Come è fatto un sistema solare fotovoltaico?

Un sistema fotovoltaico (PV) è un impianto composto da uno o più pannelli solari fotovoltaici combinati con un inverter (per trasformare la corrente da continua in alternata) e altro hardware elettrico e meccanico che utilizza l’energia del Sole per generare elettricità. I sistemi fotovoltaici possono variare notevolmente in termini di dimensioni, da piccoli sistemi su tetto o portatili a enormi impianti di generazione su scala industriale. Sebbene i sistemi FV possano funzionare da soli come sistemi FV off-grid, questo articolo si concentra sui sistemi collegati alla rete pubblica o sui sistemi fotovoltaici collegati alla rete.

Come funzionano questi sistemi?

La luce del Sole, costituita da pacchetti di energia chiamati fotoni, cade su un pannello solare e crea una corrente elettrica attraverso un processo chiamato effetto fotovoltaico. Ogni pannello produce una quantità relativamente piccola di energia, ma può essere collegato insieme ad altri pannelli per produrre quantità maggiori di energia come un array solare. L’elettricità prodotta da un pannello solare (o array) è sotto forma di corrente continua (CC).

Sebbene molti dispositivi elettronici utilizzino l’elettricità CC, incluso il telefono o il laptop, sono progettati per funzionare utilizzando la rete elettrica che fornisce (e richiede) corrente alternata (AC). Pertanto, affinché l’elettricità solare sia utile, deve prima essere convertita da CC a AC utilizzando un inverter. Questa elettricità AC proveniente dall’inverter può quindi essere utilizzata per alimentare l’elettronica localmente o essere inviata alla rete elettrica per essere utilizzata altrove.

Oltre ai pannelli solari, ci sono altri componenti importanti di un sistema fotovoltaico che vengono comunemente chiamati “bilanciamento del sistema” o BOS. Questi componenti (che tipicamente rappresentano oltre la metà del costo del sistema e la maggior parte della manutenzione) possono includere inverter, scaffalature, cablaggi, combinatori, sezionatori, interruttori automatici e contatori elettrici, etc.

1. Pannello solare

Un pannello solare è costituito da molte celle solari con proprietà semiconduttrici incapsulate in un materiale per proteggerlo dall’ambiente. Queste proprietà consentono alla cellula di catturare la luce, o più specificamente, i fotoni del sole e convertire la loro energia in elettricità utile attraverso un processo chiamato effetto fotovoltaico. Su entrambi i lati del semiconduttore c’è uno strato di materiale conduttore che “raccoglie” l’elettricità prodotta.

Il lato illuminato del pannello contiene anche un rivestimento antiriflesso per ridurre al minimo le perdite dovute alla riflessione. La maggior parte dei pannelli solari prodotti nel mondo sono realizzati in silicio cristallino, che ha un limite di efficienza teorico del 33% per convertire l’energia del sole in elettricità. Sono stati sviluppati molti altri materiali semiconduttori e tecnologie di celle solari che funzionano con efficienze più elevate, ma hanno un costo di produzione più elevato.

Un sistema fotovoltaico (PV) è composto da uno o più pannelli solari combinati con un inverter e altro hardware elettrico e meccanico che utilizza l’energia del Sole per generare elettricità. I sistemi fotovoltaici possono variare notevolmente in termini di dimensioni, da piccoli sistemi su tetto o portatili a enormi impianti di generazione su scala industriale. Sebbene i sistemi FV possano funzionare da soli come sistemi FV off-grid, questo articolo si concentra sui sistemi collegati alla rete pubblica o sui sistemi FV collegati alla rete.

2. Inverter

Un inverter è un dispositivo elettrico che accetta corrente elettrica sotto forma di corrente continua (CC) e la converte in corrente alternata (AC). Per i sistemi a energia solare, ciò significa che la corrente CC dal campo solare viene alimentata tramite un inverter che la converte in AC. Questa conversione è necessaria per far funzionare la maggior parte dei dispositivi elettrici o interfacciarsi con la rete elettrica.

Gli inverter sono importanti per quasi tutti i sistemi di energia solare e sono in genere il componente più costoso dopo i pannelli solari stessi. La maggior parte degli inverter ha un’efficienza di conversione del 90% o superiore e contiene importanti caratteristiche di sicurezza, tra cui l’interruzione del circuito per guasto a terra e l’anti-islanding. Questi arrestano il sistema fotovoltaico quando si verifica una perdita di potenza di rete.

3. Rack metallico

Il rack si riferisce all’apparato di montaggio che fissa il pannello solare al suolo o sul tetto. Tipicamente costruiti in acciaio o alluminio, questi apparecchi fissano meccanicamente i pannelli solari in posizione con un alto livello di precisione. I sistemi di scaffalature dovrebbero essere progettati per resistere a eventi meteorologici estremi come velocità del vento a livello di uragani o tornado e/o alti accumuli di neve.

Un’altra caratteristica importante dei sistemi di scaffalature è il collegamento elettrico e la messa a terra del pannello solare per prevenire la folgorazione. I sistemi di scaffalature da tetto sono generalmente disponibili in due varianti, inclusi i sistemi per tetti piani e i sistemi per tetti inclinati. Per i tetti piani è comune che il sistema di scaffalature includa zavorra ponderata per tenere l’array sul tetto usando la gravità.

Su tetti a falda, il sistema di scaffalature deve essere ancorato meccanicamente alla struttura del tetto. I sistemi FV montati a terra possono anche utilizzare zavorra o ancoraggi meccanici per fissare la matrice a terra. Alcuni sistemi di scaffalature montate a terra incorporano anche sistemi di tracciamento che utilizzano motori e sensori per tracciare il Sole attraverso il cielo, aumentando la quantità di energia generata a un costo di manutenzione e attrezzature più elevato.

4. Altri componenti

I restanti componenti di un tipico sistema solare fotovoltaico includono combinatori, sezionatori, interruttori, contatori e cablaggi. Un combinatore solare, come suggerisce il nome, combina due o più cavi elettrici in uno più grande. I combinatori includono tipicamente fusibili per la protezione e vengono utilizzati su tutti gli array solari di medie e grandi dimensioni e su scala industriale.

I sezionatori sono cancelli o interruttori elettrici che consentono la disconnessione manuale di un cavo elettrico. Tipicamente utilizzati su entrambi i lati di un inverter, vale a dire il “sezionatore CC” e il “sezionatore AC”, questi dispositivi forniscono l’isolamento elettrico quando un inverter deve essere installato o sostituito.

Gli interruttori automatici o gli interruttori proteggono i sistemi elettrici da sovracorrenti o sovratensioni. Progettati per attivarsi automaticamente quando la corrente raggiunge una quantità predeterminata, gli interruttori possono anche essere azionati manualmente, fungendo da sezionatore aggiuntivo.

Un contatore elettrico misura la quantità di energia che lo attraversa ed è comunemente utilizzato dalle società di servizi elettrici per misurare e compensare i clienti. Per i sistemi solari fotovoltaici, uno speciale contatore elettrico bidirezionale viene utilizzato per misurare sia l’energia in entrata dalla rete elettrica, sia l’energia in uscita dal sistema solare fotovoltaico.

Infine, il cablaggio od i cavi elettrici trasportano l’energia elettrica da e tra ciascun componente e devono essere adeguatamente dimensionati per trasportare la corrente. I cavi esposti alla luce solare devono avere protezione contro l’esposizione ai raggi UV e i cavi che trasportano corrente CC a volte richiedono una guaina metallica per una maggiore protezione.