Fotovoltaico

Cos’è il fotovoltaico – Funzionamento e componentistica

L’effetto fotovoltaico

L’effetto fotovoltaico è il fenomeno fisico che si realizza quando un elettrone presente nella banda di valenza di un materiale (generalmente semiconduttore) passa alla banda di conduzione a causa dell’assorbimento di un fotone sufficientemente energetico incidente sullo stesso.
Questo fenomeno viene usualmente utilizzato nella produzione elettrica nelle celle fotovoltaiche.
Il meccanismo di funzionamento si basa sull’utilizzo di materiali semiconduttori, il più utilizzato dei quali è attualmente il silicio.

La cella fotovoltaica

L’elemento che sta alla base della tecnologia fotovoltaica è dunque la cella, che è costituita da un materiale semiconduttore, il silicio, di spessore estremamente ridotto (0.3 mm), che viene trattato mediante operazione di “drogaggio”, consistente nel trattare il silicio con atomi di fosforo e boro al fine di ottenere correnti elettriche stabili all’interno della cella.

Allo strato di silicio vengono applicati, mediante sistema serigrafico, dei contatti elettrici metallici. La loro funzione è quella di captare il maggior flusso elettrico possibile e convogliarlo all’esterno.

Sulla superficie della cella viene applicato un rivestimento antiriflettente costituito dalla deposizione di uno strato sottile di ossido di titanio per minimizzare la componente di radiazione solare riflessa. La sua superficie, inoltre, non è piana, ma sagomata in minuscole piramidi al fine di aumentare la superficie utile per la captazione e favorire le riflessioni reciproche.

Il parametro più importante della cella è il suo rendimento η, che rappresenta il rapporto tra la massima potenza Pmax [Wp] che si ottiene dalla cella e la potenza totale della radiazione incidente sulla superficie frontale.
Il livello del rendimento diminuisce all’aumentare della temperatura delle celle, poiché la temperatura ostacola il passaggio degli elettroni nel semiconduttore.
A seconda della tipologia di silicio impiegato, si distinguono celle in silicio policristallino,monocristallino e amorfo.

Celle a silicio monocristallino: hanno un grado di maggior purezza del materiale e garantiscono le migliori prestazioni in termini di efficienza, avendo il rendimento più alto pari al 15%. Si presentano di colore blu scurissimo uniforme e hanno forma circolare o ottagonale, di dimensione dagli 8 ai 12 cm di diametro e 0.2 – 0.3 di spessore.

Celle a silicio policristallino: hanno una purezza minore, condizione che comporta una minor efficienza, ossia il loro rendimento si aggira tra l’11 e il 14 %. Si presentano di un colore blu intenso cangiante dovuto alla loro struttura policristallina. Hanno forma quadrata o ottagonale e di spessore analogo al precedente tipo. Si tratta della deposizione di uno strato sottilissimo di silicio cristallino (1-2 micron) su superfici di altro materiale, ad esempio vetri o supporti plastici. In questo caso è improprio parlare di celle, in quanto possono essere ricoperte superfici anche consistenti in modo continuo. L’efficienza di questa tecnologia è sensibilmente più bassa, nell’ordine del 5-6.8 % ed è soggetta a un decadimento consistente (-30%) delle proprie prestazioni nel primo mese di vita (effetto Stabler – Wronsky) che impone quindi un sovradimensionamento della superficie installata, in modo da consentire in fase di esercizio la produzione di energia elettrica preventivata in sede di progetto.

Il collegamento in serie di più celle fotovoltaiche costituisce un modulo fotovoltaico.

3 – Il modulo fotovoltaico

I moduli fotovoltaici oggi più comuni sono costituiti da 48-72 celle in serie, che vengono collegate e saldate tra loro mediante terminali sui contatti anteriori e posteriori (in sequenza N-P-N-P-N…) in modo da formare le stringhe.
Si realizza quindi un sandwich avente come parte centrale il piano della cella fotovoltaica e intorno, andando dall’esterno verso l’interno, una lastra di vetro dotata di ottima trasmittanza e buona resistenza meccanica, seguita da un foglio sigillante di EVA (acetato vinil-etilenico) che permette l’isolamento dielettrico dell’adiacente piano delle celle, seguito posteriormente da un secondo foglio di EVA e da un’altra lastra di vetro o un rivestimento isolante in tedlar.
Il sandwich è quindi scaldato in un forno a circa 100°C, temperatura alla quale i componenti si sigillano tra loro, l’EVA passa da traslucido a trasparente e si elimina l’aria residua interna, che potrebbe provocare corrosione a causa del vapor acqueo presente.
Si fissa infine il sandwich così trattato in una cornice d’alluminio estruso anodizzato (per resistere alla corrosione) e si dispone la cassetta di giunzione.
A seconda della tipologia di silicio impiegato nelle celle, si distinguono moduli in silicio policristallino, monocristallino e amorfo.

Più moduli fotovoltaici, collegati in serie, costituiscono le stringhe. Più stringhe, collegate anch’esse in serie o in parallelo, costituiscono il campo fotovoltaico.

Inverter

Gli inverter hanno il compito di trasformare la corrente continua prodotta dal campo fotovoltaico in corrente alternata da immettere direttamente nella rete elettrica. Queste macchine estendono la funzione base di un inverter generico con funzioni estremamente sofisticate e all’avanguardia, mediante l’impiego di particolari sistemi di controllo software e hardware che consentono di estrarre dai pannelli solari la massima potenza disponibile in qualsiasi condizione meteorologica.
Questa funzione prende il nome di MPPT, un acronimo di origine inglese che sta per Maximum Power Point Tracker. I moduli fotovoltaici infatti, hanno una curva caratteristica V/I tale che esiste un punto di lavoro ottimale, detto appunto Maximum Power Point, dove è possibile estrarre la massima potenza disponibile. Questo punto della caratteristica varia continuamente in funzione del livello di radiazione solare che colpisce la superficie delle celle.
L’utilizzo di MPPT indipendenti fornisce un vantaggio oggettivo in condizioni di irraggiamento non uniforme dei pannelli. Infatti non è infrequente che la superficie dei pannelli solari sia esposta al sole in modo difforme su tutto il campo. Questo perché disposto su due diverse falde del tetto, perché i moduli non sono distribuiti su stringhe di uguale lunghezza o a causa di ombreggiamenti parziali dei moduli stessi. In questo caso l’utilizzo di un solo MPPT porterebbe l’inverter a lavorare fuori dal punto di massima potenza e conseguentemente la produzione di energia ne sarebbe danneggiata.
Una volta trasformata in alternata, la corrente viene immessa in rete, qualora essa non sia direttamente sfruttata dagli utilizzatori o non sia destinata ad impianti di accumulo.

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Detrazione IRPEF per il fotovoltaico

Per il fotovoltaico resta aperta la possibilità di realizzare impianti residenziali detraendo dalle tasse il 50% dei costi di realizzazione.

I soggetti Irpef (persone fisiche) possono, dunque, utilizzare la detrazione fiscale anche per quegli impianti realizzati dal 26 giugno 2012 (se questi non hanno avuto accesso al conto energia) . Ricordiamo che per gli immobili a prevalente uso abitativo va applicata al costo degli impianti l’Iva al 10% anziché del 21%.

Il costo massimo che si può detrarre, in 10 anni, sarebbe pari a 96.000 euro, una cifra che renderebbe possibile, con i prezzi attuali, la detrazione fiscale anche per impianti con potenze fino a 50 kWp. In realtà la potenza FV massima per beneficiare della detrazione del 50% è di 20 kWp. L’Agenzia delle Entrate (risoluzione n. 22 del 2 aprile) ha specificato che l’impianto fotovoltaico deve essere direttamente al servizio dell’abitazione del contribuente, utilizzato, quindi, per fini domestici come ad esempio quelli di illuminazione o alimentazione di apparecchi elettrici. Così scrive: “La possibilità di fruire della detrazione in esame – si legge – è comunque esclusa quando la cessione dell’energia prodotta in eccesso configuri esercizio di attività commerciale, come nel caso, ad esempio, in cui l’impianto abbia potenza superiore a 20 kW ovvero, pur avendo potenza non superiore a 20 kW, non sia posto a servizio dell’abitazione (cfr. ris. n. 84/E del 2012, ris. n. 13/E del 2009, cir. n. 46/E del 2007)”.

Chi può richiedere la detrazione? Oltre ai proprietari degli immobili sui quali vengono realizzati gli impianti, anche gli inquilini o i comodatari. In particolare posso usufruirne:

• il proprietario o il nudo proprietario
• il titolare di un diritto reale di godimento (usufrutto, uso, abitazione o superficie)
• l’inquilino o il comodatario
• i soci di cooperative divise e indivise
• i soci delle società semplici
• gli imprenditori individuali, ma solo per gli immobili che non rientrano fra quelli strumentali o merce.

Ecco la procedura per richiedere la detrazione fiscale:

• inviare all’Asl, quando previsto dalla normativa, l’apposito comunicazione inizio lavori;
• pagare i lavori tramite bonifico bancario o postale in cui devono figurare: la causale specifica del pagamento, i dati del pagante e del ricevente (C.F o P.IVA);
• indicare nella dichiarazione dei redditi, tra tutti quelli richiesti, i dati catastali dell’immobile su cui viene realizzato l’impianto fotovoltaico e altra documentazione indicata sul sito dell’Agenzia delle Entrate.La richiesta di detrazione fa riferimento alla data in cui sono state effettuate le spese e, per usufruire del 50% di bonus. Per importi più significativi va sempre ricordato che per utilizzare le detrazioni fiscali è necessario avere un reddito sufficiente a coprire tali detrazioni. Infatti, se in un anno si dovranno pagare 1.000 euro di Irpef, ma si avrebbe il diritto di detrarre 1.300 euro, la differenza di 300 euro non può essere messa a credito, perdendo per questa differenza il beneficio della detrazione.

Al vantaggio economico della detrazione va aggiunto poi quello relativo allo “scambio sul posto”. Questa modalità permette di considerare la produzione del proprio impianto, a qualunque ora e giorno dell’anno, come un “valore-salvadanio” che va a compensare (se l’impianto FV con scambio sul posto è realizzato coerentemente con i consumi dell’abitazione) quanto si preleva normalmente.

Esempio su un impianto fotovoltaico da 3 kWp, situato a Catanzaro

Come sappiamo, le detrazioni fiscali per le ristrutturazioni edilizie (che valgono anche per installare un impianto fotovoltaico), portate dal 36 al 50% l’estate scorsa, sono state prorogate fino a fine anno e, a differenza del quinto conto energia, si possono usare in abbinamento allo scambio sul posto, il meccanismo che consente di scambiare con la rete, con una tariffa agevolata, l’energia che non si consuma direttamente.

Dati i prezzi che si trovano in questo periodo, nelle ultime simulazioni abbiamo invece ipotizzato che il nostro impianto da 3 kW venga pagato 7.500 euro, chiavi in mano (e dunque che per i primi 10 anni si ricevano sotto forma di detrazione fiscale – il 50% della spesa in dieci rate annuali – 375 euro ogni anno).

Impianto da 3 kWp a Catanzaro con 70% di autoconsumo:

• costo: 7500€
• rata annuale detrazione: 375€
• tempo di rientro investimento: 7 anni
• guadagno netto su 10 anni: 5.449€
• guadagno netto su 25 anni: 26.227€
• valore netto a 25 anni attualizzato: 20.193€

Classificazione degli impianti fotovoltaici

Gli impianti fotovoltaici possono essere classificati in base a diversi fattori.

A seconda che siano connessi alla rete di distribuzione o meno, parliamo rispettivamente di impianti grid-connected o stand-alone. Nel secondo caso generalmente essi alimentano un sistema di accumulo, che fornisce energia durante i periodi in cui non c’è produzione (es. notte o cielo coperto).

Successivamente possiamo distinguere:

• impianti su edifici;
• altri impianti.

Gli impianti su edifici, a loro volta, possono essere distinti in impianti tradizionali oimpianti innovativi.
Nel primo caso, i pannelli fotovoltaici sono montati sopra il manto di copertura, mentre nel secondo lo sostituiscono e diventano, quindi, parte integrande della copertura stessa.

Negli altri impianti rientrano tutte le altre casistiche di impianti, come ad esempio quelli montati a terra o sulle pensiline fotovoltaiche.