Come funzionano i pannelli fotovoltaici: la guida per capire meglio il tuo impianto

Il boom di fotovoltaico degli ultimi anni – il 2023 è stato un anno davvero notevole per numero di impianti istallati e kWh prodotti – spinge sempre di più a parlare di impianti, moduli e soluzioni per la propria casa.

Ma sai davvero come funzionano i pannelli fotovoltaici?

Nei paragrafi che stai per leggere affronteremo la questione con il solito impegno di essere chiari, semplici e poco tecnici.

Eviteremo nozioni complesse da manuale scientifico e andremo dritto al sodo, con l’obiettivo di aiutarti ad avere più chiarezza su alcuni concetti fondamentali, utilissimi anche per scegliere con maggiore consapevolezza i componenti del proprio impianto fotovoltaico.

Partiamo da qui: cosa sono i pannelli fotovoltaici e come funzionano

Come fa la luce del sole a finire in rete e a far funzionare la tua lavatrice? 

Tutto dipende dall’effetto fotovoltaico, un fenomeno fisico la cui scoperta risale all’Ottocento, quando scienziati come Edmund Becquerel e Charles Fritts notarono qualcosa di sorprendente: alcuni materiali, quando esposti alla luce solare, producevano una piccola corrente elettrica. 

Ma a dare una spiegazione scientifica a questo fenomeno fu Albert Einstein.

Fu proprio lui a scoprire che la luce solare è composta da piccolissime particelle di energia, chiamate fotoni. 

Quando questi fotoni colpiscono un materiale dalle caratteristiche particolari, chiamato semiconduttore (come il silicio), cedono la loro energia agli elettroni presenti all’interno del materiale. Questi elettroni, eccitati dall’energia ricevuta, si mettono in movimento e generano una corrente elettrica.

Un pannello solare sfrutta esattamente questo principio.

Un modulo fotovoltaico è realizzato da diverse celle fotovoltaiche; ogni cella è realizzata con un materiale semiconduttore, solitamente il silicio, trattato in modo da creare una zona dove gli elettroni sono più numerosi e un’altra zona dove invece scarseggiano. 

Quando la luce del Sole colpisce queste celle, gli elettroni si muovono da una zona all’altra, generando una piccola corrente elettrica.

Collegando molte celle in serie, si ottiene una tensione più alta; collegandole in parallelo, si ottiene una corrente più intensa. In questo modo, i pannelli solari possono produrre l’energia elettrica necessaria per alimentare le nostre case, le nostre aziende e persino interi quartieri.

Com’è fatto un pannello fotovoltaico

Da fuori sembra un sottile parallelepipedo di colore scuro, talmente essenziale nelle sue fattezze, che viene da chiedersi come sia possibile che un componente così semplice sia in grado di produrre enegia elettrica a partire dalla luce del sole.

In realtà, dietro questa apparente semplicità, ci sono diversi strati, ciascuno con una propria funzione, che permettono la realizzazione dell’effetto fotovoltaico, il fenomeno che abbiamo appena visto.

Li vediamo di seguito:

• Vetro temperato: lo strato esterno superiore è costituito da un vetro temperato ad alta trasparenza, resistente agli agenti atmosferici e agli urti. La sua funzione principale è quella di proteggere gli strati sottostanti e di consentire il passaggio della radiazione solare verso le celle fotovoltaiche.
• EVA (Etilene Vinil Acetato): sotto il vetro temperato si trova uno strato di EVA, un materiale plastico trasparente e adesivo. L’EVA ha il compito di incapsulare le celle fotovoltaiche, proteggendole dall’umidità e dall’ossidazione, e di garantire un’ottima adesione tra i diversi strati del pannello.
• Celle fotovoltaiche: ll cuore del pannello è costituito dalle celle fotovoltaiche, realizzate in silicio monocristallino o policristallino. Queste celle sono progettate per assorbire i fotoni della luce solare e generare una corrente elettrica continua.
• Backsheet: sul lato posteriore del pannello è presente un foglio di materiale plastico, chiamato backsheet, che protegge le celle fotovoltaiche dagli agenti atmosferici e dalle sollecitazioni meccaniche.
• Telaio in alluminio: il pannello è racchiuso in un telaio in alluminio anodizzato, che fornisce rigidità e protezione meccanica. Il telaio è dotato di fori per il fissaggio del pannello alla struttura di supporto.
• Scatola di giunzione: posizionata sul retro del pannello, la scatola di giunzione contiene i diodi di bypass, i connettori elettrici e i dispositivi di protezione. I diodi di bypass hanno la funzione di deviare la corrente elettrica in caso di ombreggiamento parziale del pannello, evitando così una riduzione significativa della produzione energetica.

Voglia di approfondire? Qui entriamo nel merito di pannelli fotovoltaici più evoluti e performanti e parliamo del funzionamento dei pannelli fotovoltaici ad alta efficienza!

I componenti di un impianto fotovoltaico

Un impianto fotovoltaico non è composto solo dai suoi pannelli solari. 

Quando le celle fotovoltaiche producono energia elettrica, questa viene inviata alla scatola di giunzione e da qui passa all’inverter, che ha il compito di trasforamre la Corrente Continua in corrente Alternata, che è quella che permette il funzionamento di gran parte dei nostri elettrodomestici.

Insomma, il percorso della luce del sole non finisce sulla superficie dei pannelli.
Per questo, vediamo insieme quali sono gli altri componenti di un impianto fotovoltaico.

L’inverter fotovoltaico

Come appena detto, l’inverter è il componente fondamentale dell’impianto, che “traduce” la corrente continia (CC) in corrente alternata, sfruttabile dai nostri elettrodomestici.

Come lo fa?

Attraverso transistor e diodi per trasformare l’onda continua della corrente prodotta dai pannelli in un’onda sinusoidale alternata, simile a quella fornita dalla rete elettrica. Questo processo avviene ad alta frequenza e viene poi ridotto alla frequenza standard di 50 Hz (in Europa) attraverso un trasformatore.

In realtà, la funzione dell’inverter non si limita a trasformare la corrente elettrica, ma consente anche funzioni di sicurezza, monitoraggio e ottimizzazione della produzione di energia. 

Nelle versioni più evolute, può interagire con le reti elettriche intelligenti, vendendo l’energia in eccesso o fornendo servizi di regolazione della rete.

Batterie di Accumulo fotovoltaico

Si tratta di un componente facoltativo. Non è, infatti, necessario, che il tuo impianto sia dotato di un sistema di accumulo. Tuttavia, questa soluzione ti consente di aumentare la tua indipendenza dalla rete, sfruttando al massimo l’energia prodotta dal tuo impianto, e riducendo i costi delle bollette elettriche fino all’80%.

Le batterie, infatti, accumulano l’energia prodotta dall’impianto e ti permettono di utilizzarla nelle ore in cui l’impianto fotovoltaico non produce energia, quando, in assenza di un accumulo, dovresti prelevare corrente dalla rete elettrica.

Esistono in commercio diversi tipi di batterie di accumulo, che variano per caratteristiche, performance e prezzi.

Ad esempio, le batterie al litio, tra le più diffuse, sono le più potenti, piccole e durevoli, ma hanno un costo più elevato; quelle al piombo acido, invece, offrono una soluzione a costo più contenuto, ma sono più ingombranti e hanno una durata decisamente più breve.

La cosa fondamentale è scegliere la batteria di accumulo in base alle esigenze energetiche dell’abitazione, dimensionandola correttamente, per evitare sia un investimento sproporzionato rispetto alle proprie esigenze, sia l’acquisto di una batteria non sufficientemente capiente e, dunque, non in grado di supportare adeguatamente le esigenze dell’abitazione.

Quadro elettrico

Gestisce la distribuzione dell’energia prodotta dai moduli, protegge l’impianto da sovraccarichi e cortocircuiti e consente il monitoraggio delle performance.

Qui si trovano tutte quelle cose molto tecniche, adorate dagli installatori e poco apprezzate dai consumatori: interruttori, fusibili, contatori e altri dispositivi di protezione e controllo.

Dulcis in fundo: cablaggi e strutture di supporto

In un impianto fotovoltaico, tutto ha la sua importanza.

Anche se ci si sofferma generalmente sui componenti “attivi” nel processo di produzione e distribuzione dell’energia, cablaggi e strutture di supporto sono importantissimi per garantire il corretto funzionamento dell’impianto.

I cablaggi, infatti collegano i vari componenti dell’impianto, consentendo il flusso di corrente elettrica: i cavi utilizzati negli impianti fotovoltaici, dunque, devono essere specifici per resistere alle intemperie e alle sollecitazioni meccaniche.

Infine,  le strutture di supporto servono a fissare i moduli fotovoltaici sul tetto o a terra, garantendo la stabilità e l’orientamento ottimale dell’impianto.

Possono essere in alluminio, acciaio o legno, e vengono progettate in base alle caratteristiche del tetto e alle normative locali.

Come scegliere l’impianto fotovoltaico giusto

L’installazione di un impianto fotovoltaico è solo la tappa conclusiva di un percorso che, partendo da un’analisi accurata, permette di scegliere la soluzione migliore per le proprie esigenze.

Sappiamo bene come l’acquisto di un impianto rappresenti a tutti gli effetti un investimento, talvolta anche abbastanza impegnativo.

Affinché questa spesa abbia un senso, cioè permetta un rapido ritorno dell’investimento e un effettivo beneficio, sia ambientale, che economico, è fondamentale che siano presi in considerazione alcuni fattori importantissimi, che incidono nella scelta del proprio impianto fotovoltaico.

Li vediamo di seguito. 

Valuta il tuo fabbisogno energetico

Affinché il tuo investimento dia i frutti e i vantaggi sperati, devi assicurarti che l’impianto fotovoltaico produca il quantitativo di energia utile a soddisfare le tue esigenze energetiche.

In altre parole, devi assicurarti un corretto dimensionamento dell’impianto fotovoltaico.

Come fare, quindi, per capire quanta elettricità di occorre? 

Ti basta reperire le bollette della luce degli ultimi 12 mesi e fare un calcolo dei consumi energetici riportati.

In realtà, puoi adoperare anche alcuni dei diversi tool online che, partendo dalla grandezza della casa, dal numero di abitanti e dal tipo di elettrodomestici utilizzati quotidianamente, riesce a fornirti una stima dei tuoi consumi energetici.

Ma in media che tipo di impianto fotovoltaico mi occorre?

Tieni in mente questo dato: 1 kWp di fotovoltaico produce dai 1.000 ai 1.500 kWh annui di energia elettrica.

Da cosa dipende questo range? Dalla latitudine a cui vivi.

Il rendimento del tuo impianto, infatti, dipende dall’irraggiamento solare, che varia da zona a zona: in alcune zone del Nord si attesta intorno ai 1.000 kWh, mentre in città del Sud può raggiungere i 1.350 – 1500 kWh di produzione annua.

Per conoscere l’irraggiamento solare nella tua zona, puoi avvalerti dell’atlante italiano della radiazione solare. 

Lo spazio disponibile

Un altro fattore da considerare con estrema attenzione è lo spazio disponibile sul tuo tetto.

I pannelli fotovoltaici occupano spazio e le unità installate dipenderanno dalla potenza dell’impianto.

Inutile girarci intorno: se hai poco spazio sul tetto, potresti essere condizionato nella potenza installabile.

Oppure dovresti optare per pannelli ad alta efficienza, realizzati con silicio monocristallino puro e arricchiti da particolari tecnologie, che ne aumentano il rendimento, rendendoli mediamente meno spaziosi a parità di potenza. 

Ma quanto spazio occupa un impianto fotovoltaico? Dai 6 agli 8 metri per kW, se decidi di optare per pannelli policristallini; dai 4 ai 6 metri, se invece scegli pannelli policristallini.

Tipologia di edificio e condizioni ambientali

La tipologia di impianto scelta è solo una questione di spazio occupato!

Nel momento dell’analisi multifattoriale per l’installazione di un impianto fotovoltaico, sono da considerare anche le caratteristiche dell’edificio e le condizioni ambientali.

Considera che per funzionare al meglio, un pannello fotovoltaico deve essere:

• posizionato con un orientamento a sud o sud-ovest
• avere un’inclinazione che va dai 25 ai 35 gradi
• evitare ombreggiamenti

Quindi, un primo step importantissimo è valutare le condizioni del tetto, per valutare sia gli spazi disponibili, sia le effettive condizioni di installazioni.

Ad esempio: l’eventuale presenza di ombreggiamenti condiziona l’installazione dei pannelli e riduce lo spazio disponibile. 

Vanno, inoltre, prese in considerazione le condizioni ambientali del sito di installazione.

Abbiamo visto come l’irraggiamento solare vari da Nord a sud, in base alla latitudine, condizionando, talvolta anche in maniera notevole, la produzione di energia dell’impianto.

Tuttavia, anche la temperatura ha il suo impatto: un pannello fovovoltaico funziona e lavora al meglio a una temperatura di 25 gradi. Temperature più alte condizionano lievemente il suo rendimento. Pertanto, anche in questo caso, alcune opportune valutazioni sono da fare, per studiare un’installazione ottimale, che permetta di ottenere il massimo rendimento possibile.

Il budget disponibile 

Una cosa che è sempre bene tenere a mente: il budget disponibile condiziona le scelte d’acquisto. 

Un impianto fotovoltaico ha un costo variabile, che dipende da tutti i fattori che abbiamo menzionato: scelta dei componenti, potenza di picco, complessità dell’installazione, esigenze particolari del sito di installazione che richiedono un certo tipo di soluzione, cambiano moltissimo il prospetto dei costi.

Qui di seguito riportiamo due tabelle relative ai costi di impianti installati da noi: nella prima trovi la soluzione che non prevede il sistema di accumulo, nella seconda puoi verificare i costi medi di un impianto che preveda un accumulatore fotovoltaico.

Trovi indicato anche il costo con l’applicazione della detrazione fiscale dele 50%.

A tal proposito, ti consigliamo di non sottovalutare le diverse opzioni di agevolazione fiscale offerte dallo Stato per l’installazione di soluzioni finalizzate al risparmio energetico.

Impianto fotovoltaico senza accumulatore

Impianto fotovoltaico con accumulatore

Un consiglio sulla scelta dell’impianto fotovoltaico

Prima di passare al paragrafo successivo, che tratterà di vantaggi e svantaggi dei pannelli fotovoltaici, ci preme un consiglio finale sulla scelta dell’impianto fotovoltaico.

Come hai visto, le variabili in gioco sono moltissime e richiedono un’analisi approfondita e dettagliata, capace di mettere in relazione valori diversi.

L’ideale è affidarsi a un professionista esperto, che sappia tener conto di ogni fattore e, con l’ausilio di software dedicati, sia in grado di progettare una soluzione che sia davvero su misura per le tue esigenze.

Abbi cura di selezionare attentamente l’azienda a cui ti rivolgi, aiutandoti con recensioni e opinioni di altre persone. Valuta attenamente la qualità dei componenti adoperati (di solito sono riportati sul sito) e valuta più preventivi per trovare il professionista più competente e affidabile. 

Non lasciare nulla al caso e affidati a chi propone offerte chiare, trasparenti e comprensive di tutte le voci. 

Ricorda, infine, che un impianto fotovoltaico rappresenta un investimento con una lunga durata nel tempo: i pannelli solari hanno una durata che si estende talvolta anche oltre i 30 anni.

Non puntare solo al risparmio, valutando le offerte in base alle cifre che ti vengono richieste.

Piuttosto ragiona in termini di convenienza e bontà dell’investimento, puntando su qualità dei componenti e su affidabilità di chi si farà carico della progettazione e installazione.

Tieni d’occhio le garanzie e verifica la disponibilità di intervento tempestivo in caso di guasti o malfunzionamenti: sono queste cose che, a ben guardare, fanno la differenza.

Vantaggi e svantaggi dei pannelli fotovoltaici

Prima di concludere, passiamo in rassegna vantaggi e svantaggi dei pannelli fotovoltaici.

Questa sezione dell’articolo, in realtà, ci permette di tornare su concetti che ci stanno molto a cuore: la sostenibilità ambientale e l’impegno verso la transizione energetica, senza però dimenticare che installare un impianto fotovoltaico comporta un notevole vantaggio economico.

Vediamo ora, a uno a uno, quali sono i vantaggi di un impianto fotovoltaico.

Risparmio sulla bolletta elettrica

Abbiamo visto come installare un impianto fotovoltaico rappresenti, in prima istanza, un modo per essere più indipendente dalla rete elettrica: più energia produci e adoperi, meno ne prelevi dalla rete.

Questo fa abbassare moltissimo il costo delle tue bollette della luce.

Il risparmio dipende da quanto autoconsumi: come abbiamo detto, se decidi di installare un sistema di accumulo, puoi risparmiare fino all’80% sul costo delle tue bollette.

Nello specifico, se consideriamo un impianto da 3 kWp, che produce circa 1.000 kWh all’anno, stimando un autoconsumo del 30%, in assenza di un sistema di accumulo, potresti raggiungere un risparmio annuo di circa 400-450€ da sommare ai crediti maturati grazie a sistemi di incentivo come lo Scambio sul Posto e il Ritiro Dedicato.

Con un sistema di accumulo, questo risparmio può raggiungere anche i 900 – 1.000 euro all’anno.

Minore impatto ambientale

Riducendo la quantità di energia che prelevi dalla rete, riduci anche il ricorso a combustibili fossili.

Si stima che 1 kWh di energia solare equivalga a mezzo kg di Co2 risparmiata per l’ambiente.

In altre parole, investire in un impianto fotovoltaico, oltre a fornire un reale risparmio energetico, consente di diventare parte attiva nel processo di transizione energetica, promuovendo comportamenti e abitudini più sostenibili per l’ambiente. 

Aumenti il valore del tuo immobile

Da alcuni mesi è stato approvato la direttiva sull’Efficienza Energetica degli Edifici, la cosiddetta direttiva “Case Green”, con l’obiettivo di contribuire ad azzerrare le emissioni entro il 2050, riducendo via via l’utilizzo di combustibili fossili all’interno delle abitazioni.

Insomma, negli anni a venire avranno sempre più valore gli immobili efficienti dal punto di vista energetico.

Oggi si stima che un impianto fotovoltaico aumenti il valore dell’immobile di un valore compreso tra il 4 e l’8%, ma probabilmente il valore degli immobili dotati di impianto fotovoltaico o solare fotovoltaico aumenterà ulteriormente, proprio in vista delle nuove disposizioni finalizzate a ridurre progressivamente le emissioni inquinanti, a favore di scelte sempre più sostenibili. 

l futuro dei pannelli fotovoltaici: tendenze e innovazioni

Negli ultimi quindici anni si è assistito a un vero e proprio boom del fotovoltaico: proprio il 2023 è stato in Italia un anno che potremmo definire da record, sia per numero di impianti installati, sia per quantità di kWh prodotti.

Questa tendenza positiva è dovuta sicuramente a una maggiore sensibilità dei consumatori intorno alle questioni ambientali, complice anche una diffusione sempre maggiore di informazioni sulle condizioni climatiche e ambientali.

Oltre all’accresciuto senso di responsabilità, anche le numerose iniziative statali hanno contribuito sempre più a una diffusione di una cultura delle energie rinnovabili, rendendo accessibile l’installazione di impianti a un numero sempre maggiore di persone.

Proprio nel 2023 è stato messo a disposizione il Reddito Energetico, un incentivo a fondo perduto per l’installazione di impianti fotovoltaici rivolto a famiglie con basso ISEE.

Alla maggiore accessibilità si unisce anche l’aspetto tecnologico: le continue ricerche in ambito fotovotlaico permettono di avere componenti sempre più efficienti, performanti e durevoli, a costi di realizzazione sempre più bassi.

Ad esempio, si stanno implementando sempre più tecnologie che prevedono l’impiego di celle solari in tandem a perovskite, una tecnologia innovativa, che combina il silicio tradizionale con materiali a perovskite, che ha già superato il 33% di efficienza in laboratorio, offrendo prospettive di produzione di energia significativamente superiori rispetto ai pannelli tradizionali.

Un altro esempio di tecnologia fotovoltaica che punta tutto alla massima efficienza dei moduli è l’impiego di Silicio bifacciale: una tipologia di pannello, in grado di catturare la luce da entrambi i lati, sta diventando sempre più popolare, aumentando la produzione di energia e riducendo i costi.

Si parla anche di Silicio nanostrutturato, conosciuto come “silicio nero: un materiale assorbe una maggiore quantità di luce solare, migliorando l’efficienza dei pannelli.

Altre tecnologie promettenti sono le Celle solari sensibilizzate ai coloranti (DSSC), che offrono un’elevata efficienza in condizioni di luce diffusa e potrebbero trovare applicazione in dispositivi portatili e nell’illuminazione interna.

Mentre è ancora in fase di sviluppo il Fotovoltaico organico (OPV), che potenzialmente dovrebbero essere prodotti a basso costo e con processi di produzione più sostenibili: la vera svolta, infatti, sarà produrre moduli fotovoltaici sempre meno impattanti, sia nelle modalità di produzione, che nelle modalità di smaltimento.