Fotovoltaico e ombra: come funzionano i diodi di bypass

La paura è ragionevole. Ma è fondata?

Se stai pensando al fotovoltaico e hai un ostacolo sul tetto (un camino, un'antenna, un albero nel cortile, una pergola, un edificio vicino), la prima cosa che ti dicono è: "dipende dall'ombra". Il discorso si fa vago, arriva qualche frase generica sull'efficienza, e tu resti col dubbio se vale la pena fare un preventivo o lasciar perdere.

La confusione ha una radice storica. Negli anni '80 e '90 era diffuso il concetto, spesso esagerato, che un'ombra su una sola cella fermasse l'intero pannello, o addirittura l'intera stringa. Era parzialmente vero all'epoca, ma l'industria ha risolto il problema tecnicamente 40 anni fa. La soluzione si chiama diodo di bypass e oggi è integrata in ogni pannello certificato IEC 61215, cioè tutti.

Per capire cosa significa davvero avere una parte del pannello in ombra, dobbiamo prima capire il problema fisico. Poi vediamo come è risolto. Poi quantifichiamo cosa succede davvero a casa tua.

Il problema: perché una cella in ombra è pericolosa

Dentro un pannello fotovoltaico, le celle sono collegate in serie. Come le lampadine di un vecchio filo di luci di Natale: la corrente passa per una, poi per l'altra, poi per la successiva. Tutte in fila.

Quando tutte le celle sono illuminate, ognuna produce elettricità e la corrente scorre senza problemi attraverso la catena. Ma cosa succede se una cella viene coperta? Luque e Hegedus nel loro manuale di riferimento Wiley [1] lo spiegano con chirurgica precisione:

"A causa dell'ombra locale o di un guasto, una o più celle solari possono presentare una corrente di cortocircuito molto più piccola rispetto alle altre celle della stringa. Se le celle difettose sono costrette a far passare una corrente superiore alla loro capacità di generazione, diventano reverse-biased, entrano addirittura nel regime di breakdown, e assorbono potenza invece di produrla." — Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Luque & Hegedus, Wiley 2003, p. 297

Riletto in italiano semplice: le altre celle illuminate stanno spingendo corrente lungo la stringa. La cella in ombra, che non può produrla, viene letteralmente attraversata contro la sua volontà dalla corrente che le altre generano. E in quel processo, invece di accendere una lampadina a casa tua, si scalda. Tutta quella potenza si trasforma in calore dentro un millimetro quadrato di silicio.

La soglia critica: 150°C

Quanto si può scaldare una cella nel peggiore dei casi? Il libro di Luque ha un numero specifico, ed è la ragione per cui il problema va risolto assolutamente:

"Il riscaldamento locale intenso può produrre temperature molto elevate (un hot spot). Se viene raggiunta una temperatura di circa 150°C, il materiale di laminazione si degrada e il modulo si deteriora irreversibilmente." — Luque & Hegedus, p. 297 [1]

Centocinquanta gradi. Il materiale di laminazione di cui parla è l'EVA, il film plastico trasparente che sigilla le celle (se vuoi approfondire cos'è, abbiamo un articolo sulla durata dei pannelli e il ruolo dell'EVA). Sopra i 150°C l'EVA si degrada, delamina, il pannello è rovinato. Una cella ostruita che diventa hot spot può distruggere un modulo.

Se tutto questo fosse possibile senza protezione, il fotovoltaico sarebbe un business impossibile: chiunque avesse una cacca di piccione per un giorno intero rischierebbe un pannello bruciato. Ed è per questo che i produttori, da decenni, integrano una soluzione elegante e passiva direttamente nel modulo.

La soluzione: i diodi di bypass

Un diodo è un componente elettronico che lascia passare la corrente in un solo senso, come una valvola di non ritorno in un tubo dell'acqua. I produttori di pannelli ne aggiungono uno (o più) in parallelo a un gruppo di celle, ma con polarità invertita rispetto a quella delle celle. Sempre dal libro di Luque [1]:

"Quando una o più celle sono ombreggiate, sono reverse-biased solo fino al punto in cui il diodo attraverso il gruppo inizia la conduzione diretta. Il diodo porta via la corrente necessaria per mantenere il gruppo vicino al cortocircuito." — Luque & Hegedus, p. 298

In pratica: finché tutte le celle del gruppo funzionano normalmente, il diodo di bypass è addormentato, non fa niente. Nell'istante in cui una cella viene messa in ombra e rischia di diventare un hot spot, il diodo "si accende" e devia la corrente attorno al gruppo intero. Il gruppo di celle ombreggiate viene escluso dal circuito per il tempo in cui c'è ombra. Il resto del pannello continua a produrre. Quando l'ombra se ne va, il diodo si spegne da solo e tutto torna come prima.

Ecco visivamente come funziona:

Quanti diodi ha un pannello moderno?

Il libro di Luque dà il numero esatto e la regola di progettazione [1]:

"La pratica è portare i terminali elettrici fuori dall'encapsulazione non solo per gli estremi della stringa, ma anche per punti intermedi, in modo che i diodi di bypass siano connessi nella junction box ogni 12 o 18 celle." — Luque & Hegedus, p. 299

Applichiamo la regola ai formati commerciali che trovi oggi:

Tradotto: un pannello da 60 celle è diviso internamente in 3 gruppi da 20 celle. Ogni gruppo ha il suo diodo di bypass. Se un'ombra copre una cella di un gruppo, quel singolo gruppo viene bypassato (perdi ~33% della produzione di quel pannello), ma gli altri due gruppi continuano a produrre normalmente.

I diodi sono fisicamente contenuti nella junction box, la piccola scatola nera che vedi sul retro di ogni modulo. Se guardi la sezione interna di un pannello, la ritrovi qui sotto, in basso a destra:

Scenari reali: quanto perdi davvero con l'ombra

Questa è la parte che interessa a te. Facciamo i conti su un impianto residenziale tipico italiano: 20 pannelli da 400 W ciascuno, per un totale di 8 kWp. Vediamo 4 scenari reali.

La regola pratica: preoccuparsi dell'ombra ha senso solo quando copre più pannelli per più ore, specialmente nelle ore centrali della giornata. Un'ombra piccola, o un'ombra in un momento marginale della giornata, ha un impatto minuscolo grazie ai diodi di bypass. La tecnologia fa il lavoro duro per te.

Le alternative moderne: microinverter e ottimizzatori DC

Il diodo di bypass è la soluzione passiva integrata in ogni pannello. Esistono anche soluzioni attive che rendono il problema ancora più piccolo, sviluppate dopo il 2010 e quindi non coperte dal manuale di Luque:

• Microinverter (Enphase, APSystems): ogni pannello ha il suo piccolo inverter indipendente attaccato al retro. Se un pannello va in ombra, solo quello si ferma, gli altri continuano a lavorare al 100% perché non sono più elettricamente collegati in serie a livello DC. È la soluzione più "a prova di ombra" in assoluto, ma costa il 20-30% in più di un inverter centralizzato.
• Ottimizzatori DC (SolarEdge, Tigo): stesso principio ma con un solo inverter centrale. Ogni pannello ha un "ottimizzatore" che permette a ognuno di lavorare al suo punto di massima efficienza indipendentemente dagli altri. Costo intermedio, compromesso equilibrato. Molto popolare in Italia per impianti residenziali con qualche ombra.
• Inverter di stringa tradizionale (SMA, Fronius, Huawei): il più economico, il più usato, quello con cui i diodi di bypass del pannello fanno tutto il lavoro. Va benissimo per tetti senza ombre. Per tetti con ombre significative l'installatore dovrebbe consigliarti un ottimizzatore o un microinverter al posto suo.

Quando chiedi un preventivo, se hai ombre significative sul tetto, chiedi esplicitamente che tipo di inverter è proposto. Un installatore serio ti dirà se ti conviene ottimizzatori o meno, e ti mostrerà la simulazione di produzione con e senza ombre.

Domande frequenti