Come funziona un impianto fotovoltaico? Guida semplice con fonti

Lo schema, in un colpo d'occhio

Un impianto fotovoltaico residenziale moderno è un sistema di cinque componenti connessi in serie, che trasformano la luce del sole in elettricità utilizzabile dalla tua lavatrice. Ecco il flusso completo dall'alto (sole) al basso (presa di corrente):

Nei prossimi paragrafi percorriamo questo schema da cima a fondo, spiegando cosa succede esattamente in ogni componente. Usiamo come fonte principale il manuale accademico di riferimento del settore, il Handbook of Photovoltaic Science and Engineering di Luque e Hegedus, pubblicato da John Wiley & Sons [1].

1. Il cuore del sistema: la cella di silicio

Tutto comincia da un pezzettino di silicio grande più o meno come il palmo di una mano. Il silicio è l'elemento numero 14 della tavola periodica ed è, dopo l'ossigeno, il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre (lo trovi in qualunque granello di sabbia). Ma il silicio che finisce in un pannello non è sabbia: è silicio purissimo, cresciuto come un unico cristallo in lingotti di qualche metro di altezza, poi affettato in wafer sottilissimi.

Quanto sottili? Come spiegato nel manuale di Luque [1], i wafer di silicio cristallino usati nei pannelli moderni hanno uno spessore di 160-190 micron. Per confronto: un capello umano è largo circa 70 micron, quindi una cella fotovoltaica è spessa quanto 2-3 capelli sovrapposti. È una lastrina fragilissima, che si spezza con un niente se non è incapsulata in un modulo protettivo.

Il silicio fa parte dei materiali chiamati semiconduttori. Luque [1] scrive: "I semiconduttori di grado elettronico sono materiali cristallini molto puri. La loro natura cristallina significa che gli atomi sono allineati in un array periodico regolare. Questa periodicità, combinata con le proprietà atomiche degli elementi componenti, è ciò che dà ai semiconduttori le loro proprietà elettroniche utili" (p. 64).

In italiano semplice: il silicio è a metà strada tra un metallo (conduce bene la corrente) e un isolante (non la conduce affatto). Questa condizione intermedia è esattamente ciò che serve per trasformare la luce in elettricità.

Il trucco del drogaggio: due silici diversi che si incontrano

Il silicio puro da solo non fa nulla di interessante. La magia comincia quando lo "inquini" volontariamente con impurità controllate, in un processo che si chiama drogaggio. Luque [1], p. 69, lo descrive così:

"Quando il silicio semiconduttore viene drogato con fosforo, viene donato un elettrone alla banda di conduzione per ogni atomo di fosforo introdotto. [...] Se il silicio viene drogato con boro, ogni atomo di boro accetta un elettrone dalla banda di valenza, lasciandosi dietro una lacuna. [...] Questa è la base per la costruzione di tutti i dispositivi a semiconduttore, incluse le celle solari."

Tradotto in linguaggio quotidiano: i produttori prendono una cella di silicio, drogano la parte sopra con boro (creando silicio di "tipo p", con un leggero eccesso di cariche positive) e la parte sotto con fosforo (creando silicio di "tipo n", con un leggero eccesso di elettroni liberi). Dove le due zone si toccano, si forma una giunzione P-N: una sorta di "frontiera invisibile" dove si crea spontaneamente un piccolo campo elettrico, perpetuo, che resta lì finché il silicio esiste.

Questo campo elettrico è la chiave di tutto. Senza di esso, anche con il sole più forte, il silicio non produrrebbe un solo milliampere.

2. L'effetto fotovoltaico: cosa succede quando il sole colpisce la cella

Ora prendi questa cella di silicio con la sua giunzione P-N già formata, esponila al sole, e osserva cosa accade a livello atomico. Luque [1], p. 70, è diretto:

"La creazione di coppie elettrone-lacuna tramite l'assorbimento della luce solare è fondamentale al funzionamento delle celle solari. [...] L'assorbimento risulta nella creazione di una coppia elettrone-lacuna, poiché un elettrone libero viene eccitato nella banda di conduzione lasciando una lacuna libera nella banda di valenza."

La sequenza, passo per passo:

1. Un fotone colpisce un atomo di silicio. Un fotone è una "particella" di luce solare. Ogni secondo di sole pieno, miliardi di miliardi di fotoni arrivano su ogni metro quadro di pannello.
2. Il fotone "scalcia via" un elettrone. L'energia del fotone strappa un elettrone dal suo legame atomico. Dove prima c'era un elettrone legato, ora c'è un elettrone libero che può muoversi, e una "lacuna" (l'assenza di un elettrone, che a tutti gli effetti funziona come se fosse una carica positiva mobile).
3. Il campo elettrico della giunzione P-N li separa. Ricordi il campo elettrico creato dalla giunzione? È qui che serve. L'elettrone viene spinto verso il lato n (tipo negativo), la lacuna viene spinta verso il lato p (tipo positivo). Luque [1] a p. 78 lo riassume con una frase memorabile: "electrons sink and holes float": gli elettroni sprofondano, le lacune galleggiano. Si muovono in direzioni opposte.
4. Se colleghi un filo ai due estremi della cella, la corrente scorre. Gli elettroni che si sono accumulati sul lato n escono dalla cella attraverso il filo esterno, attraversano un eventuale carico (la tua lampadina, la lavatrice), e tornano al lato p dove si ricombinano con le lacune. Questo flusso è la corrente elettrica prodotta.

Tutto questo, ripetuto miliardi di volte al secondo su ogni singola cella, produce abbastanza elettricità da caricare il tuo telefono, far girare il frigorifero e, se hai abbastanza pannelli, gestire tutta la casa.

3. Da una cella a un pannello: come si mettono insieme

Una singola cella fotovoltaica produce circa 0,5-0,6 Volt. È pochissimo, nemmeno un AA stilo. Per ottenere qualcosa di utile, le celle vengono collegate in serie, sommando le loro tensioni. È lo stesso principio di quando metti 4 batterie in fila in una torcia.

Dal manuale di Luque [1], p. 291:

"In un modulo, le celle sono disposte in serie. Dopo il finissaggio della cella, nastri di rame stagnato vengono saldati ai busbar sulla faccia frontale. [...] Una configurazione comune del modulo usa 36 celle collegate in serie, che in condizioni operative producono circa 15 V a massima potenza."

I moduli degli anni '90 usavano 36 celle. I moduli residenziali di oggi ne usano tipicamente 60 o 72, collegate allo stesso modo ma con celle più grandi e più efficienti. Un pannello da 60 celle residenziale moderno produce circa 30-40 Volt e 350-420 Watt di picco.

Una volta saldate in stringhe, le celle vengono sigillate in un "sandwich" di materiali protettivi. Ecco cosa c'è dentro un pannello visto in sezione:

Il vetro temperato protegge dalla grandine e dagli urti, l'EVA (un film plastico trasparente) sigilla le celle da umidità e ossigeno, il backsheet isola elettricamente il retro, il telaio di alluminio dà struttura e permette il fissaggio al tetto. La junction box sul retro ospita i diodi di bypass, quelli che evitano che un'ombra su una singola cella rovini tutto il resto, come abbiamo spiegato nell'articolo dedicato a fotovoltaico e ombra.

4. Dall'impianto alla presa: l'inverter

Le celle producono corrente continua (DC): elettroni che scorrono sempre in una direzione, come l'acqua in un fiume. È il tipo di corrente che trovi nelle batterie, nei telefoni, nei computer. Ma le prese di casa tua, e tutti gli elettrodomestici, lavorano con corrente alternata (AC): elettroni che cambiano direzione 50 volte al secondo (è il significato di "50 Hz"). Senza un intermediario, il fotovoltaico non potrebbe alimentare nemmeno una lampadina di casa.

L'intermediario si chiama inverter. È una scatola elettronica (solitamente installata in garage o in uno sgabuzzino) che prende la corrente continua dei pannelli, la "inverte" (cioè la fa oscillare 50 volte al secondo nel modo esatto richiesto dalla rete elettrica italiana) e la restituisce come corrente alternata perfettamente sincronizzata con quella che arriva dal gestore.

Due dettagli importanti sull'inverter:

• Efficienza 96-98%. Solo il 2-4% dell'energia DC si perde nella conversione. È il componente meglio ottimizzato dell'intero impianto.
• Durata minore dei pannelli. Mentre i pannelli garantiscono 25-30 anni (vedi la guida sulla durata), un inverter tipicamente dura 10-15 anni e va sostituito una volta durante la vita dell'impianto. Il costo di sostituzione è prevedibile (€800-1500) e molti installatori lo includono nel preventivo come opzione.

Esistono tre tecnologie di inverter principali: inverter di stringa (il più comune, un'unica scatola che gestisce tutti i pannelli), microinverter (uno piccolo per ogni pannello, meglio per tetti con ombre), e ottimizzatori DC (compromesso tra i due). Quale scegliere dipende dalle caratteristiche del tuo tetto.

5. Il contatore bidirezionale: cuore "contabile" dell'impianto

Quando hai un impianto fotovoltaico, il contatore elettrico installato da Enel Distribuzione (o equivalente) viene sostituito con un modello bidirezionale: un contatore che sa misurare l'elettricità in due direzioni opposte. Questo è cruciale perché con il fotovoltaico l'elettricità può fluire sia da te verso la rete (quando produci più di quello che consumi), sia verso di te (quando consumi più di quello che produci o di notte).

Il contatore tiene due registri separati:

La differenza tra questi due registri è quella che determina il tuo effettivo risparmio in bolletta. Se in un mese produci 500 kWh e ne consumi 400, il saldo "immesso" sarà 100 kWh positivi; se produci 200 e consumi 400, il saldo sarà 200 kWh prelevati. Il GSE applica poi il meccanismo dello Scambio sul Posto (SSP) che valorizza l'energia immessa in rete a un prezzo leggermente inferiore a quello che paghi per prelevarla.

6. La batteria di accumulo (opzionale, ma sempre più comune)

C'è un problema fondamentale con il fotovoltaico: produci quando c'è sole, ma consumi soprattutto la sera. In una famiglia tipica italiana, i picchi di consumo sono dalle 18 alle 23 (cena, tv, lavatrice, asciugatrice, ricarica auto elettrica), mentre il picco di produzione è tra le 11 e le 14.

Senza batteria di accumulo, l'eccesso di produzione di mezzogiorno viene venduto alla rete, e poi la sera ricompri la stessa energia, a un prezzo più alto di quello a cui l'hai venduta. È un meccanismo che funziona, ma non è ottimale. La percentuale di autoconsumo (energia prodotta che consumi direttamente, senza passare dalla rete) di un impianto senza batteria è tipicamente del 30-40%.

Con una batteria di accumulo (tipicamente al litio-ferro-fosfato LFP, capacità 5-15 kWh per un impianto residenziale), l'eccesso di produzione diurno viene stoccato nella batteria e riutilizzato la sera. L'autoconsumo sale al 70-85%. Il costo iniziale è maggiore, ma in molti casi accelera il payback dell'impianto, soprattutto con le detrazioni fiscali attuali.

Abbiamo un articolo dedicato al fotovoltaico con accumulo che analizza in dettaglio quando conviene e quanto.

7. Tutto insieme: il ciclo di una giornata tipo

Mettiamo insieme i pezzi con un esempio concreto. Famiglia di 4 persone, impianto da 6 kWp con batteria 10 kWh, casa al Centro Italia, giornata di aprile serena.

In una giornata così, la tua casa è stata autonoma dalla rete per circa 20 ore su 24. Nei mesi estivi di punta, alcuni impianti raggiungono il 90% di autonomia. Nei mesi invernali, scendono al 40-50%. La media annua tipica di un buon impianto con accumulo è il 70-80% di autoconsumo.

Domande frequenti