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“AGRIVOLTAICO – INNOVAZIONE, TECNOLOGIA E RISPETTO DELL’AMBIENTE – ELEMENTI BASE PER ORIENTARSI NELLE SCELTE”

La realizzazione di campi agrivoltaici, volti alla contestuale produzione agricola ed energetica sulla medesima superficie, costituisce la grande innovazione dell’agricoltura moderna.

Le nuove normative di finanziamento, la possibilità di integrare la produttività dei suoli agricoli, le politiche volte alla decarbonizzazione della produzione energetica e la rinnovata sensibilità sociale per i temi ecologici, sono tutti elementi che concorrono a determinare un diffuso rifiorire di investimenti per la realizzazione di campi agrivoltaici.

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Per ottimizzare la produttività dei campi agrivoltaici, tra le altre cose, si rendono necessarie scelte appropriate riguardo la tecnologia dei pannelli, per la tipologia dell’impianto e per la parte agronomica,

  • Per la parte inerente la tecnologia dei pannelli e delle celle fotovoltaiche va individuata la soluzione più rispondente al caso specifico attraverso una valutazione delle diverse possibili opzioni – celle in silicio monocristallino, celle in silicio policristallino, pannelli in silicio amorfo, celle a concentrazione ottica, celle bifacciali ad eterogiunzione, celle bifacciali in silicio cristallino;
  • Per parte relativa alla tipologia d’impianto va individuata la più opportuna intensità di copertura (anche in rapporto alle caratteristiche della coltura sottostante), l’altezza dei pannelli da terra, la loro posizione – verticale, inclinata, orizzontale – le caratteristiche in relazione alla mobilità – fissi o ad inseguimento solare etc;
  • Per la parte agronomica vanno individuate le specie più adatte, ed i più opportuni parametri relativi alla densità d’impianto, all’orientamento dei filari, al sistema di allevamento, agli interventi di potatura, etc

Per ciascuna delle suddette scelte si rende necessario uno specifico approfondimento. Nelle righe che seguono si analizzano le caratteristiche tecnologiche delle celle e dei pannelli.

La cella fotovoltaica – detta anche cella solare – è il componente principale di un pannello fotovoltaico il cui compito è convertire l’energia solare in energia elettrica sfruttando l’effetto fotovoltaico. Dunque un impianto fotovoltaico è formato da una serie di pannelli solari che a loro volta contengono una serie di celle fotovoltaiche le cui caratteristiche elettriche variano in base alla loro esposizione alla luce solare.

Le celle fotovoltaiche più comunemente utilizzate, presentano tipicamente una forma quadrata con dimensioni di circa 12.5 cm per lato e uno spessore variabile compreso tra 0.25 e 0.35 mm.

La misura dell’efficienza fotovoltaica – ossia la capacità di trasformare in energia elettrica l’energia luminosa delle radiazioni solari – è convenzionalmente misurata in percentuale, ossia nel rapporto tra energia elettrica prodotta rispetto all’energia di radiazione solare che colpisce la cella. Spesso l’efficienza viene indicata anche in m2/KWp, ossia i m2 di pannello necessari per la produzione di  1 KW di potenza – in questo caso tanto minore sarà la superficie tanto maggiore sarà l’efficienza produttiva.

I pannelli solari costituiscono l’aggregato base della produzione fotovoltaica e sono generalmente composti da un numero di celle compreso tra  30 e 96. Quelli più piccoli sono generalmente destinati per uso domestico, mentre quelli più grandi sono destinati ad impieghi produttivi/commerciali.

I moduli fotovoltaici in silicio cristallino più comuni hanno dimensioni variabili da 0,5 m² a 2,0 m², con punte di 2,5 m² in esemplari per grandi impianti. Non vi è comunque particolare interesse a costruire moduli di grandi dimensioni, a causa delle grosse perdite di prestazioni che l’intero modulo subisce all’ombreggiamento (o malfunzionamento) di una sua singola cella.

I pannelli possono essere montati su un inseguitore solare,  un dispositivo meccanico-automatico con la funzione di orientare il pannello favorevolmente rispetto ai raggi del sole, aumentando la potenza dell’energia solare captata e dunque la resa effettiva del dispositivo.

Il funzionamento, la durata e l’efficienza dei pannelli sono strettamente correlati alla diversa tecnologia delle celle che li compongono.

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SILICIO MONOCRISTALLINO-(mc-Si)

Celle composte da cristalli di silicio monocristallino, riconoscibili per il loro colore blu scuro o nero, presentano bordi smussati e orientamento uniforme. Offrono un’efficienza energetica compresa tra il 18% e il 21% quando esposti alla luce solare perpendicolare.

E’ la soluzione più efficiente (6 m2/KWp) e più costosa, soffre l’esposizione vincolata e l’ombreggiamento anche parziale, si avvantaggia di temperature contenute e luce perpendicolare. La durata in piena efficienza di questo genere di pannelli viene stimata in 25 anni. Sono i pannelli più adatti a situazioni in cui si ha ottima esposizione e ridotta disponibilità di superficie.

I pannelli fotovoltaici monocristallini sono moduli rigidi con celle solari affiancate – in genere da 30 a 70 – ricoperte da una lastra di vetro protettiva dagli agenti atmosferici e sono circondati da una cornice normalmente di alluminio per dare robustezza.

Performano bene a basse temperature ed alta luminosità, il che li rende particolarmente indicati per gli impianti in quota ed in zone ventose.

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SILICIO POLICRISTALLINO – (pc-Si)

Celle costituite da cristalli di silicio con orientamenti diversi, pannelli di colore blu cangiante, hanno un’efficienza intorno al 15 – 16 % leggermente inferiore al silicio monocristallino, ma sono in grado di sfruttare meglio la luce solare durante l’intera giornata.

E’ una soluzione che coniuga efficienza ed economicità, (8 m2/KWp), produce bene anche con esposizione vincolata, il suo funzionamento non risente particolarmente della temperatura e la durata in piena efficienza è di 25 anni.

 I pannelli fotovoltaici policristallini – detti anche pannelli in silicio multicristallino – Poiché presentano un buon compromesso tra rendimento, costo e superficie occupata, sono pannelli molto utilizzati sia negli impianti residenziali che nei grandi parchi fotovoltaici. 

Performano bene anche nelle zone con meno luce ed in quelle con temperature elevate, questo li rende particolarmente attrattivi per le zone caratterizzate da nuvolosità frequente e per quelle in cui le temperature medie superano spesso i 25°C

 

PANNELLI IN SILICIO AMORFO –

I pannelli fotovoltaici in film sottile sono moduli dello spessore di pochi millimetri esteticamente abbastanza simili a quelli mono e policristallini, rispetto ai quali però, oltre ad essere più economici (del 25-40% circa), hanno anche un minore rendimento e un più rapido degrado nel tempo. Tuttavia il film sottile è una tecnologia che permette di ottenere anche vere e proprie “strisce” di materiale fotovoltaico flessibile (dunque ideale per tetti curvi), leggero e facile da integrare nella struttura a cui è destinato. L’efficienza di conversione della luce in energia elettrica da parte dei pannelli in film sottile realizzati con il silicio amorfo va dal 6 al 10% circa. In caso di ombra, rendono di più dei pannelli mono e policristallini, il degrado delle prestazioni non deve superare – in base alla garanzia – il 20% nei primi 20 anni di funzionamento. Come superficie occupata dai pannelli in silicio amorfo, in condizioni ideali (esposizione verso Sud ed inclinazione di circa 30°), si considerino circa 20 m2/KWp. 

CELLE A CONCENTRAZIONE OTTICA –

I pannelli fotovoltaici a concentrazione – comunemente noti anche come “concentratori solari” – sono innovativi pannelli solari piani che utilizzano concentratori ottici quali, ad es. lenti di Fresnel o riflettori parabolici (tipicamente realizzati in plastica) per concentrare la radiazione solare su una superficie piuttosto piccola, dove viene trasformata in energia elettrica da una cella fotovoltaica multigiunzione, caratterizzata da un’efficienza più che doppia rispetto ai pannelli fotovoltaici al silicio tradizionali.

Si caratterizzano per un rendimento che può superare anche il 50% e per la conseguente capacità di ottenere la stessa quantità di energia occupando superfici decisamente più piccole dei pannelli tradizionali. Per sfruttare a pieno la loro efficienza i pannelli vengono montati su un sistema di inseguimento biassiale ad alta precisione.  

Nei pannelli a concentrazione ciascuna cella fotovoltaica continua a funzionare a piena potenza anche se le altre celle del modulo sono ombreggiate o addirittura coperte con un oggetto. I sistemi di raffreddamento più usati sono passivi, ed utilizzano la semplice convezione dell’aria.

Le caratteristiche di alto costo, alta precisione, alta efficienza e ridotta superficie li rendono sistemi adatti per investimenti ad alta tecnologia ed in ambiente urbano

CELLE SOLARI BIFACCIALI AD ETEROGIUNZIONE –

Questa tipologia di celle sfrutta una tecnica fotovoltaica innovativa, sostenibile, ad alte prestazioni e prodotta su larga scala con  tecnologia bifacciale ad eterogiunzione di silicio amorfo e cristallino. L’HJT possiede una robustezza tale da consentire una durata operativa superiore a 35 anni.

La tecnologia solare Heterojunction è impostata su pannelli ottenuti dalla giunzione di 3 diversi strati fotovoltaici, ciascuno dei quali ottimizzato per una specifica sotto-banda di radiazioni.

Uno strato superiore di silicio amorfo a film sottile che viene alimentato sia dalla luce che lo attraversa per andare agli strati più profondi, sia dalla pozione di luce riflessa  dal sottostante strato di silicio monocristallino. Il rendimento in valore assoluto è basso ma genera una quantità di elettricità aggiuntiva che ne rende conveniente il relativo incremento di costo.

Uno strato intermedio di silicio monocristallino, che rappresenta la struttura portante del pannello, demandato a svolgere la maggior parte della trasformazione della luce solare in elettricità.

Un ulteriore strato di silicio amorfo a film sottile posizionato sul retro del silicio cristallino e in grado di catturare la luce solare che permea dagli stati superiori, nonché di intercettare quella riflessa dalle superfici circostanti.

La specificità moduli fotovoltaici ad HJT risiede nell’efficienza di conversione della luce in elettricità, superiore al 20,5%, con record del 26,5 % – ottenuto con la cella solare tandem, prodotta negli stabilimenti 3Sun gigafactory di Enel a Catania., la più grande fabbrica di pannelli solari in Europa.

PANNELLI BIFACCIALI –

E’ un particolare tipo di pannello fotovoltaico, composto da celle con doppia faccia in silicio cristallino, grazie all’esposizione di entrambi i lati, produce più energia. Con questa tecnologia l’efficienza del sistema aumenta senza che il costo diventi eccessivamente elevato. Di fatti il costo di produzione di queste celle è sostanzialmente sovrapponibile a quello per le soluzioni tradizionali.

I pannelli fotovoltaici bifacciali basano il loro funzionamento sulla capacità delle celle a doppia esposizione di assorbire anche la radiazione luminosa riflessa dalle superfici (albedo), producendo più energia. Questo significa che il sole, oltre a colpire la faccia direttamente esposta alla luce, raggiungerà anche quella posteriore. Per questo motivo, per calcolare l’efficienza e la resa del pannello, è necessario fare una considerazione sul luogo in cui è installato e sulla tipologia di superfici che lo circondano.

È evidente che i benefici per la produzione fotovoltaica offerti dalle celle bifacciali dipendono da fattori come l’albedo della superficie, ovvero quanto effettivamente riflette, e dalla distanza del pannello da essa, che non deve essere eccessiva. Trattasi di soluzioni ottimali per zone in cui abbonda la luce riflessa  – superfici innevate, saline, rocce chiare. Inoltre, l’efficienza del pannello varia anche in base alla tecnologia e al modello installato. Sulla base di quanto disponibile sul mercato, comunque, si può stimare un incremento di efficienza che varia dal 10 al 30%  in più rispetto ai pannelli tradizionali.

IMPATTO AMBIENTALE

La conversione fotovoltaica dell’energia solare ha caratteristiche tali da essere ritenuta la fonte rinnovabile più rispettosa dell’ambiente.

Gli impianti fotovoltaici non generano emissioni inquinanti e, per la loro modularità, possono assecondare la morfologia ed i profili dei siti di installazione. Inoltre, producono energia in prossimità dei carichi elettrici e pertanto si riduce l’impiego di infrastrutture – linee elettriche – di trasmissione e le relative perdite di potenziale.

In riferimento agli obiettivi di decarbonizzazione va evidenziato che per ogni KWp prodotto da fotovoltaico si evita l’emissione di circa 700 gr di CO2.

Per avere una grandezza di riferimento è sufficiente considerare che, nell’arco della vita utile di un impianto familiare medio si evita l’emissione di circa 40 tonnellate di CO2 valore che supera le 20.000 tonnellate (500 volte maggiore) se rapportato al un parco fotovoltaico insistente su un ettaro di superficie.

Considerando che la combustione di 1 litro di gasolio produce circa 2,3 Kg di CO2, si calcola che l’impianto domestico evita un’emissione di anidride carbonica corrispondente alla combustione di 17.391 litri di gasolio – convertito in km, per una macchina che percorre 15 km/litro, corrispondono a 261.000 km (6,5 volte la circonferenza della terra). Per il parco fotovoltaico di 1 ettaro si hanno valori ci circa 500 volte più alti (7.700.000 litri di gasolio e 115.000.000 km).

Il Life Cycle Assessment, ossia la verifica quantitativa e qualitativa degli impatti ambientali associati nel ciclo dei pannelli fotovoltaici è decisamente contenuto. Infatti, per quanto la produzione di silicio sia un’attività energivora, per l’assemblaggio delle celle fotovoltaiche spesso si ricorre al riciclo di materiali provenienti dell’industria elettronica. Inoltre, i pannelli a fine vita utile vengono smontati e tutte le componenti – staffe, profilati e supporti metallici, vetro, cavi in rame e celle di silicio –  sono oggetto di ulteriore riciclo.

CONSIDERAZIONI GENERALI

Per la piena riuscita di un impianto agrivoltaioco e per ottenerne il massimo tornaconto economico, è necessario ponderare tutta una serie di scelte che devono tener conto delle condizioni date nel contesto operativo.

Particolarmente delicate ed importanti si rivelano quelle inerenti le tecnologie fotovoltaiche, che in massima parte di pendono dalla quantità di superficie disponibile per l’investimento, dalla sua giacitura e dall’esposizione, dai valori medi annui dell’ombreggiatura e dalla temperatura nonché dalla presenza e dall’entità dell’albedo.

La continua evoluzione del mercato determina altresì importati variazioni nei prezzi dei pannelli, tendenzialmente al ribasso per effetto del trend fortemente espansivo nella produzione industriale.

Le nuove tecnologie, con l’uso dei pannelli a doppia faccia e di quelli a concentrazione ottica ci consentono di pronosticare un’organizzazione dei parchi agrivoltaici diversa rispetto a quella oggi più diffusa. Le monotone distese silicee potrebbero lasciare il campo a parchi con i pannelli in posizione verticale (anche con funzione di recinzione, di barriera frangivento e di delimitazione visiva/funzionale) ed a quelli posizionati a striscia sopra i vigneti a spalliera ed i frutteti allevati a palmetta (anche con funzione antigrandine e protezione dai picchi di temperatura ed insolazione).

 

Dr agr. Domenico SOLANO

 

Riferimenti

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Publicato da Arsac Ufficio Marketing Territoriale

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