Efficienza pannelli fotovoltaici: materiali ed esposizione

Presentiamo una guida in tre puntate dedicata ai pannelli fotovoltaici: come valutarne l’efficienza, quali sono le tecnologie disponibili, come sceglierle e quali costi hanno. Questo primo articolo è dedicato all’efficienza dei pannelli fotovoltaici in base ai materiali e alla esposizione.

Efficienza pannelli fotovoltaici: materiali e esposizione
Efficienza pannelli fotovoltaici: materiali e esposizione
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Il fotovoltaico è una delle fonti rinnovabili più adatte all’installazione sugli edifici del nostro paese. L’Italia è infatti un Paese che si presta oltremodo al collocamento dei pannelli FV in falda sui tetti degli edifici.

Il fotovoltaico è anche una delle tecnologie che guida la progettazione sostenibile: l’architettura green a basso impatto necessità di energia rinnovabile e condivisa.

L’edilizia sostenibile crea valore

Il fotovoltaico è infatti alla base delle comunità energetiche che stanno vivendo un forte sviluppo nel nostro paese.

Naturalmente esistono numerose tipologie di pannelli fotovoltaici che si distinguono per materiali, installazione, manutenzione e efficienza. Vediamo quindi quali aspetti tenere in considerazione quando si sceglie il pannello fotovoltaico.

L’efficienza delle celle fotovoltaiche

I pannelli fotovoltaici rappresentano, insieme all’inverter, una delle due componenti principali dell’impianto fotovoltaico.
Ogni pannello FV è costituito da diverse celle fotovoltaiche. Esse convertono l’energia solare incidente sulla loro superficie in energia elettrica.
La quantità di celle FV per ogni pannello è variabile e dipende sia dalla marca che dalla tecnologia impiegata da ciascun produttore. In media, il numero di celle di un pannello varia da 48 a 96.

Come si determina l’efficienza delle celle dei pannelli fotovoltaici?

L’efficienza di una cella è la quantità di energia solare che essa riesce a convertire in energia elettrica. Un parametro molto semplice per misurare l’efficienza effettiva di un pannello è di leggerne sulle schede tecniche il rendimento per metro quadrato di superficie captante.

L’efficienza è quindi il rapporto tra la potenza elettrica in uscita (prodotta) e l’intensità della radiazione solare incidente sulla superficie di un modulo.

Il valore standard di riferimento per l’irraggiamento solare è di 1.000 W/mq. Se 1.000W di energia solare irraggiano ogni metro quadro di pannello quanta energia è trasformata effettivamente in elettricità?

Solo una decina di anni fa i moduli commerciali in silicio vantavano un 7-15% circa di efficienza di conversione. Oggi i più diffusi arrivano al 20%, mentre i più performanti hanno raggiunto – ma solo in laboratorio, in condizioni perfette – il 26%, a fronte del limite teorico del 33%.

I pannelli dalle prestazioni migliori arrivano oggi al 23% di efficienza massima.

Come esporre i pannelli fotovoltaici per migliorarne l’efficienza

Oltre a parlare di efficienza di conversione dei pannelli fotovoltaici, bisogna tenere anche in considerazione un altro aspetto fondamentale. I pannelli devono infatti riuscire a captare il maggiore irraggiamento solare possibile.

Di conseguenza, la loro posa va pensata con molta attenzione anche con una progettazione estremamente scrupolosa. Bisogna pertanto tenere conto di un corretto orientamento cardinale (azimuth) e di una giusta inclinazione (tilt). Quest’ultima, a volte, è influenzata dall’inclinazione della falda su cui andremo ad installare la nostra pannellatura.

Efficienza pannelli fotovoltaici - Fig. 1 - Orientamento cardinale (azimuth) ed inclinazione (tilt)
Fig. 1 – Orientamento cardinale (azimuth) ed inclinazione (tilt)

Spesso la posa di un impianto FV rappresenta il miglior compromesso tra efficienza produttiva ed estetica. Questo perché l’orientamento del manufatto edilizio e le sue falde non possono sempre garantire l’esposizione ideale dei moduli.
In ultima analisi, è altrettanto fondamentale tenere in considerazione:

  • gli elementi di interferenza e disturbo quali ostacoli (edifici, muri, vegetazione, preesistenze, orografia, etc.);
  • gli ombreggiamenti di elementi architettonici. Citiamo ad esempio, i comignoli, gli abbaini e gli aggetti di altre falde che potrebbero proiettare ombre in grado di vanificare la captazione solare diretta.
Per progettare un impianto fotovoltaico davvero efficiente

Quali sono le tecnologie FV disponibili ad oggi sul mercato?

Vediamo nel dettaglio quali sono i materiali più utilizzati oggi per gli impianti fotovoltaici. Ne esaminiamo i vantaggi, le criticità e quando è opportuno sceglierli.

Silicio monocristallino

Il silicio monocristallino è quello con il più alto grado di purezza e generalmente è anche il più efficiente. Questi pannelli, oltre ad essere più costosi, in media occupano meno spazio degli altri. I pannelli in monocristallino rendono meglio alle basse temperature e sono mediamente più performanti dei moduli policristallini in presenza di un minore irraggiamento solare.

Si riconoscono immediatamente per i bordi smussati delle celle, per l’orientamento isoverso dei cristalli e per la loro colorazione blu scuro, tendente al nero.
Per poter esprimere al meglio il proprio potenziale, i pannelli fotovoltaici con celle in silicio monocristallino è bene che siano orientati al fine di captare un irraggiamento solare incidente il più possibile perpendicolare alla loro superficie.

Efficienza pannelli fotovoltaici - Fig. 2 - Pannello FV con celle in silicio monocristallino
Fig. 2 – Pannello FV con celle in silicio monocristallino

Silicio Policristallino

Questo tipo di silicio è leggermente meno efficiente rispetto al monocristallo. Al tempo stesso è anche meno costoso. Rappresenta quindi un’opzione interessante ove la struttura su cui viene posato disponesse di una superficie di maggiore estensione.

Le celle si presentano di colore blu cangiante e si riconoscono immediatamente poiché sono costituite da cristalli di silicio orientati casualmente. Questo ci aiuta a comprendere la ragione della loro inferiore efficienza quando vengono colpite dai raggi solari perpendicolari alla superficie captante.
Tuttavia la loro peculiarità risiede proprio nella capacità di captare meglio la luce solare lungo tutto l’arco giornaliero.

Efficienza pannelli fotovoltaici - Fig. 3 - Pannello FV con celle in silicio policristallino
Fig. 3 – Pannello FV con celle in silicio policristallino

Silicio amorfo/Film sottile

I moduli amorfi sono più flessibili rispetto ai precedenti mono e poli cristallo. Tuttavia presentano un rendimento inferiore del -30% circa, imputabile al procedimento peculiare con cui vengono fabbricati questi pannelli.
I moduli in silicio amorfo non sono infatti composti da celle fotovoltaiche. Sono bensì costituiti da una superficie in vetro o in plastica su cui viene applicato uniformemente uno strato di spessore ridottissimo di silicio (nell’ordine dei millesimi di millimetro = micron) attraverso alta pressione ed atmosfera sottovuoto.
Gli atomi di silicio vengono deposti in forma amorfa, cioè strutturalmente disorganizzata, caratteristica che ne permette la flessione.

Efficienza pannelli fotovoltaici - Fig. 4 - Pannello FV flessibile con celle in silicio amorfo
Fig. 4 – Pannello FV flessibile con celle in silicio amorfo

Efficienza media dei pannelli fotovoltaici in base alla tecnologia costruttiva

Abbiamo fin qui elencato le principali tecnologie utilizzate per le celle fotovoltaiche. Ora proviamo a confrontarle. È ovvio che l’efficienza media dei pannelli FV varia sensibilmente proprio in base alla tecnologia scelta.
C’è comunque un altro fattore che incide sui pannelli monocristallini, policristallini ed a film sottile. Parliamo naturalmente della temperatura della cella: più è alta e più l’efficienza si riduce.

Confrontiamo quindi in questa tabella di riepilogo i vari materiali e le loro performance.

Materiali ed efficienza in percentuale
Fig. 5a – Materiali ed efficienza in percentuale
L'efficienza media dei pannelli FV con celle in silicio dipende anche dalla temperatura della cella
Fig. 5b – L’efficienza media dei pannelli FV con celle in silicio dipende anche dalla temperatura della cella

In questo primo articolo abbiamo visto come i vantaggi e le criticità nella scelta dei materiali e del migliore posizionamento degli impianti fotovoltaici. Nel prossimo ci concentreremo sulle tecnologie e gli impianti disponibili sul mercato e sulle loro caratteristiche.

Pr sapere come migliorare l’efficienza dei tuoi pannelli fotovoltaici 

Ingegnere Edile/Architetto, laureatomi presso l’Università degli Studi di Pavia.
Svolgo l’attività di libero professionista, sono CTU presso il foro Alessandrino e mi dedico alle tematiche energetiche, all’impiantistica, alle fonti rinnovabili ed alla sostenibilità in edilizia.
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