Componenti essenziali degli impianti fotovoltaici: una guida approfondita

Conoscere gli impianti fotovoltaici e i componenti essenziali che ne fanno parte consente di capirne il funzionamento ma anche (e soprattutto) di valutare quali sono le versioni più adatte per le proprie esigenze. 

Pannelli fotovoltaici

I pannelli solari che vediamo installati sopra i tetti delle abitazioni sono solo la parte esterna e, appunto, visibile di un impianto fotovoltaico. Dietro di essi si “nascondono” altri componenti quali l’inverter, i cablaggi, le strutture di montaggio e diversi dispositivi per garantirne la sicurezza e la durabilità nel tempo. Senza dimenticare come esistono impianti fotovoltaici che prevedono la presenza di batterie per accumulare l’energia prodotta in eccesso e utilizzarla anche nelle ore notturne o in condizioni meteorologiche tali per cui non è possibile ottenere una quantità sufficiente di energia pulita. Ogni componente svolge un ruolo essenziale e dal funzionamento di ciascuno di essi passa non solo la capacità di produrre e utilizzare l’energia elettrica ma anche che l’efficienza e la resa dell’impianto sia sempre ottimale e, quindi, conveniente. I principali elementi che compongono un impianto fotovoltaico sono: 

• pannelli solari
• inverter
• strutture di montaggio
• cablaggi e connessioni
• dispositivi di sicurezza
• batterie e sistemi di accumulo
• regolatori di carica
• sistemi di monitoraggio

Facciamo una panoramica su questi componenti essenziali degli impianti fotovoltaici scoprendo nel dettaglio quale ruolo svolgono e perché ognuno di essi è estremamente importante. 

Pannelli fotovoltaici: il cuore dell'energia solare

Un pannello fotovoltaico è una struttura composta da una base di appoggio, uno strato di EtilenVinil Acetato (EVA), una cella fotovoltaica, un vetro temperato, una cornice di alluminio e una scatola di ingiunzione. Le componenti centrali responsabili della produzione di energia sono le celle fotovoltaiche (dette anche celle solari). Queste sono capaci di catturare l’energia del sole e convertirla in energia elettrica. Esistono diverse tipologie di celle fotovoltaiche: in silicio monocristallino, in silicio policristallino, in silicio amorfo e quelle in perovskite. 

La differenza del materiale conduttore con cui sono realizzate determina una differenza nella forma e nel colore e, soprattutto, nell’efficienza. Le celle in silicio monocristallino (le più diffuse) sono quelle orientate tutte nella stessa direzione e sono di colore blu scuro e con i bordi smussati capaci di assicurare un’efficienza energetica tra il 18% e il 21%. 

Le celle in silicio policristallino hanno un orientamento diverso e per questo un’efficienza minore ma una capacità di rendimento maggiore nel corso della stessa giornata. Le celle fotovoltaiche in silicio amorfo si caratterizzano per una maggiore efficienza e una minore usura. Infine le celle in perovskite hanno un elevato coefficiente di efficienza e bassi costi di produzione, ma richiede l’utilizzo di una sostanza come il piombo che è altamente inquinante. La scelta dipende da diversi fattori tra cui la grandezza dell’impianto, il fabbisogno energetico cui deve far fronte, la posizione geografica, le temperature e l’orientamento e l’inclinazione dell’impianto. 

Inverter: il convertitore di energia

 Tra i componenti meno noti ma tra i più importanti: l’inverter fotovoltaico. Si tratta di quel componente elettronico grazie al quale la corrente viene convertita da continua (DC) in alternata (AC). Tale conversione è indispensabile per poter utilizzare la corrente all’interno delle abitazioni in quanto gli impianti necessitano di questa forma di corrente che ha una frequenza e una tensione specifica. Oltre a questa funzione l’inverter si occupa di ottimizzare il funzionamento dei pannelli migliorando il rendimento dell’impianto. Anche in questo caso esistono diverse tipologie di inverter. 

La principale distinzione è quella tra inverter a onda quadra, inverter a onda sinusoidale modificata e inverter a onda sinusoidale pura. La corrente continua utilizza cariche elettriche che hanno la stessa direzione di movimento, mentre la corrente alternata impiega un flusso variabile. Inoltre gli inverter possono essere distinti in base al tipo di connessione: centralizzati, ottimizzatori di potenza e microinverter. Nel primo caso (inverter di stringa) si ha un’efficienza minore a fronte di una maggiore stabilità. Negli ottimizzatori di potenza (che vengono posti all’interno di ogni singolo pannello inviando la corrente all’inverter di stringa) si ha una maggiore efficienza in caso di ombreggiamenti. 

I microinverter, infine, hanno la capacità di trasformare immediatamente l’energia elettrica agendo direttamente sui singoli pannelli senza prevedere la presenza di un impianto centralizzato. Infine gli inverter possono essere monofase o trifase e la differenza riguarda sostanzialmente la grandezza dell’impianto.

Per le utenze domestiche è sufficiente un inverter monofase mentre a livello industriale e commerciale quello trifase. Per determinare il tipo di inverter migliore bisogna considerare la superficie che si ha a disposizione, l’esposizione solare e la presenza di ombreggiamenti. 

Strutture di montaggio: fondamenta di un impianto

I pannelli fotovoltaici per essere ancorati alla superficie del tetto necessitano di apposite strutture di fissaggio. La scelta tra le tecniche di fissaggio dipende dal tipo di tetto (piano, a falda, eccetera) e dalle necessità del singolo impianto. Nei tetti inclinati o a falde si predilige la rimozione dei coppi con l’inserimento delle staffe sulle quali ancorare i pannelli. Nei tetti con le tegole si va a creare su di esse lo spazio necessario all’inserimento delle staffe e dei tasselli di sostegno dei moduli fotovoltaici. Il materiale prevalentemente utilizzato per la realizzazione delle strutture di montaggio è l’alluminio che unisce una maggiore leggerezza e una migliore facilità di taglio alle esigenze specifiche di ogni impianto fotovoltaico. 

Sistemi di cablaggio e connettività

Ogni pannello fotovoltaico cattura i raggi del sole e li converte in energia ma ciascuno di essi non lavora indipendentemente, ma è collegato agli altri in modo da formare l’intero impianto. Questo lavoro congiunto è reso possibile anche e soprattutto dalla presenza di appositi cablaggi e collegamenti. Il primo su cui porre l’attenzione è la scatola di giunzione (Junction Box) posta dietro ogni modulo fotovoltaico e permette di realizzare le diverse configurazioni dell’impianto (in serie o in parallelo). Per quel che riguarda i cavi di interconnessione negli impianti fotovoltaici si utilizzano cavi unipolari a doppio isolamento. Hanno la capacità, innanzitutto, dii assicurare un maggior livello di isolamento garantendo in questo modo una resistenza agli agenti atmosferici e ai raggi solari. Questi cavi, infatti, possono lavorare in un campo di temperature tra -40°C e 120°C mantenendo sempre la stessa efficienza. I connettori hanno lo scopo di assicurare un corretto e stabile accoppiamento elettrico tra i moduli e l’inverter. Questi connettori devono avere una bassa resistenza di contatto in modo da produrre una sovratemperatura delle giunzioni limitata. Infine i contatti e le molle di ritenzione sono progettati con forme e materiali che permettono un'agevole inserzione e assicurano nel tempo prestazioni stabili, mantenendo una bassa forza di inserzione. 

Dispositivi di protezione: sicurezza e durabilità

Come tutti gli impianti in cui vi è la produzione e il passaggio di energia elettrica è indispensabile prevedere dei dispositivi di protezione. Questi hanno lo scopo, in caso di sovraccarico o altri problemi, di proteggere i componenti (evitando che si danneggino) assicurando una maggiore longevità e durata dell’intero impianto. Uno dei principali dispositivi di protezione è l’interruttore magnetometrico. È un interruttore elettrico che si attiva anche in presenza di sovraccorrente e cortocircuito evitando danni, guasti e pericoli di incendio. 

Vi è poi l’interruttore differenziale che in presenza di una differenza, anche minima, tra la corrente che esce verso un dispositivo e quella che ritorna, blocca il passaggio di corrente preservando l’incolumità di una persona che accidentalmente vi entrasse in contatto. C’è poi lo scaricatore di sovratensione (SurgeProtection Device, SPD) che proteggono l’impianto fotovoltaico e l’impianto domestico dai danni causati da sovratensioni e fulmini. 

Questi dispositivi, infatti, sono sensibili alla tensione misurata sui cavi e in presenza di tensione elevata la scarica direttamente a terra escludendo le varie utenze. L’impianto fotovoltaico prevede poi una serie di fusibili che interrompono il circuito elettrico quando la corrente che passa nei cavi diventa troppo elevata. BATTERIE DI 

Accumulo: magazzino energetico

Tra i componenti essenziali di un impianto che prevede un sistema di accumulo troviamo le batterie fotovoltaiche. Gli impianti fotovoltaici, infatti, possono essere indipendenti e non connessi alla rete (stand-alone) e prevedere che l’energia prodotta venga utilizzata immediatamente in loco o connessi alla rete elettrica (grid-connected) supplendo in questo modo alla mancanza di energia nelle giornate poco soleggiate o di notte. Con un sistema di accumulo si ha la possibilità di immagazzinare tutta l’energia prodotta e non consumata e utilizzarla anche in un secondo momento. Le batterie svolgono proprio questa funzione di immagazzinamento. Le moderne batterie sono al litio e si differenziano prevalentemente per la capacità che deve essere, ovviamente, coerente con la potenza di picco dell’impianto e il fabbisogno energetico. 

Regolatori di carica: ottimizzare l'efficienza

Parliamo ora dei regolatori di carica. Si tratta di dispositivi posizionati sul retro di ogni pannello fotovoltaico che raccolgono informazioni relative alla produzione e all’efficienza di ciascun modulo trasmettendole poi all’inverter. L’utilità di questi dispositivi è quella di mettere l’inverter (che possiamo considerare come il cervello dell’impianto fotovoltaico) nelle migliori condizioni di operare. L’inverter, infatti, gestisce al meglio la resa di ogni pannello consentendogli di arrivare al punto di massima potenza migliorando la resa, il rendimento e l’efficienza dell’impianto. 

Questo perché l’inverter può gestire eventuali limiti e cali di potenza del singolo pannello senza che si ripercuotano sull’intero impianto. Inoltre i regolatori di carica permettono di individuare in tempo reale eventuali anomalie e problemi permettendo di intervenire tempestivamente. I regolatori di carica (ottimizzatori di potenza) possono essere indipendenti, integrati nel modulo o a livello di stringa. Quelli indipendenti sono posti su ogni singolo pannello e ne ottimizzano la produzione di energia monitorandone le prestazioni. 

Gli ottimizzatori integrati nel modulo sono meno efficienti di quelli indipendenti mentre quelli a livello di stringa sono collocati nei punti in cui i moduli sono collegati in serie e ottimizza e monitora la produzione dell’impianto di tutta la stringa invece che del singolo pannello. 

Monitoraggio e controllo: manutenzione e performance

La produzione e l’efficienza degli impianti fotovoltaici dipende, come abbiamo visto, da diversi fattori. Prevede un sistema di controllo e monitoraggio è indispensabile non solo per avere un quadro aggiornato della situazione, ma anche per localizzare i problemi permettendo di risolverli rapidamente. Esistono diversi sensori e dispositivi che permettono quest’attività di monitoraggio; la raccolta di questi dati viene poi gestita da specifici software che hanno la capacità di segnalare ogni singola anomalia e suggerire, anche sullo storico dei dati, gli interventi da prevedere. 

Per mantenere elevata l’efficienza di un impianto fotovoltaico è indispensabile prevedere regolari attività di manutenzione (pulizia pannelli, ottimizzazione delle prestazioni, eccetera) e controllo anche tenendo conto del calo delle prestazioni cui inevitabilmente con il passare degli anni vanno incontro i componenti degli impianti fotovoltaici. In questo modo si assicura una produzione massima che contribuisce non solo al risparmio sulle bollette energetiche, ma anche a massimizzare la convenienza di questo investimento. Dalla comprensione dei principali componenti degli impianti fotovoltaici abbiamo avuto modo di conoscere l’importanza di ciascuno e il loro ruolo indispensabile. 

Questo è indispensabile per capire come in fase di progettazione bisogna tenere conto di ognuno di questi aspetti. Anche la sottovalutazione di un singolo elemento può compromettere la resa della produzione dell’intero impianto. Parallelamente è fondamentale che dopo la messa in funzione dell’impianto venga prevista una puntuale e regolare attività di manutenzione che preservi l’efficienza e allunghi la durata di tutto l’impianto. Con FotovoltaicoIN hai modo di entrare in contatto con i migliori professionisti del fotovoltaico con i quali progettare l’impianto migliore per le tue esigenze. Inoltre, visitando il portale FotovoltaicoIN, è possibile richiedere un preventivo gratuito per l'installazione di un impianto fotovoltaico, avviando il percorso per produrre energia pulita e sostenibile a costo.