COME FUNZIONA UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO? DA SOLE A ENERGIA PULITA

Le lancette dell’orologio climatico segnano l’inquietante conto alla rovescia verso il punto di non ritorno del riscaldamento globale. Per evitare che tale suggestione da incubo si trasformi in realtà, è necessario fare tutto il possibile per invertite la rotta, a partire dalla scelta di fonti rinnovabili per produrre energia pulita. Tra queste, una di quelle più in voga, sia in ambito domestico, che industriale, è indubbiamente l’impianto fotovoltaico.

Ma come funzionano i pannelli solari e come convertono la luce in energia elettrica? 

Il funzionamento di un impianto fotovoltaico

Il funzionamento di un impianto fotovoltaico si basa sull’utilizzo diretto della radiazione solare per generare energia elettrica. Questo processo avviene grazie a un insieme integrato di componenti che, lavorando in sinergia, trasformano i raggi solari in corrente alternata utilizzabile all’interno di abitazioni, aziende o impianti industriali.

Quali sono le fasi operative che consentono di trasformare la luce in energia pulita?

Assorbimento della luce solare

La conversione inizia proprio dai celebri pannelli fotovoltaici, i quali vengono installati sulle superfici maggiormente esposte al Sole dell’azienda o dell’abitazione. I moduli sono costituiti da celle solitamente realizzate in silicio, materiale semiconduttore in grado di reagire all’energia luminosa.

Ogni cella è in grado di catturare fotoni, ovvero le particelle della luce solare. Quando queste colpiscono la cella, trasferiscono la propria carica di energia a un elettrone del silicio. 

Il fenomeno genera il distacco dell’elettrone, il quale si mette in movimento generando una corrente elettrica. Questo processo fisico prende il nome di effetto fotovoltaico.

Generazione di corrente elettrica continua

Il movimento ordinato degli elettroni produce una corrente elettrica di tipo continuo (DC), la quale viene convogliata tramite le stringe presente sui pannelli e raccolta nel quadro di campo. Quest’ultimo non è altro che un pannello di controllo elettrico progettato per raccogliere le stringhe e proteggerle da sovraccarichi o cortocircuiti

Conversione in corrente alternata

Quasi tutti gli apparecchi domestici e industriali funzionano a corrente alternata (AC). Di conseguenza, l’energia prodotta dall’impianto fotovoltaico deve essere convertita. Il componente responsabile della trasformazione è l’inverter.

Oltre alla conversione, l’inverter svolge alcune altre importanti funzioni:

• adattamento della frequenza e della tensione alla rete;
• monitoraggio dei parametri di produzione;
• spegnimento automatico in caso di anomalie di rete, blackout o guasti.

Il rendimento dell’inverter non è del 100%: nella fase di conversione si registra una perdita energetica media tra il 3% e il 4%..

Distribuzione dell’energia prodotta

L’ultimo step è la distribuzione dell’energia prodotta, la quale può essere:

• utilizzata immediatamente per alimentare gli elettrodomestici, l’illuminazione e altri carichi elettrici;
• immagazzinata in un sistema di accumulo (batterie) per essere utilizzata in un secondo momento;
• reimmessa nella rete elettrica nazionale. In questo caso, l’utente può usufruire di meccanismi di compensazione, come ad esempio la vendita dell’energia in eccesso. Il surplus energetico concesso alla rete nazionale verrà direttamente detratto in bolletta.

Quali sono le tipologie di pannello fotovoltaico?

Prima dell’installazione di un impianto fotovoltaico va valutata attentamente la tipologia di pannello solare. Nonostante la finalità preposta sia la medesima, ovvero trasformare l’energia solare in corrente elettrica, i vari pannelli differiscono per materiale, costi ed efficienza in determinate condizioni ambientali.

Quindi, come orientarsi tra le versioni esistenti?

I pannelli monocristallini

I pannelli fotovoltaici monocristallini sono riconoscibili dal loro colore spesso tendente al nero. La tonalità deriva dall’impiego di un singolo cristallo di silicio altamente puro, che viene tagliato in sottili wafer e trattato per creare le celle fotovoltaiche. 

Il processo produttivo, più complesso rispetto ad altre tecnologie, comporta costi superiori, ma garantisce anche i più alti livelli di efficienza attualmente disponibili sul mercato.

I moduli riescono a produrre molta energia anche su superfici limitate rendendoli ideali per tetti piccoli o per chi desidera ottenere la massima resa possibile in uno spazio ridotto. Tuttavia, proprio per la loro struttura cristallina, sono piuttosto sensibili alle ombreggiature: anche una singola zona in ombra può influenzare la produttività di tutta la stringa.

I pannelli policristallini:

Una soluzione ampiamente diffusa, soprattutto in ambito residenziale e in contesti in cui lo spazio non è un problema, è rappresentata dai pannelli policristallini. I moduli sono costituiti da celle ottenute dalla fusione di più cristalli di silicio, che creano una superficie variegata, dal tipico colore azzurro o blu cangiante.

Il loro processo produttivo è più semplice e di conseguenza anche il prezzo proposto all’acquirente finale è più contenuto. L’efficienza è generalmente più bassa – compresa tra il 16% e il 19% – ma si rivela comunque più che adeguata per impianti di dimensioni medio-grandi, installati in zone con buona esposizione solare. Rappresentano un buon compromesso tra qualità, prezzo e affidabilità.

I pannelli a film sottile

I pannelli a film sottile si distinguono radicalmente dai moduli cristallini, sia per struttura che per modalità di produzione. Invece di utilizzare wafer di silicio, impiegano materiali semiconduttori diversi, come il tellururo di cadmio (CdTe) o il silicio amorfo (a-Si), depositati in strati sottilissimi su supporti flessibili o rigidi.

Si ottiene così un modulo leggero, spesso sottilissimo, che può adattarsi a superfici curve, verticali o non convenzionali. Questa versatilità li rende ideali per l’integrazione architettonica – ad esempio su facciate di edifici– e per installazioni dove il peso dei pannelli è un fattore critico.

Dal punto di vista del rendimento, però, i pannelli a film sottile presentano valori inferiori rispetto ai modelli in silicio cristallino. La loro efficienza si aggira tra l’8% e il 12%, ma al tempo stesso performano meglio nelle zone poco soleggiate.

I pannelli solari funzionano anche con il cielo coperto?

Una dei dubbi più comuni riguarda il funzionamento dell’impianto fotovoltaico in caso di nubi o pioggia: funziona oppure no?

La risposta è “sì”. La presenza di nuvole non blocca completamente la produzione di energia. in giornate parzialmente coperte, una parte della radiazione solare filtra attraverso le nubi, permettendo alle celle fotovoltaiche di generare elettricità. Va però sottolineato che la resa può ridursi significativamente, con valori variabili dal 10% al 30% rispetto al potenziale massimo.

Anche la pioggia di per sé non impedisce il funzionamento dell’impianto fotovoltaico, anzi può contribuire indirettamente a migliorare la produttività futura: l’acqua piovana lava via polvere e detriti dalla superficie dei moduli, migliorando la trasparenza del vetro protettivo. Come per le nuvole, la radiazione diretta resta comunque limitata. 

Discorso a parte va fatto per le ore notturne. L’impianto non produce energia, poiché l’effetto fotovoltaico richiede la presenza di luce solare diretta. I pannelli solari entrano quindi in fase di inattività.

Quali sono gli altri fattori che influenzano l’impianto fotovoltaico?

Nel paragrafo precedente abbiamo osservato come una riduzione dell’esposizione solare diminuisca il rendimento dell’impianto fotovoltaico. Ma quali altri fattori influenzano il rendimento del sistema?

L’orientamento e l’inclinazione dei pannelli

Il corretto posizionamento dei moduli è fondamentale per massimizzare la produzione di energia. Idealmente, i pannelli dovrebbero essere orientati verso sud, poiché è da questa direzione che proviene la maggiore quantità di luce solare nel corso della giornata.

Anche l’angolo di inclinazione incide in modo rilevante: un’angolatura compresa tra i 25° e i 35° rappresenta spesso il miglior compromesso per catturare la maggior quantità di radiazioni durante l’anno.

Gli impianti fotovoltaici più sofisticati impiegano i cosiddetti inseguitori solari (solar tracker) che ruotano i moduli durante il giorno per mantenerli sempre perpendicolari ai raggi solari, 

La temperatura

Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, un’elevata temperatura ambientale non migliora la resa dell’impianto fotovoltaico, ma la diminuisce. I pannelli solari, infatti, sono più efficienti a temperature moderate. 

Quando si supera una certa soglia (generalmente oltre i 25 °C), l’aumento di calore provoca una riduzione della tensione prodotta dalle celle, abbassando l’energia complessivamente generata.

L’invecchiamento dei moduli

I pannelli fotovoltaici, come qualunque dispositivo elettronico, subiscono un progressivo calo di efficienza con il passare degli anni. Secondo le stime medie, il rendimento diminuisce dello 0,5% circa ogni anno. Questo significa che, dopo 20 o 25 anni di funzionamento, un pannello può arrivare a produrre dal 10% al 15% in meno rispetto ai livelli iniziali.

Ciò nosostante, i moduli fotovoltaici sono progettati per durare a lungo, e la maggior parte dei produttori garantisce una vita utile minima di 25 anni.

Come salvaguardare l’efficienza dei pannelli solari? 

Il prolungamento della vita dei pannelli solari passa da una corretta manutenzione, meglio se fatta in maniera preventiva. A tal fine gli endoscopi industriali risultano degli ottimi alleati. Come possono essere utilizzati nelle operazioni di controllo degli impianti fotovoltaici?

Le sonde endoscopiche consentono, senza alcuno smontaggio dei componenti, di individuare potenziali difetti prima che si trasformino in danni più seri. Nello specifico nell’ambito dei pannelli solari sono utili per:

• Cablaggi e connessioni elettriche: inserendo l’endoscopio in passaggi angusti o canaline, il tecnico può individuare punti di danneggiamento o sfilacciamento dei cavi senza dover smontare intere canalizzazioni. Ciò permette di scoprire per tempo forme di isolamento degradato, morsetti allentati, ossidazioni o surriscaldamenti locali nelle giunzioni, evitando cortocircuiti o interruzioni di stringa improvvisi.
• Inverter e componenti elettronici: un endoscopio consente di ispezionare l’interno di un inverter (o di una cabina di conversione) per verificare lo stato di condensatori, schede, ventole di raffreddamento e altri elementi interni.
• strutture e parti meccaniche: sebbene gli impianti fotovoltaici abbiano poche parti meccaniche in movimento, gli endoscopi possono essere utili per ispezionare strutture di supporto cave, come ad esempio i tubolari, rilevando corrosioni interne.

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