Come funzionano i pannelli solari fotovoltaici? Guida completa
I pannelli solari fotovoltaici trasformano direttamente la luce del sole in energia elettrica.
In termini semplici, la luce colpisce le celle fotovoltaiche presenti nei pannelli e genera corrente elettrica continua. Un dispositivo chiamato inverter trasforma poi questa corrente in corrente alternata, utilizzabile dagli elettrodomestici e dagli altri dispositivi elettrici di casa o dell’azienda.
L’energia prodotta può essere utilizzata immediatamente, accumulata in una batteria oppure, quando è in eccesso, immessa nella rete elettrica.
Il principio sembra semplice, ma dietro il funzionamento di un impianto fotovoltaico ci sono diversi componenti e alcuni concetti che è importante conoscere.
Vediamo quindi come funzionano realmente i pannelli solari fotovoltaici, cosa succede all’energia prodotta e quali fattori determinano la produzione di un impianto.
Come funzionano i pannelli solari in breve
Il funzionamento di un impianto fotovoltaico può essere riassunto in cinque passaggi:
- la luce del sole raggiunge le celle fotovoltaiche;
- le celle trasformano l’energia luminosa in corrente elettrica continua;
- l’inverter converte la corrente continua in corrente alternata;
- l’energia viene utilizzata dagli apparecchi elettrici presenti nell’edificio;
- l’eventuale energia non utilizzata può essere accumulata in una batteria oppure immessa nella rete elettrica.
È questo il principio alla base della produzione di energia elettrica attraverso il fotovoltaico.
Pannelli solari e pannelli fotovoltaici sono la stessa cosa?
Nel linguaggio comune i due termini vengono spesso utilizzati come sinonimi, ma è utile fare una distinzione.
“Pannello solare” è un termine generico che può riferirsi a tecnologie differenti che utilizzano l’energia proveniente dal sole.
Le due più diffuse sono:
- i pannelli fotovoltaici, che producono energia elettrica;
- i pannelli solari termici, o collettori solari, che sfruttano il calore del sole per riscaldare un fluido e produrre principalmente acqua calda sanitaria.
Quando in questo articolo parliamo di pannelli solari ci riferiamo quindi ai pannelli fotovoltaici.
Cos’è un pannello fotovoltaico?
Un pannello fotovoltaico, chiamato tecnicamente anche modulo fotovoltaico, è formato da numerose celle collegate elettricamente tra loro.
Le celle rappresentano la parte in cui avviene materialmente la conversione della luce in elettricità.
La tecnologia oggi dominante è basata sul silicio cristallino. Il mercato dei moduli fotovoltaici è ormai quasi interamente costituito da celle in silicio monocristallino, mentre il policristallino, molto diffuso negli impianti degli anni passati, ha perso progressivamente spazio nelle nuove installazioni.
Un modulo è inoltre composto da diversi strati progettati per proteggere le celle dagli agenti atmosferici e garantirne la durata nel tempo, tra cui vetro frontale, materiali di incapsulamento, struttura e connessioni elettriche.
Come fa la luce del sole a diventare elettricità?
Il processo prende il nome di effetto fotovoltaico.
La luce solare è composta da particelle di energia chiamate fotoni.
Quando i fotoni raggiungono il materiale semiconduttore delle celle fotovoltaiche, possono trasferire energia agli elettroni presenti nel materiale.
Grazie alla particolare struttura elettrica della cella, gli elettroni vengono messi in movimento e generano una corrente elettrica.
Quella prodotta direttamente dalle celle è corrente continua, indicata spesso con la sigla DC.
La maggior parte degli apparecchi elettrici e la rete domestica utilizzano invece corrente alternata, AC.
Per questo entra in gioco uno degli elementi più importanti dell’impianto: l’inverter.
A cosa serve l’inverter fotovoltaico?
L’inverter trasforma la corrente continua generata dai pannelli in corrente alternata compatibile con l’impianto elettrico dell’edificio.
Senza inverter, l’energia prodotta dai normali moduli fotovoltaici non potrebbe essere utilizzata direttamente dall’impianto elettrico domestico.
Ma gli inverter moderni svolgono anche altre funzioni.
Possono, ad esempio:
- gestire il funzionamento dell’impianto;
- ottimizzare il punto di lavoro dei pannelli;
- monitorare produzione e anomalie;
- gestire l’interazione con la rete;
- comunicare con eventuali sistemi di accumulo;
- fornire attraverso app o portali i dati di produzione dell’impianto.
L’inverter può quindi essere considerato uno dei principali “centri di controllo” dell’impianto fotovoltaico.
Dal pannello alla presa di casa: che percorso fa l’energia?
Vediamo concretamente cosa accade durante una giornata di sole.
I pannelli producono corrente continua.
L’inverter la converte in corrente alternata.
Da quel momento l’energia può alimentare direttamente i consumi presenti nell’edificio: frigorifero, climatizzatore, pompa di calore, illuminazione, elettrodomestici, macchinari aziendali e qualsiasi altra utenza elettrica.
Se in quel momento l’abitazione sta consumando 2 kW e l’impianto ne sta producendo 3, una parte della produzione viene utilizzata immediatamente e rimane un’eccedenza.
Questa energia può avere destinazioni differenti a seconda della configurazione dell’impianto.
Cos’è l’autoconsumo fotovoltaico?
L’autoconsumo è l’energia prodotta dall’impianto fotovoltaico e utilizzata direttamente nello stesso luogo in cui viene generata.
È quindi la situazione in cui produzione e consumo avvengono contemporaneamente.
Se, ad esempio, l’impianto sta producendo energia mentre sono in funzione la lavatrice, il climatizzatore o una pompa di calore, l’elettricità richiesta da questi apparecchi può essere fornita direttamente dal fotovoltaico.
L’energia autoconsumata non deve essere acquistata in quel momento dalla rete elettrica.
Per questo l’autoconsumo rappresenta uno degli aspetti più importanti nella valutazione economica di un impianto fotovoltaico.
Cosa succede all’energia che non consumo?
Quando l’impianto produce più energia di quella richiesta in quel momento dall’abitazione o dall’azienda, si crea un surplus.
Se è presente una batteria di accumulo e ci sono le condizioni per caricarla, parte dell’energia può essere immagazzinata.
Quando invece non può essere autoconsumata o accumulata, l’energia può essere immessa nella rete elettrica.
È importante quindi distinguere tre concetti:
- energia prodotta: tutta l’energia generata dall’impianto;
- energia autoconsumata: quella utilizzata immediatamente nell’edificio;
- energia immessa in rete: la parte della produzione che non viene utilizzata sul posto.
Come funziona un impianto fotovoltaico con accumulo?
Un sistema di accumulo utilizza batterie, generalmente gestite attraverso appositi sistemi elettronici, per conservare parte dell’energia fotovoltaica prodotta durante la giornata.
Supponiamo che a mezzogiorno l’impianto produca molto più di quanto la casa stia consumando.
Invece di immettere immediatamente tutta l’eccedenza nella rete, il sistema può utilizzare parte di quell’energia per caricare la batteria.
La sera, quando i pannelli non producono più, l’energia accumulata può essere utilizzata per alimentare i consumi dell’abitazione.
L’obiettivo principale dell’accumulo è quindi aumentare la quota di energia fotovoltaica utilizzata direttamente dall’utente.
Questo non significa però diventare automaticamente indipendenti dalla rete.
La convenienza e il corretto dimensionamento della batteria dipendono dai consumi, dalle abitudini dell’utente, dalla potenza dell’impianto e dal profilo di produzione.
I pannelli fotovoltaici funzionano anche quando è nuvoloso?
Sì.
I pannelli fotovoltaici utilizzano la luce, non il calore del sole.
Per produrre energia non è quindi necessario che il cielo sia perfettamente sereno.
Anche durante una giornata nuvolosa una parte della radiazione solare raggiunge i pannelli e consente la produzione di energia elettrica.
La produzione sarà però generalmente inferiore rispetto a quella ottenuta in condizioni di maggiore irraggiamento.
Questo è il motivo per cui la produzione di un impianto varia continuamente durante la giornata e nel corso dell’anno.
I pannelli fotovoltaici funzionano di notte?
No.
Di notte non è disponibile la radiazione solare necessaria per generare energia attraverso l’effetto fotovoltaico.
In assenza di luce, quindi, i pannelli non producono energia elettrica in quantità utilizzabile.
Durante le ore notturne l’abitazione viene alimentata normalmente dalla rete elettrica oppure, se presente e sufficientemente carica, dalla batteria di accumulo.
I pannelli producono di più quando fa molto caldo?
Non necessariamente.
Un errore frequente è pensare che un pannello fotovoltaico produca maggiormente perché viene riscaldato dal sole.
In realtà il fotovoltaico utilizza la radiazione luminosa.
Temperature elevate delle celle possono ridurre l’efficienza del modulo rispetto alle condizioni nominali.
Per questo una giornata molto luminosa ma relativamente fresca può offrire condizioni particolarmente favorevoli alla produzione.
La resa reale dipende comunque da molti fattori e non dalla temperatura considerata isolatamente.
Da cosa dipende quanto produce un pannello fotovoltaico?
La quantità di energia generata da un impianto non dipende solamente dalla potenza indicata sulla scheda tecnica del pannello.
I principali fattori sono:
Irraggiamento solare
È uno dei fattori determinanti.
A parità di impianto, località con una maggiore disponibilità di radiazione solare possono ottenere produzioni annuali superiori.
Orientamento dei pannelli
L’orientamento influenza le ore della giornata nelle quali l’impianto riceve maggiormente la radiazione solare.
Non esiste però una regola da applicare in maniera rigida a ogni edificio: la soluzione migliore dipende dalla struttura disponibile e anche dagli obiettivi energetici dell’impianto.
Inclinazione
Anche l’inclinazione dei moduli influisce sulla quantità di radiazione intercettata durante l’anno.
La progettazione deve tenere conto della posizione geografica, della superficie disponibile e delle caratteristiche del tetto.
Ombreggiamenti
Camini, antenne, alberi, edifici circostanti o altri ostacoli possono creare ombre sui moduli.
L’effetto dell’ombreggiamento deve essere analizzato attentamente durante la progettazione perché può influenzare la produzione dell’impianto.
Temperatura
Come abbiamo visto, temperature molto elevate delle celle possono ridurre temporaneamente la loro efficienza.
Qualità e tecnologia dei componenti
Modulo, inverter, cablaggi, progettazione e corretta installazione contribuiscono tutti alle prestazioni complessive del sistema.
kW e kWh: qual è la differenza?
È una delle confusioni più comuni quando si parla di fotovoltaico.
Il kW, kilowatt, indica una potenza.
Quando si parla, ad esempio, di un impianto fotovoltaico da 6 kW si fa riferimento alla sua potenza nominale.
Il kWh, kilowattora, indica invece una quantità di energia.
Se un impianto produce 7.000 kWh in un anno, stiamo parlando dell’energia complessivamente generata durante quel periodo.
È quindi scorretto dire che un impianto “produce 6 kW all’anno”: potenza ed energia sono grandezze differenti.
Quanti pannelli servono per un impianto fotovoltaico?
Dipende dalla potenza del singolo modulo e dalla potenza totale che si vuole installare.
Per fare un esempio puramente matematico, utilizzando moduli da 450 W:
10 pannelli corrispondono a circa 4,5 kWp;
14 pannelli corrispondono a circa 6,3 kWp;
22 pannelli corrispondono a circa 9,9 kWp.
Non significa però che un’abitazione debba necessariamente installare una determinata potenza.
Il dimensionamento corretto parte dall’analisi dei consumi e delle caratteristiche dell’edificio, non dal semplice numero di pannelli che possono entrare sul tetto.
Quali sono i principali tipi di pannelli fotovoltaici?
Sul mercato sono presenti differenti tecnologie.
Pannelli monocristallini
Sono oggi la tecnologia dominante nelle nuove installazioni.
Le celle vengono ottenute da silicio monocristallino e permettono di ottenere elevate prestazioni occupando superfici relativamente contenute.
All’interno di questa categoria esistono numerose tecnologie costruttive differenti.
Negli ultimi anni, ad esempio, si sono diffuse rapidamente celle di tipo n, utilizzate in tecnologie come TOPCon e HJT.
Pannelli policristallini
Sono stati per molti anni molto comuni negli impianti fotovoltaici.
Oggi il mercato delle nuove installazioni si è spostato quasi completamente verso il monocristallino, grazie soprattutto alla maggiore efficienza e all’evoluzione dei processi produttivi.
È comunque normale trovare moduli policristallini in moltissimi impianti già installati.
Pannelli a film sottile
Utilizzano strati molto sottili di materiali semiconduttori.
Hanno caratteristiche differenti rispetto ai tradizionali moduli in silicio cristallino e trovano applicazione in specifici contesti.
Per il normale fotovoltaico residenziale italiano, il silicio cristallino rimane la soluzione predominante.
Cos’è un pannello fotovoltaico bifacciale?
Un modulo bifacciale è progettato per sfruttare la radiazione luminosa sia attraverso la superficie anteriore sia, in determinate condizioni, attraverso quella posteriore.
La produzione aggiuntiva dipende fortemente dalla modalità di installazione e dalla quantità di luce riflessa dalla superficie sottostante.
Per questo la bifaccialità non determina automaticamente un vantaggio significativo in qualsiasi installazione.
È particolarmente interessante quando il retro del modulo può ricevere una quantità utile di radiazione riflessa.
Quanto durano i pannelli fotovoltaici?
I moduli fotovoltaici sono progettati per lavorare per molti anni.
Con il trascorrere del tempo la loro potenza può diminuire gradualmente a causa del naturale degrado dei materiali.
Per questo i produttori distinguono normalmente tra garanzia sul prodotto e garanzia sulle prestazioni.
Quest’ultima indica la quantità minima di potenza che il produttore garantisce dopo un determinato numero di anni.
La durata effettiva dell’impianto non dipende però solamente dai moduli.
Inverter, batterie, componenti elettrici e strutture hanno caratteristiche e cicli di vita differenti e devono essere valutati separatamente.
I pannelli fotovoltaici richiedono manutenzione?
Il fotovoltaico richiede generalmente una manutenzione limitata, ma questo non significa che debba essere completamente ignorato.
È utile controllare periodicamente:
- produzione dell’impianto;
- segnalazioni dell’inverter;
- eventuali anomalie;
- stato visibile dei moduli;
- presenza di sporco anomalo o ostacoli;
- componenti e connessioni secondo le indicazioni del produttore e dell’installatore.
Il monitoraggio è particolarmente utile perché una riduzione anomala della produzione può essere individuata più rapidamente.
La pulizia dei moduli deve invece essere valutata in base alle condizioni reali dell’installazione: non esiste una frequenza universale valida per tutti gli impianti.
Fotovoltaico e solare termico: qual è la differenza?
Entrambi sfruttano l’energia proveniente dal sole, ma lo fanno in maniera completamente diversa.
Il fotovoltaico produce energia elettrica.
Il solare termico produce energia termica, normalmente utilizzata per riscaldare acqua.
Un impianto fotovoltaico può quindi alimentare apparecchi elettrici, climatizzatori, pompe di calore, sistemi di illuminazione e altre utenze.
Il solare termico, invece, è progettato principalmente per soddisfare una parte del fabbisogno di acqua calda sanitaria e, in alcune configurazioni, contribuire al riscaldamento.
Non sono quindi due nomi differenti della stessa tecnologia.
Come funziona il fotovoltaico con una pompa di calore?
Fotovoltaico e pompa di calore possono essere utilizzati insieme.
La pompa di calore utilizza energia elettrica per il proprio funzionamento; quando il fotovoltaico sta producendo e la pompa di calore è in funzione, una parte dell’elettricità richiesta può provenire direttamente dall’impianto fotovoltaico.
Una corretta integrazione tra i due sistemi può quindi aumentare l’utilizzo dell’energia prodotta sul posto.
Anche in questo caso è però necessario dimensionare l’impianto sulla base dei consumi reali e del funzionamento dell’edificio.
Come si dimensiona correttamente un impianto fotovoltaico?
Non basta dividere il consumo annuale della bolletta per la potenza di un pannello.
Un dimensionamento corretto dovrebbe considerare almeno:
- consumi elettrici annuali;
- distribuzione dei consumi durante la giornata;
- consumi nelle diverse stagioni;
- superficie disponibile;
- orientamento e inclinazione;
- eventuali ombreggiamenti;
- località geografica;
- eventuale pompa di calore;
- auto elettrica presente o prevista;
- eventuale batteria di accumulo;
- possibili aumenti futuri dei consumi.
Due famiglie che consumano la stessa quantità di energia durante l’anno possono quindi avere esigenze completamente differenti.
È proprio il profilo orario dei consumi a determinare quanto dell’energia fotovoltaica potrà essere utilizzato direttamente.
Un impianto fotovoltaico conviene?
La convenienza dipende dalla situazione specifica.
Il fotovoltaico permette di ridurre la quantità di energia acquistata dalla rete quando riesce a coprire direttamente una parte dei consumi dell’edificio.
Maggiore è la capacità di utilizzare l’energia prodotta, maggiore può essere il beneficio derivante dall’autoconsumo.
Ma il risultato economico dipende da molti elementi:
- costo dell’impianto;
- produzione attesa;
- consumi;
- percentuale di autoconsumo;
- eventuale presenza di accumulo;
- costo dell’energia;
- modalità di valorizzazione dell’energia immessa;
- eventuali agevolazioni disponibili;
- vita utile e costi di gestione dell’impianto.
Per questo non è corretto stabilire la convenienza di un impianto utilizzando solamente la sua potenza o una stima generica del risparmio.
Perché la progettazione è importante quanto il pannello
Quando si sceglie un impianto fotovoltaico è facile concentrarsi esclusivamente sulla marca o sull’efficienza dei moduli.
Sono elementi importanti, ma non sono gli unici.
Un buon impianto nasce dall’equilibrio tra:
- qualità dei moduli;
- inverter;
- progettazione elettrica;
- layout dell’impianto;
- analisi degli ombreggiamenti;
- strutture di fissaggio;
- protezioni elettriche;
- eventuale accumulo;
- qualità dell’installazione;
- corretto dimensionamento rispetto ai consumi.
Un pannello con ottime caratteristiche tecniche non può compensare una progettazione sbagliata.
Vuoi sapere quale impianto fotovoltaico è adatto ai tuoi consumi?
Capire come funzionano i pannelli è il primo passo.
Il secondo è capire quale impianto abbia realmente senso installare sulla propria abitazione o azienda.
Mondo Energetico analizza consumi, caratteristiche dell’immobile, superficie disponibile e obiettivi energetici per progettare una soluzione fotovoltaica dimensionata sulle reali esigenze del cliente.
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Domande frequenti sui pannelli fotovoltaici
Un pannello fotovoltaico produce energia anche senza sole diretto?
Sì. Può produrre energia anche con luce diffusa e cielo nuvoloso, ma generalmente con una potenza inferiore rispetto alle condizioni di forte irraggiamento.
I pannelli fotovoltaici producono energia di notte?
No. Senza radiazione solare i moduli non producono energia elettrica utile. I consumi notturni vengono coperti dalla rete o, se presente e disponibile, dalla batteria.
I pannelli funzionano con il caldo?
Sì, ma è la luce a permettere la produzione di energia, non il calore. Temperature elevate delle celle possono inoltre ridurne temporaneamente l’efficienza.
Cosa succede se produco più energia di quella che consumo?
L’eccedenza può essere utilizzata per caricare un sistema di accumulo, se presente e disponibile, oppure essere immessa nella rete elettrica.
Una batteria è indispensabile per avere un impianto fotovoltaico?
No. Un impianto fotovoltaico può funzionare perfettamente anche senza accumulo. La batteria serve principalmente a spostare nel tempo l’utilizzo di una parte dell’energia prodotta.
Quanti pannelli servono per una casa?
Non esiste un numero valido per tutte le abitazioni. Dipende dalla potenza dei moduli, dai consumi, dallo spazio disponibile e dalla potenza complessiva dell’impianto che viene progettato.
Qual è la differenza tra kW e kWh?
Il kW misura la potenza, mentre il kWh misura una quantità di energia. Un impianto viene normalmente descritto attraverso la sua potenza in kW o kWp; la produzione annuale viene invece espressa in kWh.
Quanto dura un pannello fotovoltaico?
I moduli sono progettati per funzionare per molti anni, con una graduale riduzione delle prestazioni nel tempo. Garanzia di prodotto e garanzia sulle prestazioni variano però in base al produttore e al modello.
Meglio fotovoltaico con o senza accumulo?
Dipende dai consumi e da quando vengono effettuati. Un accumulo può aumentare l’autoconsumo, ma deve essere dimensionato correttamente e la sua convenienza economica va valutata sul caso specifico.
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