Classificazione dei sistemi di energia solare

In tutto il mondo le persone si stanno attualmente orientando verso l’utilizzo di fonti di energia rinnovabili per soddisfare il proprio fabbisogno energetico. Nel mondo di oggi, ci sono molti esempi di-emergenza e implementazione su larga scala di sistemi e tecnologie di energia solare nella società. Gli studenti universitari che si sono recentemente laureati o le persone che desiderano utilizzare le tecnologie solari per scopi domestici o lavorativi dovranno essere istruiti su quali tipi di sistemi solari esistono, come funzionano e i loro vantaggi e svantaggi, al fine di prendere decisioni di acquisto informate. I sistemi di energia solare possono essere classificati in tre tipologie in base a: 1) come viene prodotta l'energia (tecnologia); 2) come il sistema si connette/funziona in abbinamento alla rete elettrica (configurazione); e 3) la dimensione del sistema rispetto ad altri tipi di sistemi. L'obiettivo di questo articolo è fornirti diversi esempi di come possiamo classificare i sistemi di tecnologia dell'energia solare in queste tre categorie e fornirti descrizioni dettagliate di ciascuna di esse.

La classificazione più elementare dei sistemi di energia solare si basa su come utilizziamo l'energia del sole per alimentare le cose. Ci sono solo due modi per farlo: utilizzare il fotovoltaico (PV) o utilizzare l’energia solare concentrata (CSP); e poi ci sono i sistemi solari termici che creano una produzione di energia termica (o di produzione di calore-) (riscaldamento).

Sistemi fotovoltaici (PV).

Il tipo più comune di utilizzo della generazione di energia solare sono i sistemi fotovoltaici. Con l'aiuto dell'effetto fotovoltaico, i moderni sistemi fotovoltaici trasformano la radiazione solare in energia elettrica utilizzando un semiconduttore, più comunemente il silicio, che è lo standard del settore. Il semiconduttore viene "eccitato" dai raggi del sole, che fanno muovere un flusso di elettroni e creano una corrente elettrica continua, al contrario di una corrente alternata, che scorre in due direzioni diverse. Nella maggior parte delle famiglie e dei luoghi di lavoro, questa viene definita corrente continua (CC). Per essere applicabile nella maggior parte delle famiglie e dei luoghi di lavoro, è necessario un inverter per convertire la corrente continua (CC) della cella in corrente alternata (CA). Data la versatilità e la scalabilità dei sistemi fotovoltaici, i moderni pannelli commerciali sono progettati per raggiungere efficienze fino al 30%. Questi sistemi possono essere piccoli come pochi pannelli fotovoltaici su un tetto o grandi come parchi di energia solare fotovoltaica-su scala industriale.

Sistemi di energia solare concentrata (CSP).

Il processo CSP (Concentrated Solar Power) utilizza specchi e/o lenti per raccogliere l'energia solare concentrata su una vasta area e utilizza tali lenti e specchi per concentrare tale energia da una vasta area su un'area più piccola (come una torre o un tubo ricevitore). L'energia solare concentrata riscalda la superficie degli specchi piani (o delle lenti), creando così calore che può essere utilizzato per riscaldare un fluido termovettore (me stesso, sale fuso, olio, ecc.). Il calore verrà immagazzinato nel fluido termovettore fino al momento in cui il calore nel fluido termovettore verrà utilizzato per creare vapore che verrà poi utilizzato per far girare le turbine accoppiate per generare elettricità. Si stima che l'efficienza termica massima della tecnologia CSP sia pari a circa il 35%, un valore ottimo rispetto ad altre forme di generazione di elettricità grazie alla loro capacità di avere un elemento di accumulo dell'energia termica che consente l'elettricità dispacciabile dopo il tramonto. In generale, i sistemi CSP sono di ampia portata e complessità; pertanto sono adatti principalmente per applicazioni su rete su larga-scala situate in aree che ricevono elevati livelli di luce solare diretta, come i deserti.

Sistemi solari termici (riscaldamento).

A differenza del CSP, la tecnologia solare termica cattura l'energia "termica" (calore) per l'uso effettivo invece di generare elettricità (come fa un CSP). Esempi di luoghi in cui queste tecnologie vengono comunemente utilizzate includono il riscaldamento dell'acqua calda domestica (ad esempio, docce) e il riscaldamento delle piscine. I sistemi solari termici sono generalmente meno complessi e più economici per soddisfare specifici requisiti di riscaldamento rispetto ai sistemi CSP.

Dal punto di vista di un installatore o di un proprietario di casa, la classificazione più pratica di un sistema fotovoltaico si basa sulla sua configurazione elettrica e sul rapporto con la rete pubblica. Esistono tre tipi principali: sistemi grid-legati (on-grid), off-grid (autonomi) e sistemi ibridi.

Sistemi su-griglia (grid-collegati).
I sistemi On-grid sono collegati direttamente alla rete elettrica pubblica e rappresentano il tipo più comune di installazione residenziale e commerciale in tutto il mondo.

Come funziona:I pannelli solari generano elettricità durante il giorno. Questa energia viene utilizzata per far funzionare i carichi dell'edificio. Se il sistema produce più energia del necessario, l'eccesso viene reimmesso nella rete pubblica. Di notte o nei periodi di bassa produzione l'edificio preleva energia dalla rete.

Componente chiave:Questi sistemi non richiedono banchi batterie. La rete stessa funge da sistema di accumulo virtuale dell’energia in eccesso.

Vantaggi:Sono i più convenienti-e i più semplici da installare grazie alla mancanza di batterie. Consentono inoltre lo scambio netto, in cui i proprietari di casa ricevono credito per l'energia in eccesso che forniscono alla rete.

Svantaggio:Lo svantaggio principale è che il sistema si spegne durante un'interruzione dell'alimentazione di rete per motivi di sicurezza (per evitare-di fornire elettricità agli operatori di linea), il che significa che non può fornire energia di riserva.

Sistemi off-grid (autonomi).

I sistemi off-grid funzionano indipendentemente dalla rete elettrica. Sono ideali per l'uso in aree remote senza una pratica connessione alla rete o dove i costi di connessione alla rete sono troppo elevati.

Operazione:I pannelli solari forniscono la ricarica di un banco di batterie da utilizzare durante la notte o quando non c'è il sole. Un inverter funziona come un gateway per convertire la corrente continua prodotta dalle batterie in corrente alternata come viene utilizzata in una casa.

Caratteristica centrale:Un banco di batterie in grado di fornire energia sufficiente per supportare il sistema off-grid per più giorni senza bisogno di ricaricare, è la caratteristica principale di un sistema off-grid. Quando le condizioni atmosferiche impediscono la ricarica, molte case off-grid avranno anche un generatore di riserva per fornire energia più che sufficiente per periodi di tempo più lunghi.

Vantaggi:Vivere in modo totalmente indipendente dalla rete elettrica e avere accesso all'elettricità in una zona remota che non riceve elettricità dalla rete elettrica.

Svantaggi:Questi sistemi sono significativamente più costosi a causa dei costi della batteria. Richiedono inoltre una progettazione più complessa e una gestione diligente dell’energia da parte dell’utente per evitare di scaricare le batterie.

Sistemi ibridi
I sistemi ibridi combinano i migliori elementi della tecnologia on-grid e off-grid.

Cos'è un sistema ibrido:Un sistema ibrido si collega alla rete pubblica, proprio come un sistema-collegato alla rete, ma dispone anche di un banco di batterie incluso nel sistema. L'energia solare prodotta viene utilizzata prima per alimentare i carichi elettrici dell'abitazione, poi per caricare le batterie. Solo dopo che le batterie saranno completamente cariche, la rimanente elettricità solare prodotta verrà reimmessa nella rete. Durante un'interruzione di corrente dovuta a un'interruzione della rete, un sistema ibrido ha la capacità di isolarsi dalla rete e continuare a fornire energia alla casa attraverso il banco batterie e i pannelli solari.

Componente chiave di un sistema ibrido:Inverter ibrido o inverter abbinato a un controller della batteria - questo componente controlla i numerosi componenti diversi in un sistema ibrido.

Vantaggi di avere un sistema ibrido:Affidabilità dell'alimentazione di backup, capacità di risparmiare energia auto-generata da utilizzare durante i picchi delle tariffe elettriche ed eventualmente un banco di batterie più piccolo rispetto a un'applicazione solo off-rete.

Svantaggio di avere un sistema ibrido:I costi aggiuntivi della batteria rendono il costo complessivo superiore a quello di un sistema standard-collegato alla rete.

Oltre al tipo di sistema, gli impianti solari vengono classificati anche in base alle dimensioni e alla relazione con il carico elettrico che servono.

Generazione distribuita (DG): si tratta di sistemi più piccoli situati più vicini al punto di consumo. La maggior parte dei sistemi sui tetti residenziali e quelli sugli edifici commerciali rientrano in questa categoria. Di solito sono integrati nella rete di distribuzione a bassa tensione e possono consentire ai consumatori di risparmiare sulla bolletta elettrica.

Generazione centralizzata (scala-di utilità): si tratta di grandi impianti di energia solare, generalmente distribuiti su centinaia di acri, che producono elettricità che viene poi fornita tramite linee di trasmissione ad alta tensione a utenti finali-lontani. Sia i parchi solari fotovoltaici su larga scala che gli impianti CSP rientrano in questa categoria. Nel complesso, la classificazione dei sistemi di energia solare è complessa. Sia che venga classificata in base alla tecnologia coinvolta (PV o CSP), alla configurazione operativa (on-grid, off-grid o ibrida) o al grado di implementazione, ciascuna classificazione ha una funzione importante nel sistema energetico mondiale. Conoscere queste differenze è la base per coloro che mirano a utilizzare l’energia solare.