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Come funziona un impianto fotovoltaico?

Un impianto fotovoltaico è un impianto elettrico capace di produrre energia da una fonte rinnovabile e inesauribile come quella solare.

 

L’impianto fotovoltaico come funziona? Esistono fondamentalmente due tipologie di impianti fotovoltaici:

  • Impianti connessi alla rete elettrica locale (in inglese “grid connected”), ossia che lavorano in parallelo con la rete elettrica che alimenta la casa. Per quanto riguarda il funzionamento impianto fotovoltaico di questo tipo, la produzione si integra con quella proveniente dalla rete, limitando così la richiesta. La parte eccedente viene venduta alla rete. Per far sì che venga massimizzato l’autoconsumo, è spesso previsto un energy storage che ha il compito di accumulare energia di giorno. convivono con i tradizionali impianti elettrici (residenziali/industriali), pertanto il loro utilizzo può essere opportunamente alternato con quello della rete elettrica tradizionale in caso di indisponibilità della fonte solare, al fine di poter soddisfare le esigenze energetiche del cliente finale.
  • Impianti isolati dalla rete (in inglese “stand alone”), sono indipendenti dalla rete elettrica e assicurano l’alimentazione di carichi specifici. Spesso sono provvisti di un sistema di batterie (energy storage) in grado di garantire la “continuità di servizio”.

 

Il fotovoltaico è la tecnologia ideale per ridurre al minimo i costi energetici e raggiungere una maggiore sostenibilità. Inoltre è adesso possibile costituire una comunità energetica rinnovabile tra cittadini, imprese, attività commerciali o enti locali per finanziare l’installazione di un impianto fotovoltaico e condividere virtualmente l’energia prodotta.

Quali sono i componenti di un impianto fotovoltaico?

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I principali componenti di un impianto fotovoltaico sono:

  • Moduli fotovoltaici: un impianto fotovoltaico cattura l’energia irraggiata dal sole grazie all’utilizzo di speciali componenti chiamati “moduli fotovoltaici”, costituiti a loro volta da singole celle di silicio, cioè i componenti elettrici fondamentali che trasformano la radiazione solare in energia elettrica.
  • Strutture di sostegno dei moduli: sono le strutture che sorreggono i moduli fissandoli al tetto e, in caso di copertura piana, provvedono anche al loro orientamento, ottimizzandone l’esposizione inclinandoli verso i raggi solari.
  • Pannelli fotovoltaici: sono costituiti da un insieme di moduli collegati tra loro e posizionati sulla medesima struttura di sostegno. Più pannelli connessi tra di loro in serie formano una stringa. Stringhe collegate tra loro in parallelo costituiscono il generatore solare.
  • Quadro di campo: il quadro di campo o di manovra raccoglie, monitora, gestisce le diverse stringhe e le protegge dai sovraccarichi.
  • Inverter: è il dispositivo elettronico che trasforma l’energia elettrica prodotta dai moduli (cosiddetta corrente continua) nella stessa tipologia di quella utilizzata dagli apparecchi residenziali (elettrodomestici ecc.) o industriali (cosiddetta corrente alternata). Per una maggiore sicurezza dell’impianto, gli inverter incorporano dei dispositivi di protezione che ne determinano lo spegnimento in caso di black-out o di disturbi della rete.
  • Cablaggi: i cavi di collegamento per pannelli fotovoltaici che trasportano la corrente continua sono sottoposti a sollecitazioni molto intense. È quindi necessario che vengano impiegati specifici cavi per pannelli solari, dotati di buona resistenza ai raggi UV e ai fenomeni atmosferici.
  • Sistemi di protezione: rappresentano il complesso dei sistemi (es. interruttori, differenziali, limitatori, strumenti di isolamento) che proteggono l’impianto da eventi avversi come sovraccarichi, cortocircuiti e fulmini oppure da contatti diretti.  
  • Sistemi di misura: gli impianti fotovoltaici connessi in rete hanno tipicamente due misuratori: un contatore per la produzione e uno per l’immissione di energia in rete. Gli impianti ai quali non è connessa nessuna utenza necessitano invece di un solo contatore.
Componenti aggiuntivi che contribuiscono a migliorare l’efficienza dell’impianto, sempre più diffusi, sono:
  • Sistema di monitoraggio: è un sistema che permette di controllare il proprio impianto da remoto, monitora l’andamento della produzione e dell’autoconsumo e verifica lo stato dell’inverter.
  • Energy Storage: è un sistema di stoccaggio che permette di migliorare l’efficienza dell’impianto accumulando l’energia prodotta durante il giorno per utilizzarla anche quando l’impianto non produce. In questo modo si massimizza l’autoconsumo dell’energia prodotta senza cambiare le proprie abitudini di consumo.

Quali sono i fattori che influenzano l’efficienza di un impianto fotovoltaico?

Nessun impianto fotovoltaico è in grado di convertire tutta l’energia che riceve dal sole in corrente elettrica, ma soltanto una parte. L’efficienza dei pannelli fotovoltaici è tanto maggiore quanto lo è, in percentuale, l’energia da radiazioni solari che riescono a trasformare in energia elettrica. I pannelli fotovoltaici ad alta efficienza attualmente sul mercato riescono a convertire tra il 20 e il 22% dell’energia che ricevono, cioè circa un quinto, anche se sono in fase di sperimentazione impianti con efficienza oltre il 30%. La capacità di conversione dei pannelli è il principale fattore che influisce sull’efficienza di un impianto fotovoltaico. Ve ne sono tuttavia altri, che intervengono nelle diverse fasi della produzione di energia.

  • Anzianità di esercizio: l’efficienza dei pannelli tende a decadere nel tempo, in media dello 0,5% ogni anno. Quindi un pannello fotovoltaico a fine vita (dopo 20-25 anni di esercizio) avrà una resa sensibilmente inferiore rispetto alla messa in esercizio.
  • Situazioni ambientali come temperatura e polvere influiscono sull’efficienza di un modulo fotovoltaico. In particolare, più alta è la temperatura ambientale, minore è l’efficienza. Anche la presenza di pulviscolo o altri materiali volatili sulle celle ha un effetto negativo sul rendimento.
  • L’ombreggiamento rappresenta un fattore di inefficienza intrinseco, sia che si tratti di un fenomeno passeggero (ad esempio dovuto alle condizioni meteorologiche), sia che rappresenti un problema strutturale (ad esempio costruzioni alberi che proiettino la loro ombra su un gruppo di pannelli).
  • Efficienza degli Inverter: Il processo di trasformazione della corrente elettrica da continua ad alternata attraverso gli inverter comporta una perdita di energia del 3-4%.
  • Disomogeneità e piccole perdite lungo la rete di distribuzione sono possibili. Ogni pannello sul mercato, per quanto identico per marca, modello e capacità rispetto a un altro, può manifestare caratteristiche lievemente differenti. Anche cavi e connettori possono influire negativamente sull’efficienza complessiva dell’impianto, ma solitamente si tratta di variazioni poco apprezzabili.
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Come si calcola l’efficienza di un impianto fotovoltaico?

Tutti i fattori che concorrono a definire il rendimento fotovoltaico possono essere sintetizzati attraverso un indice, il System Derate Factor, cioè il coefficiente di riduzione dell’efficienza di un impianto fotovoltaico. Alcune simulazioni, come quelle effettuate dal PV Watts Calculator del Laboratorio Nazionale del Dipartimento Statunitense dell’Energia, stimano un valore standard d’efficienza dell’86%. Si tratta però di un dato indicativo perché, come abbiamo visto, alcuni fattori che condizionano rendimento pannelli fotovoltaici dipendono da situazioni ambientali non prevedibili.
L’efficienza del modulo fotovoltaico (cioè la quantità di energia solare che riesce a convertire in energia elettrica) viene misurata in laboratorio in condizioni standard, dette STC, che prevedono una temperatura di esercizio di 25º C e un irraggiamento solare pari a 1000 W/m2. L’Efficienza Complessiva di un Impianto Fotovoltaico si calcola quindi con la seguente formula: Efficienza Complessiva Impianto Fotovoltaico = (Efficienza Modulo FV) x (System Derate Factor). Per quanto riguarda il rendimento fotovoltaico %, invece, Rendimento % = (Potenza / Superficie / 1000) * 100.

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