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LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura FONTI DELLENERGIA ELETTRICA A seconda.

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1 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura FONTI DELLENERGIA ELETTRICA A seconda delle origini le fonti energetiche possono essere: Fonti non rinnovabili: sono esauribili, a disposizione in quantità limitata. In questa categoria rientrano il carbone, il petrolio, il gas naturale, etc. Fonti rinnovabili: sono a disposizione in quantità illimitata. In questa categoria rientrano il sole, lacqua, il vento, il calore della Terra, le maree, le biomasse, etc. F O T O V O L T A I C O Energia elettrica dalla radiazione solare La tecnologia fotovoltaica permette di trasformare direttamente in energia elettrica la luce associata alla radiazione solare. Essa sfrutta le proprietà dei materiali semiconduttori, come il silicio, che opportunamente trattati, sono in grado di generare elettricità una volta colpiti dalla radiazione solare (quindi senza alcun uso di combustibili).

2 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Radiazione Solare Energia elettromagnetica emessa dai processi di fusione dellidrogeno con lelio contenuti nel sole. Nel nucleo si produce, per effetto della reazione di fusione, una temperatura stimata tra 16 e 40 milioni di gradi; attraverso una serie di processi radiativi e convettivi avviene il trasferimento del calore alla superficie dove avviene lirraggiamento verso lo spazio. La temperatura della superficie si porta allora ad un valore di circa 5780 K, tale da fare sorgere un equilibrio tra lenergia che la superficie stessa riceve dal nucleo e quella che emette verso gli spazi siderali.

3 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Fuori latmosfera terrestre la potenza incidente su di una superficie unitaria, perpendicolare ai raggi solari, assume un valore di circa 1.360W/m², questo valore prende il nome di Costante Solare ca il 40% della radiazione viene assorbita o riflessa dalle nubi ed il 15% viene assorbita dall'atmosfera stessa. Arriva al suolo, quindi, circa il 45% della radiazione. Densità di Potenza radiazione solare per unità di tempo e di superficie. Sulla superficie terrestre, a livello del mare, in condizioni meteorologiche ottimali e sole a mezzogiorno, la densità di potenza è di circa 1000W/m²

4 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre si distingue in: (1)diretta (2)diffusa (3)riflessa

5 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Un parametro importante della radiazione solare è rappresentato dall'intensità misurata con due grandezze fisiche: - l'insolazione, ovvero l'energia media giornaliera (kWh/m 2 giorno) - l'irraggiamento, cioè la potenza istantanea su superficie orizzontale (kW/m 2 ). La produzione di energia a partire da quella solare è funzione del carattere periodico della fonte. Infatti la rotazione terrestre determina i cicli stagionali e giornalieri che caratterizzano la presenza di radiazione solare e la relativa intensità (posizione della Terra rispetto al Sole - stagione ed ora del giorno ).

6 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura

7 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Per progettare i sistemi che sfruttano la radiazione solare per la generazione di energia termica che elettrica, occorre quantificare la potenzialità di captazione della radiazione solare. I parametri da individuare e valutare per la progettazione dei sistemi ad energia solare sono: - Caratteristiche tecniche dei sistemi - Parametri ambientali. Parametri ambientali: -i parametri astronomici e geografici: le stagioni e le ore sono caratterizzanti della diversa inclinazione dellasse terrestre, mentre la latitudine e la longitudine sono caratterizzanti della rotazione. Questi fattori combinandosi determinano la diversa inclinazione di incidenza dei raggi solari sulla superficie terrestre che in estate è prossima alla direzione verticale mentre in inverno è prossima alla direzione dell'orizzonte; - i parametri atmosferici: descrivono le condizioni meteorologiche che caratterizzano l'area interessata dall'istallazione e sono necessari per quantificare la radiazione diretta che investe le superfici captanti e le temperature.

8 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Condizioni ottimali di inclinazione e orientamento della superficie captante

9 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Condizioni ottimali di inclinazione e orientamento della superficie captante ln linea generale, le applicazioni di piccole e medie dimensioni, che caratterizzano il settore dell'edilizia, utilizzano superfici captanti con struttura fissa. Pertanto, ai fini della progettazione, i parametri da considerare per determinare le migliori condizioni di captazione della radiazione solare in relazione al sito e all'edificio su cui insiste l'impianto, sono: - langolo di tilt, ossia l'inclinazione della superficie captante (angolo indicato con ); - l'azimuth, ossia lorientamento della superficie captante ponendo lo 0 nel sud geografico dellemisfero settentrionale (angolo indicato con ); - lalbedo, ossia la capacità di riflessione di una superficie in funzione del materiale e del colore (coefficiente di riflessione)

10 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Angolo azimutale : è langolo orizzontale tra il piano verticale passante per il sole e la direzione del sud, ed è positivo verso est e negativo verso ovest. Altezza solare : è langolo verticale che la direzione collimata al sole forma con il piano orizzontale;

11 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Nelle applicazioni più comuni i sistemi solari vengono utilizzati durante tutto l'arco dellanno e, in questo caso, approssimativamente, si può prevedere che l'inclinazione ottimale è la latitudine del luogo meno 10°. L'orientamento ottimale nell'emisfero Boreale è verso sud, quindi con angolo di azimuth pari a 0° e per le latitudini che interessano il territorio italiano, l'inclinazione ottimale è di 30 29° (Sud Italia) ai 32° (Nord Italia).

12 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Nel caso in cui invece si prevede l'utilizzo degli impianti solari solo durante una stagione (come le residenze estive o le attività turistiche ricettive stagionali), ad esempio in inverno, la direzione dei raggi solari è più inclinata e la radiazione solare è meno intensa (superficie captante maggiore). Al contrario in estate, in cui la radiazione solare è più intensa è la direzione dei raggi è più vicina alla verticale, con traiettoria più alta. Diagramma dei percorsi solari per la determinazione delle condizioni di soleggiamento

13 Questo diagramma è così costituito: il cerchio esterno rappresenta lorizzonte; i cerchi interni rappresentano i vari valori dellaltezza solare α, che sono egualmente spaziate luna dallaltra; le linee radiali indicano lazimut γ, diagrammate a passi di 10°; le linee intersecanti i percorsi solari per le varie date indicate, rappresentano lora locale vera. Tecnica del Controllo Ambientale Diagramma dei percorsi solari

14 Si orienta il diagramma polare dei percorsi solari relativo alla latitudine del luogo in esame, secondo la direzione Nord della pianta delledificio; Tecnica del Controllo Ambientale Determinazione delle ore di soleggiamento

15 dal centro del diagramma si traccia una retta parallela alla proiezione sul piano orizzontale del piano di prospetto delledificio, e la retta normale ad essa uscente in direzione Sud; Tecnica del Controllo Ambientale

16 Radia Radiazione solare su una parete in località Roma

17 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura QUINDI: Lenergia solare non raggiunge la superficie terrestre in maniera costante, ma con intensità variabile durante il giorno, da stagione a stagione, in funzione della nuvolosità, dallangolo dincidenza e del coefficiente di albedo delle superfici. La radiazione che un metro quadrato di una superficie orizzontale riceve è detta radiazione globale ed include la radiazione diretta e quella diffusa. La radiazione diretta e quella che giunge direttamente dal sole, mentre la radiazione diffusa è quella riflessa dal cielo, dalle nuvole e da superfici riflettenti. La radiazione diretta si ha quindi solo quando il sole è visibile. LItalia ha uninsolazione ottimale per lutilizzo di tutte le tecnologie di sfruttamento della radiazione solare. In condizioni di cielo sereno in Italia la radiazione globale può raggiungere unintensità di W/m 2. La radiazione diffusa oscilla invece tra 0 e W/m 2. La radiazione diffusa rappresenta in Italia circa il 25% della radiazione globale. Quando il cielo è densamente coperto o allimbrunire, lintensità della radiazione non supera i W/m 2.

18 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Per calcolare quanto produce un sistema fotovoltaico occorre conoscere lirraggiamento globale rappresentato nella cartina di sinistra.

19 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Le modalità di misurazione della radiazione solare possono essere diverse: - piranometri, che misurano l'intensità della radiazione solare netta; - mappe isoradiative, che mostrano la distribuzione dell'insolazione media per anno o per medie mensili nelle regioni; -norme UNI 8477 parte 1, che a partire dai dati sull'orizzontale desunti dalla norma UNI 10349, permettono di determinare la radiazione incidente; - Atlante Europeo della Radiazione solare (commissionato dall'Unione Europea), dove si possono consultare le tabelle con lirraggiamento medio giornaliero in funzione della località e dell'inclinazione della superficie captante; - La radiazione solare globale al suolo in ltalia", pubblicazione a cura dell'ENEA.'

20 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Si definisce impianto o sistema fotovoltaico un insieme di componenti elettrici ed elettronici atti a captare e trasformare l'energia solare disponibile in energia elettrica. Esso è composto essenzialmente da: moduli o pannelli fotovoltaici, che costituiscono il generatore, detto array fotovoltaico (diverse configurazioni ); inverter, che trasforma la corrente continua generata dai moduli in corrente alternata ; Batterie, quadri elettrici e cavi di collegamento. La trasformazione o conversione di energia da solare in elettrica avviene attraverso il fenomeno denominato effetto fotovoltaico, ovvero l'interazione della radiazione luminosa con gli elettroni all'interno di materiali semiconduttori. Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Sistemi fotovoltaici

21 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Impianti fotovoltaici La tecnologia fotovoltaica permette di trasformare direttamente in energia elettrica la luce associata alla radiazione solare. Essa sfrutta le proprietà dei materiali semiconduttori, come il silicio, che opportunamente trattati, sono in grado di generare elettricità una volta colpiti dalla radiazione solare (quindi senza alcun uso di combustibili).

22 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Impianti fotovoltaici

23 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 A differenza del solare termico, la tecnologia fotovoltaica sfrutta in modo non trascurabile l'irraggiamento diffuso, che permette di ottenere buone prestazioni anche con cielo nuvoloso. ln linea generale il progetto e il dimensionamento del generatore fotovoltaico devono considerare: - latitudine ed irraggiamento medio annuo del sito; - carico elettrico; - specifiche elettriche del carico utilizzatore; - potenza di picco; - collegamento alla rete elettrica o a batterie; - caratteristiche architettoniche dell'edificio (se i pannelli sono previsti su di un edificio). Gli impianti fotovoltaici possono essere: - connessi alla rete elettrica di distribuzione (grid-connected) o - direttamente a utenze isolate (stand-alone), per assicurare la disponibilità di energia elettrica in zone isolate. Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura

24 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 I moduli fotovoltaici La problematica che maggiormente influisce sullo sviluppo del fotovoltaico risiede nel processo di produzione dei moduli che risulta ancora troppo costoso. Il materiale primario che monopolizza l'attuale mercato del fotovoltaico è il silicio in diverse forme e tecnologie che ne determinano i rendimenti e le applicazioni. ll silicio è, dopo l'ossigeno, il materiale maggiormente presente sulla Terra. Esso non esiste in forma pura ma non esiste in forma pura, solo sotto forma di Ossido di Silicio (SiO2) o di composti contenenti il silicio Si, come la sabbia, il quarzo e largilla (in sabbia marina o in materiale estratto in miniere - migliore fonte di approvvigionamento per la tecnologia fotovoltaica). Il silicio viene prima estratto dalle miniere e poi viene reso puro attraverso diversi processi chimici. Esistono, tuttavia, vari gradi di purezza: per lindustria fotovoltaica il grado di purezza stabilito deve essere 99,9% (Silicio di grado solare). Il silicio estratto ha bisogno di essere purificato e questo è il processo più costoso nella filiera della produzione del fotovoltaico. Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura

25 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 I moduli fotovoltaici Si distingue lutilizzo del silicio cristallino e l'utilizzo del silicio amorfo, materiali che presentano sostanziali differenze tanto nel processo di produzione quanto nell'applicazione e montaggio dei moduli. lnfatti, mentre per la tecnologia del silicio cristallino si parla di produzione di vere e proprie celle, in quella del silicio amorfo si parla di film sottile depositato su materiali rigidi. ln entrambi i casi le caratteristiche elettriche principali da considerare per un modulo fotovoltaico sono: - potenza di picco (Wp), che rappresenta la potenza erogata dal modulo in condizioni standard (irraggiamento = 1000 W/m 2 ; temperatura = 25° C); - corrente nominale (A), ossia la corrente erogata dal modulo nel punto di lavoro; -tensione nominale (V), ossia la tensione di lavoro del modulo. Le diverse tipologie di moduli presenti sul mercato possono quindi classificarsi in base al materiale che li costituisce, avendo questo un'influenza notevole sui costi e sui rendimenti dei sistemi stessi: - Ie celle e i moduli in silicio cristallino - i moduli a film sottile in silicio amorfo Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura

26 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Celle e moduli in silicio cristallino Sono rigide, di forma quadrata con dimensioni variabili da 100 a 150 mm e spessore da 0,20 a 0,35 mm. Esse costituiscono potenzialmente dei piccoli generatori, ma la loro potenza è troppo ridotta (intorno a 1,5 Watt in condizioni standard) ed inoltre sono molto fragili ed elettricamente non isolate, pertanto devono essere assemblate in moduli. Il collegamento delle celle avviene in serie ottenendo moduli che contano generalmente 36, 64, o 72 celle. Le celle in silicio cristallino possono essere di tipo mono o policristallino. -celle in silicio monocristallino -celle in silicio policristallino Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura

27 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Il silicio viene fuso e colato in una cilindro di cristallo, o lingotto, di diametro di 20 cm, e alto circa un metro e pesa circa75 Kg. Una volta freddo, il lingotto di silicio viene tagliato in dischi molto sottili (wafer), dello spessore di mm con struttura omogenea, che costituiscono la base per le celle. I wafer presentano un color argento lucido. La produzione di questo tipo di celle è molto costosa, anche perché ci sono molti scarti non riutilizzabili (25-30%) tonnellate di silicio di grado solare equivalgono a circa MW di celle solari Il silicio deve essere drogato perché il silicio puro è un pessimo conduttore di corrente in quanto non presenta elettroni di conduzione in grado di trasportare energia. Drogando il silicio con ottimi conduttori di corrente e rendendolo impuro si forniscono gli elettroni di conduzione necessari per la trasmissione dellenergia. Produzione di celle fotovoltaiche

28 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Le due facce del wafer vengono drogate con atomi di fosforo e boro in modo da ottenere la giunzione di due strati con proprietà elettriche opposte: strato positivo P e strato negativo N. La cella fotovoltaica è allora sostanzialmente un diodo, cioè una giunzione tra due semiconduttori P ed N. I fotoni presenti nella radiazione luminosa separano gli elettroni dagli atomi di silicio, formando le lacune. Gli elettroni sono carichi negativamente e le lacune sono cariche positivamente; le coppie elettrone – lacuna, create per effetto fotoelettrico, migrano nel campo elettrico della giunzione e generano in un circuito esterno la corrente elettrica. Drogaggio

29 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Per la produzione della cella viene fatta solidificare una massa fusa di silicio policristallino creando un cilindro, successivamente tagliato a dischetti. Durante la fase di solidificazione, i cristalli si dispongono in modo casuale ed è per questo che la superficie presenta caratteristici riflessi cangianti. Il silicio policristallino ha una grana più grossa del silicio monocristallino. A differenza delle celle in monocristallino queste hanno una struttura disomogenea, dovuta alle irregolarità del materiale, che caratterizza l'aspetto delle celle con un disegno ben distinguibile. La minor purezza della materia prima favorisce un abbattimento dei costi ma allo stesso tempo implica un minor rendimento dei moduli in policristallino. Celle fotovoltaiche in silicio policristallino

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31 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Dalla cella al modulo in silicio cristallino ll modulo in mono o poli-silicio cristallino è un pacchetto costituito dalle celle (mono o policristalline) e da tutti sistemi di collegamento, protezione e irrigidimento necessari al suo utilizzo. Ogni cella è dotata di contatti elettrici che ne consentono il collegamento con le altre. Quindi il modulo fotovoltaico è il componente elementare di un generatore fotovoltaico, formato da più celle collegate tra loro in modo da ottenere valori di tensione e corrente adatti ai comuni impieghi. Nel modulo le celle sono protette dagli agenti atmosferici da un vetro e sul lato posteriore da materiali isolanti e plastici. La superficie anteriore viene protetta con una lastra di vetro temperato con elevate caratteristiche ottiche che oltre a proteggere il modulo dagli agenti atmosferici trattiene la radiazione solare e riduce la riflessione. La superficie posteriore viene protetta con uno strato plastificato per rendere il modulo impermeabile allossigeno ed allacqua e rigido.

32 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Moduli in silicio cristallino A questo punto il pacchetto, denominato anche "sandwich, viene sottoposto ad un processo di laminazione sottovuoto esponendolo ad alte temperature, che favoriscono la completa sigillatura dei componenti, escludendo le infiltrazioni d'aria. Una scatola di connessione, saldata e sigillata nella parte posteriore del modulo, permette il collegamento elettrico con altri moduli. ll processo di produzione del modulo è completato con l'inserimento della cornice in alluminio estruso anodizzato. I moduli in silicio cristallino hanno una potenza che varia da 50 Wp a 150 Wp a seconda del tipo di celle utilizzate e della loro efficienza.

33 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Moduli in silicio cristallino Un problema legato a questo tipo di tecnologia è la diminuzione del rendimento, che può anche azzerarsi in situazioni di ombreggiamento - moduli in silicio monocristallino: alto rendimento, circa il 14-18% dovuto alla purezza del materiale che ne determina anche il maggior costo e, a parità di potenza erogata, richiedono l'occupazione di minor superficie; - moduli in silicio policristallino: il rendimento globale di questo tipo di pannelli è del 12-14% poiché, rispetto al monocristallino, si registra un decadimento dovuto alla minor purezza del materiale. I processi di produzione meno elaborati comportano una diminuzione dei costi ma, essendo la resa minore, a parità di potenza istallata è necessaria una superficie captante leggermente superiore al monocristallino.

34 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura CARATTERISTCHE DEL MODULO FOTOVOLTAICO Per valutare un modulo fotovoltaico occorre conoscere le sue caratteristiche e le sue prestazioni elettriche.

35 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura POTENZA DI PICCO Massima potenza elettrica che la cella fotovoltaica genera in condizioni ottimali [Wp]. Essa viene definita in base a delle condizioni standard, le quali corrispondono ad irraggiamento di W/m 2 e ad una temperatura della cella di 25°C.

36 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura POTENZA DI PICCO In tali condizioni, una cella di 100 cm 2 (10 cm x 10 cm) e con unefficienza pari al 15% genera una potenza di 1,5 W. La potenza è direttamente proporzionale alle dimensioni della cella. Per calcolare quanti moduli occorrono per un impianto si divide il numero dei Watt richiesti per il valore di picco del modulo scelto (Es: Wp : 175Wp =5,71 moduli). Il valore di picco è molto importante: infatti, rappresenta un impegno del costruttore che certifica i suoi dati. I moduli dovrebbero quindi essere accompagnati da CERTIFICAZIONI, nello specifico: IEC per i moduli di Silicio Cristallino o IEC per i moduli a Film Sottile e la Safety Class II. Incidenza della tolleranza sulla potenza di picco (WP): +/- 5% significa che un modulo da 175 Wp potrebbe avere una potenza di picco da 166,25 a 183,75 Wp; +/- 10% significa che un modulo da 175 Wp potrebbe avere una potenza di picco da 157,50 a 192,5 Wp.

37 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Moduli in silicio amorfo AMORFO (a-Si) Il silicio amorfo e caratterizzato dal modo disordinato in cui gli atomi o le molecole sono legati tra di loro. Utilizzando il silicio amorfo non si può parlare di celle, in quanto si tratta di strati sottili di silicio amorfo applicati su superfici più grandi delle normali celle. FILM SOTTILE Per la produzione di questi moduli, il materiale base viene vaporizzato e lavorato allo stato gassoso, depositato su una superficie di supporto, detta substrato, fatta da lastre di vetro o lamine di altro materiale. La strato di silicio ha uno spessore di circa 2μ ovvero oltre 100 volte più sottile dello strato ottenuto con celle di silicio cristallino. Questo film sottile può essere applicato su diversi tipi di materiale, sia trasparente che opaco (in genere viene utilizzato il vetro temperato) dello spessore di circa mm e pesi ridotti.

38 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Moduli a film sottile in silicio amorfo Difetti della tecnologia dei moduli a film sottile in silicio amorfo 1. Basso rendimento (6 - 10%) 2. Nel dimensionamento dell'impianto è indispensabile tener conto di un decadimento di circa il 20% cui è soggetto il modulo nei primi due mesi di messa a regime. Questa perdita iniziale, dichiarata dalle case produttrici, rimane poi stabile per circa 20 anni. Vantaggi della tecnologia dei moduli a film sottile in silicio amorfo: 1.Considerevole riduzione dei costi 2.Elevata versatilità del prodotto finale che risolve, a volte, le problematiche dell'integrazione architettonica degli impianti fotovoltaici 3.Minori riduzioni di efficienza in presenza di ombreggiamenti e minore influenza dalla temperatura rispetto alle celle in silicio. Il minor rendimento dei moduli implica un aumento considerevole delle superfici captanti necessarie, soprattutto se confrontato con la tecnologia del silicio monocristallino ma, se non si hanno problemi di spazio, l'istallazione risulta comunque economicamente vantaggiosa, dato che il costo per ogni watt di elettricità prodotto è del 25-40% inferiore rispetto al monocristallino.

39 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura

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41 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura EFFICIENZA DI CONVERSIONE Lefficienza di conversione è il rapporto percentuale tra lenergia solare raccolta dalla superficie di un modulo fotovoltaico e la potenza di picco Wp prodotta. Efficienza del modulo = Potenza di picco (Wp) x 100/Area del modulo m 2 Lefficienza di un modulo determina la superficie necessaria per produrre i KWp richiesti (ad esempio, da 7 a 8,2 m2 per avere 1 KWp se si utilizzano moduli in silicio monocristallino) E inoltre opportuno sottolineare che: se il sole è allo Zenit irradia Watt per m2 nelle condizioni standard; se un modulo di 1m2 avesse una potenza di picco di Wp avrebbe così unefficienza del 100%.

42 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 IL GENERATORE FOTOVOLTAICO Il generatore elettrico e costituito da alcuni moduli per fornire la potenza elettrica richiesta dallutilizzatore. La stringa è linsieme dei moduli collegati elettricamente in serie per ottenere la tensione richiesta. Quindi, collegando in serie i moduli si forma la Stringa. Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura

43 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 IL GENERATORE FOTOVOLTAICO Collegando in parallelo più stringhe di moduli si forma, invece, il Generatore Fotovoltaico. Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura

44 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Le stringhe vengono collegate in parallelo ad un gruppo di conversione inverter che trasforma la corrente continua prodotta dai moduli in corrente alternata. Il quadro di parallelo, il sistema di conversione ed il quadro di consegna devono essere dotati di tutte le protezioni ai vari livelli richieste dalle norme di sicurezza. Linverter, posto tra i moduli e la rete, trasforma la corrente generata dai moduli fotovoltaici da continua in alternata alla frequenza ed alla tensione di funzionamento della nostra rete elettrica. Facoltà di Architettura

45 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura

46 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Classificazione fondamentale dei sistemi fotovoltaici -Sistemi stand alone: sistemi autonomi, completamente indipendenti dalla rete, utili in caso di utenze isolate. La configurazione del sistema prevede che i moduli fotovoltaici vengano dimensionati in modo tale da garantire l'utilizzo diretto da parte dell'utente e che vengano caricate delle batterie di accumulo, le quali costituiscono la riserva di energia elettrica per i periodi in cui i moduli non producono. Un impianto fotovoltaico isolato è composto da: - i moduli fotovoltaici; - il regolatore di carica; - l'inverter; - il sistema di accumulo (batterie di accumulo). ln caso di guasto, l'impianto non avrebbe nessuna possibilità di alimentazione alternativa ma è possibile prevedere nel progetto lintegrazione del sistema con un generatore alternativo ai moduli fotovoltaici, come ad esempio un gruppo elettrogeno. Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura

47 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Sistemi stand alone Regolatore di carica È un dispositivo utilizzato per la carica controllata di batterie a liquido elettrolita o a gel e svolge la funzione di controllo e protezione contro il sovraccarico e l'eccessiva scarica degli accumulatori. ll regolatore agisce disconnettendo automaticamente il sistema di accumulo dal circuito in base alle tensioni di soglia (massima e minima) impostate. Lenergia elettrica prodotta viene direttamente consumata dallutente e la parte in eccedenza viene accumulata in apposite batterie, che la renderanno disponibile nelle ore in cui manca linsolazione. Le principali applicazioni per utenze isolate sono: case isolate, rifugi, baite, siti archeologici, pompaggio dellacqua nellagricoltura,alimentazione di ripetitori radio, di stazioni di rilevamento, di apparecchi nel settore delle comunicazioni, ecc. Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura

48 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Inverter Negli impianti fotovoltaici del tipo stand alone l'inverter trasforma la corrente continua in alternata a 220 V permettendo l'utilizzo diretto da parte dell'utente, ma non risulta indispensabile se è possibile effettuare l'alimentazione direttamente in corrente continua a bassa tensione. ln questo caso, la potenza dell'inverter viene dimensionata in base alla potenza massima di carico a cui verrà collegato l'impianto. Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura

49 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Sistemi grid connected Interscambio con la rete elettrica. L'energia prodotta dai moduli fotovoltaici dellutenza viene inviata alla rete elettrica nazionale senza alcun limite. Nei periodi in cui i moduli non sono in grado i produrre la quantità richiesta di energia il carico viene alimentato dalla rete, garantendo la continuità del servizio di erogazione. Componenti principali di un impianto fotovoltaico connesso in rete: - i moduli fotovoltaici; - l'inverter; - il dispositivo di interfaccia con la rete elettrica; - ll contatore di energia bidirezionale. Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura

50 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Dispositivo di interfaccia con la rete elettrica È necessario per l'immissione nella rete dell'energia prodotta, in quanto garantisce che la forma d'onda dell'energia elettrica immessa in rete abbia tutte le caratteristiche richieste. Contatore di energia bidirezionale (solo per impianti grid connected) È un contatore che effettua la misurazione degli scambi di energia con la rete, sia quelli relativi all'immissione dell'energia prodotta, che quelli relativi al prelievo di energia dalla rete nei periodi di scarsa produzione fotovoltaica. Il bilancio tra i due flussi può implicare una spesa o un guadagno per lutente.

51 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Si suddividono in due grandi categorie: Impianti collegati alla rete elettrica di distribuzione in bassa tensione. Impianti collegati alla rete elettrica di distribuzione in media tensione

52 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Vantaggi di un impianto fotovoltaico Installare un impianto fotovoltaico contribuisce a ridurre lo sfruttamento delle risorse naturali (gas, petrolio, carbone) e riduce le emissioni dei gas responsabili delleffetto serra Riassumendo la tecnologia fotovoltaica : è affidabile, poco suscettibile a guasti e richiede pochissima manutenzione; produce energia elettrica direttamente dove serve; è modulare e facilmente espandibile; ha degrado di circa il 20% entro 25 anni; consente di sfruttare superfici non utilizzabili per altri scopi; consente la produzione di energia elettrica dove non esiste una rete elettrica nazionale; non necessita di combustibili fossili, ma solo di radiazione solare; non produce rumore e non consuma risorse, non immette gas inquinanti e non disperde calore; riduce il consumo di energia convenzionale per il fabbisogno energetico;

53 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Spazio necessario per generare 1 KWp La seguente tabella può essere utile per calcolare la superficie necessaria a realizzare un impianto della potenza di 1KWp sulla base del materiale utilizzato per produrre le celle. MATERIALE UTILIZZATO m2 PER PRODURRE 1KWP Monocristallino da 7 a 9 m 2 Policristallino da 8 a 11 m 2 Thin Film Tandem Cell da 11 a 13 m 2 Si può dire che comunemente: 1KWp = circa 10m 2 di Moduli Fotovoltaici

54 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Numero di moduli necessari per generare 1 KWp Esempio: Modulo da 185Wp poichè 1 KW è Watt, basta dividere per il numero di Wp: 1.000W : 185Wp = 5,4 Moduli Per sapere esattamente quanto spazio occupano basta invece leggere nelle caratteristiche tecniche le dimensioni del modulo normalmente espresse in mm, calcolare la superficie del modulo e quindi moltiplicare per il numero dei moduli.

55 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Quanta energia produce un impianto LItalia ha una radiazione solare compresa tra i ai KWh/m 2 allanno e corrisponde al contenuto energetico di un barile di petrolio allanno per ogni metro quadrato di terreno. Il barile di petrolio corrisponde esattamente a 159 litri. Il contenuto energetico della radiazione solare annuale varia da zona a zona. Quanto produce mediamente un impianto fotovoltaico di 1 KWp annualmente in Italia? Considerando esposizione a Sud, inclinazione a 30° e assenza di ombreggiamenti, la produzione varia in base alle diverse zone dItalia. Nello specifico: Nord Italia = da 1.100KWh a 1.200KWh Centro Italia = da 1.200KWh a 1.300KWh Sud Italia = da 1.300KWh a 1.500KWh Questi dati si basano su statistiche di lungo periodo. Gli impianti generalmente producono circa i 3/4 della resa annuale nel semestre estivo ed 1/4 nel semestre invernale. Le rese degli impianti possono aumentare o diminuire annualmente di circa il 10%.

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57 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 I Principali elementi che influenzano le prestazioni dei moduli fotovoltaici sono quattro: 1) IRRAGGIAMENTO; 2) TEMPERATURA; 3) INCLINAZIONE; 4) ZONE DOMBRA. IRRAGGIAMENTO Lirraggiamento è la radiazione solare istantanea Incidente sulla superficie di un oggetto. Si misura in kW/m 2. I moduli producono energia elettrica non solo quando sono irradiati da luce diretta ma anche quando ricevono luce diffusa o riflessa. Lirraggiamento influisce sulla corrente, la tensione non subisce variazioni significative. Esistono tabelle che permettono di stimare quanti KWh/m2 vengono irraggiati per località (ENEA, CNR, etc.) Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura

58 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 TEMPERATURA Le variazioni di temperatura influiscono sia sulla corrente (Ampere) che sulla tensione (Volt). Con laumentare della temperatura oltre i 25° C diminuisce la tensione ed aumenta la corrente. La potenza di picco è data dal prodotto di questi due elementi. Normalmente Per i moduli in silicio cristallino laumento della temperatura comporta un calo della potenza di circa lo 0,5% per ogni grado di temperatura superiore al valore di riferimento (25° C.) Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura

59 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 INCLINAZIONE Lottimale delle prestazioni si otterrebbe con il modulo perpendicolare ai raggi soalri. In Italia limpianto lo si espone a Sud con un angolo che può variare da 30° a 40° in funzione della località (latitudine). Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura

60 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura ZONE DOMBRA Occorre evitare di collocare i moduli vicino ad oggetti, piante e costruzioni che possano creare zone di ombra, permanenti o momentanee sui moduli. Il fenomeno degli ombreggiamenti e dinamico perché dipende dallorientamento del sole, perciò tale movimento può essere previsto e calcolato. Per quanto riguarda, invece, gli ombreggiamenti occasionali come polvere, foglie, neve o escrementi di uccelli, l effetto sarà tanto minore quanto più efficiente sarà il sistema di auto- pulizia. Normalmente lo sporco viene rimosso dallacqua piovana in funzione dell angolo di inclinazione. Verifica delle zone di ombreggiamento con i Diagrammi dei percorsi solari per data latitudine.

61 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Inclinazione e orientamento della superficie captante La soluzione per captare la radiazione solare nelle migliori condizioni, ovvero sempre perpendicolarmente rispetto alla sorgente, è quella di disporre di superfici che, al variare della posizione del sole, seguano il suo percorso (Solar tracking systems). L'inseguimento solare può essere ad asse singolo (cioè la rotazione avviene solo sull'asse orizzontale, oppure su quello verticale) o a doppio asse, cioè la rotazione avviene contemporaneamente sia in verticale che in orizzontale, posizionando pertanto i pannelli in modo sempre frontale rispetto al Sole (cambia orientamento e inclinazione). Questo tipo di tecnologia mobile attualmente ha costi di produzione e di gestione molto elevati e quindi trova applicazione solo in impianti di grossa taglia, dove la notevole produzione energetica giustifica la spesa.

62 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Inseguimento solare. Rotazione attorno a due assi: orizzontale e verticale In un inseguitore il movimento può avvenire sul solo asse verticale (inseguitori di azimuth) oppure su quello orizzontale (inseguitori di tilt). A seconda dei movimenti previsti si parla quindi di inseguitore biassiale o monoassiale. Inseguitore solare ad 1 asse di rotazione Inseguitore solare a 2 assi di rotazione

63 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Condizioni ottimali di inclinazione e orientamento della superficie captante (Rotazione attorno ad un asse: orizzontale)

64 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Il Rendimento Il fatto di variare linclinazione e/o lorientamento dei pannelli conduce ad una maggiore producibilità di energia elettrica. Orientativamente, un inseguitore monoassiale comporta una maggiore produzione del 10-20% rispetto ad un impianto fisso, a seconda del tipo di montaggio e di movimento. Un inseguitore biassiale, invece, può permettere un incremento della producibilità del 30-40% a seconda dei diversi modelli. Produzione elettrica di un impianto fotovoltaico nellarco della giornata relativa ad un impianto fisso e ad un impianto con inseguimento solare. Diminuzione di densità dellaria verso il basso

65 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Il costo maggiore (ca + 25%) risulta ampiamente bilanciato da una maggiore produttività (+30%).

66 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Facoltà di Architettura Watt = UNITA DI MISURA PER LA POTENZA L Energia, che rappresenta quindi la capacità di un sistema di compiere lavoro, e pari alla potenza erogata moltiplicata per il tempo dellerogazione. Generalmente si misura in J (Joule), mentre quella elettrica si misura il Wh (Wattora) ed equivale allenergia resa disponibile da un dispositivo che eroga un Watt di potenza per un ora. Lenergia di Wh (1KWh) rappresenta la capacità di svolgere un lavoro pari ad 1KW per la durata di 1 ora.

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68 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura DIMENSIONAMENTO DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO 1.Calcolare i consumi energetici dell'utenza che utilizzerà l'impianto: Per interventi di retrofit calcolare l'energia necessaria all'utenza facendo una media dei consumi degli ultimi mesi o, se possibile, degli ultimi anni, semplicemente analizzando le bollette della fornitura elettrica. Se non è possibile effettuare questo tipo di calcolo (edifici nuovi) possono considerarsi come base di dimensionamento dei valori statistici o stimare i consumi in base alle potenze di targa delle apparecchiature elettriche e al numero di ore di funzionamento per il tempo considerato. ln generale per utenze domestiche, si stima che il consumo medio di una famiglia italiana è compreso tra i e i kWh/anno.

69 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura DIMENSIONAMENTO DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO 2.Fattori climatici del sito di posizionamento dellimpianto: Considerare la posizione geografica del sito (latitudine), fattori climatici (radiazione solare kWh/m2), posizione di istallazione dell'impianto (orientamento, inclinazione dei pannelli, coperture edifici, facciate, terreni), presenza di eventuali ombreggiamenti. Quindi, si deve considerare la radiazione solare media annua per unità dì superficie, misurata in kWh/m 2. Generalmente la superficie captante viene istallata con inclinazione diversa da quella orizzontale, definendo anche l'orientamento rispetto ai punti cardinali. Pertanto deve essere applicato un coefficiente correttivo che tenga conto del diverso valore di esposizione alla radiazione solare.

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71 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura DIMENSIONAMENTO DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO 3.Rendimento degli elementi dellimpianto: Il rendimento dei moduli fotovoltaici e il rendimento di conversione (rapporto tra lenergia elettrica disponibile in corrente alternata e lenergia elettrica in corrente continua prodotta dai moduli fotovoltaici) contribuiscono a ridurre le potenzialità dell'intero sistema. ll rendimento dei moduli varia in base al materiale utilizzato con percentuali che vanno dal 10 al 15% per le celle di silicio monocristallino e policristallino, e dal 4 al 7% per le celle di silicio amorfo. ll rendimento di conversione, invece, dipende da numerosi fattori, tra i quali perdite per effetto del surriscaldamento dei moduli fotovoltaici, le perdite dell'inverter, le perdite per imperfetto accoppiamento dei moduli e le perdite dovute alla resistenza elettrica nei cavi. I valori del rendimento di conversione variano tra il 75 e l'85%. Di conseguenza il dimensionamento dell'impianto deve subire una maggiorazione tale da coprire le perdite intrinseche del sistema.

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73 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Dati sulla radiazione solare a Reggio Calabria Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura Radiazione solare annua (kWh/m 2 ) orizzontaleverticaleottimale minima media massima Produzione annua per kilowatt picco (kWh/kWp) orizzontaleverticaleottimale minima media massima Angolo di inclinazione ottimale per i moduli fotovoltaici (in gradi) Angolo minimo30 medio31 massimo32

74 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura DIMENSIONAMENTO DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO Per dimensionare la superficie totale di captazione della radiazione solare facciamo il rapporto tra l'energia elettrica richiesta dallutenza e l'energia che l'unità di superficie è in grado di fornire: Superficie = Carico elettrico (Eu)/(Radiazione solare x rendimento di conversione) [m 2 ] [kWh/(kWh/m 2 )] Come si procede per calcolare il numero di moduli? - Si sceglie la tipologia di moduli più adatti alle esigenze dell'utenza secondo il parametro della potenza di picco, definita come la potenza che il sistema fotovoltaico è in grado di erogare in condizioni standard (flusso solare di 1000 W/m 2 in assenza di nuvolosità e temperatura di 25°C) - Per ottenere il numero di moduli si divide dividere i m 2 di superficie richiesta per la superficie unitaria di ciascun modulo (in genere 0.50 – 1 m 2 ).

75 LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà di Architettura DIMENSIONAMENTO DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO Se la superficie calcolata per soddisfare il fabbisogno dellutenza è superiore a quella disponibile si procede in questo modo: - A partire dalla radiazione solare globale annua (kWh/m 2 ), si determina la producibilità annua (kWh/kWp anno), come in Tabella. - Si sceglie, in funzione delle proprie esigenze architettoniche, la tipologia di tecnologia, quindi la potenzialità (Wp). - Si calcola la potenza di picco che 1 m 2 del dato modulo può erogare (Wp/m 2 ) -Si moltiplica la potenza di picco che 1 m 2 del dato modulo può erogare (Wp/m 2 ) per la superficie disponibile (Wp/m 2 *m 2 ) e così si ottiene la potenza massima installabile nel proprio sito esprimendola in kWp (Wp/1000). - Si moltiplica la producibilità annua (kWh/kWp anno) per la potenza massima installabile nel proprio sito (kWp) e si calcola la produzione annua dellimpianto E PV = Producibilità annua x potenza massima installabile


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