Un impianto fotovoltaico: come funziona, da che cosa è costituito?

150 milioni di miliardi di kWh. È questa la sbalorditiva quantità di energia che ogni anno il Sole regala alla Terra, pari a 15.000 volte il consumo energetico dell'intera umanità. Sfruttare questa energia pulita e gratuita è oggi un'impresa ben più semplice di quanto si possa immaginare, alla portata di tantissime famiglie. La tecnologia per intercettare l'energia del Sole e produrre elettricità è quella fotovoltaica e in questo articolo spiegheremo quali sono le componenti di base e come funzionano gli impianti fotovoltaici installati sui tetti delle case e che possono consentirci di diventare auto-produttori di energia pulita.

Impianti connessi alla rete elettrica e scambio sul posto

Analizzeremo in particolare gli impianti fotovoltaici residenziali connessi alla rete elettrica, che rappresentano la stragrande maggioranza delle installazioni italiane. Per questi impianti la rete elettrica nazionale rappresenta un enorme sistema di accumulo: nei momenti in cui l'impianto produce troppa energia rispetto ai consumi dell'abitazione, l'energia in più viene riversata nella rete; il surplus di energia può essere poi prelevato dalla rete quando l'impianto non produce abbastanza energia per garantire il fabbisogno elettrico della famiglia (ad esempio nelle ore notturne, quando cioè l'impianto è fermo perché il Sole non c'è). Il meccanismo normativo che regola lo scambio di energia con la rete elettrica nazionale è lo Scambio sul posto. Gli impianti non connessi alla rete elettrica rappresentano una porzione minima delle installazioni e soddisfano il fabbisogno elettrico delle baite in montagna e delle seconde case in zone rurali.

Quali sono i componenti di un impianto residenziale

Le componenti di base di un impianto fotovoltaico di tipo residenziale sono le seguenti:

• Pannelli fotovoltaici. Costituiscono il cuore dell'impianto fotovoltaico perché è in essi che avviene l'effetto fotovoltaico, il fenomeno fisico attraverso cui l'energia del Sole viene trasformata in energia elettrica. Questo fenomeno non avviene in tutti i materiali ma soltanto in quelli che hanno caratteristiche appropriate. Uno di essi è il Silicio, un materiale semiconduttore a cui vengono aggiunte piccole quantità di altri materiali opportuni (in termini tecnici si dice che il Silicio viene "drogato") in maniera tale che quando un fotone (la particella che compone la luce) entra nel materiale e colpisce un elettrone si crea più facilmente la corrente elettrica. I pannelli fotovoltaici SunPower utilizzano celle monoscristalline Maxeon, con contatti sul retro. Grazie alla solida base in rame, le nostre celle possono garantire straordinaria affidabilità e resistenza, consentendoci di creare pannelli che hanno conquistato il record mondiale di efficienza energetica1 Green, M. A., et. al. "Solar Cell Efficiency Tables (version 48)" (Tabelle di efficienza delle celle fotovoltaiche, versione 48), Progress in Photovoltaics, 2016. .
• Inverter fotovoltaici. I pannelli fotovoltaici producono elettricità in corrente continua ma gli elettrodomestici che abbiamo a casa, come la lavostovoglie e il frigorifero, funzionano in corrente alternata a 220 Volt. Ecco che entra in campo il secondo elemento chiave di un impianto fotovoltaico: l'inverter solare, che converte l'elettricità prodotta dall'impianto solare in corrente alternata. Gli inverter oggi presenti sul mercato sono dei veri e propri gestori intelligenti dell'energia fotovoltaica prodotta e consumata a casa e possono integrare i sistemi di stoccaggio, come le batterie al Litio. Da notare che subito dopo l'inverter viene installato un contatore che misura l'energia complessiva prodotta dall'impianto fotovoltaico. Un secondo contatore misura invece l'energia che non viene utilizzata immediatamente per le utenze domestiche e che viene immessa nella rete elettrica. Anche sulla rete elettrica l'elettricità transita in corrente alternata: questo è un ulteriore motivo per cui è necessario installare un inverter negli impianti connessi alla rete elettrica. Gli impianti non connessi alla rete elettrica possono invece fare a meno dell'inverter, a patto che le apparecchiature elettriche dell'utenza siano predisposte per l'alimentazione in corrente continua a bassa tensione.
• Strutture di sostegno. Sono due le strutture che sostengono e legano i moduli fotovoltaici ai tetti degli edifici. La prima è costituita da staffe, profili e montanti che vengono fissati nella copertura esistente tramite dei tasselli a espansione. Su questa struttura di ancoraggio viene poi montato il telaio portapannelli su cui vengono installati i pannelli tramite dei morsetti. L'intero insieme deve garantire un elevato grado di sicurezza rispetto al peso della neve e al vento (i moduli nei confronti del vento si comportano come una vera e propria vela). Se un tempo i profili venivano realizzati in acciaio, ora il mercato si è orientato sempre più verso l'alluminio, che offre i vantaggi di un peso inferiore e una maggiore facilità di taglio su misura. Nelle installazioni in cui le tegole del tetto vengono rimosse e i moduli sono installati nella copertura, si parla di impianto integrato nel tetto: l'impianto, oltre a produrre energia, costituisce la protezione medesima dell'edificio.
• Micro-inverter. I micro-inverter sono apparecchiature elettroniche con la stessa funzione degli inverter tradizionali, convertono cioè l'energia fotovoltaico da continua ad alternata. Vengono però applicati direttamente al singolo pannello per ottimizzarne la produzione, facendo così aumentare la resa dell'intero sistema fotovoltaico rispetto alla classica configurazione con inverter unico. Questo è un fattore particolarmente importante se ad esempio l'impianto è soggetto a delle ombre in certi giorni dell'anno.
• Sistemi di accumulo. Il surplus di energia fotovoltaica può essere stoccata nei sistemi di accumulo per essere utilizzata quando l'impianto non produce abbastanza per soddisfare i fabbisogno domestici. Lgrazie alla minore complessità di esercizio, mentre Gli inverter di ultima generazione possono integrare al loro interno i sistemi di accumulo.

Quanto tempo ci vuole per installare un impianto?

Tipicamente un impianto fotovoltaico per soddisfare il fabbisogno di una famiglia di 3-4 persone con consumi elettrici medi deve avere una potenza intorno ai 3 kW, per una superficie complessiva che va dai 13 ai 20 metri quadrati, a seconda del pannello utilizzato. L'installazione su tetto di un impianto non integrato di questa dimensione avviene generalmente in 1 o 2 giorni, senza grande disturbo per la vita famigliare.

I pannelli ad alta efficienza SunPower, a parità di potenza installata, occupano meno spazio dei pannelli fotovoltaici convenzionali2 SunPower 360W confrontato con pannello convenzionale (260W, efficienza 16%, circa 1,6 m2) : questa caratteristica consente l'installazione anche su tetti di piccole dimensioni o con ombreggiamenti dovuti alla presenza di camini, ad esempio. L'altro vantaggio ottenibile grazie alla tecnologia SunPower è quello di poter installare maggior potenza a parità di metri quadri o di lasciare libero spazio utile a future espansioni del sistema fotovoltaico, necessarie per esempio per alimentare un'auto elettrica.

È importante affidarsi a un installatore con esperienza che sappia consigliare la migliore tecnologia disponibile sul mercato, la dimensione ideale di impianto sulla base dei consumi elettrici dell'abitazione e realizzare un'installazione a regola d'arte. Se stai valutando di scegliere l'energia fotovoltaica, scopri la tecnologia ad alta efficienza SunPower e contattaci per trovare l'installatore SunPower più vicino a te!