Metric Energy

GENERATORE FOTOVOLTAICO

Un impianto fotovoltaico trasforma direttamente e istantaneamente l’energia solare in energia elettrica, senza l’utilizzo di alcun combustibile. La tecnologia fotovoltaica sfrutta infatti l’effetto fotovoltaico, per mezzo del quale alcuni semiconduttori opportunamente “sollecitati” generano elettricità se esposti alla radiazione solare.

Il componente elementare del generatore è rappresentato dalla cella fotovoltaica, in cui avviene la conversione della radiazione solare in corrente elettrica. La cella è costituita da una sottile porzione di materiale semiconduttore, generalmente silicio opportunamente trattato. Il silicio, che ha quattro elettroni di valenza (tetravalente), viene “sollecitato” mediante l’inserimento su di una “faccia” di atomi trivalenti (es. boro – drogaggio P) mentre sull’altra, con piccole quantità di atomi pentavalenti (es. fosforo – drogaggio N). La faccia con drogaggio di tipo N presenta un eccesso di elettroni, mentre quella con drogaggio di tipo P, una loro carenza e quindi evidenzia la presenza di cosiddette lacune. Nella zona di contatto tra i due strati a diverso drogaggio (giunzione P-N), gli elettroni tendono a diffondersi spostandosi dalla regione a più alta densità (N) per passare a quella a bassa densità (P), creando pertanto un accumulo di carica negativa nella regione N. Un parallelo fenomeno avviene in relazione alla carica positiva delle lacune, più alta nella regione P.

In tal modo, si crea un campo elettrico interno alla giunzione che si oppone all’ulteriore diffusione di cariche elettriche. Se si applica una tensione dall’esterno, la zona di giunzione interna permette il passaggio di corrente in un solo senso (funzionamento da diodo).
Quando la cella è esposta alla diretta luce solare, in virtù dell’effetto fotovoltaico, vengono a crearsi delle coppie elettrone-lacuna sia nella zona N che nella zona P. Il campo elettrico interno permette di dividere gli elettroni che risultano in eccesso dalle lacune, e li spinge in direzioni opposte gli uni rispetto agli altri. Gli elettroni, una volta che oltrepassano la cosiddetta zona di svuotamento, non possono più tornare indietro, dal momento che – come visto – il campo elettrico che si è creato impedisce loro di invertire il “senso di marcia”. Connettendo la giunzione con un conduttore esterno, si otterrà un circuito chiuso nel quale la corrente fluisce dallo strato P (che presenta un potenziale maggiore) verso quello N (che invece ne presenta uno minore). Tutto ciò, ovviamente, fintanto che la cella rimane illuminata. La zona di silicio che contribuisce a fornire la corrente risulta quella circostante alla giunzione P-N. Al contrario, nelle zone distanti alla giunzione, seppure vengono a formarsi le cariche elettriche, manca il campo elettrico che le metta in movimento, con la conseguenza che esse si ricombinano. In conseguenza di ciò, è importante che la cella fotovoltaica abbia una grande superficie: maggiore sarà la superficie, maggiore sarà la corrente generata.

Nelle condizioni di funzionamento standard (irraggiamento di 1 kW/m2 alla temperatura di 25°C) una cella fotovoltaica fornisce una corrente di circa 3 A, con una tensione di 0.5 V e una potenza di picco pari a 1.5-1.7 W. I moduli fotovoltaici che si trovano in commercio, sono costituiti da un insieme di celle. Più moduli collegati tra loro (sia meccanicamente che elettricamente) vengono a formare un pannello, ossia una struttura comune ancorabile al suolo o a un edificio.  È poi possibile collegare elettricamente tra loro più pannelli, costituiscono una stringa: infine, più stringhe, collegate elettricamente in parallelo a fornire la potenza desiderata, costituiscono il generatore o campo fotovoltaico. Nei moduli, le celle fotovoltaiche non sono tutte identiche, a causa delle inevitabili differenze presenti sin dalla loro fabbricazione. Di conseguenza due blocchi di celle collegate tra loro in parallelo potrebbero non avere la stessa tensione. La conseguenza di una simile condizione è la formazione di una corrente di circolazione dal blocco di celle a tensione maggiore verso quello a tensione minore. Quindi una parte della potenza prodotta dal modulo viene persa all’interno del modulo stesso (tali sono le perdite di mismatch). La disuguaglianza tra le celle può anche essere determinata da un differente irraggiamento solare (perché ad esempio una parte di celle sono ombreggiate) oppure dal loro deterioramento.

Tali celle si comportano come un diodo che viene a bloccare il flusso di corrente prodotta dalle altre celle. Il diodo è sottoposto alla tensione delle altre celle, tensione che può provocare la perforazione della giunzione con surriscaldamento locale e danni al modulo. Pertanto, i moduli sono dotati di diodi di by-pass che limitano tale fenomeno, cortocircuitando la parte del modulo ombreggiata o danneggiata. Anche tra le stringhe collegate nel campo fotovoltaico può crearsi lo stesso fenomeno di mismatch, appena illustrato. Questo in seguito alla disuguaglianza dei moduli, al differente irraggiamento delle stringhe, alla presenza di ombreggiamenti o di guasti di una stringa. Anche in questo caso, onde evitare la circolazione di corrente inversa tra le stringhe, è possibile inserire dei diodi.

INVERTER

Il sistema di gestione e controllo della potenza è costituito da un inverter che trasforma la corrente continua in alternata, modulando la qualità della potenza in uscita per l’immissione in rete anche attraverso un suo filtro interno. I transistor contenuti nell’inverter, vengono utilizzati come interruttori statici.

Essi risultano pilotati da un segnale di apertura-chiusura che, nella forma più semplice, fornirebbe un’onda quadra in uscita. Per avvicinarsi il più possibile a un’onda sinusoidale, si utilizza quindi la tecnica più sofisticata a modulazione della larghezza d’impulso (PWM: Pulse Width Modulation) che permette di ottenere una regolazione sia in riferimento alla frequenza che sul valore efficace della necessaria forma d’onda in uscita. E’ bene quindi chiarire che la potenza che può fornire un generatore fotovoltaico, dipende dal punto in cui esso si trova a operare.

Per meglio ottimizzare l’energia prodotta dal fotovoltaico, è opportuno adeguare il generatore al carico, in modo che il punto di funzionamento corrisponda sempre a quello di massima potenza. Per questo scopo, viene utilizzato uno strumento definito inseguitore del punto di massima potenza (MPPT: Maximum Power Point Tracking) in grado di individuare, momento per momento, la coppia di valori tensione-corrente del generatore per la quale la potenza generata è massima. I dispositivi MPPT che vengono attualmente utilizzati, sono in grado di individuare il punto di massima potenza sulla curva caratteristica del generatore grazie alla creazione – a intervalli regolari – di piccole variazioni di carico che determinano scostamenti dei valori di tensione e di corrente, potendo così valutare se il nuovo prodotto I-V risulta maggiore o minore del precedente. Se si verifica un aumento, si prosegue a variare le condizioni di carico nella direzione considerata. Altrimenti, si modificano le condizioni nel verso opposto.
Gli inverter per impianti in isola e per impianti collegati alla rete di distribuzione, presentano caratteristiche differenti.

Ciò in base alle caratteristiche delle performance che vengono loro richieste:

• in connessione agli impianti in isola, gli inverter dovranno essere in grado di fornire una tensione lato c.a. il più possibile costante in funzione al variare della produzione del generatore e della richiesta del carico;
• negli impianti connessi alla rete, invece, gli inverter devono tendere alla riproduzione, più simile possibile, della tensione di rete, tentando al contempo di ottimizzare e massimizzare la produzione elettrica dei pannelli fotovoltaici.

IMPIANTI ISOLATI (STAND-ALONE)

Gli impianti a isola non risultano collegati alla rete elettrica. Sono costituiti da pannelli fotovoltaici connessi a un sistema di accumulo che garantisce la fornitura di energia elettrica, anche nei periodi di scarsa illuminazione o nelle ore di buio. Poiché la corrente erogata dal generatore fotovoltaico risulta di tipo continuo, se l’impianto utilizzatore necessita di corrente alternata sarà necessaria l’interposizione di un inverter.

Tale tipologia di impianti risultano sia tecnicamente che economicamente vantaggiosi laddove la rete elettrica sia assente o difficilmente raggiungibile, sostituendo spesso i gruppi elettrogeni a combustibile. Inoltre, all’interno di una configurazione stand-alone, il campo fotovoltaico viene sovradimensionato in modo da consentire, durante le ore di irraggiamento, sia l’alimentazione del carico che la ricarica delle batterie di accumulo. Questo tipo di configurazione viene utilizzata in apparecchiature per il pompaggio dell’acqua, in sistemi di illuminazione, nell’alimentazione dei servizi dei camper, negli impianti pubblicitari e nei rifugi in alta quota.

IMPIANTI COLLEGATI ALLA RETE (GRID-CONNECTED)

Gli impianti con collegamento permanentemente alla rete elettrica, assorbono energia da essa nelle ore in cui il generatore fotovoltaico non è in grado di produrre l’energia necessaria a soddisfare il bisogno dell’utilizzatore. Viceversa, quando il sistema fotovoltaico produce energia elettrica in quantità superiore, rispetto al fabbisogno dell’utilizzatore, il surplus viene immesso in rete. Conseguentemente, i sistemi connessi alla rete non hanno alcuna necessità di batterie di accumulo, anche se – la loro installazione – potrebbe permettere una maggiore indipendenza dell’impianto, dal punto di vista energetico.

Questa tipologia di impianti offre il vantaggio della generazione distribuita, anziché centralizzata. L’energia prodotta nei pressi dell’utilizzatore, infatti, ha un valore maggiore di quella fornita dalle grosse centrali tradizionali, poiché in tal modo si limitano le perdite di trasmissione e si riducono gli oneri economici dei grossi sistemi elettrici di trasporto e dispacciamento. Inoltre, una produzione di energia nelle ore di maggiore insolazione, permette di ridurre la domanda verso la rete durante il giorno, ossia quando si verifica la maggiore richiesta.