tipi di silicio che vengono classificati a seconda della cristallinità e delle dimensioni dei cristalli presenti nei pani, nei nastri o nei wafer:

• Silicio monocristallino (c-Si): i wafer prodotti con questo silicio vengono ricavati tagliando i fogli di silicio da un pane cilindrico di silicio monocristallino. I wafer ottenuti hanno una struttura a reticolo di cristalli singola e continua, esente da difetti o impurità. Essendo tagliati da un pane cilindrico, però, i wafer risultanti non coprono del tutto i moduli quadrati della celle solari. Questo tipo di silicio, comunque, viene utilizzato solo per la produzione di celle ad elevate prestazioni, visto l’elevato costo.
• Silicio policristallino (Poly-Si) o multicristallino (mc-Si): le celle solari di silicio policristallino vengono prodotte facendo colare il silicio fuso nei moduli e raffreddandolo. Queste celle sono meno costose di quelle di silicio monocristallino, ma hanno un’efficienza inferiore del 15%.
• Silicio amorfo (a-Si): una cella solare costruita con questo tipo di silicio viene realizzata disponendo chimicamente gli atomi silicei in forma amorfa (strutturalmente disorganizzata). Questo consente di realizzare celle solari con esigue quantità di silicio, economiche e sottilissime, pur avendo un rendimento leggermente inferiore a quelle realizzate con il silicio policristallino.

Posizionamento di un generatore fotovoltaico

Affinché un dispositivo che sfrutta l’energia solare (sia esso fotovoltaico o per la produzione di acqua calda sanitaria) possa raccogliere al meglio l’energia solare incidente, sarebbe ovviamente opportuno che la superficie attiva fosse disposta perpendicolarmente ai raggi solari.

Però nella stragrande maggioranza dei casi di generatori terrestri (cioè per applicazioni sulla terra) il generatore è fissato ad una struttura di sostegno rigida, e non può inseguire il moto apparente del sole.

In tal caso è comunque opportuno che il generatore sia rivolto verso sud.

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È importante anche scegliere l’angolo di inclinazione del modulo rispetto al piano orizzontale (angolo di tilt), che dipende dalla ubicazione sito nel quale l’impianto deve essere installato e dall’impiego presunto per l’impianto. Secondo alcune statistiche italiane, i migliori angoli di tilt sono 10-15° se si presume che l’impianto debba funzionare prevalentemente in estate, 45-50° se si vuole assicurare una prefissata raccolta di energia anche in inverno e 30° se si vuole ottimizzare la raccolta di energia nel corso dell’intero anno (scelta preferita per impianti per usi residenziali).

Sistemi fotovoltaici in corrente alternata

Un generatore fotovoltaico eroga energia elettrica in corrente continua, che è inutilizzabile dalla grande maggioranza degli utilizzatori elettrici, che funzionano in corrente alternata.

Per questo motivo è necessario il generatore all’utilizzatore, adottando dei convertitori elettronici denominati dc/ac (inverter) che convertono l’energia continua in alternata.

Per la realizzazione di un impianto fotovoltaico è possibile scegliere tra due tipi di impianti:

• Sistema fotovoltaico funzionante in isola.
• Sistema fotovoltaico collegato alla rete elettrica pubblica.

Sistemi funzionanti in isola (stand-alone)

Il cuore dell’impianto è in questo caso l’inverter, che è collegato in ingresso alle due sorgenti in continua (fotovoltaico e batterie), e trasferisce in uscita l’energia in alternata al carico.

Oltre a convertire l’energia elettrica, l’inverter stabilizza la tensione d’uscita in relazione al carico inserito e regola la carica delle batterie.

Il vantaggio di un sistema in isola è quello di poter disporre di energia elettrica anche quando l’ubicazione degli apparecchi utilizzatori rende antieconomico l’allaccio con rete elettrica pubblica (per esempio rifugi alpini, ponti radio, ecc.).

Gli svantaggi, invece, sono il bisogno di un locale per le batterie con impianto elettrico idoneo al pericolo di esplosione, un maggior numero di batterie dovuto alla necessità di garantire l’alimentazione del carico anche in periodi in cui l’impianto fotovoltaico non può funzionare e i costi di manutenzione delle batterie.

Sistemi collegati alla rete elettrica pubblica (grid-connected)

In questo caso non è necessario un parco batterie in quanto l’energia prodotta dall’impianto viene riversata nel carico e nella rete elettrica pubblica, o solo in quest’ultima. Fotovoltaico | Impianti elettrici 9

I vantaggi di questo sistema sono una riduzione dei costi di installazione e di esercizio (il parco batterie era l’unica componente dell’impianto che richiede manutenzione ordinaria) e un miglioramento del rendimento