Pannelli Fotovoltaici Thin Film Quando Sceglierli

Una delle tecnologie che potrebbe avere un largo impulso nei prossimi 5 anni nel settore del fotovoltaico è quella del thin film, ovvero dei moduli realizzati con film sottile. Si chiamano CIS, dalle iniziali inglese dei componenti con cui vengono realizzati , Copper, Indium e Selenide ovvero Rame, Indio e Selenio. La caratteristica principale di questi pannelli è che sono a film sottile, si presentano come un foglio di carta flessibile, solo un po’ piú spesso, quindi impiegabili in tanti tipi di strutture. Possono avvolgere parti esterne dell’ edificio seguendo delle curve, appoggiati verticalmente o orizzontalmente su pareti, oppure essere indossati, li abbiamo visti infatti sugli zainetti solari che permettono a piccole periferiche di essere ricaricate con il sole.

Gli impieghi sono tanti ed il prezzo rispetto ad un classico modulo fotovoltaico in silicio cristallino piú basso. Il rovescio della medaglia è che hanno un rendimento inferiore, compensato da una resa migliore in presenza di ombreggiatura. Se avete uno spazio ridotto e volete ottimizzare la produzione non prendeteli in considerazione.

I produttori

i leader mondiali in questo settore sono First Solar e Solar Frontier, i primi americani ed i secondi giapponesi, ma ci sono anche Bosch ed Inventux, made in Germany. Dall’ ultimo rapporto di Solar Buzz si nota l’andamento grafico della produzione mondiale, costantemente in crescita. Le richiesta maggiori arrivano dai mercati asiatici, Cina in testa, ma anche dagli Stati Uniti. In Europa la grande spinta al fotovoltaico si è un po’ arrestata, Italia compresa, con la fine degli incentivi statali, ma potrebbe ripartire con l’abbassamento dei prezzi dei moduli fotovoltaici.

 

andamento_vendite_thin_film

I Prezzi

i pannelli in silicio cristallino hanno bisogno di più di 100 micron di materiale per assorbire la luce, il film sottile ne richiede solo 1 micron. Per questo i prezzi di un modulo thin film sono piú bassi di un 30% rispetto agli altri. Di contro però, dato che l’efficienza è minore, avremo bisogno di piú pannelli e quindi di una superficie maggiore per produrre la stessa quantità di energia elettrica che potremo realizzare con quelli in silicio.

Differenze con i Moduli in Silicio Cristallino

i moduli in silicio poli e mono cristallino hanno un rendimento maggiore rispetto a quelli a film sottile. Spesso anche il doppio. Parliamo di un 15-16% dei primi contro il 7-8% dei secondi. Recentemente le cose son migliorate facendo sfiorare ai thin film efficienze del 13%. Questa cosa però è vera in piena insolazione, quando non ci sono ombreggiamenti. La tecnologia in film sottile però ha una proprietà, denominata bandgap (ha bisogno di pochissima energia per liberare l’elettrone che con il suo movimento da’ vita ad elettricità) , che è superiore al silicio. Al silicio non piace assorbire la luce.Prende solo quella con lunghezza d’onda bassa (rosso e IR), piuttosto che la maggior parte della luce che proviene dal sole. Ha la bandgap errata (lunghezza d’onda che viene assorbita), e non la assorbe molto bene.  Questo significa che in casi in cui c’è poca luce o è presente ombreggiamento il thin film può risultare piú efficiente.

modulo_film_sottile

Perchè scegliere i Thin Film

i moduli CIS vengono utilizzati in ambito residenziale sui tetti che hanno bisogno di tegole fotovoltaiche. Ovvero quando dobbiamo perfettamente integrarli con l’andamento architettonico dell’ edificio (in tempi di conto energia avevamo anche una remunerazione maggiore per questi impianti). Pensiamo a case che si trovano in un centro storico e che non possono, per motivi estetici, installare un impianto fotovoltaico standard. I moduli thin film inoltre, proprio per la loro caratteristica, possono meglio adattarsi a strutture mobili. Pensiamo ad un camper che si muove costantemente e che spesso produce zone d’ombra sui pannelli. L’abbassamento delle prestazioni con i moduli in silicio sarebbe impressionante, con quelli a film sottile minore.

Se invece abbiamo poco spazio a disposizione, e dobbiamo ottimizzare al massimo le prestazioni per avere il maggiore rendimento possibile in termini di produzione elettrica, al contrario non dobbiamo scegliere i thin film. In questo caso meglio optare per moduli pv ad alto rendimento, di marche come Sunpower o Panasonic, che abbiano efficienze del 20% circa, il massimo ottenibile con la tecnologia attuale.

Impianti Fotovoltaici ad Accumulo con Batterie

pannelli-fotovoltaici-con-batterieAbbiamo sempre pensato ad un impianto fotovoltaico connesso alla rete, ON GRID. L’energia elettrica prodotta in un dato momento veniva autoconsumata e quella che avanzava reimmessa in rete e cedute al gestore. Da un po’ si sono però affacciati sul mercato sistemi ad accumulo con batterie, OFF GRID. L’energia elettrica prodotta durante il giorno viene stoccata e consumata di notte, quando i moduli fotovoltaici non possono produrre.

Visto che gli incentivi del Conto Energia si sono esauriti, a coloro che vogliono sfruttare al meglio il proprio impianto fotovoltaico non rimane che cercare di consumare al meglio tutta l’elettricità prodotta. Per fare ciò c’è necessariamente bisogno di un sistema per accumulare l’energia che fa uso di batterie. Un po’ come avviene per il proprio smartphone o tablet. Lo ricarichiamo, lui accumula energia grazie alle pile e ci garantisce l’utilizzo giornaliero.

In pratica possiamo essere completamente autosufficienti dal punto di vista energetico, non aver più bisogno di essere allacciati alla rete elettrica, essere immuni da Blackout. Per la verità le cose non stanno proprio così, a meno che non si sovradimensioni un impianto fotovoltaico, possiamo in qualsiasi bisogno aver bisogno di energia elettrica. Pensiamo all’ inverno, quando le giornate sono corte e spesso buie. E’ vero che i pannelli fotovoltaici producono anche solo con la luce del giorno, ma in mancanza di sole le prestazioni si abbassano. Una settimana di pioggia a livello di produzione di energia elettrica si fa sentire.

Conviene installare un impianto fotovoltaico ad Accumulo Off Grid?

il discorso è complesso e non è facile dare una risposta. Attualmente ci sentiremo di dire di no, la convenienza non c’è. Il problema è legato alle batterie che ancora costano troppo, sono ingombranti e con gli anni tendono a perdere la loro capacità di “memoria”. Lo sappiamo dai cellulari. Dopo 3 anni di ricariche non sono performanti come all’ inizio.

Le batterie in commercio sono di due tipi:

  • acido piombo
  • al litio

Le batterie ad acido piombo sono simili a quelle che utilizziamo sulle auto, quelle al Litio sono le stesse che troviamo su pc, tablet e smartphone. Le prime costano meno delle seconde anche se garantiscono un numero ridotto di cicli di carica. Circa 3000, ovvero quasi 10 anni di funzionamento.

Altro svantaggio rispetto a quelle al litio è rappresentato dal fatto che possono essere scaricate meno profondamente (limite massimo all’ 80%) e che sono meno efficienti. Di positivo c’è il fatto che costano meno.

Ci sono molti tentativi di incrementare l’efficienza delle batterie. Alcuni ricercatori dell’ Università di Stanford hanno sviluppato un sistema per migliorare le prestazioni delle batterie al Nickel in controtendenza rispetto a quelle a ioni di litio. Il vantaggio delle Nickel è che si ricaricano molto velocemente.

Prezzi delle Batterie per sistemi Fotovoltaici

se prendiamo a riferimento l’ultimo rapporto di Solarbuzz. Secondo il portale le batterie rappresentano il 15% della spesa totale di un impianto fotovoltaico con un prezzo medio per watt ora di circa 16 centesimi di Euro.

Quale Marca Scegliere per il proprio Impianto Fotovoltaico

La tecnologia che sta dietro un pannello fotovoltaico, senza entrare nei dettagli del funzionamento, è abbastanza semplice. Nel corso degli anni non è molto progredita, anzi, possiamo dire che le piccole celle solari che erano presenti nelle calcolatrici di 20 anni fa sono realizzate allo stesso modo di quelle che ritroviamo nei pannelli dei nostri impianti. C’è quindi differenza tra una marca e l’altra di pannelli solari? Quale scegliere, quale prodotto comprare e a che prezzo. Cerchiamo di fare chiarezza.

E’ vero, qui non si tratta di scegliere tra una Mercedes ed una Fiat, prodotti che possono differenziarsi tantissimo, ad esempio nell’ elettronica, nella carrozzeria, nel motore. Nel settore fotovoltaico, tra una marca e l’altra, la differenza tecnologica è minima, parliamo dei moduli a silicio cristallino, è l’efficienza del modulo quella che dobbiamo tenere d’occhio (a volte lo chiamano rendimento).
Diamo uno sguardo alla foto qui sotto. Si tratta del datasheet di un pannello solare della Trina (marca cinese). I valori cerchiati in rosso sono quelli da prendere come riferimento. Più alto è questo valore maggiore sarà il rendimento del modulo e quindi più energia elettrica è in grado di produrre.

efficienza modulo trina solar

I valori di un modulo a silicio cristallino sono solitamente compresi tra il 13 ed il 21%. Quelli dei pannelli a thin film invece tra l’8% ed il 13%, sono meno performanti ma costano di meno e si adattano a superficie curvi perchè molto sottili e flessibili.

Abbiamo quindi capito che a parità di prezzo è meglio scegliere un pannelli che ha l’efficienza più alta. Solitamente più è alta la potenza di un modulo, maggiore sarà la sua efficienza. Questo lo potete evincere anche dalla foto dello stesso modulo che, nella versione a 260 watt, ha un valore del 15,9%, in quella a 265 W del 16,2% e a 270 del 16,5%. Meglio poi i monocristallini rispetto ai policristallini.

La marca di pannelli fotovoltaici più performante, se prendiamo a riferimento solo la quantità di energia solare che sono in grado di trasformare in energia elettrica , la famosa efficienza, è Sunpower insieme a Panasonic (ex Sanyo). Date un’occhiata al datasheet qui sotto:

pannellialtaefficienza

A sinistra abbiamo il modulo dell’americana Sunpower, a destra quello dei giapponesi di Panasonic. Come vedete si sfiora il 20%. Per arrivare a questi livelli Panasonic a inventato i moduli Hit con un rivestimento di pellicola thin film mentre Sunpower ha costruito le celle dei pannelli Maxeon su una base in rame in modo di aumentarne le prestazioni.

E’ chiaro che questi tipi di moduli costano di più rispetto agli altri. Stiamo parlando di un prezzo medio di circa 1,4-1,5 euro per watt al consumatore finale.

L’efficienza però non deve essere solo l’unico fattore da considerare nell’ acquisto di una marca. C’è anche la garanzia. Quasi tutti offrono 10 anni su difetti del prodotto e 20 anni sull’ 80% della potenza. Ovvero dicono che dopo 20 anni i pannelli sono in grado di garantire l’80% di efficienza. Producono di meno ma producono.

Altre considerazioni: d’estate i pannelli fotovoltaici sono sottoposti ad altissime temperature che possono far degradare le loro prestazioni. Pensiamo ad una giornata di pieno sole a luglio o agosto. I pannelli arrivano a toccare anche i 50-55 gradi. Con queste temperature le efficienze si abbassano. Un buon pannello è in grado di ben gestire questa tolleranza. In questo caso bisogna purtroppo testare i pannelli sul campo, ovvero ve ne accorgete una volta che misurate la corrente elettrica che state producendo tramite i contatori dell’ impianto.

Aumentare l’efficienza dei pannelli fotovoltaici con il Grafene

I produttori di pannelli fotovoltaici studiano costantemente modi per aumentarne l’efficienza. Un maggior rendimento sta a significare una maggior produzione di corrente elettrica, ecco perchè è così importante questo parametro. Al momento un modulo fotovoltaico economico ha un’efficienza media del 13-14%, i pannelli ad alto rendimento, ad esempio Sanyo e Sunpower, raggiungono punte del 20%.
Un nuovo materiale però promette di far incrementarel’efficienza fino al 50%, si tratta del grafene. Le sue doti di estrema conduttività sono state scoperte da due fisici russi, Andre Geim e Konstantin Novoselov (premi nobel nel 2010 per quest’innovazione). L’applicazione nel campo fotovoltaico potrebbe essere eccezionale, l’ideale sostituto del silicio.

Un team di ricercatori guidati da Sefaattin Tongay e Arthur F. Hebard presso l’Università di Gainesville in Florida, hanno pubblicato uno studio sull’ alta efficienza delle celle fotovoltaiche rivestite di grafene, qui il resoconto: http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/nl204414u

Le celle, drogate con Trifluoromethanesulfonyl, un azoturo, hanno aumentato di 4,5 volte la loro efficienza. Anche un team di scenziati del Michigan Institute ha notato un forte incremento di efficienza grazie al grafene;http://www.sciencedaily.com/releases/2012/04/120424205141.htm.

Il gruppo di ricercatori in quest’ultimo caso ha notato che l’aggiunta di grafene con biossido di titanio aumentato la conducibilità delle celle, portando al 52,4 la conduttività della corrente nel circuito dei moduli fotovoltaici. “L’eccellente conduttività elettrica dei fogli di grafene – hanno detto i ricercatori – permette loro di agire come ponti, accelerando il trasferimento di elettroni dal biossido di titanio al fotoelettrodo“.

Tra la scoperta e la commercializzazione di pannelli fotovoltaici con grafene ce ne passa ancora di tempo. Esperimenti devono essere ancora fatti visto che una quantità eccessiva di grafite finirebbe per assorbire i fotoni, riducendo l’efficienza del sistema, invece di incrementarla, la strada è però tracciata.

Moduli CIGS a Film Sottile, meglio dei Pannelli a Silicio

pannelli solari cigsI pannelli fotovoltaici più conosciuti ed utilizzati sono quelli che usano la tecnologia a silicio cristallino, mono o poli, ma ci sono altri prodotti interessanti sul mercato del fotovoltaico. Si tratta dei moduli CIGS, acronimo di Copper Indium Gallium Diselenide tradotti in italiano sarebbero rame, indio, gallio e diselenide. Pannelli a thin film sottile che non usano il silicio, ma i suddetti componenti. Il maggior produttore mondiale di questo moduli è l’americana Solyndra, che pero’ è in amministrazione controllata, ma ce ne sono molti altri, qui per la lista dei produttori mondiali di pannelli fotovoltaici con tecnologia Cigs.

Solyndra ha brevettato i moduli cilindrici che riescono a recuperare energia a 360 gradi, ricevendo irraggiamento anche nelle parti non esposte al sole grazie al riverbero di un materiale riflettente che viene steso sotto i cilindri. Ogni cilindro della serie 200 ha al suo interno 195 celle solari e all’ interno è protetto da un agente liquido di accoppiamento ottico (OCA) che serve come barriera all’umidità, aumentando la superficie attiva delle cella solare del tubo.

I moduli CIGS di Solyndra sono ottimi per coloro che hanno un tetto piano e non devono far vedere al resto dei vicini l’installazione dei pannelli fotovoltaici. Non hanno infatti bisogno dell’ inclinazione tipica dei moduli a silicio. Altri moduli CIGS thin film di altri produttori inoltre possono godere degli incentivi ai pannelli solari per l’integrazione architettonica, molto più alti di quelli normali (nel secondo semestre 2012 sono pari 0,41 euro per kw prodotto per un totale di 20 anni di erogazione).

Vantaggi moduli CIGS: finora le promesse di questa tecnologia sono rimaste tali, ma alcuni vantaggi stanno venendo a galla, ovvero:

– lo strato attivo del modulo CIGS può essere posto direttamente su lastre di vetro rivestite di molibdeno o su bande di acciaio. Ciò fa sì che si utilizzi meno energia per la crescicita di cristalli di grandi dimensioni, che è un passo necessario per la fabbricazione di celle solari in silicio cristallino. Inoltre, a differenza dei moduli classici, questi substrati possono essere flessibili e quindi adattati su tutte le superfici, anche tonde o curve.

– Vantaggio ambientale, costituito dal fatto che le celle solari CIGS sono in tellururo di cadmio, si utilizza un livello molto più basso di cadmio, sotto forma di solfuro di cadmio.

-i pannelli fotovoltaici CIGS mostrano una maggiore resistenza al calore rispetto a quelli al silicio.

Svantaggi moduli CIGS:

-prezzi ancora alti; l’abbassamento dipenderà dai costruttori, se verranno investire in questa tecnologia i costi sono destinati a scendere e toccare i livelli del cristallino;

-efficienza ancora al di sotto dei moduli in cristallino, anche se ci si avvicina al 16%.

Pannelli Fotovoltaici a Concentrazione, Prezzi e Consigli

I pannelli fotovoltaici a concentrazione permettono di produrre energia elettrica nella stessa maniera dei moduli classici, ma con una differenza, sono molto più efficienti. Se prendiamo ad esempio a riferimento un pannello della Sunpower della serie E20, quello con il massimo rendimento, arriviamo ad un 20%. Un’ottima performance, mediamente i pannelli si attestano su valori medi del 13-15%. Quelli a concentrazione, Cpv, sono capaci anche di raddoppiare l’efficienza e quindi di aumentare la produzione di energia elettrica. Si arriva a rendimenti che sfiorano il 40%. Da cosa dipende?

Dalla tecnologia che c’è dietro. Ogni modulo a concentrazione è composto da tante piccole cellule fotovoltaiche in cui viene installato uno specchio che raccoglie il raggio solare e lo concentra “sparandolo” addosso alla cella. La prima foto è abbastanza esplicativa di quello che accade.

C’è la fonte solare che colpisce il vetro, all’ interno del quale ci sono gli specchi che concentrano il raggio sulla cella. Ogni cella raggiunge temperature molto alte, i dissipatori di calore presenti nella parte posteriore servono a raffreddare.

Per fare ciò ed essere al massimo efficiente un pannello fotovoltaico a concentrazione deve essere dotato di un inseguitore mono assiale o biassiale, ovvero un motore montato su un supporto che sposti i pannelli e li esponga sempre in maniera ottimale al sole (vedere seconda foto). Alcuni sistemi inoltre usano sistemi di celle e multigiunzione. Ovvero strati di silicio messi uno sopra l’altro in ordine di spettro di banda. La cella più in alto cattura i fotoni con energia più grande e passa il resto dei fotoni che non riesce ad “acchiappare” a quella successiva e così via. Ciò aumenta ancora di più l’efficienza del pannello.

pannelli a concentrazione solarePrezzi dei pannelli fotovoltaici a concentrazione: di base dovrebbero costare meno di un pannello fotovoltaico classico. Il perchè è presto detto, si usa molto meno cilicio per costruire una cella che è notevolmente più piccola visto che il raggio si concentra solo su una porzione di essa. Però il minor costo è bilanciato da spese superiori dovute all’inseguitore e dai sistemi di raffreddamento. Il sole concentrato solo su una piccola parte fa infatti scaldare tantissimo la cella che va raffreddata solitamente con sistemi a lamelle, tipo quelle dei dissipatori dei chip.
C’è poi il capitolo manutenzione. Il motore si usura, pensate che un sistema a concentrazione con inseguitore si sposta costantemente durante il giorno, assorbe anche energia.

A riferimento abbiamo il sistema Albero d’Oro dell’ italiana Beghelli. Un sistema chiavi in mano per una potenza da 8,16 kw che occupa 40 mq e misura 7,670 x 5,560 metri. Il costo si aggira sui 35 mila euro.

Incentivi pannelli fotovoltaici a concentrazione: il quarto conto energia è particolarmente generoso, ma gli incentivi sono previsti solo per soggetti pubblici ed aziende, non per singoli cittadini o condomini. Per sistemi con potenza compresa tra 1 e 200 kwp è prevista una remunerazione di 0,345 euro se fatti funzionare entro fine 2012. 0,31 euro per potenze tra 200 e 1000 kwp e 0,272 euro per potenze superiori a 1000 kwp.

A partire 2013 e fino a fine 2016, salvo aggiustamenti del previsto quinto conto energie che entrerà in vigore probabilmente ad ottobre 2012, le tariffe assumono valore omnicomprensivo sull’energia immessa nel sistema elettrico, mentre sulla quota di energia autoconsumata è attribuita una tariffa specifica, come riportato qui:

Tariffa onnicomprensiva​ ​Tariffa autoconsumo
[kW]​ [€/kWh] [€/kWh]​
1 ≤ P ≤ 200​ 0,437​ ​0,334
200 < P ≤ 1000​ ​0,387 ​0,289
P > 1000​ ​0,331 ​0,253

Tegole Fotovoltaiche, prezzi e consigli

Per ottenere i massimi incentivi possibili con il conto energia, quelli previsti per la completa integrazione architettonica, possiamo installare sul nostro tetto le tegole fotovoltaiche. Di cosa si tratta? Sono pannelli fotovoltaici che si “incastrano” perfettamente nel tetto, andandolo , nelle parti in cui sono presenti i moduli solari, a sostituire. Due i modelli principali di tegole fotovoltaiche dette anche tegole solari:
-tegole fatte a forma di coppi, integrazione massima, il tetto è indistinguibile da quello classico (prima foto);
-moduli tegola con la normale struttura di un pannello fotovoltaico, ma senza la cornice (seconda foto).tegole solari integrate tetto

I vantaggi delle tegole fotovoltaiche sono tanti:
incentivi più alti rispetto ai normali sistemi fotovoltaici. Con un sistema che entra in funzione nel primo semestre 2012, di  potenza compresa tra 1 e 20 kwp otteniamo 0,418 euro per kw prodotto. Con un impianto che inizia a funzionare nel secondo semestre 2012 (fino al 31 dicembre 2012), con potenza compresa tra 1 e 20 kwp otteniamo 0,41 euro per kw prodotto. A partire dal primo gennaio 2013 sulla parte di elettricità che si consuma per il proprio fabbisogno viene erogato un incentivo di 0,543 euro (tariffa omnicomprensiva) e di 0,398 euro (tariffa di autoconsumo). A partire dal secondo semestre 2013 queste si decurtano di circa il 3-4% ogni sei mesi fino a fine 2016.
-Grazie alle tegole fotovoltaiche si possono installare sistemi solari anche nei centri storici di paesi e borghi dove sono in vigore vincoli artistici, visto che non deturpano il paesaggio.

Svantaggi tegole fotovoltaiche:tegole fotovoltaiche
-costi più alti: un sistema del genere ha un prezzo maggiore di circa il 30-40% rispetto ad un tradizionale sistema a moduli fotovoltaici;
-rendimento minore. Le tegole fotovoltaiche, specialmente quelle integrate nei coppi, hanno un’efficienza minore in termini di resa energetica.

Maggiori produttori di tegole fotovoltaiche:

Tegolacanadese:  nel suo catalogo ha Tegosolar , celle realizzate in silicio amorfo a film sottile a tripla giunzione. Possono essere adattate anche su superfici curve per seguirne il profilo.

Schuco: tegole fotovoltaiche integrabili con il tetto con altezza massima di 36 mm che va a filo con i coppi.

Rem: Techtile Energy sono le tegole fotovoltaiche che si sostituiscono al coppo per l’integrazione massima. Vedi qui le caratteristiche: http://www.remenergies.it/public/download/cataloghi/TT_ENERGY_2011_IT_REV00.pdf
Necessitano di 18 mq di spazio per generare 1kwp di energia. 3 colorazioni: cotto, testa di moro e sabbia. Sono in silicio cristallino, resistenti a calpestio e grandine.

Interessante la proposta di Sunpower che ha in catalogo una pensilina fotovoltaica per auto. Si tratta di una struttura fornita chiavi in mano sotto cui è possibile parcheggiare all’ ombra la propria auto, ma che al contempo produce energia elettrica grazie al tetto in cui sono installati 32 pannelli ad alta efficienza , in grado di fornire una gamma di potenza variabile tra i 5,9 kWp e i 10,5 kWp.