Modulo fotovoltaico

Di Giorgio Alessio E3A

Modulo fotovoltaico

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Un modulo fotovoltaico è un dispositivo composto da celle fotovoltaiche in grado di convertire l'energia solare direttamente in energia elettrica mediante effetto fotovoltaico, è impiegato come generatore di corrente in un impianto fotovoltaico. Può essere meccanicamente preassemblato per formare un pannello fotovoltaico, pratica caduta in disuso con il progressivo aumento delle dimensioni dei moduli. Esteticamente può essere simile al pannello solare termico, ma scopi e funzionamento sono molto differenti, pur appoggiandosi entrambi sull'energia solare.

Le principali tappe della tecnologia fotovoltaica

• 1839 - Il francese Alexandre Edmond Bécquerel notò che "della corrente elettrica è generata durante alcune reazioni chimiche indotte dalla luce". Scoprì così l'effetto fotogalvanico negli elettroliti liquidi.
• 1883 - L'inventore statunitense Charles Fritz produsse una cella solare di circa 30 centimetri quadrati a base di selenio, con un'efficienza di conversione dell'1-2 per cento.
• 1905 - Albert Einstein pubblicò la sua teoria sull'effetto fotoelettrico, per la quale riceverà il premio Nobel per la Fisica nel 1921.
• 1963 -  La giapponese Sharp produsse i primi moduli fotovoltaici commerciali.

Cella fotovoltaica

La cella fotovoltaica o cella solare è l'elemento base della costruzione di un modulo fotovoltaico. La cella fotovoltaica più diffusa, quella in materiale cristallino, è costituita da una lamina di materiale semiconduttore, in genere viene usato il silicio. Di solito si presenta di colore nero o blu, con dimensioni variabili dai 4 ai 6 pollici.

Piccoli esemplari di celle fotovoltaiche in materiale amorfo sono in grado di alimentare autonomamente dispositivi elettronici di consumo, come calcolatrici, orologi e simili. Come per il modulo, il rendimento della cella fotovoltaica si ottiene valutando il rapporto tra l'energia elettrica prodotta dalla cella e l'energia della radiazione solare che investe la sua superficie. Per gli esemplari in silicio multicristallino i valori tipici si attestano attorno al 18%.

Tensione e corrente

Il circuito equivalente di una cella fotovoltaica.

Una cella solare è un generatore di corrente per effetto fotovoltaico che traduce in elettricità l'energia solare. Un modello matematico per l'analisi del suo funzionamento è l'equazione del diodo ideale di Shockley. Partendo dal circuito equivalente mostrato, la corrente che scorre sul carico è :

dove:

• I è l'intensità di corrente che scorre sul carico;
• V_D è la differenza di potenziale tra i due terminali del diodo;
• I_s è l'intensità di corrente prodotta dal generatore, proporzionale all'intensità della radiazione incidente sulla cella;
• I₀ è la intensità di corrente di saturazione, fattore direttamente proporzionale alla superficie della giunzione p-n;
• q è la carica elementare dell'elettrone;
• k è la costante di Boltzmann;
• T è la temperatura assoluta sulla superficie di giunzione tra la zone p ed n;
• è il coefficiente di emissione, dipendente dal processo di fabbricazione e compreso generalmente tra 1 e 2;
• R_p è la resistenza parallelo del modello;

La classificazione dei prodotti in commercio in 12, 18 o 24 V non deriva dalla tensione al suo punto di massima efficienza, ma dalla possibilità di collegarvi una batteria ricaricabile con analoga tensione nominale. Se le celle del pannello sono collegate in serie, come si fa normalmente per ottenere una tensione in uscita più alta, non si ha il controllo delle singole celle, perché la corrente è uguale per tutte.                                        La cella in ombra viene quindi attraversata da una corrente più forte di quella che genererebbe da sola e fa da strozzatura per l'intero sistema, scaldandosi e potenzialmente danneggiandosi, oltre a disperdere energia. Ne deriva l'importanza che l'intero pannello sia illuminato, senza celle in zone d'ombra, ovvero che le celle abbiano un'esposizione solare simile. Tuttavia tanto più il pannello è grande, tanto più è probabile e ampia la differenza di esposizione e di corrente che la singola cella è in grado di produrre, a meno dell'utilizzazione di inseguitori solari.

Moduli

I moduli in silicio mono o policristallini sono molto diffusi; sono tecnologie simili, le quali prevedono che ogni cella fotovoltaica sia cablata in superficie con una griglia di materiale conduttore che ne canalizzi gli elettroni. Ogni singola cella viene connessa alle altre per mezzo di nastrini metallici, in modo da formare serie e paralleli elettrici. La necessità di silicio molto puro, ottenuto attraverso procedure di purificazione dell'ossido di silicio (SiO₂, silice), eleva il costo della cella fotovoltaica.               Sopra una superficie posteriore di supporto, in genere realizzata utilizzando un materiale isolante con scarsa dilatazione termica, come il vetro temperato o un polimero come il tedlar, vengono appoggiati un sottile strato di acetato di vinile (spesso indicato con la sigla EVA), la matrice di moduli preconnessi mediante i  nastrini, un secondo strato di acetato e un materiale trasparente che ha la funzione di protezione meccanica anteriore per le celle fotovoltaiche, in genere vetro temperato. Dopo il procedimento di pressofusione, che trasforma l'EVA in collante inerte, le terminazioni elettriche dei nastrini vengono chiuse in una morsettiera stagna, generalmente fissata alla superficie di sostegno posteriore. Il "sandwich" ottenuto viene fissato ad una cornice in alluminio, utilizzata per il fissaggio del pannello alle strutture di sostegno che lo sostengono e orientano in modo opportuno verso il sole.

Costruzione del modulo Fotovoltaico in silicio

Il modulo fotovoltaico in silicio è costituito da un sandwich di materie prime detto laminato e dai materiali accessori che rendono utilizzabile il laminato.                                                                                        Il laminato viene preparato con i seguenti materiali:

• Vetro (i moduli costruiti in Italia in genere usano vetro da 4 mm di spessore)
• Etilene vinil acetato - EVA
• Celle mono o policristalline
• EVA
• Backsheet (copertura di fondo)

Il vetro viene usato come base su cui viene steso un sottile foglio di EVA. Al di sopra dell'EVA vengono posizionate le celle rivolte con il lato fotosensibile verso il basso, viene steso un altro foglio di EVA e poi un foglio di materiale plastico isolante (PET o similare) oppure un'altra lastra di vetro. Il vetro è a basso contenuto di ferro per garantire una maggiore trasparenza ai raggi solari ed è temperato. Un vetro di questo tipo lascia passare circa il 91,5% dell'irraggiamento ricevuto. Il sandwich così realizzato viene inviato al laminatore, una macchina nella quale viene creato il vuoto in circa 5 minuti; a questo punto, la piastra del laminatore viene riscaldata fino a 145°C per 10 minuti, in modo da favorire la polimerizzazione dell'EVA. Trascorso questo tempo, il coperchio si apre e il laminato è pronto per le lavorazioni successive. Dopo la laminazione, il laminato ha raggiunto le caratteristiche richieste per essere installato poichè, se la laminazione è stata fatta correttamente, il laminato è in grado di resistere alle intemperie per almeno 25/30 anni. Tutte le lavorazioni che vengono fatte successivamente hanno lo scopo di rendere più comodo e pratico l'utilizzazione del laminato, ma non sono importanti riguardo la sua durata nel tempo.

Prestazioni e rendimenti

Le prestazioni dei moduli fotovoltaici hanno variazioni rilevanti in base:

• al rendimento dei materiali;
• all'irraggiamento a cui le sue celle sono esposte;
• alla temperatura di esercizio dei materiali, che tendono ad "affaticarsi" in ambienti caldi;
• alla composizione dello spettro di luce;
• alla banda spettrale di radiazione solare assorbita;

Si definisce rendimento o efficienza di un modulo fotovoltaico il rapporto espresso in percentuale tra energia catturata e trasformata rispetto a quella totale incidente sulla superficie del modulo; esso è quindi proporzionale al rapporto tra watt erogati e superficie occupata. L'efficienza ha perciò effetti sulle dimensioni dell'impianto fotovoltaico: tanto maggiore è l'efficienza, tanto minore è la superficie del pannello fotovoltaico necessaria per raggiungere un determinato livello di potenza elettrica.    

Il miglioramento dell'efficienza di un modulo fotovoltaico (rapporto tra energia elettrica prodotta e energia solare incidente), si può ottenere attraverso un processo   di maggiore purificazione del materiale semiconduttore utilizzato (tanto più è puro tanto maggiore sarà la radiazione solare catturata e convertita). Il miglioramento dell’efficienza può avvenire anche attraverso l'uso combinato di più materiali semiconduttori, che coprano in assorbimento la maggior parte di spettro della radiazione solare incidente. Tuttavia, maggiore è l'efficienza e maggiori sono i costi, in quanto il processo di fabbricazione delle celle diventa più spinto e raffinato.                       A livello impiantistico, l'efficienza della cella dipende dalla temperatura della cella.    I dati seguenti si riferiscono alla temperatura di cella di 25 °C; per le celle in              Si cristallino si ha una perdita di rendimento dello 0,45 % circa per ogni grado centigrado di aumento della temperatura. Quindi si può ritenere che una cella in Si monocristallino, alla temperatura di 70 °C, abbia un rendimento praticamente nullo; questa temperatura è raggiungibile in condizioni di buona insolazione.                      Le celle a giunzione multipla (ad es. GaAs, InGaAs, Ge) hanno una perdita molto più bassa (0,05 %/°C). Valori tipici riscontrabili invece nei comuni prodotti commerciali a base silicea si attestano intorno al:

• 15% nei moduli in silicio monocristallino;
• 13% nei moduli in silicio policristallino;
• 6% nei moduli in silicio amorfo.

Dunque che a parità di produzione elettrica richiesta, la superficie occupata da un campo fotovoltaico amorfo sarà più che doppia rispetto ad un equivalente campo fotovoltaico cristallino. A causa del naturale affaticamento dei materiali, le prestazioni di un pannello fotovoltaico comune diminuiscono di circa un punto percentuale su base annua. I moduli fotovoltaici odierni hanno un tempo di vita di 80 anni circa, anche se si può ipotizzare che non vengano più utilizzati dopo un ciclo di vita di 35-40 anni, a causa della perdita di potenza dei moduli e del miglioramento tecnologico dei nuovi prodotti.

Costi

Per quanto riguarda le celle fotovoltaiche, i costi dipendono per circa il 33% dal materiale (ad es. silicio), comprendendo gli scarti di lavorazione e il costoso processo di purificazione. Si aggiungono poi i costi dei processi di realizzazione della cella fotovoltaica. Per realizzare i moduli fotovoltaici, ai costi della cella solare si devono aggiungere i costi della realizzazione dei moduli interi, cioè dei materiali assemblanti, della messa in posa a terra tramite materiali, dell'elettronica di potenza necessaria, della progettazione, della manodopera e della manutenzione. Si giunge così ad un costo di circa 3/4 € al Wp installato. Considerando che la producibilità media degli impianti installati in Italia è pari a 1200 kWh/kWp all'anno e che la vita di un impianto fotovoltaico è superiore a 20 anni, il costo dell'energia prodotta dai moduli fotovoltaici è circa di 12/16 centesimi di euro per kilowattora prodotto.                                                                     Perciò questa tecnologia, che per diverso tempo ha avuto costi superiori ad altre fonti energetiche, è ormai competitiva e al livello delle altre fonti. In definitiva il parametro complessivo di qualità che caratterizza un modulo fotovoltaico è il rapporto costo/efficienza, o  anche il costo per kilowattora prodotto.

I prodotti in commercio

I moduli fotovoltaici in silicio cristallino più comuni hanno dimensioni variabili da 0,5 m² a 2,0 m², con punte di 2,5 m² in esemplari per grandi impianti. Non vi è comunque particolare interesse a costruire moduli di grandi dimensioni, a causa delle grosse perdite di prestazioni che l'intero modulo subisce all'ombreggiamento (o malfunzionamento) di una sua singola cella. La potenza più comune si aggira intorno ai 230 Wp a 32 V, raggiunti in genere impiegando 60 celle fotovoltaiche (il modulo da 60 celle in silicio policristallino è il più utilizzato in Italia e copre circa il 90% dei moduli). La superficie occupata dai modelli commerciali si aggira in genere intorno ai 7,2 m²/kWp, cioè sono necessari circa 7,2 metri quadrati di superficie per ospitare pannelli di 1.000 Wp.