Panoramica caratteristiche tecniche dei moduli fotovoltaici: classificazione, certificazione, durata, rendimenti e prestazioni

La cella fotovoltaica è l'elemento base nella costruzione di un modulo fotovoltaico, ma può venire anche impiegata singolarmente in usi specifici.

La versione più diffusa di cella fotovoltaica, quella in materiale cristallino, è costituita da una lamina di materiale semiconduttore, il più diffuso dei quali è il silicio, e si presenta in genere di colore nero o blu e con dimensioni variabili dai 4 ai 6 pollici.

Piccoli esemplari di celle fotovoltaiche in materiale amorfo sono in grado di alimentare autonomamente dispositivi elettronici di consumo, quali calcolatrici, orologi e simili.

moduli fotovoltaici sono costituiti da singole celle solari. Ogni modulo ha una dimensione variabile da 0,5 a 1 m² con potenze da 50Wp a 200Wp. Un insieme di moduli assemblati tra loro forma un pannello solare. Un insieme di moduli collegati elettricamente costituisce una stringa; un insieme di stringhe collegate in parallelo tra di loro, formano il campo fotovoltaico che, insieme ad altri componenti, consente di realizzare i sistemi fotovoltaici utilizzabili per la produzione di energia elettrica utile.

 

Classificazione delle celle fotovoltaiche: Moduli cristallini

A seconda dei loro processi di produzione, si distinguono i seguenti tipi di celle fotovoltaiche:

Celle (di silicio) monocristalline: vengono prodotte tagliando una barra monocristallina. Il vantaggio principale é un alto rendimento (fino al 16%). Questo tipo di celle é peró molto costoso a causa del complicato processo di produzione. Le celle fotovoltaiche di tipo monocristallino sono caratterizzate usualmente da un'omogenea colorazione blu.

Celle (di silicio) policristalline o multicristalline: vengono colate in blocchi e poi tagliate a dischetti. Il rendimento é minore (10-12%), ma anche il prezzo. Questo tipo di celle é riconoscibile da un disegno ben distinguibile (a causa dei vari cristalli contenutivi). Esistono delle celle con contatti affogati nel silicio (back-contact) con rendimenti più elevati del 1,5÷2%. Sopra la cella è deposto uno strato di antiriflettente (ossido di titanio).

 

Classificazione delle celle fotovoltaiche: Moduli a film sottile

Celle amorfe: vengono prodotte mediante spruzzamento catodico di atomi di silicio su una piastra di vetro. Questo tipo di cella ha il rendimento minore (ca. 4-8%), ma si adatta anche al caso di irradiamento diffuso (cielo coperto, ecc.). Le celle cosí prodotte sono riconoscibili da un caratteristico colore scuro, inoltre sono realizzabili in qualsiasi forma geometrica (forme circolari, ottagonali, irregolari, e persino convesse sono realizzabili). Ne esistono di diversi tipi realizzati con diversi materiali:

-       Silicio amorfo, in cui gli atomi silicei vengono deposti chimicamente in forma amorfa, ovvero strutturalmente disorganizzata, sulla superficie di sostegno. Questa tecnologia impiega quantità molto esigue di silicio (spessori dell'ordine del micron). I moduli fotovoltaici in silicio amorfo dimostrano in genere un'efficienza meno costante delle altre tecnologie rispetto ai valori nominali, pur avendo garanzie in linea con il mercato. Il dato più interessante riguarda l'EROEI, che fornisce valori molto alti (in alcuni casi arrivano anche a 9), il che attesta l'economicità di questa tecnologia.

-       Tellururo di cadmio (CdTe)

-       Solfuro di cadmio (CdS) microcristallino, che presenta costi di produzione molto bassi in quanto la tecnologia impiegata per la sua produzione non richiede il raggiungimento delle temperature elevatissime necessarie invece alla fusione e purificazione del silicio. Esso viene applicato ad un supporto metallico per spray-coating, cioè viene letteralmente spruzzato come una vernice. Tra gli svantaggi legati alla produzione di questo genere di celle fotovoltaiche vi è la tossicità del cadmio ed il basso rendimento del dispositivo.

-       Arseniuro di gallio (GaAs), una lega binaria con proprietà semiconduttive, in grado di assicurare rendimenti elevatissimi, dovuti alla proprietà di avere un gap diretto (a differenza del silicio). Viene impiegata soprattutto per applicazioni militari o scientifiche avanzate (come missioni automatizzate di esplorazione planetaria o fotorivelatori particolarmente sensibili). Tuttavia il costo proibitivo del materiale monocristallino, a partire dal quale sono realizzate le celle, lo ha destinato ad un impiego di nicchia.

-       Diseleniuro di indio rame (CIS), con opacità variabile dal 100% al 70% ottenuta mediante fori ricavati direttamente nel film.

-       Diseleniuro di indio rame gallio (CIGS)

 

Certificazione dei moduli fotovoltaici

I moduli fotovoltaici, se impiegati in un impianto fotovoltaico connesso alla rete all'interno dell'Unione Europea, devono obbligatoriamente essere certificati in base alla normativa IEC 61215, che ne determina le caratteristiche sia elettriche che meccaniche. Tra i test più importanti si cita quello per determinarne la potenza in condizioni di insolazione standard, espressa in watt picco (Wp).

 

Prestazioni e rendimenti dei moduli fotovoltaici

Le prestazioni dei moduli fotovoltaici sono suscettibili di variazioni anche sostanziose in base:

-       al rendimento dei materiali;

-       alla tolleranza di fabbricazione percentuale rispetto ai valori di targa;

-       all'irraggiamento a cui le sue celle sono esposte;

-       all'angolazione con cui questa giunge rispetto alla sua superficie;

-       alla temperatura di esercizio dei materiali, che tendono ad "affaticarsi" in ambienti caldi;

-       alla composizione dello spettro di luce.

Per motivi costruttivi, il rendimento dei moduli fotovoltaici è in genere inferiore o uguale al rendimento della loro peggior cella.

Con rendimento si intende la percentuale di energia captata e trasformata rispetto a quella totale giunta sulla superficie del modulo, e può essere considerato un indice di correlazione tra watt erogati e superficie occupata, ferme restando tutte le altre condizioni.

Alcuni pannelli, per uso aerospaziale, hanno rendimenti nominali che raggiungono anche il 40%, e sono prodotti con materiali rari e costosi ed altamente tossici; valori tipici riscontrabili nei prodotti commerciali a base silicea si attestano intorno al:

16% nei moduli in silicio monocristallino; 
13% nei moduli in silicio policristallino; 
10% nei moduli in silicio microsferico; 
8% nei moduli in silicio amorfo.

Ne consegue che ad esempio a parità di produzione elettrica richiesta, la superficie occupata da un campo fotovoltaico amorfo sarà più che doppia rispetto ad un equivalente campo fotovoltaico cristallino.

A causa del naturale affaticamento dei materiali, le prestazioni di un pannello fotovoltaico comune diminuiscono di circa un punto percentuale su base annua. Per garantire la qualità dei materiali impiegati, la normativa obbliga una garanzia di minimo due anni sui difetti di fabbricazione anche anche sul calo di rendimento del silicio nel tempo,questa arriva minimo 20 anni. La garanzia oggi nei moduli di buona qualità è del 90% sul nominale per 10 anni e dell'80% sul nominale per 25 anni.

I moduli fotovoltaici odierni hanno una vita stimata di 80 anni circa, anche se è plausibile ipotizzare che vengano dismessi dopo un ciclo di vita di 35-40 anni, a causa della perdita di potenza dei moduli.

 

20/05/2012

Fonte:

http://www.cercageometra.it

 

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