I moduli fotovoltaici, che devono essere orientati quanto più possibile perpendicolari alla radiazione solare, collegati tra loro in serie e parallelo formano delle stringhe che nel loro insieme costituiscono l’impianto fotovoltaico.
L’energia prodotta da un generatore fotovoltaico difficilmente viene utilizzata direttamente e tra il generatore e l’utilizzatore sono interposti diversi dispositivi elettrici con precise funzioni: gli inverter o convertitori statici, i trasformatori, i regolatori di carica e le batterie. Gli impianti fotovoltaici possono essere suddivisi in due categorie principali:
- impianti isolati dalla rete elettrica (denominati stand-alone oppure off-grid)
- impianti connessi alla rete elettrica (denominati grid-connected) con e senza accumulo
Gli impianti grid-connected immettono l’energia prodotta dall’impianto fotovoltaico nella rete elettrica nazionale, previa conversione in corrente alternata. L’impiego di tale tipologia di impianto, si è rivelata la più adeguata per una diffusione capillare sia nei contesti urbanizzati (tetti fotovoltaici), sia su larga scala (centrali fotovoltaiche). La modularità e la facilità di installazione dei moduli fotovoltaici, rendono questa tecnologia particolarmente adatta all’integrazione nelle facciate e coperture degli edifici, consentendo lo sfruttamento, a basso impatto, di superfici altrimenti non utilizzabili.
Gli impianti grid-connected non richiedono sistemi di accumulo, poiché la connessione alla rete elettrica garantisce la disponibilità di energia elettrica in ogni condizione di produzione, consentendo la massima flessibilità di impiego. È anzi la rete che funge da accumulatore, essendo in grado di ricevere l’energia prodotta nelle ore di maggiore irraggiamento solare e consentendo il prelievo, necessario ai propri consumi, nei momenti meno favorevoli, come ad esempio nelle ore notturne o di scarsa insolazione. L’energia prodotta mediante un impianto fotovoltaico grid-connected può infatti essere utilizzata direttamente e istantaneamente oppure, se in eccesso rispetto ai propri consumi, immessa in rete; quando l’impianto non è invece in grado di supplire alle necessità energetiche, l’utente preleva normalmente energia elettrica dalla rete.
I criteri progettuali e di dimensionamento sono pertanto legati prevalentemente alla disponibilità economico-finanziaria e di superfici, mentre possono ritenersi scevri da esigenze contingenti di potenza poiché l’esistenza della rete, che funziona da serbatoio di energia, non rende necessario il dimensionamento dell’impianto rispetto al proprio fabbisogno.
In un impianto fotovoltaico tradizionale, l’energia elettrica prodotta che non viene utilizzata interamente, viene immessa successivamente nella rete elettrica durante le ore di irraggiamento; questo processo prende il nome di “scambio sul posto“. Ciò che spesso accade, però, è che i maggiori consumi di energia elettrica si hanno nelle ore serali e notturne, proprio quando non c’è irraggiamento solare. Per questa ragione è possibile dotare un impianto fotovoltaico tradizionale, anche preesistente, di un sistema per l’accumulo dell’energia elettrica: questi ultimi riescono a sfruttare in pieno la corrente prodotta durante le ore di irraggiamento solare, collegando l’impianto fotovoltaico ad una batteria che è capace di accumulare la corrente da utilizzare durante le ore notturne.
Con l’installazione di un impianto fotovoltaico con accumulo, si riesce pertanto a coprire circa l’80% del fabbisogno energetico giornaliero!
Fino a qualche anno fa l’unica opzione era quella di installare un impianto fotovoltaico in regime di scambio sul posto, mentre adesso, grazie al progresso tecnologico raggiunto nel settore delle batterie per l’accumulo d’energia, divenute sempre più efficienti, durature ed economiche, si può decidere per quest’ultima opzione, che presenta ormai anche evidenti vantaggi economici.
Rispetto ad un impianto fotovoltaico tradizionale non ci sono differenze sostanziali, poiché le batterie per l’accumulo possono essere installate anche molto tempo dopo l’installazione dei pannelli. L’unico requisito aggiuntivo è quello di dover prevedere uno spazio ad hoc in un locale idoneo da adibire al contenimento delle batterie e quindi dell’impianto d’accumulo.
Gli impianti stand-alone rappresentano di fatto le prime applicazioni civili della tecnologia fotovoltaica. Tali impianti, spesso unica possibilità di alimentazione elettrica, si sono progressivamente estesi ad applicazioni in numero sempre maggiore, soprattutto laddove vincoli tecnici, economici e paesaggistici non hanno reso possibile o conveniente l’estensione della rete elettrica nazionale.
Essi comprendono:
- impianti con carichi di bassa portata isolati dalla rete elettrica (ad esempio illuminazione e segnaletica stradale, portuali, sistemi di rilevamento e trasmissione dati, ripetitori radiotelevisivi e telecomunicazioni, stazioni di pompaggio, carica batteria per camper e imbarcazioni, strumenti scientifici in aree remote, stazioni meteo, boe marine, ecc.);
- piccole utenze domestiche isolate alimentate in corrente continua (ad esempio rifugi alpini, case isolate, ecc.) o in alternata (reti isolate per l’elettrificazione di villaggi e isole di dimensioni minori).
Gli impianti stand-alone possono poi essere integrati con altre fonti di approvvigionamento sia rinnovabili (es. energia eolica, idroelettrica, ecc.) che tradizionali, mediante gruppi di continuità (alimentati ad esempio a gasolio).
Una caratteristica essenziale degli impianti stand-alone, vista l’aleatorietà della fonte solare, è la possibilità di utilizzo differito nel tempodell’energia elettrica, prodotta in condizioni di sufficiente irraggiamento, per alimentare le utenze ad essi collegate.
Negli impianti fotovoltaici isolati, l’immagazzinamento dell’energia prodotta dai moduli fotovoltaici, e convertita dagli inverter, avviene mediante accumulatori elettrochimici (batterie di accumulo) che, se adeguatamente dimensionati, consentono di garantire la continuità nell’erogazione di energia elettrica anche in condizioni di scarso o nullo irraggiamento (es. la notte) o in caso di temporaneo malfunzionamento.
Altro componente è il regolatore di carica, le cui funzioni principali sono quelle di rendere disponibile alle utenze valori di tensione adeguati all’uso e di proteggere l’accumulatore da sovraccariche e scariche eccessive in modo da garantire lunga durata, elevata efficienza e affidabilità.