Come funzionano i pannelli fotovoltaici e quando installarli?

Se ti stai chiedendo qual è il funzionamento dei pannelli fotovoltaici perché vuoi finalmente ridurre i consumi della tua abitazione, del tuo camper o della tua imbarcazione, allora sei nel posto giusto. Prima di approfondire tutti gli aspetti legati a questa tecnologia sarebbe meglio saperne un po’ di più circa la sua sorprendente storia.

I pannelli fotovoltaici sono dispositivi costituiti internamente da diversi strati di vetro e materiale sintetico in silicio. Quest’ultimo, in particolare quello monocristallino, ha delle proprietà davvero eccezionali. È stato infatti scoperto che era possibile trasferire dei pacchetti di energia da utilizzare attraverso l’effetto fotoelettrico. 

La teoria dei quanti di luce ha valso il premio Nobel per la fisica ad Albert Einstein negli anni ‘20. All’epoca naturalmente non c’erano ancora i pannelli fotovoltaici e la prima applicazione reale fu un pannello realizzato dalla Bell Corporation. 

Grazie a questa nuova tecnologia si scoprì che era possibile alimentare una piccola ricetrasmittente di pochi watt attraverso la luce del sole. Questa scoperta ha letteralmente rivoluzionato il mondo. Infatti, i primi satelliti lanciati in orbita negli anni ‘80 vennero alimentati con pannelli fotovoltaici per mettere in funzione tutti i servizi di bordo.

In questo articolo ti spiegherò in modo dettagliato come funziona il fotovoltaico. Vedremo quali sono tutti i componenti di questi dispositivi e perché è la scelta giusta da fare per abbattere i costi di riscaldamento e raffrescamento della tua abitazione.

Prosegui nella lettura.

• Funzionamento di base dei pannelli fotovoltaici: cos’è e com’è fatto?
• Tipologie di pannelli solari: monocristallino e policristallino
• Collegamento di un pannello fotovoltaico in serie o in parallelo: come funziona?
• Come funziona un pannello fotovoltaico collegato in serie?
• Come funziona un pannello solare disposto in parallelo?
• Componenti generali e funzionamento dei pannelli solari
• Pannello fotovoltaico connesso in rete: come funziona e quali sono i componenti?
• Componenti dei pannelli fotovoltaici a isola: qual è il funzionamento?
• Il ruolo dei sistemi di accumulo nel funzionamento del fotovoltaico
• Perché passare al fotovoltaico?
• Conclusioni

Funzionamento di base dei pannelli fotovoltaici: cos’è e com’è fatto? 

Un pannello solare, anche chiamato pannello fotovoltaico, è un dispositivo tecnologico che converte l’energia solare in energia elettrica utilizzabile. 

Sono composti da celle fotovoltaiche, capaci di catturare la luce del sole e convertirla in corrente continua (DC). Questa corrente continua viene quindi convertita in corrente alternata (AC) attraverso un inverter, che la rende utilizzabile per alimentare gli apparecchi elettronici domestici o aziendali.

Questi dispositivi sono spesso utilizzati come fonte di energia rinnovabile per le case e le imprese. Inoltre, alimentano dispositivi di piccole dimensioni, come torce, caricabatterie portatili e altro ancora.

I sistemi fotovoltaici sono disponibili in diverse dimensioni e configurazioni. In più, possono essere installati su tettoie, tetti, facciate di edifici, terreni aperti e anche su dispositivi mobili come veicoli e barche. Infine, sono un’ottima fonte di energia pulita e rinnovabile che aiuta a ridurre l’uso di combustibili fossili e le emissioni di gas serra.

Sai che esistono diverse tipologie di pannelli? Te ne parlo nel prossimo paragrafo.

Tipologie di pannelli solari: monocristallino e policristallino

Il funzionamento di un pannello fotovoltaico dipende anche dalla sua tipologia. Come anticipato infatti questi dispositivi sono costituiti da celle in silicio che possono essere di due tipi:

1. monocristallino; 
2. policristallino. 

Il policristallino ha una struttura costituita da diversi cristalli, talvolta anche di materiale di recupero. Si tratta di una tecnologia più economica rispetto al monocristallino, anche se adesso i costi di entrambe le soluzioni sono allineati. Inoltre ha una minore purezza. 

Ora invece si prediligono pannelli fotovoltaici di silicio monocristallino realizzati attraverso un’unica colata di fonderia. Al suo interno non sono presenti tanti reticoli cristallini, ma vi è un unico cristallo. Ciò si traduce anche in una maggiore purezza della cella. 

Tieni presente che il silicio monocristallino è la base dell’elettronica moderna: i componenti di un iphone, per esempio, o anche i computer sono realizzati con silicio monocristallino. Parliamo quindi di tecnologie di altissimo livello. 

Come si realizza un wafer (cioè uno strato sottile) di silicio?

Si parte da un panetto di silicio puro che viene poi tagliato in fette. Quella cella subisce ulteriori lavorazioni e, fatte le connessioni elettriche, si collega ad altre celle in serie. Alla fine si avrà un certo voltaggio e l’intensità di corrente del pannello. 

A questo punto è arrivato il momento di collegare le celle in serie. Vediamo come funzionano i pannelli solari a seconda della loro disposizione.

Collegamento di un pannello fotovoltaico in serie o in parallelo: come funziona?

Le celle fotovoltaiche possono essere collegate in serie o in parallelo, a seconda della disposizione utilizzata.

Se le celle sono collegate in serie, i loro terminali vengono collegati uno all’altro in successione, formando una catena. In questo modo, la tensione generata da ciascuna cella si somma, aumentando la tensione totale del circuito. La corrente, invece, rimane costante. 

Se le celle sono collegate in parallelo, invece, tutti i loro terminali positivi vengono collegati insieme e, così, anche quelli negativi. In questo caso, la corrente generata da ciascuna cella si somma, aumentando la corrente totale del circuito. Qui è la tensione a rimanere costante.

Nella pratica, spesso si utilizza una combinazione di queste connessioni, creando stringhe solari composte da molti pannelli collegati tra loro, sia in serie che in parallelo. In questo modo, si ottiene la giusta combinazione di tensione e corrente.

Nei prossimi paragrafi farò un esempio per distinguere in modo esaustivo le due tipologie di disposizioni.

Come funziona un pannello fotovoltaico collegato in serie?

Quando si collegano in serie delle batterie, delle celle o dei generatori da 12 volt, collegando polo negativo e polo positivo otterremo la loro somma (12 V + 12 V = 24 V). È necessario però aggiungere un’altra informazione: la quantità di energia. 

A questo punto dobbiamo fare una distinzione fondamentale tra:

• Voltaggio (V): la capacità di spostare elettroni da un polo positivo a un polo negativo;
• Intensità di corrente (A): il flusso, ovvero la quantità di corrente che passa all’interno di una sezione di un cavo.

Quindi, collegando in serie le celle di un pannello fotovoltaico, o più pannelli fotovoltaici insieme, avremo sempre 24 V, ma l’intensità di corrente resterà invariata, ad esempio 10 Ampere.

Come funziona un pannello solare disposto in parallelo?

Riprendiamo l’esempio precedente. I nostri pannelli hanno un voltaggio di 12 V, mentre l’intensità è di 10 A. In questo caso il collegamento non è tra polo positivo di un pannello e polo negativo dell’altro pannello. La disposizione consiste nel collegare i poli positivi di uno con quelli sempre positivi dell’altro, e viceversa con i poli negativi.

In altre parole, colleghiamo in parallelo i due pannelli. Al contrario di quanto accadeva nella serie, i volt restano uguali (12 V) mentre si somma l’intensità di corrente (10 A + 10 A =20 A). Questo è il funzionamento di un pannello collegato in parallelo.

Se stai continuando a leggere questo articolo è perché evidentemente stai valutando l’acquisto di un pannello solare. Ma sei già a conoscenza di com’è fatto? Continua a leggere per saperne di più.

Componenti generali e funzionamento dei pannelli solari 

Un pannello solare fotovoltaico è costituito da diversi componenti che lavorano insieme per convertire l’energia solare in energia elettrica utilizzabile. I principali sono i seguenti:

1. Le celle fotovoltaiche: il cuore del pannello solare, costituite da strati di silicio;
2. Il vetro frontale: un vetro temperato trasparente che protegge le celle fotovoltaiche dalle intemperie, ma che consente al sole di passare attraverso;
3. Il foglio di backsheet: una pellicola che copre il retro delle celle fotovoltaiche e fornisce isolamento e protezione;
4. La cornice: una struttura metallica che sostiene il pannello e consente di installarlo in modo sicuro;
5. La scatola posteriore di connessione: un dispositivo elettrico tramite cui collegare il pannello ad altri pannelli solari o ai componenti dell’impianto elettrico;
6. Il diodo: ha lo scopo di evitare che una cella danneggiata o ombreggiata influisca sulle prestazioni delle altre celle nel pannello;
7. Il sistema di montaggio: un insieme di supporti e staffaggi che permettono di installare il pannello su tetti, palificazioni, o altre superfici.

Poiché un pannello è fatto di tante celle in serie e in parallelo, i diodi sono fondamentali. Ciò perché, dal momento in cui una cella si trova in ombra, essa deve essere automaticamente esclusa, così da non penalizzare le prestazioni del pannello. 

Tutti i pannelli hanno poi una scatola di connessione fornita di bulloni dove si avvitano i cavi, oppure già con i cavi intestati con i connettori cosiddetti MC4.

Questi sono i componenti di un pannello solare, ma il discorso cambia nel momento in cui vogliamo parlare di sistemi. I componenti di un sistema fotovoltaico infatti variano a seconda del tipo di impianto, ovvero: 

• impianto connesso in rete;
• impianto a isola (stand-alone).

Scopri come sono fatti leggendo il prossimo paragrafo.

Pannello fotovoltaico connesso in rete: come funziona e quali sono i componenti?

Gli impianti connessi in rete sono collegati alla rete elettrica nazionale e producono energia solare che viene iniettata direttamente nella rete elettrica. Ecco come funziona un impianto di questo tipo:

1. scambia continuamente informazioni con la rete;
2. preleva la produzione fotovoltaica;
3. la trasforma in corrente utilizzabile dalla rete (220 V a 50 Hz oppure 400 V sempre a 50 Hz, cioè monofase o trifase);
4. la produzione viene presa e inserita tal quale nella rete domestica e generale, ovvero quella dell’ENEL;
5. un contatore collocato sotto l’inverter conta la produzione, e questo lo fornisce il gestore dell’energia – in questo caso Enel Distribuzione;
6. un altro contatore bidirezionale, quello di casa che verrà sostituito, legge sia l’energia che entra che quella che esce e la contabilizza separatamente con il principio dello scambio sul posto.

Cos’è lo scambio sul posto?

Lo scambio sul posto è un’opzione di autoconsumo in cui l’energia elettrica prodotta, ma non immediatamente consumata, viene immessa nella rete elettrica pubblica. Successivamente questa viene prelevata e consumata in un momento diverso. GSE è l’ente che regola l’intero servizio.

Questi sono gli impianti connessi in rete. Ovviamente anche loro possono avere una batteria di accumulo, quasi sempre al litio. Generalmente serve per l’energia domestica, ma anche – e qui ti svelo un’informazione che pochi conoscono! – per bilanciare la rete generale.

Componenti dei pannelli fotovoltaici a isola: qual è il funzionamento?

Gli impianti a isola (stand-alone) sono utilizzati in aree remote o in assenza di una connessione alla rete elettrica e servono per ricaricare le batterie. I loro componenti principali includono:

• I moduli fotovoltaici: come descritto sopra, i pannelli fotovoltaici convertono l’energia solare in energia elettrica;
• Le batterie: servono a immagazzinare l’energia prodotta dai moduli durante le ore di luce del giorno e renderla disponibile di notte o quando il cielo è nuvoloso. Possono essere al piombo, al litio e con i supercondensatori;
• Il regolatore di carica: un caricabatterie solare che funge da riserva di energia;
• Uno o più inverter: collegati alla riserva di energia che va a prelevare la corrente dal pacco batteria. 

Un inverter, nel caso degli impianti in isola, prende una tensione in corrente continua. Quest’ultima, attraverso dei relè o dei trasformatori, commuta quella energia in corrente alternata, elevando la tensione e aumentando anche la frequenza. Quindi posso trasformare da un 12 V, un 220 V. Da 24 o 48 V è possibile poi ottenere anche un’alimentazione industriale da 400 V. 

Il medesimo discorso vale per le imbarcazioni. Con una batteria di servizi a 12 V e un inverter è possibile alimentare la macchinetta del caffè, un piano di cottura e così via. 

Ora che conosci com’è fatto un pannello fotovoltaico non mi resta che introdurre i sistemi di accumulo. Un argomento di cui parlerò a breve.

Il ruolo dei sistemi di accumulo nel funzionamento del fotovoltaico

Un sistema di accumulo è una batteria che viene caricata sulla base delle varie necessità. Nel momento in cui il sole produce energia, essa carica la batteria che può tornare utile come riserva di energia quando il sole non c’è.

Quali sono le tecnologie legate agli accumuli?

Sugli impianti connessi in rete si utilizza il litio. In più, novità che – ti avverto! – è disponibile soltanto su Inner Solar, puoi utilizzare anche supercondensatori abbinati agli inverter connessi in rete.

Su quelli in isola, invece, abbiamo: 

• batterie al piombo per uso specifico a scarica lenta che possono essere AGM, OPzV e OPzS;;
• il litio che assicura una maggiore profondità di scarica; 
• i supercondensatori al grafene, dove è possibile scaricare totalmente la batteria e avere elevate correnti di scarica e di carica. 

A seconda del tipo di batteria possiamo ottenere una capacità data proprio dalla tecnologia impiegata. 

Nel caso del piombo possiamo scaricare solo il 50% della sua capacità: se è 100 Ah, ne possiamo usare solo la metà. Nel caso del litio, invece, possiamo usarne il 75%. Con il supercondensatore infine è possibile sfruttare il 100% della sua energia, cioè l’intera capacità.

Il pannello fotovoltaico carica la batteria attraverso un caricabatteria solare o regolatore di carica. In buona sostanza è lo stesso principio dell’iphone: per poterla utilizzare devo caricare la batteria. Nel caso del fotovoltaico, l’allaccio al caricabatterie di rete – un piccolo trasformatore – ricarica la batteria. Anziché usare la rete elettrica si sfrutta il pannello fotovoltaico.

Se arrivato a questo punto e non sei ancora convinto di passare al fotovoltaico, allora non ti resta che leggere tutti i suoi eccezionali benefici.

Perché passare al fotovoltaico?

Passare all’energia fotovoltaica può comportare numerosi vantaggi, tra cui:

1. Risparmio sui costi energetici: l’energia solare è gratuita, il costo iniziale per l’installazione di un impianto fotovoltaico può essere recuperato in alcuni anni. In più, nel lungo termine, l’energia solare prodotta dal sistema può ridurre significativamente i costi dell’energia elettrica;
2. Emissioni zero: l’energia solare è pulita e rinnovabile e non produce emissioni di gas serra. In questo modo, contribuirai a ridurre l’impatto ambientale e il cambiamento climatico;
3. Indipendenza energetica: l’installazione di un sistema fotovoltaico permette di produrre energia elettrica in modo autonomo, soprattutto in aree remote o in caso di blackout della rete elettrica;
4. Maggiore valore dell’immobile: l’installazione di un sistema fotovoltaico può aumentare il valore di un immobile, rendendolo più appetibile sul mercato immobiliare.

Infine, l’energia solare è una fonte di energia rinnovabile e inesauribile, che può aiutare a garantire un futuro sostenibile per le generazioni future.

Conclusioni 

In conclusione, i pannelli solari fotovoltaici rappresentano una delle fonti di energia rinnovabile più importanti e promettenti per il futuro. Grazie alla loro capacità di convertire l’energia solare in energia elettrica, possono offrire numerosi vantaggi economici ed ambientali. 

Oltre al fatto che l’energia solare è pulita, inesauribile e rinnovabile, l’installazione di un sistema fotovoltaico ti aiuta a risparmiare sui costi energetici a lungo termine, raggiungere l’indipendenza energetica e ridurre le emissioni di gas serra.

La comprensione del loro funzionamento è essenziale per saper scegliere il sistema di produzione energetica più adatto alle tue esigenze e per contribuire alla diffusione di tecnologie sostenibili ed ecocompatibili.

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