I Pannelli Fotovoltaici

Descrizione della struttura e delle proprietà dei pannelli fotovoltaici
 
La Struttura di un Modulo Fotovoltaico

Un modulo fotovoltaico è costituito da numerose celle che vengono collegate tra loro in serie-parallelo per fornire i valori di corrente e tensione desiderati.

Le celle a loro volta sono incapsulate tra una lastra di vetro e una di plastica. Questo incapsulamento serve anzitutto a proteggere le celle, ma allo stesso tempo deve essere il più possibile trasparente alla radiazione solare, che deve raggiungere le celle. Inoltre deve essere stabile ai raggi ultravioletti e alla temperatura, essere il più possibile autopulente e deve permettere di mantenere il più basso possibile la temperatura delle celle.

Si può dire che la vita di una cella fotovoltaica è praticamente infinita, ciò che determina quindi una durata del modulo limitata è l’incapsulamento. I pannelli oggi in commercio infatti offrono una garanzia di produzione dell’80%-85% dopo 20 – 25 anni e indicativamente si può quindi considerare una produzione di energia soddisfacente fino a 30 anni.

Gli ultimi elementi presenti in un modulo sono la cornice, che serve per dare al modulo stesso più robustezza e per poterlo ancorare alla struttura di sostegno e la scatola di giunzione, che permette di collegare tra loro più pannelli in serie e in parallelo e di trasferire l’energia elettrica all’inverter.

L'Efficienza e la Potenza dei Moduli Fotovoltaici

L’efficienza di un modulo fotovoltaico indica quanta energia elettrica riesce a produrre il modulo stesso a partire dall’energia captata dal sole tramite la radiazione solare.

Questa efficienza viene descritta nelle schede tecniche di prodotto ed è tipicamente più elevata per i moduli fotovoltaici in silicio monocristallino e policristallino, mentre è inferiore in genere per i moduli a film sottile, rappresentati dal diseleniuro di rame, indio e gallio e dal seleniuro di rame, indio e gallio (CIGS e CIS), dal tellururo di cadmio (CdTe) e dal silicio amorfo (aSi).

In linea di massima, possiamo dire che:

– per il silicio mono e policristallino, l’efficienza nominale va da circa il 15% fino al 21,5% per il top di gamma;

– per il CIGS e il CIS, l’efficienza nominale è compresa all’incirca fra il 12% e il 14%;

– per il CdTe, l’efficienza nominale è compresa all’incirca fra il 15% e il 18%;

– per l’aSi, l’efficienza nominale è di circa il 13,5%.

I pannelli più efficienti hanno il vantaggio di esprimere una potenza maggiore, in condizioni operative standard, a parità di superficie occupata. Allo stesso tempo però, tipicamente sono più costosi, dunque se abbiamo a disposizione una superficie ampia, soprattutto in relazione alle esigenze di produzione di energia di casa, possiamo orientarci verso modelli meno efficienti, occupando un po’ più spazio.

Inoltre, come già indicato nella pagina generale dedicata agli impianti fotovoltaici e in quella dedicata ai componenti di un impianto fotovoltaico e come meglio descritto nel box seguente di questa pagina, occorre considerare che questa efficienza è definita per condizioni operative standard, che si discostano in modo importante dalle condizioni reali di esercizio dei pannelli. Al proposito, se da una parte i pannelli a film sottile (CIS, CIGS, CdTe, aSi) hanno una efficienza inferiore in condizioni operative standard, dall’altra presentano prestazioni migliori all’aumentare della temperatura e con una maggiore presenza di radiazione solare diffusa rispetto a quella diretta.

Nel box seguente parleremo dell’influenza della temperatura delle celle, della radiazione solare e della radiazione diffusa sulla produzione di energia.

La Potenza dei Moduli in Funzione di Temperatura, Radiazione Solare e Radiazione Diffusa

Se andiamo ad osservare delle schede tecniche di prodotto dei moduli fotovoltaici, disponibili ad esempio sui siti dei produttori, possiamo notare che in queste vengono riportate le caratteristiche dei pannelli sia in condizioni di test standard, o standard test conditions o STC, sia in condizioni nominali relative alla temperatura operativa della cella, o Nominal Operative Cell Temperature o NOCT.

Le condizioni di test standard fanno riferimento ad una temperatura della cella di 25 °C, ad una radiazione solare di 1’000 W/m2 e ad uno spettro solare riferito ad un indice di massa d’aria pari a 1,5.

L’indice di massa d’aria è una misura dell’attenuazione dell’irraggiamento solare da parte dell’atmosfera terrestre, pertanto vale 0 al di fuori dell’atmosfera, 1 quando il sole è perpendicolare (zenit) sopra alla testa dell’osservatore e assume valori maggiori di 1 per elevazioni del sole inferiori alla perpendicolare.

Ad esempio, se un pannello ha un’efficienza del 15% e occupa una superficie di 1,5 m2, nelle condizioni standard di riferimento, con una radiazione solare di 1’000 W/m2 avrà una potenza di circa 0,15 (15%)* 1,5 m2* 1000 W/m2 = 225 W, che è quella che troveremo nella scheda tecnica di prodotto per le STC.

Le condizioni di nominal operative cell temperature invece fanno riferimento ad una temperatura dell’aria di 20 ° C, ad una radiazione di 800 W/m2, ad una velocità del vento di 1 m/s e ad un modulo fotovoltaico appoggiato su una superficie, che fa si che non vi sia convezione termica nella superficie inferiore. Tipicamente il NOCT assume valori compresi fra 40° C e 45° C e questa temperatura dipende principalmente dal tipo di incapsulamento delle celle fotovoltaiche.

Conoscendo sia le STC che le NOCT e disponendo di equazioni che permettono di descrivere l’efficienza dei pannelli al variare della radiazione solare e della temperatura, è possibile stimare le prestazioni dei moduli al variare delle condizioni operative di esercizio.

Al proposito, dei pannelli che in condizioni standard offrono un’efficienza maggiore, possono in realtà produrre pressoché la stessa energia di pannelli meno efficienti, ma che mantengono una produzione di energia più elevata all’aumentare della temperatura e hanno una maggiore capacità di convertire anche la componente diffusa dell’energia elettrica.

Per quanto riguarda la diminuzione della potenza dei moduli (e quindi della produzione di energia) all’aumentare delle temperatura delle celle, possiamo notare che:

– i pannelli in silicio mono e policristallino in genere hanno un calo di potenza che va dallo – 0,39%/°C a – 0,41%/°C, ma i modelli top di gamma, che sono quindi anche più costosi, possono diminuire la propria potenza del -0,35%/°C o addirittura anche del -0,29%/°C, a seconda del prodotto considerato;

– i pannelli in CIS e CIGS hanno una diminuzione di potenza intorno a -0,31%/°C;

– i pannelli in CdTe hanno una diminuzione di potenza intorno a -0,28%/°C fino a -0,31%/°C;

– i pannelli in a-Si hanno una diminuzione di potenza intorno a -0,21%/°C.

Sul sito dei produttori dei pannelli fotovoltaici a film sottile, è possibile trovare informazioni relative a referenze di impianti installati che hanno ottenuto produzioni annue comparabili o superiori rispetto a quelle ottenibili con pannelli fotovoltaici in silicio mono o policristallino di pari dimensioni.

Questo è appunto riconducibile alla maggiore efficienza dei pannelli a film sottile all’aumentare della temperatura delle celle e in presenza di una maggiore componente diffusa della radiazione solare rispetto a quella diretta.

L'Energy Payback Time dei Moduli Fotovoltaici

L’Energy Payback Time (o EPBT) rappresenta l’energia che deve produrre un pannello fotovoltaico per recuperare l’energia che è stata spesa per la sua produzione e assemblaggio.

Questo dato è molto importante, perché l’energia consumata in fase di produzione ha un impatto ambientale collegato alle emissioni di inquinanti e di gas ad effetto serra nelle centrali di produzione elettrica.

L’EPBT dipende anche dal luogo in cui si installa il pannello, perché l’installazione in luoghi più soleggiati porterà ad una maggiore produzione di energia rispetto all’installazione in luoghi meno soleggiati. Questo può far si che l’EPBT vari anche di 1-1,5 anni tra un luogo e l’altro.

Attualmente, grazie al miglioramento dei processi produttivi, tutti i tipi di pannelli hanno valori buoni dell’EPBT.

 In particolare, dalla letteratura possiamo recuperare i seguenti dati di EPBT per i diversi tipi di pannelli fotovoltaici:

Tipo di sistema fotovoltaico

EPBT (anni)

Silicio monocristallino

2,21 e 1,752

Silicio policristallino

21 e 1,752

Microcristallino

0,853

a-Si

Da 1,4 a 3,14

CdTe

0,751 0,752 e15

CIGS

1,75

Dati di dominio pubblico da IEA Task 12 2015.

Dati non di dominio pubblico da IEA Task 12 2015.

Dati non di dominio pubblico. In particolare per a-Si, la fonte è A. Calderòn Dìaz, Università di Barcelllona, http://diposit.ub.edu/dspace/bitstream/2445/57523/1/TFM_MERSE_AlejandroCalderon.pdf.

Dati non di dominio pubblico da Bandhari et al.