Fotovoltaico, ma quanto rendi?

Anche se per l'installazione di un impianto fotovoltaico ci si affida a tecnici e ad aziende specializzate, può essere utile capire, in linea di massima, quali sono i parametri che ne determinano la resa. Proprio su alcuni di questi parametri, infatti, la società americana Principal Solar Institute (PSI), ha stilato una classifica dei migliori prodotti esistenti sul mercato. Grazie alle indicazioni che l'Ing. Steven McFadyen mette a disposizione sul suo blog, possiamo ora cercare di interpretare le specifiche tecniche riportate sui vari modelli di celle fotovoltaiche.

Prima di accingerci ad esaminare tali parametri occorre premettere che la quantità di energia solare trasformata in energia elettrica da un modulo fotovoltaico dipende naturalmente anche da fattori non legati alla qualità del prodotto stesso, ovvero:

  • l'irraggiamento, variabile in base alla stagione, l'ora del giorno, la posizione geografica, l'angolo d'incidenza dei raggi solari rispetto al pannello;
  • la distribuzione spettrale, cioè la distribuzione dell'energia irradiata a diverse lunghezze d'onda nella parte visibile dello spettro;
  • infine la temperatura delle celle. All'aumentare della temperatura l'operatività del pannello diminuisce. Nel calcolo dell'efficienza complessiva del pannello se ne tiene conto utilizzando il cosiddetto temperature derating factor, dato dalla formula:


Le celle fotovoltaiche sono solitamente composte da silicone cristallino il cui coefficiente è 0,005.

Per stabilire una base di confronto tra i diversi moduli si usano degli standard accettati internazionalmente che permettano di determinare le curve I-V (corrente-tensione). Si tratta delle cosiddette standard test conditions (STC), che corrispondono a determinati valori di Temperatura (), Distribuzione spettrale () e Irradianza.

Piccola guida per "non addetti ai lavori"

In seguito sono elencati i principali parametri di cui tener conto per valutare la bontà di un pannello:

  • Potenza Massima: La potenza massima è il picco di potenza che una cella raggiunge in condizioni standard, ed è indicata solitamente sul pannello. Nella realtà è pressoché impossibile che tali livelli vengano raggiunti, anche se con le ultime innovazioni tecnologiche i valori di potenza massima si avvicinano sempre più a quelli ideali. L'immagine sottostante mostra i diversi livelli di efficienza a seconda del tipo di tecnologia.

In laboratorio l'efficienza è misurata in condizioni standard utilizzando le curve I-V (tensione corrente), ottenute variando una resistenza di carico da zero (cortocircuito), a infinito (circuito aperto). L'illustrazione mostra una tipica curva I-V.

 

La potenza fornita dalla cella fotovoltaica è data dal prodotto di tensione (V) e intensità di corrente elettrica (I). Sia quando il circuito è in cortocircuito, sia quando è aperto, la potenza fornita è nulla. A un certo punto, "nell'intervallo compreso tra i due stati", si raggiunge un picco di potenza. 

  • Tensione di circuito aperto: Si tratta della tensione fornita dalla cella fotovoltaica in assenza di carico elettrico, ovvero quando non vi è collegato alcun "utilizzatore" che riceve la corrente generata. E' importante conoscere questo dato perché rappresenta il massimo valore di tensione che la cella può fornire a un apparecchio;
  • Corrente di cortocircuito: E' la corrente fornita dalla cella fotovoltaica con uscita in cortocircuito, ovvero quando i capi del circuito sono collegati tra di loro. Questo dato rappresenta il valore massimo di corrente che il pannello può fornire all'apparecchio, e viene utilizzato per dimensionare correttamente il cablaggio dell'intero sistema.
  • Efficienza: E' la misura della quantità di energia solare incidente la cella fotovoltaica convertita in energia elettrica;

Il valore dell' efficienza viene influenzato da diversi fattori, come:

  •  
    • lunghezza d'onda. Le celle fotovoltaiche si comportano diversamente a seconda delle diverse lunghezze d'onda della luce;
    • materiali.  Le celle al silicio policristalline hanno ad esempio un efficienza che in condizioni reali può raggiungere il 18,5%. In fase di produzione è possibile aumentarne l'efficienza fino a circa il 20% mediante l'aggiunta di fosforo o grazie a metodi come la passivazione;
    • temperatura (vedi sopra);
    • riflessione;
    • resistenza;
  • Tolleranza di  potenza nominale δ (%). E' un range all'interno del quale il pannello fornirà una potenza maggiore o minore rispetto a quella nominale, in condizioni standard. Genericamente la tolleranza di potenza nominale è circa il 10%. Un pannello solare con una potenza nominale di 200 W e una tolleranza del 10% potrà quindi fornire un potenza effettiva compresa tra 180 e 220 W. È pertanto opportuno individuare pannelli solari con il piú basso valore di tolleranza di potenza nominale possibile.
  • Fattore di riempimento. E' il rapporto tra la potenza massima e il prodotto di tensione in circuito aperto e corrente di cortocircuito.

Indica sostanzialmente quanto la potenza massima reale si avvicini a quella ideale: solitamente le celle fotovoltaiche in commercio hanno un fattore superiore a 0,7. Quelle con un fattore più basso non sono consigliabili per progetti atti a produrre grandi quantitá di corrente.

Il fattore di riempimento è un parametro chiave per valutare le performance di un pannello solare. I pannelli solari presenti in commercio hanno un fattore di riempimento solitamente > 0,7, Mentre i pannelli solari di scarsa qualitá hanno un fattore di riempimento compreso tra 0,4 e 0,7.

  • Coefficiente di temperatura di corrente di cortocircuito α (%/°C). Indica la variazione di corrente di corto circuito in dipendenza dalla temperatura. Questo parametro indica con che percentuale varia la corrente di corto circuito per ogni grado Celsius rispetto ad una temperatura nominale di 25°C.  E' molto usato per determina la corrente massima fornita dal sistema rispetto alle condizione ambientali. Ad esempio un impianto in grado  di fornire una corrente di cortocircuito di 8° (Isc) in un ambiente a 25 °C, e aventi un coefficiente di temperatura pari a 0,04%/°C, se installati in un luogo in cui la temperatura è di 15°C saranno in grado di produrre un corrente massima di 7,68A
  • Coefficiente di temperatura di tensione di circuito aperto β (%/°C). Indica la variazione di tensione di circuito aperto in dipendenza dalla temperatura. Questo parametro indica con che percentuale varia la tensione di circuito aperto per ogni grado Celsius rispetto ad una temperatura nominale di 25°C. Consideriamo per esempio un gruppo di 10 celle solari ciascuna con una tensione di circuito aperto pari a 43,6V (VOC), installate in un sito in cui la temperatura è solitamente di -10°C, e che hanno un coefficiente di tensione di circuito aperto pari a -160mV/°C. In questo caso la tensione di circuito aperto di ogni pannello aumenterá di 3990 mV (= -10 – 25 x (-160mV)) portando ad una tensione massima totale di 439,9V (=10 x 43,6 + 3,99 V).
  • Coefficiente di temperatura di potenza massima δ(%/°C). Indica la variazione della potenza massima in dipendenza dalla temperatura. Questo parametro ci dice con che percentuale varia la potenza massima per ogni grado Celsius rispetto ad una temperatura nominale di 25°C. Esso viene utilizzato per calcolare quanta potenza viene persa o guadagnata per via delle variazioni di temperatura. In zone climatiche calde, la temperatura delle celle puó superare i 70°C (158°F). Considerando una potenza massima di un pannello solare pari a 200 W in STC, con un coefficiente di temperatura do -0,5%/°C, a 70°C la potenza massima effettiva sará approssimativamente di 155 W. Pannelli solari con un coefficiente di temperatura piú basso saranno in grado di lavorare meglio in condizioni di temperatura piú elevata. I pannelli solari a film sottile hanno un coefficiente di temperatura relativamente basso, il che li rende adatti a lavorare in regime di temperatura elevata. 
  • Temperatura Operativa Nominale della Cella (NOCT). Questo parametro indica la temperatura presente all'interno di una cella solare che opera nelle seguenti condizioni: irradiazione 800 W/m2,  temperatura dell'aria di 20°C, velocità del vento di 1 m/s e un angolo di incidenza della luce solare di 45°. NOCT  è un parametro fondamentale utilizzato nei vari metodi di valutazione della qualitá delle celle. Esso puó essere utilizzato insieme al coefficiente di temperatura di potenza massima per avere una migliore stima delle perdite di potenza dovute alla temperatura in condizioni operative reali. La differenza tra la temperatura dell'ambiente e la temperatura della cella è dipendente dall'intesità della luce solare. Se un particolare pannello solare ha ad esempio una NOCT di 40°C e un coefficiente di temperatura di potenza massima di -0,5%/°C, la perdita di potenza dovuta alla temperatura puó essere stimata intorno al 7,5% (=0,5% x (40°C – 25°C)). 

Qualche calcolo

Prendiamo in esame 120 moduli, ognuno di 250 Wp (Potenza di picco) e superficie di 1,67 m2 collegati per formare un impianto fotovoltaico. Se l'efficienza del sistema è di 0,75, e la media annuale di radiazioni solari è di 1487 kWh/m2 possiamo calcolare la produzione di energia elettrica annuale usando la seguente equazione:

Se il fattore di orientamento solare e inclinazione è di 1,1, la potenza generata sará:

In un sistema formato da di n moduli, ognuno con una potenza massima Wp in condizioni di test standard (STC), la potenza di picco (kWp) è data da:

picco di potenza nominale, basato su 1 kW/m2 di radiazione in condizioni standard.

La radiazione solare disponibile (Ema) varia in dipendenza dalla stagione e dalle condizioni atmosferiche.  In ogni caso, basandoci sulla media di radiazione annuale a seconda della posizione geografica e considerando l'efficienza (h) della cella, possiamo stimare una media di energia prodotta all'anno, espressa in kWh:

 

Per ottenere il valore della radiazione solare è possibile consultare i dati forniti da uno strumento per il calcolo istantaneo della radiazione solare giornaliera per qualunque località italiana, realizzato dall'Enea e disponibile all'indirizzo http://www.solaritaly.enea.it/

AutoreStella Panosetti

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