Fotovoltaico: energia pulita, rinnovabile e gratuita

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

complessivo di impianto.

Gli svantaggi sono gli altri costi da

aggiungere per l’acquisto di un

sincronizzatore con la tensione di

rete, di un set omologato di

protezioni di minima e massima

tensione e frequenza (per prevenire l’”effetto isola”, che si verifica quando la rete pubblica viene

disalimentata per manutenzione e continua comunque ad essere alimentata dall’impianto fotovoltaico) e di

un inverter con tecnologia PWM – Pulse Width Modulation (per ridurre l’inquinamento armonico).

Ottimizzazione degli impianti fotovoltaici

MPPT – Maximum Power Point Tracking (Inseguitore del Punto di Massima

Potenza) L’MPPT è un sofisticato convertitore DC-DC ormai impiegato

nella maggior parte dei regolatori di carica per pannelli

fotovoltaici in commercio. Questi particolari regolatori di

carica sono in grado di gestire e sfruttare costantemente il

punto di massima potenza erogata dal pannello fotovoltaico in

base all’irraggiamento solare a cui è sottoposto.

I principali vantaggi derivanti dall’utilizzo di regolatori di carica

con MPPT sono:

 Maggior corrente disponibile per la ricarica della batteria: i regolatori MPPT sono infatti in grado di

utilizzare tutta la potenza generata dal pannello fotovoltaico per caricare la batteria, a differenza

invece dei regolatori tradizionali PWM che sfruttano soltanto la corrente generata dal pannello per

ricaricare la batteria.

 Ampio range di tensione accettata in ingresso: è possibile, ad esempio, caricare una batteria a 12 V

utilizzando un pannello fotovoltaico progettato per lavorare a 24V, senza perdite di potenza.

Celle solari ad infrarossi e ad ultravioletti Fotovoltaico | Impianti elettrici 10

Recentemente, all’incontro “Japan

Society of Applied Physics”, un gruppo

di ricerca del “Kyoto Institute of

Technology” ha presentato una nuova

cella fotovoltaica in grado di generare

energia elettrica non solo dalla luce

visibile, ma anche da quella infrarossa

e ultravioletta.

Queste nuova cella fotovoltaica è stata

realizzata dopando un semiconduttore

composito trasparente – in questo caso il nitruro di gallio (GaN) – con un metallo di transizione come il

manganese.

Queste nuove celle fotovoltaiche potrebbero rivelarsi davvero molto utili considerando che il 50%

dell’energia trasportata dai raggi solari sul nostro pianeta è di tipo infrarosso e che essa viene rilasciata

durante le ore notturne (è grazie a questo meccanismo che l’acqua del mare rimane calda anche di notte),

e che, soprattutto in estate, tra le ore 10 e le 15 una grossa percentuale di raggi solari sono raggi

ultravioletti.

Inseguimento solare

Come si è detto prima, una cella fotovoltaica dà il meglio di sé quando i raggi del sole la colpiscono

perpendicolarmente. Negli impianti fotovoltaici fissi, per sfruttare al meglio la luce solare, i pannelli

vengono disposti ad angoli di tilt prefissati (10-15° se l’impianto deve funzionare in estate, 45-50° se in

inverno e 30° se per l’intero anno).

Recentemente, comunque, la tecnologia si è evoluta e sono nati i pannelli fotovoltaici ad inseguimento

solare. Essi possono essere a uno o due gradi di liberta, a seconda che offrano una libertà di movimento

mono o biassiale.

Gradi di libertà

Inseguitori ad un grado di libertà

 Inseguitori di tilt (ovvero

beccheggio): sono i più semplici

da realizzare, e ruotano attorno

all’asse est-ovest. Il pannello

viene sollevato o abbassato (in

genere manualmente due volte

l’anno) verso l’orizzonte in modo

che l’angolo rispetto al suolo sia

statisticamente ottimale in base

alla stagionalità. All’atto pratico

un inseguitore di tilt viene

realizzato impiegando profili

meccanici telescopici in modo da

sollevare o abbassare il pannello Fotovoltaico | Impianti elettrici 11

fotovoltaico rispetto all’orizzonte. Concettualmente simili al ripiano sollevabile di un banco di

scuola, questi inseguitori offrono un incremento di produzione inferiore al 10%, tanto da

giustificare raramente un servomeccanismo.

 Inseguitori di rollio: si prefiggono di seguire il sole lungo la volta celeste nel suo percorso

quotidiano, a prescindere dalla stagione di utilizzo. In questo caso l’asse di rotazione è nord-sud,

mentre l’altezza del sole rispetto all’orizzonte viene ignorata. Questi inseguitori sono

particolarmente indicati per i paesi a bassa latitudine (Italia compresa, specialmente al sud), in cui il

percorso del sole è mediamente più ampio durante l’anno. La rotazione richiesta a queste strutture

è più ampia del tilt, spingendosi a volte fino a ±60°. Questi inseguitori fanno apparire ogni fila di

moduli fotovoltaici come uno spiedo orientato verso l’equatore. Una caratteristica avanzata di

questi inseguitori è detta “backtracking. Questa tecnica prevede che i servomeccanismi orientino i

moduli gradualmente uno dopo l’altro in base ai raggi solari ”, e risolve il problema degli

ombreggiamenti che inevitabilmente le file di moduli fotovoltaici causano all’alba e al tramonto

sollevandosi verso l’orizzonte.

 Inseguitori di azimut (ovvero imbardata): dispongono di un grado di libertà con asse zenit-nadir. Per

ottenere ciò il pannello viene montato a bordo di una base rotante servoassistita, complanare al

terreno. L’incremento di produzione elettrica risultante è approssimativamente pari al 25%.

 Inseguitori ad asse polare: si muovono su un unico asse inclinato rispetto al suolo e circa parallelo

all’asse di rotazione terrestre. Tale asse è simile a quello attorno al quale il sole disegna la propria

traiettoria nel cielo. L’asse è simile ma non uguale a causa delle variazioni dell’altezza della

traiettoria del sole rispetto al suolo nelle varie stagioni. Questo sistema di rotazione del pannello

attorno ad un solo asse riesce quindi a tenere il pannello circa perpendicolare al sole durante tutto

l’arco della giornata (sempre trascurando le oscillazioni estate-inverno della traiettoria del sole) e

dà la massima efficienza che si possa ottenere

con un solo asse di rotazione. Sono raramente

utilizzati perché hanno bisogno di grandi basi

di ancoraggio a causa del loro alto profilo

ventoso.

Inseguitori a due gradi di libertà

Gli inseguitori più sofisticati dispongono di due

gradi di libertà, con cui si prefiggono di

allineare perfettamente e in tempo reale

l’ortogonale dei pannelli fotovoltaici con i

raggi solari. Il modo più economico, ma non

l’unico, per realizzarli è montare un

inseguitore a bordo di un altro. Con questi inseguitori si registrano aumenti di produzione elettrica che

raggiungono anche il 50%, a fronte però di una maggior complessità costruttiva.

Tipologia di comando

Gli inseguitori si distinguono in base alla tipologia del comando elettronico che pilota il movimento in:

 Astronomico: in questo tipo di inseguitore, il comando viene elaborato a partire dai dati delle

effemeridi del sole riferite alle coordinate del sito d’impianto. Questa tipologia di pilotaggio

garantisce una maggior produttività riferita alla luce diretta ed è indispensabile nel caso si utilizzino

Fotovoltaico | Impianti elettrici 12

moderne cellule CPV in cui rapporto superficie/radiazione solare intercettata va da 1:2 ad 1:400 e

più (colloquialmente “2-400 e + soli”).

 A rilevamento: il comando di spostamento inviato all’inseguitore viene generato sulla base delle

informazioni di un sensore che individua la posizione del punto più luminoso nel cielo. Il sensore è

costituito da una sfera o da una semisfera in cui sono distribuiti alcuni sensori ottici (fotodiodi, foto

rilevatori, ecc.) secondo coordinate azimutali e equatoriali rispetto agli assi della sfera o della

semisfera; un sistema di controllo rileva su quale sensore ottico sta puntando più

perpendicolarmente il sole e dà il comando al sistema di controllo dell’inseguitore di muoversi di

conseguenza. Questa tipologia di pilotaggio garantisce una maggior produttività nel caso si

utilizzino le cellule tradizionali in cui il rapporto superficie/radiazione solare intercettata è pari a 1:1

(colloquialmente “un sole”) che sono efficienti anche in mancanza di luce diretta perché in parte

sensibili alla luce diffusa o riflessa.

Sia gli inseguitori astronomici che quelli a rilevamento sono equipaggiati con un anemometro che comanda

il posizionamento verticale di sicurezza del pannello fotovoltaico nel caso che la velocità del vento superi i

42 m/s.

Oltre a questo, in luoghi soggetti a precipitazioni nevose, i pannelli fotovoltaici vengono equipaggiati con un

sensore neve che comanda per alcuni secondi il posizionamento verticale di sicurezza del pannello per

scaricare la neve accumulata oppure l’attivazione di apposite resistenze poste dietro il pannello stesso che

lo riscaldano fondendo la neve. Fotovoltaico | Impianti elettrici 13

Programmable Logic Controller (PLC)

Tecnologia, Disegno e Progettazione elettrica

Programmable Logic Controller (PLC) | Tecnologia, Disegno e Progettazione elettrica 14

P

er il controllo dei pannelli fotovoltaici a inseguimento viene impiegato il PLC. Quest’ultimo si occupa

di rilevare attraverso il sensore la posizione attuale del sole e invia i comandi necessari ai motori in

corrente continua per far spostare il pannello in modo che risulti perpendicolare ai raggi solari.

Inoltre è connesso all’anemometro e, quando rileva che la velocità del vento supera i 42 m/s, attiva il