Impianti fotovoltaici - Tesina di Maturità

Impianti fotovoltaici - Tesina di Maturità

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ho utilizzato questa tesina per un istituto tecnico...è fatta abbastanza bene, credo, ho avuto una valutazione di 27/30 all'orale... in bocca al lupo a tutti!!!!!!!!!! ci sono vari collegamenti con varie materie...
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INTRODU ZIONE Nell'attual e contesto energetico ed ambientale globale è diventato rilevante e prioritario l'obiettivo di riduzione delle emissioni di gas serra e di sostanze inquinanti anche mediante lo sfruttamento di fonti energetiche alternative e rinnovabili che affianchino e riducano l'utilizzo di combustibili fossili, i quali sono destinati ad esaurirsi per il considerevole consumo da parte di diversi Paesi. Il Sole è certamente una fonte di energia rinnovabile dalle grosse potenzialità, a cui si può attingere nel rispetto dell'ambiente. Si considerano fonti di energie rinnovabili quelle forme di energia generate da fonti che per loro caratteristica intrinseca si rigenerano o

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non sono "esauribili" nella scala dei tempi umani e il cui utilizzo non pregiudica le risorse naturali per le generazioni future.

Tra i diversi sistemi che utilizzano fonti di energie rinnovabili, il fotovoltaico è promettente per le qualità del sistema stesso, poichè ha ridotti costi d'esercizio (il combustibile è gratuito) e limitate esigenze di manutenzione, è affidabile, silenzioso e semplice da installare. Inoltre il fotovoltaico, in alcune applicazioni isolate, è conveniente in confronto ad altre fonti energetiche, specie in luoghi in cui sia difficoltoso ed anti economico giungere con tradizionali linee elettriche.

L'energia solare, dunque, è sì una risorsa pulita, rinnovabile e indispensabile per la vita sulla terra, ma ci offre anche la possibilità di liberarci dal peso della bolletta dell'elettricità e migliorare la qualità della vita.

Per tutti questi motivi io dico sì ai pannelli fotovoltaici e li considero un vero e proprio "TETTO D'ORO"!

PERCHE’ IL FOTOVOLTAICO?

Non appena si parla di impianti fotovoltaici, essendo una tecnologia attuale, le domande che sorgono sono molteplici. Ecco le più frequenti...

PERCHE' INSTALLARE I PANNELLI FOTOVOLTAICI?

Installare sul proprio tetto otto metri quadri di pannelli fotovoltaici consente di abbattere per almeno 25 anni la propria spesa per l'energia elettrica.

Il costo dell'installazione oscilla intono ai 7000 euro per kilowatt. Esistono agevolazioni regionali per ottenere finanziamenti agevolati e contributi pubblici per affrontare la spesa iniziale; molte regioni hanno già attivato un bando per richiedere contributi o finanziamenti a fondo perduto.

IL FOTOVOLTAICO FUNZIONA ANCHE DI NOTTE?

Nelle giornate nuvolose e durante le ore notturne l'abitazione dotata di impianti fotovoltaici in rete non resterà mai al buio. L'uso dei pannelli fotovoltaici "in

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rete" non sostituisce il consumo della normale rete elettrica che si continua normalmente ad utilizzare.

QUANTO DURA UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO?

La durata di un impianto di questo genere è pari a circa 25-30 anni. Si tratta di un investimento in grado di perdurare nel tempo per due generazioni.

Con l'espansione del mercato fotovoltaico i nuovi pannelli garantiscono autonomia di funzionamento e rendimenti sempre più elevati. Il prezzo dei pannelli in questione tende costantemente a scendere facendo accedere alla domanda anche chi aveva scartato l'ipotesi in passato a causa dei costi troppo elevati.

QUALI SONO I VANTAGGI?

Fin ora ho voluto esporre solo i vantaggi economici per il singolo acquirente di un impianto fotovoltaico, aspetto fondamentale per una grande diffusione, ma non l'unico. Dal punto di vista sociale, i pannelli solari riducono la domanda di energia da altre fonti tradizionali contribuendo alla riduzione dell'inquinamento atmosferico (come le emissioni di anidride carbonica generate dalle centrali termoelettriche). Inoltre la modularità di un impianto fotovoltaico consente di integrare i moduli sulle superfici esistenti delle abitazioni, normalmente sui tetti; l'impatto ambientale e paesaggistico è pertanto nullo. Anche se la sovrintendenza ai beni culturali ed ambientali può esprimere il suo parere vincolante soprattutto per le abitazioni nei centri storici.

I principali vantaggi di un impianto fotovoltaico possono quindi riassumersi in:

• generazione distribuita nel luogo dove serve;

• assenza di emissione di sostanze inquinanti;

• risparmio di combustibili fossili;

• affidabilità in quanto non vi sono parti in movimento;

• ridotti costi di esercizio e manutenzione;

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• modularità del sistema (per incrementare la potenza dell'impianto è sufficiente aumentare il numero di pannelli) secondo le esigenze reali dell'utente.

QUANTO PUO' RENDERE ECONOMICAMENTE?

Le capacità produttive di un impianto fotovoltaico dipendono da diversi fattori, quali ad esempio la posizione geografica, le dimensioni dell'impianto e di conseguenza la potenza dello stesso. Nord, Centro e Sud hanno diverse incidenze dei raggi solari, a tutto vantaggio ovviamente del meridione.

Prendendo in considerazione un impianto da 3 [Kwp], con una posizione geografica in centro Italia, realizzato su tetto in modo complanare (con inclinazione 20°), occupante una superficie di 24 metri quadri, si ha una capacità produttiva di 4200 [Kw/h] l'anno; rendendo in 20 anni circa 38000 €, azzera completamente i costi della bolletta Enel.

QUALI IMPIANTI SONO VALIDI AI FINI DEL RICONOSCIMENTO DEL CONTRIBUTO STATALE?

La tariffa premiante per impianti fotovoltaici integrati architettonicamente è stata introdotta dal D.M. del 19 febbraio 2007 in quanto si è ritenuto opportuno dover orientare il processo di diffusione del fotovoltaico verso applicazioni più promettenti in termini di potenziale di diffusione e connesso sviluppo tecnologico, e che consentano minor utilizzo del territorio, privilegiando l’incentivazione di impianti fotovoltaici i cui moduli sono posizionati o integrati nelle superfici esterne degli involucri degli edifici e negli elementi di arredo urbano e viario, tenendo conto anche dei maggiori costi degli impianti di piccola potenza, nonché di alcune applicazioni specifiche.

Tali tipologie e manufatti architettonici possono usufruire di un meccanismo di incentivazione che remunera l’energia elettrica prodotta da un impianto per un certo numero di anni da parte del GSE che fornisce incentivi tramite il Conto Energia. Il Gestore dei Servizi Energetici - GSE S.p.a., opera per la promozione dello sviluppo sostenibile, attraverso l'erogazione di incentivi economici

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destinati alla produzione energetica da fonti rinnovabili e con azioni informative tese a diffondere la cultura dell'uso dell'energia compatibile con le esigenze dell'ambiente.

Le attività prevalenti del GSEconsistono nel garantire agli operatori il sostegno economico che le normative nazionali assicurano per lo sfruttamento delle fonti energetiche rinnovabili.

L'impiego di tali fonti, senza opportuni meccanismi di sostegno, risulta infatti ancora troppo costoso per consentirne la diffusione.

COME AVVIENE LO SMALTIMENTO DI UN PANNELLO SOLARE?

I pannelli solari sono costituiti da silicio, che non è altro che sabbia. Lo smaltimento avviene come per le schede dei computer o dei circuiti stampati. Non è materiale tossico, non è materiale contro natura. I pannelli sono rivestiti da una lastra di vetro temperato, che si smaltisce come il cristallo, e sono rifiniti da profili di semplice metallo (alluminio). C'è poi infine uno strato di EVA (Etili Vinil Acetato) che viene smaltito nello stesso modo con il quale vengono smaltite le tovaglie impermeabili. Cavi e junction box (rame) vengono già solitamente utilizzati in edilizia e possono essere riciclati.

INGLESE RECYCLING PV MATERIALS

The extraordinary development of the photovoltaic market over recent years has emphasized the need for a sustainable method for disposal of PV modules once they reach the end of their life. Recognizing this, the industry has been busy developing strategies and techniques that make the most of the valuable materials contained in their products and simultaneously improve their positive environmental impact.

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With the first significant volumes of PV installations only really beginning in the early 1990s, the appearance of large numbers of end-of-life modules are still another 10 or 15 years away. The market share, materials prices, availability, and consumption during production, are all factors that determine the economic threshold for materials recovery, but PV modules contain various high value materials which in many cases can be economically recovered. Indeed, materials shortages – a notable example coming from silicon – can limit growth in the industry and increase prices. Recycling is therefore one option that can ease materials supply constraints. In the current recycling process, despite any damage to the returned products, all the modules – complete or crushed – are thermally decomposed. Next, the different materials are separated from each other, for example by density and sieving. Silicon cell materials are then etched in a similar series of processes to remove metallization layers, anti-reflective coatings and so on. During the removal of the metallization layer the silver typically found in older modules is dissolved in acids and then precipitated before finally being recovered by electrolysis. With more modern aluminium backside metallization silver content is lower, but research suggests that the silver can still be economically recovered.

After crushing and etching, the silicon material is melted and directionally solidified. In general, the edges, tops and bottoms of the ingots are cut off and recycled as well. The bricks are cut to solar wafers which can be sold to cell manufacturers. It is already clear from the development of the PV market and the range of products available, that any recycling system must be able, not least for economic reasons, to treat a wide range of different products. This range of products is also expected to expand over time as new technologies reach commercial volumes. A key future development is likely to see recycling built into new PV products. It seems that perhaps, as young as it, the PV industry is the industry that will do to became more beautiful and clean our world!

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LE PRINCIPALI TAPPE DELLA TECNOLOGIA

FOTOVOLTAICA

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Nel 1839 il francese Alexandre-Edmond Bècquerel nota che "della corrente elettrica è generata durante alcune reazioni chimiche indotte dalla luce". Scopre così l'effetto fotogalvanico negli elettroliti liquidi.

Nel 1883 l'inventore statunitense Charles Fritz produce una cella solare di circa 30 centimetri quadrati a base di selenio con un'efficienza di conversione dell'1-2%.

Nel 1905 Albert Einstein pubblica la sua teoria sull'effetto fotoelettrico che gli porterà il premio Nobel.

Nel 1963 la giapponese Sharp produce i primi moduli fotovoltaici commerciali.

Dagli anni '70 l'energia fotovoltaica è presente nella quotidianità della nostra vita moderna. Basti pensare alle calcolatrici tascabili o agli orologi ricaricabili con energia solare molto in voga in quegli anni. Piccole applicazioni basate su potenze infinitesimali d'energia, da 0,01 a 0,1 Watt, ma sufficienti per far conoscere l'opportunità del fotovoltaico a un ampio pubblico.

Negli anni '80-'90 il fotovoltaico è stato vittima del suo iniziale successo nelle applicazioni micro (le citate calcolatrici da tavolo) e nella piccola elettronica di consumo. Il suo sviluppo per potenze d'energia maggiori si scontrava con i costi crescenti e con risultati poco competitivi rispetto alle altre fonti d'energia. In quegli anni, il petrolio raggiunse una duratura stabilità con bassi prezzi al barile disincentivando qualsiasi investimento nelle energie alternative. Nel corso degli anni '90 la crescente evidenza sui danni dell'inquinamento creò una nuova sensibilità al problema energetico e un rinnovato interesse al fotovoltaico. Nel frattempo la ricerca tecnologica aveva comunque fatto il suo corso realizzando pannelli solari fotovoltaici con rendimenti sempre più elevati e con rapporto prezzo/rendimenti decrescenti.

STORIA DALLA FINE DELLA SECONDA GUERRA MONDIALE:

ANNI ’50, ’60, ’70, ‘80

Il mondo dopo la Seconda Guerra Mondiale è dominato dallo scontro tra due sistemi politico-economico-culturali tra loro radicalmente alternativi:

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il comunismo e il sistema liberaldemocratico occidentale (impropriamente chiamato capitalismo), imperniati rispettivamente su Unione Sovietica e Stati Uniti, le due grandi superpotenze. Lo scontro tra i due sistemi era configurato come scontro tra due totalità inconciliabili, tale per cui pace ci sarebbe stata solo con l'eliminazione totale di uno dei due. Non per nulla si è chiamata Guerra fredda questa stagione della storia, in quanto pur non essendo guerreggiata come scontro diretto sul piano militare tra le due Superpotenze, essa è stata una situazione caratterizzata da una tensione sempre al limite della guerra ma trattenuta per paura del nucleare. E' vero che vi furono i cosiddetti paesi non allineati, ma si trattò di un fenomeno di peso politico decisamente marginale, di valenza più che altro utopica. Il confronto vide varie fasi, suddivise per decenni: anni ’50, anni ‘60/’70, fine anni ’70 e fine anni ’80.

GLI ANNI ’50 Negli anni '50 si registra una sostanziale staticità di equilibrio tra i due blocchi: l'Occidente conserva quanto già aveva, non riuscendo a strappare al comunismo né i paesi dell'Europa orientale né la Cina continentale, ma nemmeno il comunismo fa significativi passi avanti. GLI ANNI ‘60/’70

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Negli anni '60/'70 avviene invece la grande ondata di impetuosa avanzata del comunismo; nell'Africa appena decolonizzata l'URSS riesce ad allacciare importanti rapporti, in America Latina si sviluppano fenomeni di guerriglia comunista, con Cuba come clamoroso avamposto a due passi dagli Stati Uniti; ma è soprattutto il Vietnam l'episodio-simbolo di questa fase di avanzata del comunismo, col suo notevole impatto mediatico e il discredito gettato sugli USA. Il '68 in Europa corona questa fase, evidenziando nel cuore stesso dell'Occidente una spinta profondamente anti-sistema legata alla sinistra mondiale, seppur con molta discriminazione verso l'URSS.

FINE ANNI ’70 E FINE ANNI ‘80

Tra la fine degli anni '70 e la fine degli anni '80 si consuma invece la parabola discendente del comunismo, fino alla sua disfatta totale. L'episodio che può essere preso come inizio di questa parabola discendente è l'invasione dell'Afganistan, e la vicenda afgana diventa in breve tempo il simbolo dell'inarrestabile disfacimento del sistema comunista, impotente, pur con tutta la sua straordinaria potenza militare, a sconfiggere la tenace guerriglia dei mujaiddin afgani, pochi, male equipaggiati e dispersi su un territorio che non offre molte protezioni dagli attacchi aerei.

INDIA E CINA: INDIPENDENZA E COMUNISMO Dopo la Seconda Guerra Mondiale il controllo della politica internazionale passò dagli imperi coloniali europei alle due nuove superpotenze, Stati Uniti e Unione Sovietica, che avrebbero in breve tempo diffuso la loro influenza nelle aree cruciali del mondo. La decolonizzazione fu strettamente legata al conflitto mondiale. Infatti, la mobilitazione delle colonie da parte delle potenze europee durante la guerra aveva innescato un processo di evoluzione delle economie locali ma anche di emancipazione dei popoli e di inquietudine sociale, che avevano allargato le basi dei movimenti nazionalisti.

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In India, la guerra mondiale determinò la rottura definitiva tra Regno Unito e popolazione locale, che reagì con una nuova campagna di disobbedienza civile alla dichiarazione di cobelligeranza con il Regno Unito da parte del vicerè. La conquista dell’indipendenza (ottenuta il 15 agosto 1947) diventava sempre più scontata, anche alla luce della forza acquistata negli anni dal movimento indipendentista di Gandhi. Tra i due nuovi stati, India a maggioranza induista e Pakistan a maggioranza islamica, non tardarono a manifestarsi contrasti religiosi (di cui fu vittima lo stesso Gandhi, ucciso da un estremista indù) e conflitti territoriali.

Anche in Cina le vicende della Seconda guerra mondiale si intrecciarono con una fase storica fondamentale. Dopo un momentaneo riavvicinamento fra i comunisti di Mao-Tse-Tung e i nazionalisti di Chiang-Kai-Shek che avevano costituito un fronte unito contro l’invasore giapponese, nel 1946 scoppiò una guerra civile, di cui i due storici nemici furono protagonisti. Il conflitto interno si concluse con la vittoria dei comunisti di Mao e la proclamazione della repubblica popolare cinese (1° ottobre 1949).

Come tutti i paesi in via di sviluppo, anche l’India era attanagliata da povertà e fame, peggiorate dal continuo incremento demografico. La modernizzazione economica e sociale del paese, portata avanti dal primo ministro Nehru tra il 1947 e il 1964 ebbe un discreto successo ma non risolse i problemi. La figlia, Indira Gandhi, proseguì la sua line in politica interna ma se ne distanziò in politica estera. Nel 1971 diede appoggio ai separatisti del Pakistan, che formarono un nuovo stato, il Bangladesh. I rapporti tra India e Pakistan nel Dopoguerra furono sempre problematici: li divideva la contesa sulla regione del Kashmir, che portò a due guerre nel 1948 e nel 1965.

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Anche in Cina Mao-Tse-Tung dopo aver proclamato la Repubblica popolare cinese, avviò una riorganizzazione dell’economia. Nel 1958 fu promosso “il grande balzo in avanti” (che avrebbe condizionato gli eventi successivi) e nacquero le “comuni popolari”, unità lavorative che dovevano raggiungere l’autosufficienza in tutti i settori. Il risultato fu fallimentare e l’insuccesso fu attribuito al tradimento degli obiettivi di Mao. Perciò, nel 1966, fu avviata la “rivoluzione culturale”, basata sulla mobilitazione dei giovani e contraddistinta da un violento indottrinamento: lo scopo di Mao era distruggere il partito ed eliminare i suoi avversari politici. Un cambio radicale nella politica interna si verificò nel 1976, anno della morte di Mao. A partire dal 1956, i rapporti fra Cina e Unione Sovietica si deteriorarono: Pechino non riconosceva la guida di Mosca sul mondo comunista. Le relazioni peggiorarono ulteriormente quando l’Unione Sovietica non appoggiò le rivendicazioni cinesi sul Tibet e si rifiutò di cedere i piani di costruzione della bomba atomica. Nel 1971 la Cina, ormai potenza internazionale, ottenne il seggio del consiglio di sicurezza dell’ONU e riallacciò le relazioni commerciali con gli Stati Uniti. Dalla morte di Mao agli anni ’90 il Paese fu retto da Deng-Xiao-Ping, che, pur continuando un regime fortemente autoritario, avviò la liberalizzazione economica, ponendo le basi della forte crescita economica cinese.

Ma la liberalizzazione andò di pari passo con l’aspirazione alla libertà d’espressione e alla tutela dei diritti civili, che portò alla protesta studentesca del 1989, soffocata nel sangue in piazza Tien-An-Men. Anche l’Indocina fu teatro di violente lotte ideologiche che si conclusero, nel 1975, col passaggio a un regime comunista di Cambogia, Laos e Vietnam, le cui condizioni di arretratezza e povertà non furono certo migliorate dall’applicazione dell’ideologia Marxista. In Cambogia il potere fu conquistato dai Khmer rossi di Polpot, che instaurò una dittatura sanguinaria. Nel Laos si affermò il movimento comunista del Piathet Lao e la repubblica socialista del Vietnam represse ogni dissenso contro il regime comunista del Paese.

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Mao-Tse-Tung

Deng

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO

Un impianto fotovoltaico trasforma direttamente ed istantaneamente l'energia solare in energia elettrica senza l'utilizzo di alcun combustibile. La tecnologia fotovoltaica sfrutta infatti l'effetto fotovoltaico, per mezzo del quale alcuni semiconduttori opportunamente "drogati" generano elettricità se esposti alla radiazione solare.

Le principali applicazioni degli impianti fotovoltaici sono:

• impianti (con sistemi di accumulo) per utenze isolate dalla rete (stand alone);

• impianti per utenze collegate alla rete di bassa tensione (grid connected);

• centrali di produzione di energia elettrica fotovoltaica, generalmente collegate alla rete in media tensione.

Un impianto fotovoltaico è essenzialmente costituito da un generatore (pannelli), da una struttura di sostegno per installare i pannelli sul terreno, su un edificio o una qualsiasi struttura edilizia, da un sistema di controllo e condizionamento della potenza, da un eventuale accumulatore di energia, da quadri elettrici contenenti le apparecchiature di manovra-protezioni e dai cavi di collegamento.

I pannelli solari utilizzano l'energia solare per trasformarla in energia utile e calore per le attività dell'uomo. A seconda dell'utilizzo possiamo distinguerli in:

• pannelli solari fotovoltaici: finalizzati alla produzione di energia elettrica per un normale uso domestico;

• pannelli solari termici: finalizzati al riscaldamento dell'acqua sanitaria;

• pannelli solari a concentrazione: concentrano i raggi solari in un punto tramite un sistema di specchi parabolici; il calore così generato può essere riutilizzato per generare forza vapore e quindi elettricità.

ELETTRONICA

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PRINCIPALI COMPONENTI DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO

Generatore fotovoltaico

Il componente elementare del generatore è la cella fotovoltaica in cui avviene la conversione della radiazione solare in corrente elettrica. La cella è costituita da una sottile fetta di materiale semiconduttore, generalmente silicio opportunamente trattato. Il silicio viene "drogato" mediante l'inserimento su una "faccia" di atomi trivalenti (drogaggio P) e sull'altra "faccia" con piccole quantità di atomi penta valenti (drogaggio N). La regione tipo P ha un eccesso di lacune, mentre la regione tipo N ha un eccesso di elettroni.

Nella zona di contatto tra i due strati a diverso drogaggio (giunzione P-N), gli elettroni tendono a diffondersi dalla regione ad alta densità di elettroni (N) alla regione a bassa densità di elettroni (P) creando pertanto un accumulo di carica negativa nella regione P. Si viene quindi a creare un campo elettrico interno alla giunzione che si oppone all'ulteriore diffusione di cariche elettriche. Se si applica una tensione dall'esterno, la giunzione permette il passaggio di corrente in un solo senso (funzionamento da diodo). Quando la cella è esposta alla luce vengono a crearsi delle coppie elettrone-lacuna sia nella zona N che nella zona P. Il campo elettrico interno permette di dividere gli elettroni in eccesso dalle lacune, e li spinge in direzioni opposte gli uni rispetto agli altri. Connettendo la giunzione con un conduttore esterno, si otterrà un circuito chiuso nel quale la corrente fluisce dallo strato P verso lo strato N, fintanto che la cella resta illuminata. Le celle fotovoltaiche collegate tra loro formano un modulo. I moduli sono collocati in serie nei pannelli da installare sui tetti delle abitazioni o in qualsiasi altro spazio esposto alla luce solare.

Nello schema seguente, si può vedere come, da un semplice modulo, si arriva alla costruzione di un generatore fotovoltaico:

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Inverter

Il sistema di condizionamento e controllo della potenza è costituito da un inverter che trasforma la corrente continua in alternata controllando la qualità della potenza in uscita per l'immissione in rete anche attraverso un filtro interno all'inverter stesso.

La figura sotto mostra lo schema di principio di un inverter. I transistor, utilizzati come interruttori statici, sono pilotati da un segnale di apertura- chiusura che nella forma più semplice fornirebbe un'onda quadra in uscita.

Per avvicinarsi il più possibile ad un'onda sinusoidale si utilizza la tecnica più sofisticata a modulazione della larghezza d'impulso (PWM: Pulse With Modulation) che consente di ottenere una regolazione sia sulla frequenza che sul valore efficace della forma d'onda in uscita.

La modulazione di larghezza d'impulso è un tipo di modulazione analogica in cui l'informazione è codificata sottoforma di durata nel tempo di ciascun impulso di un segnale. La durata di ciascun impulso può essere espressa in rapporto al periodo tra due impulsi successivi. In altre parole si può dire che la modulazione PWM è una modulazione impulsiva dove l'informazione contenuta

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nella modulazione è trasferita sulla portante impulsiva tramite la variazione della durata dell'impulso mantenendo ampiezza e fase costanti.

La potenza fornita da un generatore fotovoltaico dipende dal punto in cui esso si trova ad operare. Per ottimizzare l'energia prodotta dall'impianto si deve adeguare il generatore al carico, in modo che il punto di funzionamento corrisponda sempre a quello di massima potenza.

A tal fine viene utilizzato nell'inverter un chopper controllato (un convertitore statico alimentato in corrente continua che permette, mantenendo la corrente continua, di passare da tensione fissa a una variabile e regolabile) denominato inseguitore del punto di massima potenza (MPPT: Maximum Power Point Tracking) che individua istante per istante la coppia di valori tensione-corrente del generatore per la quale la potenza fornita è massima.

L'inverter fotovoltaico è un tipo particolare di inverter progettato espressamente per converitre l'energia elettrica sottoforma di corrente continua prodotta da modulo fotovoltaico, in corrente alternata da immettere direttamente nella rete elettrica. Queste macchine estendono la funzione base di un inverter generico con funzioni sofisticate e all'avanguardia, mediante l'impiego di particolare sistemi di controllo software e hardware che consentono di estrarre dai pannelli solari la massima potenza disponibile (MPPT) in qualsiasi condizione meteorologica.

Partendo dalla curva I-V del generatore fotovoltaico:

Il punto di massimo trasferimento di potenza corrisponde al punto di tangenza tra la caratteristica I-V per un dato valore di radiazione solare e un'iperbole di equazione: V x I = cost.

I dispositivi MPPT commercialmente utilizzati individuano il punto di massima potenza sulla curva caratteristica del generatore provocando ad intervalli regolari delle piccole variazioni di carico che determinano scostamenti dei

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valori di tensione e di corrente, valutando se il nuovo prodotto I-V è maggiore o minore del precedente.

Ci sono svariate tecniche di realizzazione della funzione MPPT, che si differenziano per prestazioni dinamiche e accuratezza.

TIPOLOGIE DI INVERTER

Si possono distinguere due tipologie di inverter, in relazione al tipo di applicazione:

• inverter per impianti connessi a rete;

• inverter per impianti isolati.

Per effetto delle caratteristiche delle performance richieste, questi due tipi di inverter devono avere caratteristiche differenti:

• negli impianti funzionanti in isola, gli inverter devono essere in grado di fornire una tensione il più possibile costante al variare della produzione del generatore e della richiesta del carico;

• negli impianti connessi alla rete, gli inverter devono riprodurre, il più fedelmente possibile, la tensione di rete, cercando nel contempo di ottimizzare e massimizzare la produzione energetica dei pannelli fotovoltaici.

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TIPOLOGIE DI IMPIANTI FOTOVOLTAICI

Impianti isolati (stand alone)

Sono impianti non collegati alla rete elettrica e sono costituiti da pannelli fotovoltaici e da un sistema di accumulo che garantisce l'erogazione di energia elettrica anche nei momenti di scarsa illuminazione o nelle ore di buio.

Essendo la corrente erogata dal generatore fotovoltaico di tipo continuo, se l'impianto utilizzatore necessita di corrente alternata è necessaria l'interposizione dell'inverter. Tali impianti risultano tecnicamente ed economicamente vantaggiosi qualora la rete elettrica sia assente o difficilmente raggiungibile, sostituendo spesso i gruppi elettrogeni. Inoltre, in una configurazione stand alone, il campo fotovoltaico è sovra-dimensionato al fine di consentire, durante le ore di insolazione, sia l'alimentazione del carico, sia la ricarica delle batterie di accumulo, con un certo margine di sicurezza per tener conto delle giornate di scarsa insolazione.

Attualmente le applicazioni più diffuse servono ad alimentare:

• apparecchiature per il pompaggio dell'acqua;

• ripetitori radio, stazioni di rilevamento e trasmissione dati (meteorologici o sismici);

• sistemi di illuminazione;

• segnaletica sulle strade, nei porti e negli aeroporti;

• alimentazione dei servizi nei camper;

• impianti pubblicitari;

• rifugi in alta quota.

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SCHEMA DI UN’UTENZA DOTATA DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO ISOLATO

Impianti collegati alla rete (grid connected)

Gli impianti collegati permanentemente alla rete elettrica assorbono energia da essa nelle ore in cui il generatore fotovoltaico non è in grado di produrre l'energia necessaria a soddisfare il bisogno dell'impianto utilizzatore. Viceversa, se il sistema fotovoltaico produce energia elettrica in eccesso rispetto al fabbisogno dell'impianto utilizzatore, il surplus viene immesso in rete: sistemi connessi alla rete non necessitano pertanto di batterie di accumulatori.

Tali impianti offrono il vantaggio della generazione distribuita, anzichè centralizzata, difatti l'energia prodotta nei pressi dell'utilizzazione ha un valore maggiore di quella fornita dalle grosse centrali tradizionali, perchè si limitano le perdite di trasmissione e si riducono gli oneri economici dei grossi sistemi elettrici di trasporto e dispacciamento. Inoltre la produzione di energia nelle ore di sole consente di ridurre la domanda alla rete durante il giorno, proprio quando si verifica la maggiore richiesta.

Questi impianti sono anche conosciuti con il nome: “Impianti di scambio sul posto”.

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SCHEMA DI UN’UTENZA DOTATA DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO CONNESSO ALLA RETE ELETTRICA

STUDIO DELLO SVILUPPO DEL FOTOVOLTAICO NEGLI ULTIMI ANNI

STATISTICA

INTERPOLAZIONE E SERIE STORICA

Il fotovoltaico sta acquisendo crescente popolarità e favore tra tutte le possibili varianti delle fonti energetiche eco-compatibili. L’Italia è un paese in cui l’irraggiamento solare è notevole, il posto ideale per l’installazione di impianti fotovoltaici. È indubbio che il settore fotovoltaico sia, fra le nuove tecnologie energetiche, quello in più forte espansione; basti pensare che dal 1998 la potenza degli

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impianti installati complessivamente nel mondo sta crescendo annualmente con un ritmo del 35% circa. Un recente rapporto sullo stato del settore fotovoltaico in Italia, realizzato dalla CNES (Commissione Nazionale per l’Energia Solare), illustra le potenzialità del settore e stima la quantità di impianti che potrebbero essere installati nel 2011.

Per analizzare i fenomeni da un punto di vista statistico, si rileva la caratteristica in esame per un certo periodo di tempo e la successione delle osservazioni forma una serie storica. Nell’esame di una serie storica si deve tracciare il grafico delle osservazioni rilevate rispetto al tempo.

Avendo a disposizione i dati seguenti:

ANNO 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Gwp 5 7 9 13 20 25

si ricava il seguente grafico:

Osservando la disposizione dei punti si può ipotizzare che la funzione che meglio rappresenta i miei dati sia quella esponenziale. Per trovare la funzione esponenziale, non si applica direttamente il metodo dei minimi quadrati in quanto il sistema che si otterrebbe non sarebbe lineare nei parametri a e b e quindi sarebbe di difficile soluzione. Si trasforma la funzione prendendo i logaritmi dei due membri: Log y = Log a + t * Log b e posto: Log a = c; Log b = d; Log y = z si ha la funzione:

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z = c + dx lineare nella x. Nel caso da me trattato si ha quindi: indico con x gli anni, con y la potenza prodotta e pongo Log a = c; Log b = d; Log y = z.

Costruisco ora la tabella prendendo i logaritmi in base 10 arrotondati alla settima cifra decimale:

ANNI x y z = Log y xz x² 2005 1 5 0,6989700 0,6989700 1 2006 2 7 0,8450980 1,6901961 4 2007 3 9 0,9542425 2,8627275 9 2008 4 13 1,1139434 4,4557734 16 2009 5 20 1,3010300 6,5051500 25 2010 6 25 1,3979400 8,3876401 36

TOTALI 21 79 6,3112239 24,6004571 91

Si ha: M(x) = Σx/N = 21/6 = 3,5 M(z) = Σz/N = 6,3112239/6 = 1,052 d = [Σxz – (Σx * Σz)]/[ Σx2 – (Σx) 2 = = [(6 * 24,6004571) – (21 * 6,3112239)]/[(6 * 91) - 212] = 0,1435 c = M(z) – d * M(x)= 0,54975

La retta ha quindi equazione: z = 0,1435x + 0,54975

Ritornando ai parametri a e b: da Log a = c si ricava: a = 10c = 3,5461

da Log b = d si ricava: b = 10d = 1,3915

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La funzione esponenziale cercata è data da: y = 3,5461 * 1,39155x

Sulla base di quanto ho ottenuto posso quindi determinare una previsione per l’anno 2011 che rappresenta il 7° anno.

y = 3,5461 * 1,39157 = 35,83

Il grafico con l’aggiunta del settimo anno corrisponderà al seguente:

Una serie storica presenta quasi sempre un trend, o crescente o decrescente. Nel caso da me trattato il trend è crescente e posso quindi concludere dicendo che il numero degli impianti fotovoltaici che potrebbero essere installati nell’anno 2011 è 7 volte superiore a quello degli impianti presenti nel 2005 in Italia. È un buon risultato in quanto si può affermare che molte più persone presentano sempre maggior fiducia nelle fonti di energia rinnovabili e si sentono più sensibilizzate riguardo alle problematiche legate all’inquinamento.

MATEMATICA ACCENNI ALLA FUNZIONE ESPONENZIALE

La funzione esponenziale è una delle più importanti funzioni in matematica, definita per ogni x appartenente all'insieme dei numeri reali.

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La sua proprietà fondamentale è che la derivata della funzione esponenziale f (x) = ex è se stessa.

A volte, specialmente nelle scienze, si indicano come funzioni esponenziali tutte quelle della forma kax, dove a, chiamato base, è un numero reale positivo.

Ponendo la base a > 1 (riconducibile al caso da me trattato nel paragrafo precedente) si ha che:

Ponendo invece la base a < 1 si ha che:

ESEMPIO DI DIMENSIONAMENTO DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO

Premessa

Quello seguente è un esempio di dimensionamento di un impianto fotovoltaico del tipo grid connected in parallelo ad un impianto utilizzatore preesistente. È un impianto PV di piccole dimensioni, tipico di un'utenza familiare.

Si vuole dimensionare un impianto fotovoltaico allacciato alla rete pubblica di BT in regime di scambio sul posto per una villetta monofamiliare situata in provincia di Bergamo. Tale villetta è già allacciata alla rete con potenza contrattuale di 3 [kw], con un consumo medio annuale di circa 4000 [kwh]. La falda del tetto (considerando un tetto a due falde) su cui verranno installati i pannelli con integrazione parziale, ha una superficie di 60 metri quadri, è inclinata di 30° ed ha un orientamento di +15° rispetto a sud. Si decide di

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dimensionare un impianto a 3 [kwp], al fine di soddisfare il più possibile la richiesta di potenza dell'utente.

Selezione pannelli

Ipotizzando di utilizzare pannelli in silicio policristallino di potenza unitaria pari a 175 [w], si rendono necessari 17 pannelli, valore valutabile con la relazione 3000/175=17. si ipotizza che i pannelli vengano tutti collegati in serie in un'unica stringa.

Le principali caratteristiche del generico pannello dichiarate dal costruttore sono:

• potenza nominale: 175 [w];

• efficienza: 12.8%;

• superficie: 1,36 [mq];

• temperatura minima: -10°C;

• temperatura massima: +70°C.

La superficie totale ricoperta dai pannelli sarà quindi pari a 1,36x17=23 [mq], inferiore alla superficie a disposizione della falda del tetto.

Scelta dell'inverter

Data la piccola potenza dell'impianto fotovoltaico e per effettuare la connessione diretta alla rete in BT monofase, si sceglie un inverter monofase, il quale effettua la conversione c.c./c.a. con tecnica PWM. Tale inverter è dotato di un trasformatore in uscita per l'isolamento galvanico tra la rete elettrica e l'impianto fotovoltaico. Ha filtri in ingresso ed uscita per la soppressione di disturbi emessi (es. rumore bianco generato da apparecchiature elettroniche) ed un sensore di isolamento verso terra dei pannelli fotovoltaici. È munito del dispositivo di inseguimento del punto di massima potenza MPPT.

Scelta dei cavi

I pannelli sono collegati tra loro in serie con i cavi L1 e la stringa che si ottiene è collegata al quadro di campo subito a monte dell'inverter attraverso cavi solari unipolari L2. Le cornici dei pannelli e la struttura di supporto della stringa

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molto bello
bello
Tanta roba, sei un grande!
cm la scarico?
Bella roba !!!
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