Fotovoltaico deriva da "Foto" dal greco, luce, e "voltaico" richiama Alessandro Volta, il primo a studiare il fenomeno elettrico.
Il fotovoltaico è la tecnologia che consente di trasformare direttamente la radiazione solare in energia elettrica sfruttando le proprietà dei materiali semiconduttori come il silicio.

Un'impianto fotovoltaico è composto da:

• moduli o pannelli fotovoltaici per la trasformazione della luce in energia elettrica
• strutture di supporto per il corretto orientamento e l'ancoraggio di ogni pannello in modo da assicurare un'ottimale integrazione architettonica
• inverter per la trasformazione della corrente continua generata dai moduli in corrente alternata
• quadri elettrici e cavi di collegamento per il collegamento degli inverter alla rete elettrica
• contatori per la misurazione dell'energia prodotta e di quella ceduta alla rete.

L'elemento base di un impianto è la cella fotovoltaica, una sottilissima lamina di silicio (da 0,3 a 0,5 mm), di forma circolare, rettangolare oppure ottagonale. Quando la luce del Sole colpisce la cella, si genera una corrente elettrica continua, paragonabile a una debole pila. Una cella quadrata di 156 mm di lato genera 3,5 W in condizioni standard,
a una temperatura di 25 °C e con una radiazione solare di potenza pari a 1.000 W/mq.

• Più celle collegate tra di loro formano il modulo fotovoltaico, il componente principale di un impianto fotovoltaico.
• Più moduli collegati fra loro in serie o in parallelo formano le stringhe la cui potenza varia da centinaia di Watt a milioni di Watt.
• Più stringhe collegate costituiscono un impianto fotovoltaico.

In Italia, il paese del sole, gli impianti fotovoltaici presentano numerosi vantaggi competitivi:

• ritorno economico a breve 6-8 anni
• durata media dei moduli fotovoltaici di 25-30 anni, con una diminuzione stimata di rendimento inferiore al 20%
• massima affidabilità poiché non esistono parti in movimento
• costi di esercizio e manutenzione ridotti al minimo
• modularità del sistema (per aumentare la potenza dell'impianto è sufficiente aumentare il numero dei moduli)
• assenza di emissioni inquinanti e risparmio di combustibili fossili

Esistono due tipologie di impianti fotovoltaici:

• Gli impianti in isola o stand-alone non sono connessi alla rete elettrica nazionale elettrica in zone isolate (case isolate, rifugi, baite, camper, barche, illuminazione esterna ecc.). L'energia elettrica prodotta viene direttamente consumata dall'utente e quella in eccedenza viene accumulata in appositi accumulatori (batterie) che assicurano la disponibilità di energia. In caso di black-out, possono garantire l'elettricità all'utente proprietario dell'impianto dove non arriva la fornitura di rete.
• Gli impianti grid-connected sono direttamente collegati alla rete elettrica pubblica che garantisce l'alimentazione delle utenze anche in assenza di sole. L'energia prodotta in eccesso rispetto ai consumi può:
  • essere immessa in rete e prelevata successivamente quando la produzione è inferiore ai consumi (impianti non superiori a 20 kW che scelgono il servizio di scambio sul posto);
  • essere venduta al gestore di rete (impianti che scelgono la cessione in rete).

Per 1 kW di potenza nominale installata, si calcola una superficie dai 6 ai 12 m2 a secondo della tecnologia utilizzata (moduli mono, policristallini o thin film).
In Italia, una famiglia di 4 persone ha un consumo medio annuale di energia elettrica di circa 4000 kWh.
A seconda della regione dove viene installato, l'impianto sarà superiore o uguale a 3 KWp e occuperà una superficie al suolo di circa 24 m2.

Un impianto fotovoltaico presenta un'estrema flessibilità e adattabilità a varie superfici.
I moduli fotovoltaici possono essere collocati su coperture, facciate, terrazzi, frangi sole, pensiline, barriere antirumore, coperture di parcheggi, o ancora sul terreno.
Le condizioni ottimali in Italia sono:

• esposizione sud(accettabile anche sud-est, sud-ovest, con ridotta perdita di produzione)
• inclinazione dei moduli compresa fra 25° (latitudini più meridionali) e 35° (latitudini più settentrionali)
• assenza di ombreggiamenti

Il watt (W)

È l'unità di misura della potenza del Sistema Internazionale.
Il watt misura una potenza (o energia in movimento), ovvero un'energia applicata per un intervallo di tempo (di 1 secondo).
Watt - W - 1W
Kilowatt - KW - 1,000W - 103 W
Megawatt - MW - 1,000,000W - 106 W
Gigawatt - GW - 1,000,000,000W - 109 W
Terawatt - TW - 1,000,000,000,000 - 1012 W

Wattora (Wh)

È l'unità di misura di energia. Corrisponde all'energia fornita dalla potenza di un watt fornita per un'ora. Il wattora misura una quantità di energia ("statica" e non "in movimento"). E' comunemente utilizzata per la tariffazione dell'energia stessa.

Watt di picco (Wp)

È l'unità di misura della potenza teorica massima producibile da un generatore elettrico o viceversa la potenza teorica massima assorbibile da un carico elettrico.
In ambito fotovoltaico, sulla base della normativa IEC 904-3 (1989), questo valore viene usato per indicare la potenza erogata da un modulo o da una cella fotovoltaica se sottoposti alle condizioni standard di:

• irraggiamento di 1.000 W/m2
• temperatura di cella di 25° C
• spettro pari a 1,5 AM (airmass)

L'Italia è il paese del sole che rappresenta una fonte significativa di energia rinnovabile, gratuita e illimitata. L'Italia è uno dei paesi europei con il maggiore numero di ore di irraggiamento solare compreso tra 1150 a 1500 ore medie/anno a secondo della latitudine.

La produzione elettrica annua di un impianto fotovoltaico dipende da diversi fattori:

• radiazione solare incidente sul sito d'installazione
• orientamento ed inclinazione della superficie dei moduli
• assenza/presenza di ombreggiamenti

• prestazioni tecniche dei componenti dell'impianto (moduli, inverter ed altre apparecchiature).

Esempio

Impianto fotovoltaico integrato, con potenza di 10 kW = 40.000 € ca.
Il GSE, in questo caso, remunera 0,377 euro/kWh in quanto si tratta di un impianto integrato inferiore a 20 kWp (vedere tabella tariffe incentivanti GSE nella pagina accanto).

L’irraggiamento cambia a seconda dell’esposizione solare e della latitudine geografica. Il ritorno economico dell’investimento varia di conseguenza.

L'impianto fotovoltaico produce energia non solo quando i moduli sono irradiati da luce diretta ma anche quando ricevono luce diffusa o riflessa.

Lo schema di connessione dell'impianto alla rete è definito dal gestore di rete a cui l'impianto deve essere connesso.
è necessario pertanto fare riferimento alle norme tecniche rese disponibili dal gestore di rete locale.

Il costo di un impianto "chiavi in mano" oscilla da 3.000 a 5.000€/kWp.
Varia in funzione della dimensione, del livello di integrazione della copertura, dell'installazione a terra o su edifici.
Il costo annuo di manutenzione è relativamente contenuto: rappresenta circa l'1% del costo complessivo dell'impianto.

Un impianto fotovoltaico ha una vita media utile complessiva di 20-25 anni. Infatti i produttori garantiscono una durata di vita di oltre 20 anni. Dopo 25 anni, si stima una diminuzione inferiore al 20% delle prestazioni energetiche. Gli inverter, invece, hanno una vita media inferiore a quella dei moduli.

Il fotovoltaico nasce per fornire energia ai satelliti in orbita attorno alla terra. Proprio perché nello spazio, interventi di manutenzioni sono quasi impossibili, la tecnologia fotovoltaica ha dimostrato di essere altamente affidabile oltre che per la sua lunga durata. Tuttora il fotovoltaico continua ad alimentare i satelliti.

Il "Conto Energia" è un meccanismo di incentivazione dello Stato per promuovere la produzione di energia elettrica da impianti fotovoltaici collegati alla rete elettrica nazionale. Remunera l'energia elettrica prodotta da un impianto per 20 anni.

L'incentivo viene erogato dal Gestore dei Servizi Energetici GSE S.p.a. - www.gse.it

L'incentivazione è erogata per 20 anni. Al termine del periodo ventennale non si interrompono i benefici derivanti da:

• scambio sul posto dell'elettricità per gli impianti di potenza non superiore a 20 kW
• remunerazione dell'elettricità consegnata alla rete per tutti gli impianti di potenza ad eccezione di quelli di potenza fino a 20 kW che abbiano optato per il servizio di scambio sul posto.

Si stima un periodo di ritorno del capitale investito compreso tra 6 e 8 anni. Questo può variare a secondo di:

• la quantità di radiazione solare disponibile (dipendente dalla latitudine del sito d'installazione e dall'orientamento)
• il costo per kW dell'investimento (dipendente dalla dimensione dell'impianto)
• la valorizzazione dell'energia prodotta (valore delle tariffe incentivanti e valore dell'energia utilizzata)

Viene concessa a tutti gli impianti fotovoltaici di potenza superiore a 1kWp collegati alla rete.
Possono beneficiare dell'incentivazione:

• le persone fisiche
• le persone giuridiche
• i soggetti pubblici
• i condomini di unità abitative e/o di edifici

Dal silicio al modulo fotovoltaico

Esempio di processo produttivo di un modulo policristallino

Il silicio è il materiale più utilizzato per la produzione delle celle fotovoltaiche. Si trova in forma di natura sotto forma di Ossido di Silicio (SiO2) o di composti contenenti il Si come la sabbia, il quarzo e l'argilla. E' l'elemento più abbondante sulla terra dopo l'ossigeno. Viene estratto dalle miniere e reso puro attraverso diversi processi. Per l'industria fotovoltaica, il grado di purezza deve essere 99,999999% (Silicio di grado solare).

Le celle sono costituite da un materiale semiconduttore, in generale il silicio cristallino, opportunamente trattato. La cella ha un colore nero o blu e ha una dimensione da 10 a 15 cm.
Le celle sono protette da due strati di materiale:

• La superficie anteriore è coperta da una lastra di vetro temperato con elevate prestazioni ottiche che non solo protegge il modulo sia dagli agenti atmosferici che da eventuali impatti ma trattiene anche la luce e limita l'effetto di riflessione.
• la superficie posteriore, invece, è coperta da uno strato plastificato per rendere il modulo impermeabile all'aria e all'acqua.
• Per rendere compatta la superficie, il modulo viene laminato. La cornice in alluminio incorpora tutti gli elementi del modulo e consente di collegare il modulo alla struttura fissa. La scatola di connessione, saldata e sigillata sul retro del modulo, consente il collegamento elettrico tra i vari moduli, per formare l'impianto fotovoltaico complessivo.

Un modulo fotovoltaico è costituito generalmente da celle, elementi base che trasformano direttamente la luce in energia elettrica.
A livello industriale esistono varie tecnologie per la produzione di moduli fotovoltaici, che possono essere di tipo cristallino (mono e policristallino) e film sottile (tra cui la tecnologia CIGS).

Silicio monocristallino

E' un materiale che ha una sua superficie piatta ed uniforme. Si riconosce dal suo colore scuro e dalla sua forma ottagonale.

Il silicio monocristallino è fuso per ottenere un lingotto cilindrico di 20 cm di diametro e di un metro di lunghezza. Il lingotto di silicio, una volta raffreddato, viene tagliato e trasformato in wafer. Le celle sono realizzate drogando i wafer per creare la giunzione p-n (polo positivo e negativo). Sono incisi gli elettrodi per trasportare la corrente e vengono rivestite con uno strato antiriflessivo.

Silicio policristallino

E' un materiale composto da numerosi piccoli cristalli di silicio e appare irregolare. Si riconosce dal suo colore blu e dalla sua forma quadrata.

Il silicio policristallino è fuso e versato in stampi da cui si ricavano i blocchi che, una volta raffreddati, sono tagliati in lingotti delle dimensioni delle celle. Questi vengono tagliati in sottili strati, chiamati wafer, con uno spessore da 160 a 200 µm (micrometri). Le celle sono realizzate drogando i wafer per creare la giunzione p-n (polo positivo e negativo). Gli elettrodi sono incisi per trasportare la corrente e le celle sono successivamente ricoperte con uno strato anti riflessivo.

Film sottili (Thin film)

Sottili strati di silicio, materiale semiconduttore, sono vaporizzati, spruzzati ed applicati su un substrato (generalmente di vetro) di dimensioni superiori a quelle delle celle. Una delle tecnologie prevede l'immersione degli strati di silicio in vasche elettrolitiche. Successivamente gli strati di silicio sono suddivisi in più celle grazie al laser.

Lo strato di silicio ha uno spessore di circa 2 µm (micrometri). E' quindi circa 200 volte più sottile delle celle di silicio cristallino. Proprio per questo vengono chiamati film sottili.

I materiali oggi più usati sono:

• Silicio Amorfo (utilizzati per orologi da polso, calcolatrice ecc.). Oggi è il materiale più usato dopo il silicio cristallino.
• Silicio Cristallino
• Silicio Amorfo e Silicio Cristallino o tecnologia Tandem con due strati per ottenere un più ampio spettro di luce e aumentare l'efficienza del modulo.
• CIS (Copper Indium Selenide) e CIGS (Copper Indiun Gallium Selenide)
• CdTe (Cadmium Telluride/Tellurio di cadmio)

La tecnologia a film sottile ha numerosi vantaggi:

• impiega una minor quantità di materiale semiconduttore, da 1 a 2 µm (micrometri) di spessore contro 160 a 200 µm delle celle cristalline
• ha un costo minore nei processi di produzione, per esempio nella temperatura di lavorazione (200° a 500° per i thin film contro 1500° per le celle cristalline)

CIGS (Copper Indiun Gallium Selenide)

E' un materiale semi conduttore, composto da rame, indio, gallio e selenio.
E' utilizzato per la realizzazione di celle fotovoltaiche a film sottile. Questo materiale in alternativa al silicio, ha un'alta capacità di assorbimento dei raggi solari.
Questa tecnologia è tra le più promettenti in quanto altamente performante, oltre che di design e di facile implementazione grazie a vari supporti fissi.

Entrambe le tipologie d'impianto utilizzano il sole come fonte energetica, assorbendo la radiazione attraverso superfici adatte. Mentre i moduli fotovoltaici trasformano direttamente la radiazione solare in energia elettrica, i pannelli solari termici utilizzano l'energia termica del sole per riscaldare l'acqua per uso sanitario o per il riscaldamento degli ambienti.

La "grid parity" è la parità di costo tra energia prodotta da fonti tradizionali e quella prodotta da fotovoltaico.
L'energia prodotta da impianti fotovoltaici cresce rapidamente in Italia. Pertanto potrebbe diventare uno dei primi paesi a raggiungere la "grid parity".

Il sole ha una vita stimata di 5 biliardi di anni.
Ogni giorno il sole trasmette sulla terra 1.367 watt per m2.
La quantità di energia solare che arriva sul suolo terrestre è quindi circa 10.000 volte superiore al consumo energetico del mondo intero in un anno.