Fotovoltaico: come funzionano i pannelli fotovoltaici?

Un impianto fotovoltaico è composto da diversi componenti, tutti importanti per il funzionamento del sistema:

• pannelli fotovoltaici: sono i moduli all’interno dei quali si trovano le celle fotovoltaiche. Realizzati generalmente in silicio, hanno il loro compito di catturare la radiazione solare per produrre energia elettrica;
• inverter fotovoltaico: è un dispositivo di tipo elettronico che serve per trasformare l’energia elettrica in corrente continua generata dai moduli fotovoltaici in energia elettrica in corrente alternata, compatibile con quella dell’impianto elettrico della casa o della rete esterna;
• accumulo fotovoltaico: gli impianti fotovoltaici possono essere collegati a degli accumulatori, delle batterie in genere al litio che immagazzinano l’energia elettrica in eccesso e la rendono disponibile quando necessario;
• struttura di supporto: i moduli fotovoltaici sono montati in una struttura di sostegno, un telaio che sorregge i pannelli e li mantiene inclinati per ottimizzarne l’efficienza e il rendimento;
• contatore bidirezionale: serve per contabilizzare l’energia elettrica ceduta alla rete e quella prelevata in caso di scambio sul posto;

altri componenti: un impianto fotovoltaico è formato da altri elementi, come i cavi elettrici che collegano i vari componenti, il sistema di monitoraggio che consente di controllare il funzionamento dell’impianto da remoto e i dispositivi di protezione per la sicurezza in caso di cortocircuiti, sovratensioni e sovracorrenti.

In poche parole, quando un fotone colpisce la superficie della cella fotovoltaica la sua energia viene trasferita agli elettroni presenti nella cella in silicio. Gli elettroni vengono caricati dall’energia trasportata dai fotoni, quindi iniziano a muoversi all’interno del circuito producendo energia elettrica in corrente continua.

In seguito l’inverter converte l’elettricità in corrente alternata, in questo modo è possibile usare l’energia elettrica per alimentare i vari dispositivi presenti all’interno della casa, per caricare il sistema di accumulo o per la cessione alla rete. Gli edifici residenziali, infatti, sono predisposti per l’utilizzo di energia elettrica in corrente alternata, quindi è necessaria la presenza dell’inverter.

Il rendimento dell’impianto fotovoltaico dipende da numerosi fattori, i quali incidono sull’efficienza dei pannelli e ne condizionano la capacità di produrre energia elettrica. Tra i principali aspetti che influiscono sull’efficienza del fotovoltaico ci sono:

• tipo di moduli fotovoltaici: ogni tipologia di pannello fotovoltaico fornisce un certo rendimento, a partire da quelli in silicio amorfo più economici con una resa di circa l’8-10% (si tratta della percentuale di energia solare trasformata in energia elettrica dai pannelli), per salire a circa il 16-18% per i moduli in silicio policristallino fino a un rendimento del 19-21% per i pannelli in silicio monocristallino, più efficienti ma anche più costosi;
• qualità dei componenti dell’impianto: la qualità di materiali e dispositivi utilizzati incide sull’efficienza dell’impianto fotovoltaico, dal tipo di inverter ai cavi elettrici;
• esposizione dei moduli: in ogni zona geografica è necessario che i pannelli fotovoltaici siano esposti correttamente ai raggi solari, per usufruire del massimo irraggiamento solare possibile;
• inclinazione dei pannelli: al pari dell’esposizione anche l’inclinazione condiziona il rendimento del fotovoltaico. In Italia si utilizza un range che può andare da 30 a 35 gradi;

• temperatura d’esercizio: non tutti sanno che l’efficienza del fotovoltaico è legata alla temperatura esterna, con un valore ideale di 25°C e un rendimento che diminuisce in caso di temperature più alte o più basse;
• pulizia dei pannelli: i moduli devono essere tenuti sempre puliti, in quanto la polvere accumulata sulla superficie riduce l’efficienza dell’impianto;
• ombreggiamenti: in fase di progettazione bisogna considerare anche i possibili ombreggiamenti durante le varie ore del giorno, sia in estate che in inverno, poiché diminuiscono la resa dei pannelli;
• anzianità dei moduli: tutti i pannelli perdono efficienza con il passare del tempo, con una riduzione delle prestazioni più o meno accentuata in base al tipo di moduli installati.

Per calcolare l’efficienza di un impianto fotovoltaico i produttori eseguono dei test a condizioni standard, considerando un irraggiamento solare di 1000W/m2, una distribuzione spettrale di 1,5 e una temperatura d’esercizio di 25°C. Per questo motivo il rendimento effettivo è sempre diverso rispetto a quello indicato dal fabbricante, rendendo essenziale il supporto di professionisti qualificati in fase di progettazione, dimensionamento e installazione.

Nel dettaglio, per il calcolo dell’efficienza di un modulo fotovoltaico si utilizza la seguente formula:

• rendimento (%) = (potenza (watt) / superficie (metri quadri) / 1000) * 100

Ad esempio, considerando dei moduli monocristallini con una superficie di 2 m2 e una potenza di 410W, applicando la formula il rendimento di ogni pannello sarà pari al 20,5%. A questo punto bisogna tenere conto degli altri fattori che incidono sull’efficienza generale dell’impianto, come l’ombreggiamento, l’inclinazione dei moduli, la temperatura d’esercizio e la sporcizia dei pannelli.

Per ottenere un dato attendibile esistono dei software di simulazione utilizzati dai tecnici del settore o dai ricercatori. Ad ogni modo è fondamentale affidarsi sempre a degli esperti specializzati e non trascurare la manutenzione dell’impianto per massimizzarne il rendimento nel tempo.

Vediamo le risposte alle domande più comuni sul funzionamento di un impianto fotovoltaico, per sciogliere alcuni dubbi e approcciarsi in modo più consapevole all’utilizzo del fotovoltaico domestico.