Come funziona un impianto fotovoltaico

Spesso sentiamo parlare di fotovoltaico e della possibilità di installare un impianto presso la nostra abitazione senza capire però esattamente come funziona e in che modo ci aiuta a risparmiare in bolletta. Ecco una spiegazione semplice ed esaustiva per capire un po' di più sul funzionamento dei pannelli solari, le principali componenti e il loro impiego in ambito domestico.

Le componenti principali di un impianto fotovoltaico

L'impianto fotovoltaico è costituito da un sistema "modulare" di pannelli solari, installato solitamente sui tetti delle abitazioni, che trasforma la radiazione solare in energia elettrica, con la quale è possibile soddisfare il proprio fabbisogno energetico. Per un’utenza domestica in genere gli impianti hanno una potenza di 3 Kw.

Ecco i principali componenti:

Pannelli solari

Detti anche moduli fotovoltaici, sono costituiti da celle di materiale semiconduttore, solitamente il silicio cristallino. Vengono posizionati sul tetto dell'abitazione in numero variabile a seconda del fabbisogno energetico domestico richiesto e sono in grado di produrre corrente elettrica continua trasformando l'energia della luce che si sviluppa con l'irraggiamento solare grazie appunto all'effetto fotovoltaico. Ne esistono diverse varianti (per esempio i monocristallini e i policristallini) che si differenziano per il rendimento e per un impatto estetico più o meno evidente.

Inverter

L'inverter è un dispositivo in grado di convertire l'energia continua proveniente dai pannelli solari in energia alternata a 230 volt, ossia quella necessaria per alimentare le utenze domestiche, con una frequenza costante di 50 Hz. L'inverter è anche uno strumento di monitoraggio e di protezione: segnala eventuali problemi all'impianto e blocca il sistema in caso di blackout garantendo la sicurezza dell'abitazione.

Contatore bidirezionale (si affianca al contatore tradizionale)

È un particolare contatore che - in caso di installazione di impianto fotovoltaico - viene aggiunto al contatore tradizionale preesistente. Questo perché i contatori tradizionali sono strutturati in modo "unidirezionale": predisposti per ricevere l'energia elettrica dal distributore locale, ma non per cederla, funzione che viene appunto assolta dal contatore bidirezionale, grazie al quale è possibile effettuare lo "scambio sul posto".

Sistemi di controllo e monitoraggio

Si tratta di dispositivi integrabili all'impianto ed eventualmente connessi alla rete Internet di casa che sono in grado di monitorare e di bilanciare i consumi e il funzionamento dell'impianto, anche tramite App da remoto. Questi dispositivi rendono "intelligente" il funzionamento dell'impianto, sono in grado di riconoscere l'andamento dei consumi di casa, destinando l'energia prodotta dai pannelli all'uso necessario in quel determinato momento: quindi o ai sistemi di accumulo o alla rete elettrica o ancora al consumo immediato.

Sistema di accumulo (facoltativo)

I sistemi di accumulo sono costituiti principalmente da batterie in grado di immagazzinare l'energia prodotta dall'impianto fotovoltaico che non viene auto-consumata in tempo reale e di erogarla - per esempio durante la notte - quando serve energia elettrica in casa ma l'impianto non sta producendo.

I sistemi di accumulo consentono quindi l'auto-consumo differito. Possono essere installati insieme all'impianto fotovoltaico, oppure integrati ad un impianto già esistente. I più recenti includono al loro interno sistemi di gestione "intelligente" dell'energia, simili a quelli descritti sopra.

Ottimizzatore (facoltativo)

Sono dispositivi che permettono di potenziare il funzionamento dei pannelli solari, aumentandone il rendimento. I pannelli fotovoltaici sono collegati tra loro e "lavorano in serie" questo significa che nel momento in cui uno dei pannelli dovesse avere dei problemi e funzionare in maniera parziale, anche gli altri pannelli funzioneranno in maniera analoga. L'ottimizzatore è invece in grado di isolare il funzionamento del singolo pannello colpito da anomalie e di permettere alla restante parte dell'impianto di funzionare normalmente.

Come funzionano i pannelli fotovoltaici?

Ecco come tutte le componenti sopraelencate "lavorano insieme" per soddisfare il fabbisogno energetico domestico:

• i pannelli fotovoltaici, esposti alla luce solare esterna producono energia continua (con o senza ottimizzatore), la quale viene trasformata in energia alternata dall'inverter e resa disponibile per l'alimentazione degli elettrodomestici e per l'illuminazione degli ambienti. Se l'impianto in un determinato momento sta producendo più energia di quella necessaria ci sono due possibilità:
• se è presente un sistema di accumulo l'energia verrà immagazzinata nelle batterie e resa disponibile in caso di necessità nel momento in cui i pannelli solari non stanno producendo energia. Se anche il sistema di accumulo è saturo, l'eccesso di energia verrà ceduto alla rete elettrica nazionale (scambio sul posto) e rimborsato.
• se non è presente un sistema di accumulo l'energia in eccesso verrà immessa per intero in rete tramite il contatore bidirezionale, in caso di bisogno durante l'inattività dei pannelli solari, verrà invece prelevata sempre dalla rete, secondo il normale funzionamento di un'utenza domestica senza impianto. L'energia tradizionale prelevata dalla rete verrà pagata in bolletta, mentre l'energia immessa sarà rimborsata a parte con un bonifico da parte del GSE.

Da cosa dipende il corretto funzionamento dei pannelli fotovoltaici? Dal rendimento, legato al suo orientamento, inclinazione e allatipologia di modulo fotovoltaico utilizzato.

Orientamento e inclinazione dei pannelli solari fotovoltaici

In linea di massima, la scelta più conveniente è installare pannelli fotovoltaici con un orientamento verso sud/sud-ovest e con un’inclinazione tra i 25° e i 35°. In base al contesto di utilizzo - spazio disponibile, area geografica di installazione, eventuali ostacoli presenti - è possibile modificare inclinazione e orientamento per ottenere il massimo rendimento dall’impianto.

In conclusione, l’energia elettrica prodotta dai pannelli fotovoltaici può essere dunque utilizzata in 3 modi diversi:

1. impiegata subito dall’utenza elettrica abbinata per l’illuminazione, l’acqua calda, il riscaldamento, l’utilizzo degli elettrodomestici e la ricarica delle auto elettriche;
2. immagazzinata in un sistema di batterie - nel caso di un impianto fotovoltaico con accumulo - per essere utilizzata quando necessario;
3. immessa nella rete di distribuzione dell’energia elettrica.

Pannelli principali: tipologie principali

Pannelli monocristallini

La cella di un pannello monocristallino è costituita a partire da un singolo wafer di silicio e presenta una struttura omogenea, con un singolo cristallo di silicio. Una soluzione di questo tipo offre la massima conducibilità e, quindi, permette ai pannelli di poter massimizzare il rendimento. Un pannello monocristallino presenta un rendimento del 16-18%. Le celle dei pannelli di questo tipo presentano un colore blu scuro e una forma ottagonale.

Pannelli policristallini

Questi pannelli sono realizzati a partire da wafer di silicio con struttura non omogenea che vengono realizzati riciclando componenti elettronici. Una cella è costituita da un insieme di più cristalli di silicio. Il rendimento, in questo caso, è più basso rispetto ad un pannello monocristallino, risultando pari al 14-16%. Le celle presentano un colore blu intenso oltre che una forma quadrata.

Pannelli a film sottile amorfo

Questi pannelli sono realizzati con silicio amorfo depositato in strati su di un supporto in vetro. Si tratta dell’opzione meno efficiente in quanto presenta un rendimento nettamente inferiore sia rispetto ai pannelli monocristallini che ai pannelli policristallini. In media, per pannelli di questo tipo, il rendimento è pari a 8-12%. I pannelli in silicio amorfo sono più economici e più “flessibili” dal punto di vista produttivo, adattandosi a differenti contesti di utilizzo.

Pannelli ibridi

Si tratta di particolari pannelli composti da un modulo fotovoltaico e da un collettore solare termico. Questa soluzione ibrida consente all’impianto di poter creare energia elettrica e di sfruttare i raggi solari per riscaldare l’acqua senza emissioni. L’acqua calda sarà poi utilizzata per il riscaldamento domestico e per la fornitura di acqua calda sanitaria, senza alcun dispendio energetico.

Il modulo fotovoltaico e il collettore solare termico sono due elementi distinti del pannello ma funzionano in modo congiunto. Il collettore, infatti, riesce a “catturare” il calore in eccesso, permettendo al pannello fotovoltaico di funzionare sempre nel range di temperatura ottimale, massimizzando il rendimento. Si tratta, quindi, di una soluzione in grado di garantire notevoli vantaggi in diversi contesti di utilizzo.

Differenza tra pannelli solari e pannelli fotovoltaici

Pannelli solari e pannelli fotovoltaici non sono termini interscambiabili, come spesso avviene nel linguaggio comune:

• i pannelli solari, o pannelli solari termici, catturano i raggi solari tramite specifici collettori termici, così che riscaldino l’acqua custodita in appositi serbatoi abbinati ai pannelli. Ques'acqua poi potrà essere impiegata per usi sanitari o per alimentare l’impianto di riscaldamento casalingo;
• i pannelli fotovoltaici convertono la radiazione solare in energia elettrica, che viene incanalata nell’impianto elettrico domestico o nella rete di distribuzione;

Quali sono i tipi di impianti fotovoltaici?

Ci sono due principali tipologie: gli impianti fotovoltaici “grid connected” e quelli “a isola” (o stand-alone).

Impianti fotovoltaici grid connected

Questa tipologia è collegata direttamente alla rete di distribuzione elettrica e può fare a meno delle batterie di accumulo. 

Impianti fotovoltaici grid a isola

Questa tipologia spesso registra la presenza di un sistema di accumulo e può essere una soluzione ideale, ad esempio, per edifici - e barche, camper, etc - non riforniti dalla rete di distribuzione elettrica.

Vantaggi e risparmi garantiti da un impianto fotovoltaico

Scegliere un impianto fotovoltaico significa risparmiare rispettando l’ambiente e sostenere in autonomia il proprio fabbisogno di energia elettrica abbassando notevolmente il costo delle bollette e limitando drasticamente la propria dipendenza dai fornitori di energia tradizionali.