Che cos'è il fotovoltaico

Un impianto fotovoltaico è progettato per generare elettricità dall’energia solare. Lo scopo della sua installazione è quello di alleggerire la rete di distribuzione, di risparmiare sul suo funzionamento e, infine, di garantire una certa indipendenza dai fornitori, ad esempio in caso di interruzione di corrente. Nel nostro articolo esamineremo da vicino i singoli elementi di un impianto fotovoltaico su una casa familiare, spiegheremo i tipi di impianti fotovoltaici, esamineremo i vantaggi e gli svantaggi delle diverse soluzioni e valuteremo il rendimento, il costo approssimativo di installazione e il ritorno dell’investimento per una famiglia tipo.

Elementi di un impianto fotovoltaico

Un impianto fotovoltaico convenzionale per case familiari è composto dai seguenti elementi principali: Pannelli fotovoltaici Struttura di supporto per pannelli fotovoltaici Inverter (inverter) Accumulo a batteria Distribuzione dei cavi Sezionatori di circuito
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Pannelli fotovoltaici

Sono l’elemento base di un impianto fotovoltaico che converte l’energia del sole in elettricità. Ogni pannello ha una certa efficienza, ovvero la percentuale di energia solare incidente che converte in elettricità. Oggi l’efficienza dei pannelli fotovoltaici varia dal 18 al 19%. I pannelli fotovoltaici producono corrente continua, che deve essere convertita in corrente alternata per il normale utilizzo: questa operazione viene effettuata da un inverter.

In pratica, i pannelli sono spesso indicati con un numero dopo il nome, ad esempio 325Wp (Wp = Watt di picco); questo numero indica la quantità di elettricità (espressa in Watt) che un determinato pannello può produrre (di picco) in condizioni ideali (temperatura di 25°C e atmosfera priva di nuvole – naturalmente, queste condizioni ideali si verificano raramente nella pratica). Ad esempio, nell’esempio di 325Wp di cui sopra, vediamo che il pannello produce un massimo di 325W all’ora, pari a 0,325kWh.

Durata dei pannelli fotovoltaici

I produttori di solito forniscono una garanzia di 25 anni sulle prestazioni dei pannelli fotovoltaici (in genere circa il 90% delle prestazioni nominali dopo 12 anni e l’80% delle prestazioni nominali dopo 25 anni). È comune anche una garanzia di 10 anni sulla lavorazione dei pannelli (telaio del modulo, componenti elettronici e cablaggio). La durata di vita effettiva dei pannelli è solitamente dell’ordine di 25-30 anni.

Tipi di pannelli - monocristallini e policristallini

Oggi la differenza di potenza tra l’utilizzo di celle monocristalline o policristalline non è più interessante. Di solito si distinguono per il colore: i pannelli solari monocristallini hanno una tonalità scura che va verso il nero, mentre i pannelli solari policristallini hanno una tonalità blu. In passato, le celle monocristalline erano più costose (a causa della tecnologia di produzione), ma oggi la differenza di prezzo è minima.

Pannelli monocristallini

Sono più lenti ad avviarsi, ma forniscono un’energia leggermente superiore. Questi pannelli sono adatti quando è garantito un orientamento ideale (verso sud, senza ombra e con un’inclinazione di 30-40°). Hanno prestazioni leggermente peggiori rispetto ai pannelli solari policristallini a intensità solari inferiori, ma leggermente migliori con un orientamento ideale.

Pannelli policristallini

L’impianto solare prodotto da questi pannelli ha una produzione più uniforme. Questi pannelli sono più adatti a luoghi in cui c’è una certa deviazione dall’orientamento ideale. In generale, i pannelli policristallini hanno un’efficienza leggermente migliore quando il sole splende a diverse angolazioni. Sistema di supporto per tetto piano – In questo caso, la struttura in alluminio è stata montata su barre filettate ancorate alla struttura del tetto in cemento armato. I pannelli sono stati installati “in piano”. Sistema di supporto per tetto inclinato – In questo caso, la struttura portante è stata montata nei listelli di legno sotto la copertura metallica.
Sistema di supporto per tetto piano – In questo caso, la struttura in alluminio è stata montata su barre filettate ancorate alla struttura del tetto in cemento armato. I pannelli sono stati installati “in piano”.
Sistema di supporto per tetto inclinato – In questo caso, la struttura portante è stata montata nei listelli di legno sotto la copertura metallica.

Struttura di supporto per pannelli fotovoltaici

La struttura portante deve essere il più possibile leggera e allo stesso tempo resistente. Per questo motivo il materiale è solitamente l’alluminio, combinato con l’acciaio inossidabile per garantire la resistenza alla corrosione e la forza necessaria per resistere alle forti scosse di vento. La struttura portante dei pannelli varia a seconda che siano collocati su un tetto piano o inclinato.

Inverter

La corrente elettrica prodotta dai pannelli fotovoltaici è corrente continua. Tuttavia, nelle case si usa la corrente alternata (necessaria per azionare le apparecchiature con i motori elettrici). Sono gli inverter a trasformare la corrente continua prodotta dai pannelli fotovoltaici in corrente alternata. L’inverter è quindi un componente chiave dell’impianto fotovoltaico. Oltre alla conversione di potenza, diversi inverter di alta qualità offrono la possibilità di monitorare la potenza in tempo reale e di controllare a distanza l’impianto fotovoltaico tramite un’applicazione mobile. È sufficiente collegarli a Internet e configurarli. Alcuni produttori offrono dispositivi all-in-one in grado non solo di cambiare la corrente in alternata, ma anche di includere un caricabatterie, un regolatore solare, un monitor a colori, una gestione remota e così via, semplificando l’intera installazione.

Prestazioni dell'inverter

Ogni inverter ha una potenza nominale specifica, espressa in volt-ampere (VA). Ad esempio, 5.000 VA, questa cifra rappresenta il massimo teorico. In pratica, l’inverter può fornire circa il 20% in meno a lungo termine, ad esempio 4000W nel nostro esempio. Questo è un dato importante da considerare quando si sceglie un inverter, perché se abbiamo 12 pannelli sul tetto con una potenza di 300Wp = 12×300 = teoricamente 3600W, allora un inverter con una potenza reale di 4000W dovrebbe avere una potenza sufficiente per i nostri pannelli. *** Tradotto con www.DeepL.com/translator (versione gratuita) ***

Inverter monofase o trifase

Gli inverter fotovoltaici comunemente utilizzati sono monofase (gli inverter trifase sono attualmente molto costosi). Un inverter monofase può essere collegato a una sola fase e quindi solo gli apparecchi collegati a questa fase possono utilizzare l’elettricità dei pannelli fotovoltaici.
Per questo motivo, è necessario pensare in anticipo a quali apparecchi vogliamo utilizzare l’elettricità fotovoltaica e collegarli alla fase a cui è collegato l’inverter. Il collegamento successivo delle fasi potrebbe non essere sempre possibile!
Il fotovoltaico viene comunemente utilizzato per alimentare il riscaldamento dell’acqua calda (boiler elettrico), l’illuminazione, i condizionatori d’aria, i circuiti delle prese di corrente in casa, ecc. L’ideale è collegare apparecchi che hanno un consumo costante durante il giorno, quando il sole splende.

Batterie

L’elettricità in eccesso generata dai pannelli fotovoltaici può essere immagazzinata in batterie di accumulo. Le batterie vengono ricaricate durante il giorno dall’energia non consumata dai pannelli solari. Quando le condizioni di luce sono ridotte e la produzione di elettricità dai pannelli fotovoltaici è insufficiente, le batterie forniscono l’energia rimanente al sistema.

Capacità della batteria

Le batterie hanno una capacità indicata in ampere-ora (Ah) e una tensione di lavoro alla quale funzionano indicata in volt (V). La dimensione adeguata deve essere coordinata con le prestazioni dei pannelli, dell’inverter e in base a come utilizziamo il fotovoltaico. Normalmente, la capacità delle case unifamiliari varia da 2 kWh a 8 kWh. La tensione della batteria è solitamente 12V, 24V o 48V. Maggiore è la tensione della batteria, minori saranno le perdite sui cavi tra l’inverter e la batteria. Se vogliamo stimare la quantità di elettricità che otteniamo dalla batteria, dobbiamo moltiplicare la tensione di funzionamento della batteria per la sua capacità. Ad esempio, se una batteria con una tensione di lavoro tipica di 12 V ha una capacità dichiarata di 200 Ah, tale batteria ci fornirà circa 12 V x 200 Ah = 2.400 Wh = 2,4 kWh di elettricità. Tuttavia, questo calcolo è solo approssimativo e non tiene conto di diversi fattori, come il fatto che la tensione di lavoro della batteria cambia durante la sua scarica, ecc.

Tipi di batterie

LiFePo4

Lítium-železo-fosfátové batérie nemusia byť plne dobíjané, postačuje čiastočné dobíjanie, čo je ich hlavná výhoda oproti oloveným batériám. Zároveň ich kapacita a životnosť nie je tak závislá na teplotách. Majú vysokú cyklickú životnosť. Môžu sa vybíjať aj na 20% jej celkovej kapacity (80% vybitia) bez toho, aby to malo výraznejší vplyv na jej životnosť. Bežne zvládnu 5 000 cyklov. Okrem toho súschopné dávať relatívne veľké množstvo energie, bez toho by to batériu poškodilo čo je výhodné pri nárazovom odbere väčšieho množstva energie. Majú vysokú hustotu energie, čo znamená, že na kilogram ich hmotnosti pripadá relatívne väčšie množstvo energie ako u vyššie popísaných batérií. Spolu s Li-Ion sú to momentálne najlepšie typy batérie k fotovoltaickému systému.

Li-Ion

Sono molto simili alle batterie LiFePo4 sopra descritte.

Durata della batteria

Le batterie negli impianti fotovoltaici vengono caricate ciclicamente (un ciclo è una carica e una scarica). I produttori solitamente indicano il numero di cicli come durata della batteria. Da loro, la durata della vita in anni può essere stimata in modo abbastanza accurato. Se ad esempio carichiamo e scarichiamo la batteria in media una volta al giorno, la batteria con i 5.000 cicli specificati durerà teoricamente 5.000/1 ciclo al giorno/365 giorni all’anno = 13 anni. Per una durata ottimale della batteria è importante anche la temperatura dell’aria ambiente, che idealmente dovrebbe essere intorno ai 20°C. A tali temperature, il tasso di autoscarica è relativamente basso (2%). Alla temperatura di -10°C diminuisce di circa il 20-25%.

Tipologie di impianti fotovoltaici

Sulla griglia

Sono impianti collegati alla normale rete di distribuzione elettrica. Se serve corrente elettrica, viene utilizzata prima quella prodotta dall’impianto fotovoltaico della casa, se non ce n’è abbastanza, il resto viene rifornito normalmente dalla rete elettrica. Una batteria non è inclusa in tale sistema. In caso di interruzione di corrente da parte della società di distribuzione, per motivi di sicurezza viene spento anche l’impianto fotovoltaico, in modo che la corrente elettrica non fluisca in modo casuale nella rete di distribuzione. – Lo svantaggio è il minor consumo dell’elettricità prodotta, perché l’eccedenza durante il giorno non può essere immagazzinata nella batteria e utilizzata più tardi la sera. + Il vantaggio è il prezzo più basso rispetto ai sistemi con batteria.

Sistemi ad isola (Off Grid)

Sono impianti indipendenti senza collegamento alla rete elettrica, per questo vengono detti ad isola. Una parte di tale sistema deve essere una batteria in cui viene immagazzinata l’elettricità prodotta durante il giorno e poi utilizzata quando non splende il sole. Tuttavia, nelle condizioni della Slovacchia, una soluzione del genere non è sufficiente per riscaldare una normale casa familiare in inverno e di solito nemmeno per riscaldare l’acqua calda durante tutto l’anno. Tuttavia, con un adeguato sovradimensionamento, il sistema ad isola potrebbe essere sufficiente per tutte le altre attività che richiedono energia elettrica in casa. Tale sistema è adatto per cottage o edifici remoti che richiedono una quantità minore di elettricità. – Lo svantaggio è un investimento iniziale più elevato e la necessità di un generatore elettrico di riserva per periodi senza sufficiente irraggiamento solare. + Il vantaggio è l’indipendenza dalla rete di distribuzione pubblica e il massimo sfruttamento dell’energia elettrica prodotta.

Sistemi solari ibridi (combinazione di On Grid e Off Grid)

Sono impianti collegati alla normale rete di distribuzione elettrica. Se serve corrente elettrica, viene utilizzata prima quella prodotta dall’impianto fotovoltaico della casa, se non ce n’è abbastanza, il resto viene rifornito normalmente dalla rete elettrica. Una parte di tale sistema è una batteria, che poi funge da fonte, ad esempio quando il sole non splende o in caso di interruzione di corrente (poi passa alla modalità di funzionamento dell’isola Off Grid). – Lo svantaggio è un investimento iniziale più elevato. + Il vantaggio è l’indipendenza dalla rete di distribuzione pubblica e il massimo sfruttamento dell’energia elettrica prodotta.

Batterie virtuali

Poiché le batterie sono solitamente gli elementi più costosi di una centrale fotovoltaica, alcuni fornitori di energia elettrica hanno proposto una cosiddetta batteria virtuale: si tratta di un accumulo fittizio di energia elettrica che funziona in modo tale che quando c’è una l’energia elettrica in eccesso prodotta dal fotovoltaico, ti viene accreditata presso il fornitore di energia elettrica e successivamente, poi, nei momenti di carenza di energia elettrica dal fotovoltaico, puoi prelevare la stessa quantità dalla rete di distribuzione gratuitamente o a tariffa ridotta. Queste soluzioni spesso prevedono che l’intero impianto fotovoltaico venga consegnato e installato dalla relativa società di distribuzione. Un’altra trappola può essere che, anche se l’elettricità della batteria virtuale è gratuita, si pagherà due volte per il suo trasferimento (una volta alla rete e poi alla rete). Pertanto, ti consigliamo sempre di studiare attentamente le condizioni specifiche.

Prestazioni: cosa aspettarsi dal fotovoltaico

Potenza installata

La potenza dell’impianto fotovoltaico è espressa in kWh. Il dato fondamentale è la cosiddetta potenza installata (o, in altre parole, la potenza massima in condizioni ideali). È la somma delle prestazioni fornite dal produttore sui pannelli fotovoltaici. Un pannello fotovoltaico ha normalmente una potenza di 300Wp (Watt di picco). Se poi avessimo 12 pannelli di questo tipo sul tetto, la potenza totale installata del nostro impianto fotovoltaico sarà 12*300 = 3.600 Wp = 3,6 kWp. Una tale configurazione produrrà idealmente 3,6 kWh in 1 ora.

Prestazioni reali

L’effettivo rendimento di un impianto fotovoltaico dipende principalmente dall’intensità della radiazione solare e dalla sua durata. La quantità media annua di radiazione solare in kWh/m2 è riportata nella tabella seguente. Va tenuto presente che i pannelli fotovoltaici hanno solitamente una dimensione di 1,0×1,5 m = 1,5 m2 di superficie. È necessario considerare anche l’efficienza del pannello, indicata da ciascun produttore. Ad esempio, a Bratislava, un pannello con una dimensione di 1,5×1,0 me un’efficienza del 18% potrebbe teoricamente produrre 324 kWh all’anno (pannello da 1200 kWh/m2 x 0,18 x 1,5 m2).
Fonte immagine: Banca Mondiale, Global Solar Atlas 2.0, dati e mappa provengono da http://solargis.info.
Dalle prestazioni teoriche indicate è necessario sottrarre le perdite dovute alla riflettività angolare dei pannelli (circa il 3%), le perdite dovute alla temperatura ambiente (fino al 7%), le perdite nella distribuzione dei cavi (dipende dalla loro lunghezza) e perdite dovute al passaggio da corrente continua a corrente alternata (circa il 10 %). Pertanto si calcolano solitamente perdite pari a circa il 20% dell’elettricità prodotta.

Performance nelle regioni della Slovacchia

Dal punto di vista dell’ubicazione specifica dell’impianto fotovoltaico in Slovacchia, possiamo affermare che la maggior parte della radiazione solare cade durante tutto l’anno nel sud della Slovacchia, la minore a Orava e Kysucie. La differenza tra le regioni più fredde e quelle più calde nella quantità di energia solare in entrata è solo del 15% circa. Per questo motivo un impianto fotovoltaico ha senso anche nelle regioni più fredde della Slovacchia. Per un semplice ricalcolo, possiamo considerare che 1kWp di potenza installata può essere prodotto in condizioni SR di 1000kWh all’anno. Naturalmente è discutibile se potremo utilizzare continuamente l’energia fornita o quanta di essa potrà essere immagazzinata nella batteria per un uso successivo. Affinché l’impianto fotovoltaico abbia la massima resa possibile è necessario garantire l’orientamento più idoneo dei pannelli.

Orientamento e pendenza ideali

L’orientamento ideale dei pannelli è esattamente a sud con una pendenza di 30-40°, mentre non devono essere ombreggiati da alcun oggetto durante tutta la giornata. È bene sapere che anche se i pannelli non possono avere un orientamento ideale direttamente a sud, ma sono posizionati direttamente a est o ovest, la loro efficienza è inferiore solo del 14% circa. Lo stesso vale per le differenze di pendenza, se la pendenza è di 15 gradi inferiore a 30° o superiore a 40°, la prestazione dei pannelli è inferiore solo di qualche punto percentuale (intorno al 5-6%). Farà una differenza maggiore se li avremo leggermente sporchi o completamente puliti.

Meteo e prestazioni fotovoltaiche

In condizioni nuvolose la resa diminuisce a circa il 50% e in cielo densamente coperto al 10% dei valori massimi. Nei mesi invernali viene prodotto circa solo il 20% dell’elettricità rispetto ai mesi estivi. Se sui pannelli cade uno strato continuo di qualche centimetro di neve, la loro resa si riduce solitamente al 5-10%. Di solito la neve non rimane a lungo sulla superficie scivolosa dei pannelli, quindi, a meno che i pannelli non si trovino in un’area con abbondanti nevicate, questo non dovrebbe costituire un problema.