La cella fotovoltaica
Il 90% delle celle fotovoltaiche sono fatte da silicio cristallino contenente atomi di boro e fosforo. Hanno una resa del 32% e la radiazione utile ha una lunghezza d’onda che va dallo 0,3 all’1,1 micron, praticamente tutto visibile e infrarosso, pochissimo ultravioletto.
La produzione delle celle fotovoltaiche inizia dal quarzo SiO2 portato a 1900°K diventa silicio puro al 99% o silicio metallurgico MG-Si. L’1% di impurità Fe, Al, Mn, Ti, C, Ca…. va eliminato, perché bisogna raggiungere una purezza 6N: 99,9999. A questo punto si può aggiungere boro e fosforo.
La cella grezza perde l’10% di energia per riflessione, con una opportuna lavorazione la perdita si riduce a solo l’1%.
Un pannello di 600 kWp STC in realtà ha solo 450 KWP NOCT, perché per STC ci vogliono condizioni rare, es. il solleone d’agosto con le temperature di febbraio.
Installazione di un pannello
Installare verso sud, l’inclinazione cambia in base alla latitudine: verso il polo nord i raggi sono più inclinati e quindi il pannello è più verticale, verso l’equatore i raggi sono più verticali e quindi il pannello è più orizzontale. L’ inclinazione ottimale = 3,7 + (0,69 x Latitudine), quindi a Roma = 3,7 + (0,69 x 41,89) = 32,6°, a Milano = 3,7 + (0,69 x 45,27) = 35°, ad Agrigento = 3,7 + (0,69 x 37,32) = 29,45°. Inoltre l’inclinazione in inverno va aumentata leggermente, mentre in estate diminuita
Resa di un impianto
La potenza dichiarata è in watt/picco, dove il picco è la corrente prodotta alle condizioni standard:
- Sole misurato fuori dall’atmosfera su una superficie perpendicolare alla direzione di provenienza della luce, è di circa 1,35 kW/m²,
- Alla temperatura di 25°C,
- Il valore di picco è 1 kW/m².
In una giornata con cielo luminoso la resa è del 70%, nuvole alte/sottili resa 45%, cielo grigio pieno resa 20%, pioggia intensa 10%.
Nel Nord Italia ogni W di potenza di picco in un anno si produce 1,100 kWh, mentre in Sicilia un 40% in più.
Piccolo impianto
Per questo esempio utilizzeremo un pannello sotto i 100 watt/picco. L’impianto fotovoltaico è composto: Pannello, Batteria, Regolatore di carica, Inverter, cavi e fusibili.
Pannello
Pannello in silicio monocristallino da 20 Watt di potenza: un comune modulo di 47×34 cm e 2,5 cm di spessore e circa 2 Kg di peso. Produce corrente a 12 Volt.
Il pannello non produce in modo costante, se lo collegassi direttamente alla batteria, la rovinerei, perciò devo mettere un regolatore.
Dal pannello la corrente esce continua.
Regolatore di carica
Il regolatore è un piccolo computer con 6 porte o morsetti di collegamento per i cavetti. Il regolatore deve avere una potenza in Watt un poco superiore a quella del suo pannello: es un pannello da 12 Volt e 20 Watt, e regolatore da 12 Volt e 20-25 Watt. Il regolatore evita che la corrente di notte torni al pannello. il regolatore blocca l’uscita di energia, per preservare la batteria e la sua capacità di ricarica.
Se si usa un pannello più potente, ci vuole un regolatore più potente.
Carichiamo il telefonino
Carico il cellulare con un adattatore per accendisigari che alimentano il cavetto USB:
Batteria
La capacità di una batteria si misura in Ampere: la batteria di una macchina è almeno di 40-50 Ah, questo valore è alto perché l’avviamento del motore richiede una bella potenza di picco.
Dalla batteria la corrente esce continua.
La corrente che esce è solo il 50% di quella teorica o nominale. Es una batteria al Piombo Acido se a livello nominale ha una capacità di 10 kWh, a livello pratico ha capacità utile di soli 5 kWh.
Il calcolo della capacità nominale di una batteria si fa moltiplicando i Volt per gli Ah: es una batteria da 12 Volt e 7 Ah:
capacità nominale 12 x 7 = 84 Wattora,
capacità reale 84 x 50% = 42 Wattora.
In inverno, con un pannellino da 20 watt, si ricarica completamente la batteria in un giorno, in estate in metà del tempo.
Se l’elettrodomestico è una piccola pompa per acquario da 25 W, l’energia della batteria mi basterà per 42/25= 1 ora e 40 minuti.
Accendiamo una lampadina
Per accendere una lampadina da 3 W e 12 V continui, basta un pannellino da 5 W.
Per poter accendere la luce di notte, ci vuole una batteria ricaricabile al piombo 12 V e 4,5 Ah: capacità reale 12×4,5×50%= 26 Wattora. 26Wh/3= 8,6 ore di luce.
Regolatore di carica da 12 V e 5 A: ha un pulsante, se si preme si accende la lampadina:
In questo caso non abbiamo avuto bisogno dell’inverter, infatti non sempre è necessario, però quando uso gli elettrodomestici, la tensione è di 220-230 Volt e la corrente è alternata.
Corrente continua ed alternata
La rete e gli elettrodomestici funzionano in alternata, cioè la corrente va su e giù, mentre il pannello fotovoltaico e la batteria funzionano in continua.
Inverter
L’inverter prende la tensione in uscita dalla batteria a 12 Volt e la alza a 220-230 Volt, e da continua la trasforma in alternata. L’inverter ha una piccola ventola di raffreddamento che ovviamente consuma energia. L’ inverter consuma anche quando è in stand-by, cioè se rimane acceso senza produzione di energia: in un giorno consuma l’intera batteria.
Accendiamo un piccolo elettrodomestico
Per un piccolo elettrodomestico ci vuole l’inverter, la batteria da 12 Volt e 7 Ah e se l’elettrodomestico ha una potenza di 25 W, funzionerà per meno di 2 ore.
2 morsetti (entrata ed uscita) per il pannello e 2 morsetti per la batteria. L’inverter è collegato alla batteria e trasforma la corrente continua della batteria 12 V in corrente alternata a 220 V.
Se il led rosso è acceso significa che possiamo prelevare corrente, se spento no.
Il regolatore evita un carico o uno scarico eccessivo della batteria,
Regolatore morsetti batteria: collego il cavo rosso al polo positivo e il cavo nero al polo negativo. Sul regolatore c’è un led verde che se acceso significa che il fotovoltaico sta caricando, e un led rosso che se accesso dice che la batteria si sta caricando.
Cavi e fusibili per la sicurezza
Cavo di almeno 2,5 mm di sezione e inseriamo due fusibili: uno tra pannello fotovoltaico e regolatore di carica, e l’altro tra regolatore e inverter.
Costi 99 euro
Ammortamento del piccolo impianto
L’impianto da 20 W di picco produce in un anno 22 kWh che sul mercato vengo a 35 cent euro per kWh, totale 7,7 euro. Quindi l’ammortamento si realizzerebbe in 13 anni (99/7,7).
Lo smaltimento dei moduli fotovoltaici
Lo smaltimento dei moduli fotovoltaici sarà un problema importante. Si stima che nel 2050 i moduli dismessi rappresenteranno il 15% dei nuovi moduli installati. I materiali di cui sono fatti sono difficilmente separabili e sono per il 75% vetro, 8% alluminio, 5% silicio delle celle solari, 1% rame, 0,1% argento, 10% polimeri che tengono insieme il tutto.