Mini-guida all’impiego dei pannelli solari

I pannelli solari sono l’elemento costitutivo di un impianto fotovoltaico o solare termico. Installati sul tetto degli edifici, su pensiline o a terra, permettono di produrre energia rinnovabile sfruttando l’emissione luminosa del sole. Esistono varie tipologie di pannelli solari: fotovoltaici (per la produzione diretta di energia elettrica), solari termici (per il riscaldamento dell’acqua), solari a concentrazione (produzione di energia elettrica dal vapore). Ecco come sono fatti, come funzionano, i vantaggi e gli svantaggi.

I pannelli fotovoltaici, cosa sono, come funzionano

I pannelli fotovoltaici sono costituiti dall’unione di più celle fotovoltaiche, il cui scopo è di convertire l’energia dei fotoni proveniente dal sole in elettricità. Questo processo viene chiamato effetto fotovoltaico: la luce del sole induce la “stimolazione” degli elettroni presenti nel silicio di cui è composta ogni cella solare. Quando un fotone colpisce la superficie della cella fotovoltaica, la sua energia viene trasferita agli elettroni presenti sulla cella in silicio,“eccitandoli” e facendoli fluire nel circuito, in modo da produrre una corrente elettrica. Un pannello solare produce energia elettrica sotto forma di una corrente continua (DC, direct current in inglese). Per poter essere immessa nella rete di distribuzione, la corrente deve essere trasformata in alternata.

A questo provvede l’inverter; i modelli recenti integrano sistemi elettronici di gestione“smart” dell’energia e di ottimizzazione della conversione. Inoltre, possono integrare sistemi di stoccaggio temporaneo dell’elettricità, come batterie AGM, al litio o di altro tipo.

I pannelli fotovoltaici sono disposti in batteria e connessi fra loro a costituire una “stringa”.

L’efficienza dei pannelli fotovoltaici

Per efficienza di conversione dei pannelli fotovoltaici si intende la percentuale di energia solare che viene convertita in elettrica. L’efficienza di conversione è attualmente ancora limitata: i migliori moduli in commercio si situano intorno al 20-22%. Praticamente, solo un quinto dell’energia solare che arriva ai pannelli viene effettivamente convertita in elettricità. Qualcosa in più, circa il 30%, si riesce a ottenere da moduli di tipo “sperimentale”, il cui costo di produzione però è ancora elevato.

A questo fattore intrinseco se ne possono aggiungere molti altri a determinare l’effettivo rendimento di un impianto. Questi fattori sono:

• temperatura
  L’efficienza dei moduli fotovoltaici varia in funzione della temperatura di esercizio: più la temperatura di funzionamento è elevata, meno i pannelli sono efficienti. Il surriscaldamento delle celle ha un impatto negativo sull’efficienza dei moduli e sul rendimento dell’intero impianto.
• sporcizia
  I materiali che si possono accumulare sulla superficie dei pannelli (terra, sabbia, inquinamento, escrementi di volatili, foglie, resine, ecc.) hanno un impatto negativo sulla ricezione della luce solare e quindi diminuiscono il rendimento dell’impianto. Le perdite di rendimento dovute a questo genere di problemi possono essere molto variabili, dipendono molto dalle condizioni ambientali e dalla frequenza di pulizia dei pannelli. Bisogna considerare, infatti, che la loro pulitura è un importante elemento funzionale, molto più che estetico. A lungo andare, la sporcizia sui pannelli potrebbe anche compromettere il ritorno economico previsto dal piano d’investimento.
• ombreggiamenti
  L’ombra sui pannelli determina ovviamente una minore produzione di energia elettrica. Gli ombreggiamenti possono essere “temporanei” (cioè limitati ad alcune fasce orarie) e possono derivare dalla presenza di alberi, altri edifici o anche di camini presenti sul tetto stesso. Queste inefficienze sono prevedibili e quindi “calcolabili”. Esistono poi altre forme di ombreggiamenti con un alto indice di variabilità, come ad esempio le nuvole.
• cablaggi e connettori
  Cavi e connettori possono essere causa di piccole perdite di rendimento. Si tratta di dispersioni elettriche che incidono solo in minima parte sul rendimento complessivo dell’impianto.
• mismatch
  Termine che si traduce con “mancata corrispondenza” o “disadattamento”. Sta a indicare che tutti i pannelli di una stessa marca, seppure della stessa potenza e dello stesso modello, producono in maniera perfettamente omogenea. Anche tra pannelli simili, nelle stesse condizioni di funzionamento, possono verificarsi minime variazioni di rendimento. Anche il “mismatch” è uno dei fattori da prendere in considerazione per stimare le perdite di rendimento di un impianto.
• efficienza dell’inverter
  Anche il processo di conversione da corrente continua a corrente alternata, effettuato dall’inverter, ha normalmente un’efficienza intorno al 96-97%. L’efficienza di conversione è ottimale quando la potenza della corrente continua “in ingresso” è elevata, pur mantenendosi al di sotto della potenza nominale dichiarata.
• invecchiamento
  Le celle fotovoltaiche possono durare dai 20 ai 25 anni, ma in questo loro periodo di vita non producono energia in maniera omogenea. Il calo del rendimento che viene stimato è dello 0,5% l’anno. Ciò significa che a fine vita, un impianto fotovoltaico potrà avere un rendimento di circa il 10-12 per cento inferiore rispetto a quello che aveva all’inizio. Questo fattore dipende da un degrado “fisiologico” dei materiali e dei componenti e deve essere considerato fin dall’inizio nel piano di ammortamento dell’impianto.

Pannelli per solare termico

Sono state sviluppate diverse tipologie di pannelli per il solare termico, aventi una resa differente e adatte alle diverse regioni climatiche.

In commercio esistono i classici pannelli solari vetrati, i primi a essere stati sviluppati e installati, e i pannelli a tubi sottovuoto, con un rendimento migliore, adatti anche ai climi più freddi nei mesi invernali.

Due sono anche le varianti di impianto solare termico: a circolazione naturale, più economico e compatto, e a circolazione forzata, avente una migliore resa e un costo di installazione superiore.

Un impianto solare termico è composto dai seguenti elementi:

• i pannelli: piani (vetrati e scoperti), oppure sottovuoto;
• un serbatoio d’accumulo (boiler): integrato o a circolazione forzata;
• una pompa di controllo: solamente per i sistemi a circolazione forzata;
• un sistema di controllo (eventuale).

Solare termico a circolazione naturale

Un impianto solare termico a circolazione naturale si basa sul principio che l’acqua calda tende a salire sostituendosi a quella fredda. Un boiler installato al di sopra del pannello solare è in grado quindi di accumulare il calore raccolto dal fluido che circola nel circuito in maniera naturale. L’efficienza di questo tipo di impianto, ovviamente, cala durante i mesi invernali, poiché le temperature esterne molto basse tendono a far raffreddare il serbatoio.

Questa semplice tecnologia può utilizzare entrambi i generi di collettori solari, ovvero sia i pannelli piani vetrati, sia i tubi sottovuoto. I pannelli per solare termico sono utilizzati per impianti di piccole dimensioni, normalmente infatti non superano i 5 metri cubi di acqua. Il loro scopo principale è dunque quello di sostituire i classici boiler domestici per il riscaldamento dell’acqua sanitaria o per riscaldare piccoli locali.

Questo tipo di impianti si definisce “a circuito aperto”, in quanto l’acqua calda utilizzata è la stessa che viene riscaldata dall’impianto. Per riscaldare una quantità maggiore di acqua si deve ricorrere all’installazione di un sistema a circuito chiuso, che fa uso di uno scambiatore di calore per scaldare l’acqua sanitaria.

Solare termico a circolazione forzata

Un impianto solare termico a circolazione forzata viene impiegato quando siano necessarie quantità maggiori di acqua, oppure non sia possibile posizionare il serbatoio sopra i pannelli.

L’impianto solare termico a circolazione forzata è indicato per i climi freddi, come i paesi del Nord Europa.

Questo sistema utilizza prevalentemente la tecnologia a circuito chiuso, già descritta.

All’interno del serbatoio circola una miscela di acqua e antigelo, grazie a una pompa elettrica. Il liquido che circola si riscalda attraversando i pannelli e rilascia il suo calore all’interno del serbatoio, grazie a una serpentina che ottimizza lo scambio di calore. Questo sistema semplice differisce dalla circolazione naturale a circuito chiuso per l’aggiunta di una pompa elettrica che permette di posizionare il serbatoio ovunque.

Grazie alla tecnologia si è potuto migliorare l’efficienza di questi pannelli, creando il vuoto nei tubi dove scorre il liquido e permettendo quindi un isolamento termico ottimale e una dispersione molto ridotta (si crea una sorta di “effetto thermos”). Questo tipo di pannelli hanno una resa molto maggiore nei mesi freddi, mentre nei mesi estivi il vantaggio rispetto al sistema a circolazione naturale è minimo. Vi è da notare che l’installazione del solare termico con tubi sottovuoto deve essere fatta da tecnici specializzati, pena un deterioramento precoce del sistema a causa delle elevate temperature che questi tubi possono raggiungere nei mesi estivi (oltre 250°C), in grado di danneggiare il sistema.

La temperatura del liquido nel pannello e quella dell’acqua nel serbatoio sono controllate da una centralina elettronica e per evitare sprechi di energia elettrica la pompa viene attivata solo quando la temperatura dei pannelli supera quella del serbatoio.

Per evitare che nei giorni senza sole l’acqua non si riscaldi a sufficienza, si può abbinare all’impianto solare termico una caldaia. L’abbinamento fra i due sistemi avviene con una valvola di miscelazione, in modo da fornire ai rubinetti acqua calda a una temperatura intorno a 45 gradi centigradi.

Utilizzo del solare termico

Un impianto solare termico permette di ottenere acqua calda sanitaria e di altre strutture:

• l’acqua in appartamenti mono-familiari, arrivando a coprire fino al 55-70% del fabbisogno complessivo;
• le piscine coperte;
• l’acqua presso gli impianti balneari (ad esempio per le docce).

Solare termico: vantaggi

Installare un impianto solare termico può offrire molti vantaggi:

• un risparmio sul costo del riscaldamento invernale di almeno il 50%
• si può integrare al proprio impianto o a uno nuovo, magari a energie rinnovabili
• permette di detrarre una parte del costo di acquisto, grazie alla detrazione fiscale
• si adatta a qualsiasi abitazione grazie alle diverse tipologie
• può far aumentare il valore dell’abitazione, insieme alla classe energetica dell’immobile
• riduce l’emissione di CO2 si nell’atmosfera.

Pannelli solari a concentrazione

Esiste poi un’altra tipologia di pannelli solari detta “a concentrazione”, utilizzata per la produzione di energia elettrica in centrali. I pannelli a concentrazione sono sistemi in grado di concentrare i raggi solari verso un “ricevitore”, di dimensione contenute, tramite un sistema di specchi riflettenti. Si genera così energia termica, che viene utilizzata per riscaldare un liquido termovettore, ovvero per generare forza vapore, e quindi energia elettrica. Questo tipo di sistemi prende il nome di Concentrating Solar Power (CSP).

Il principio della concentrazione dell’energia solare è molto antico, venne utilizzato da Archimede di Siracusa per incendiare le navi romane durante l’assedio della città sicula. La concentrazione dei raggi solari in un solo punto mediante degli specchi provoca l’innalzamento rapido della temperatura locale anche per centinaia di gradi.

A differenza dei pannelli fotovoltaici, quindi, in cui l’energia del sole viene direttamente trasformata in energia elettrica, in quelli a concentrazione si passa prima per una trasformazione in energia termica, e da questa in elettrica.

I vantaggi delle centrali solari a concentrazione

I pannelli solari concentrazione presentano vantaggi economici:

– costi inferiori

– il costo di produzione si sposta sulle superfici riflettenti, più economiche rispetto al fotovoltaico o alla

microtecnologia dei collettori

– rendimenti maggiori (le perdite convettive nella conversione solare-termico sono proporzionali alla superficie del ricevitore che essendo più contenuta nella tecnologia a concentrazione rispetto a quella dei collettori).

La prima centrale solare a concentrazione di medie dimensioni è entrata in funzione nel 2007, a Siviglia (Spagna). Ha una potenza di 11 MW e una capacità produttiva di 23 GWh l’anno, ovvero il fabbisogno di energia elettrica di una città di 10 mila abitanti. È composta da 624 specchi, per una superficie di 120 metri quadri di superficie riflettente e consente un risparmio di 16 mila tonnellate di emissioni CO2.