In che modo un impianto fotovoltaico produce elettricità?

Come professionista del solare, è importante essere in grado di spiegare il processo di come un impianto solare fotovoltaico produce energia elettrica. Questo processo sembra misterioso a molti e idee sbagliate abbondano tra coloro che non hanno familiarità con l’energia solare. In questo articolo, torniamo alle origini con una panoramica di come le installazioni solari forniscono elettricità e come funziona il processo per il cliente.

Iniziamo con le basi di come viene prodotta l’energia solare e poi entreremo nelle specifiche dei sistemi fotovoltaici.

Le basi di un sistema solare fotovoltaico

I sistemi solari fotovoltaici sono essenzialmente qualsiasi combinazione di pannelli solari, l’hardware necessario per aiutare il flusso di energia attraverso i pannelli e gli inverter.

A seconda del tipo di sistema possono utilizzare inverter di stringa, microinvertitori o ottimizzatori di potenza per convertire l’energia, ma il trucco di base della maggior parte dei sistemi fotovoltaici è lo stesso.

Come funziona l’energia solare in un impianto fotovoltaico?

I pannelli solari convertono l’energia dei fotoni (particelle di luce) in elettricità (come discutiamo nella Guida per principianti all’energia solare). Questo processo è chiamato effetto fotovoltaico.

Quando un fotone colpisce un dispositivo fotovoltaico (PV), la sua energia viene trasferita dal fotone agli elettroni locali nel materiale. Questi elettroni eccitati iniziano a fluire, producendo una corrente elettrica.

Celle solari (all’interno di pannelli solari) produrre corrente continua (DC) di energia elettrica, che è in genere convertito in corrente alternata (AC) di energia elettrica da un inverter. Ciò consente di rinviarlo alla rete elettrica, che funziona con elettricità AC, nonché utilizzato per alimentare gli apparecchi a casa del cliente (o edificio commerciale, nel caso di impianti solari commerciali).

Questa è la spiegazione approfondita. In sintesi, il processo di funzionamento dei pannelli solari prevede tre fasi principali:

1. Le celle solari all’interno dei pannelli solari assorbono la luce del sole, che fa sì che una corrente elettrica inizi a scorrere.
2. Un inverter converte l’elettricità CC in corrente alternata.
3. Questa elettricità viene utilizzata per fornire le attuali richieste di energia nell’edificio del cliente e l’elettricità in eccesso oltre ciò che il cliente può utilizzare viene esportata nella rete.

Cosa succede con l’energia prodotta da un impianto fotovoltaico?

La maggior parte dei clienti solari negli Stati Uniti dispone di impianti solari collegati alla rete. La loro casa è collegata alla rete elettrica, che consente loro di utilizzare l’energia fornita dalla loro utilità elettrica quando hanno bisogno di più di quanto la loro installazione solare stia producendo (ad esempio in un giorno di pioggia o di notte).

Significa anche che ogni volta che il loro impianto fotovoltaico produce più del necessario, l’energia in eccesso può essere inviata alla rete per essere utilizzata da altri.

Net Metering

Una politica chiamata net metering, comune in tutti gli Stati Uniti, compensa i clienti solari per questa energia in eccesso, in modo che possano compensare il costo dell’elettricità futura che utilizzano dalla rete.

La misurazione netta ha svolto un ruolo significativo nel rendere l’energia solare economica. Tuttavia, in tutto il paese, stiamo iniziando a vedere alcuni cambiamenti nel modo in cui le società di servizi implementano la misurazione netta, molte delle quali riducono il valore che i clienti solari ricevono dalle loro installazioni solari.

Tariffe di alimentazione

Le tariffe di alimentazione sono un altro modo per compensare i clienti solari per l’elettricità che inviano alla rete in alcune aree.

Quali sono le parti di un impianto fotovoltaico?

Un semplice impianto fotovoltaico contiene due tipi fondamentali di componenti:

• Moduli solari: i moduli solari contengono celle solari che convertono la luce solare in elettricità.
• Inverter: un inverter converte la corrente CC in corrente alternata. Può anche eseguire altre funzioni che sono benefiche per la rete elettrica (vedi il nostro articolo sugli inverter intelligenti, che ora sono richiesti in California).

Schema di un semplice impianto fotovoltaico. Fonte: Aurora Solar.

Componenti BOS

È pratica comune riferirsi a tutti i componenti di un impianto fotovoltaico oltre ai moduli come componenti di bilanciamento del sistema (BOS). Esempi di componenti BOS includono inverter, disconnessioni, travaso e cablaggio.

Naturalmente, questa è solo una panoramica di base delle parti di un impianto solare e di come si incastrano. Esplora alcuni dei nostri articoli correlati per approfondire i modi in cui i pannelli solari e gli inverter possono essere cablati insieme (tesatura) e alcune alternative agli inverter tradizionali, noti come module-level Power Electronics (MLPE).

Quali fattori influenzano l’efficienza del sistema solare fotovoltaico

È importante notare che il processo di produzione di elettricità dall’energia solare non è efficiente al 100%. I fattori ambientali, come la temperatura, lo sporco e l’ombreggiatura, nonché le perdite nei componenti elettrici, possono influire sull’efficienza di un impianto fotovoltaico. Le categorie tipiche di perdita includono:

• Temperatura: efficienza del pannello solare varia con la temperatura. Le alte temperature hanno un impatto negativo sulle prestazioni.
• Sporco: Il materiale che si accumula sulla superficie dei pannelli fotovoltaici può bloccare la luce dal raggiungere le celle solari, riducendo così la potenza generata. La perdita di potenza dovuta allo sporco è molto variabile, a seconda del tipo di sporco (come polvere o neve) e della frequenza con cui il pannello viene pulito.

Lo sporco, come la polvere, sui moduli fotovoltaici riduce la potenza.

• Ombreggiatura: l’ombreggiatura è l’ostruzione dell’irraggiamento dovuta ad alberi, edifici, terreno e altri oggetti nell’ambiente. L’effetto dell’ombreggiatura sulla potenza di un impianto solare è molto variabile. (Per saperne di più sulle cause e le conseguenze dell’ombreggiatura, questo articolo e questa sezione della nostra serie di perdite di impianti fotovoltaici sono grandi risorse.)
• Cablaggio e connessioni: la resistenza nei collegamenti elettrici di un impianto solare provoca in genere perdite di energia di una piccola percentuale.
• Mancata corrispondenza: a causa delle variazioni di produzione, i moduli dello stesso tipo possono avere caratteristiche elettriche leggermente diverse. Questa mancata corrispondenza tra i moduli può portare a una perdita di prestazioni.
• Inverter Efficienza: Conversione DC in corrente alternata tramite un inverter è in genere intorno 96-97% efficiente. Gli inverter hanno in genere una maggiore efficienza quando la potenza di ingresso CC è elevata. L’efficienza di conversione richiede un grande successo quando la potenza di ingresso è molto inferiore alla potenza nominale dell’inverter.
• Età: i pannelli solari producono meno energia più invecchiano. In genere si presume che la diminuzione delle prestazioni sia di circa lo 0,5% all’anno.

Per un’immersione profonda su queste perdite vedere la nostra serie Perdite impianto fotovoltaico.

Valori tipici di efficienza solare per diversi tipi di perdita di impianti fotovoltaici.

Fattore di riduzione del sistema

I fattori di cui sopra sono combinati in un coefficiente chiamato fattore di riduzione del sistema per rappresentare le perdite complessive di un impianto solare. Ad esempio, PVWatts, un calcolatore di produzione di energia del sistema fotovoltaico supportato da NREL, utilizza un fattore di riduzione del sistema predefinito dell ‘ 86%.

Tuttavia, a seconda della progettazione del sistema o delle condizioni ambientali, questo valore può essere superiore o inferiore. Il software di progettazione solare avanzato come Aurora può assicurare che determiniate esattamente le perdite del sistema di PV e quanta energia il vostro sistema di PV produrrà.

Pannello solare (modulo) efficienza denota quale porzione di irraggiamento un modulo converte in energia elettrica in condizioni di prova standard (STC; irraggiamento di 1000 W/m2, temperatura ambiente di 25°C). Come regola generale, è possibile stimare l’efficienza di un impianto fotovoltaico nella conversione dell’irraggiamento in elettricità (sotto STC) utilizzando la seguente formula:

$ $ \text {Efficienza complessiva del sistema}= \text {Efficienza del modulo} \times \text {Fattore di riduzione}$$

È importante notare che questi sono semplicemente calcoli back-of-the-envelope. Per ottenere un’analisi completa della produzione di energia, è necessaria un’applicazione software, come Aurora, che incorpora tutte le caratteristiche ambientali, meccaniche ed elettriche di un impianto fotovoltaico.

Informazioni su Solar PV Education 101

Come un impianto fotovoltaico produce elettricità fa parte di Solar PV Education 101, una serie di sei articoli che funge da primer introduttivo sui fondamenti del fotovoltaico solare per i principianti.

Articolo 1: La Guida per Principianti per l’Energia Solare
Articolo 2: Come un impianto Fotovoltaico Produce energia Elettrica
Articolo 3: Leggendo la Tua Bolletta Elettrica: Una Guida per Principianti
Articolo 4: la Dimensione di un impianto FOTOVOLTAICO di una Bolletta Elettrica
Articolo 5: l’Ombra delle Perdite per i Sistemi FOTOVOLTAICI e delle Tecniche per risolverli
Articolo 6,: I principi di base che guidano i costi degli impianti fotovoltaici

Christian Brown