Verifica sperimentale di modelli termici per moduli fotovoltaici

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Introduzione 
 
I mutamenti climatici ed il progressivo esaurimento delle risorse naturali, 
energetiche fossili in particolare, ci impongono di ripensare la nostra economia 
in direzione della sostenibilità, della tutela dell’ambiente e delle generazioni 
future. In quest’ottica le fonti rinnovabili rappresentano certamente una via 
obbligata, oltre che una grande opportunità di sviluppo economico per i paesi 
che saranno in grado di coglierla. Anche se l’Italia è ancora in ritardo rispetto 
agli altri paesi del Nord Europa nell’utilizzo di tali fonti, le tecnologie 
disponibili, riguardanti lo sfruttamento dell’energia solare termica, 
fotovoltaica, eolica e di molte altre fonti rinnovabili, hanno raggiunto una 
grande maturità. In particolare, tra le diverse applicazioni messe a punto per lo 
sfruttamento dell’energia solare, quella fotovoltaica è sicuramente nel medio e 
nel lungo termine, la più promettente in virtù delle sue caratteristiche di 
semplicità costruttiva, facilità di integrazione, affidabilità e ridotte esigenze di 
manutenzione. Inoltre, questa tecnologia permette di effettuare la produzione 
decentrata dell’elettricità direttamente nel luogo di utilizzo come ad esempio le 
utenze remote o isolate, di realizzare applicazioni modulari con potenze che 
possono variare da pochi watt fino alle grandi centrali da diversi megawatt e, 
non da ultimo, di avere un ridotto impatto ambientale. Per contro, i costi di 
istallazione di un impianto fotovoltaico, ad oggi, risultano ancora alti e di 
conseguenza lo sono i relativi tempi di ritorno degli investimenti. In 
quest’ottica risulta pertanto indispensabile effettuare un’attenta valutazione 
sullo studio di tutti quei parametri che determinano l’effettiva producibilità di 
un impianto fotovoltaico, in maniera da ottenere il più breve tempo di ritorno 
per l’investimento effettuato. In particolare, si vuole mettere in evidenza 
l’importanza dell’effetto termico sui moduli fotovoltaici, difatti la temperatura 
operativa delle celle fotovoltaiche influenza il rendimento di conversione, in 
maniera differente a seconda della tecnologia, e quindi la producibilità
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energetica degli stessi. La temperatura operativa delle celle fotovoltaiche 
dipende dall'irraggiamento solare, dalla temperatura dell'aria e dalla velocità 
del vento. Nella maggior parte dei casi però, è difficile riscontrare condizioni 
operative ideali, per cui bisogna accettare il fatto che una certa percentuale di 
energia verrà persa per il surriscaldamento delle celle . 
Nella presente tesi sono stati analizzati sperimentalmente alcuni modelli 
termici per  il calcolo della temperatura di cella, al fine di valutare le relazioni 
che legano i vari elementi che compongono il modulo fotovoltaico e le relative  
temperature di lavoro, tenendo conto dei parametri ambientali nelle reali 
condizioni di funzionamento. 
 
In particolare la presente tesi sarà articolata nelle seguenti quattro sezioni: 
 
1. Analisi dello stato dell’arte delle varie tecnologie PV 
2. Studio e simulazione di modelli termici semplificati per il calcolo della 
temperatura di cella 
3. Studio e simulazione di modelli termici multistrato per il calcolo delle 
temperature degli strati che compongono un modulo PV 
4. Confronto tra i modelli termici implementati e le reali misure di 
temperatura rilevate attraverso un sistema sperimentale.
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Capitolo 1 
 
Sistemi che  sfruttano l’energia solare 
 
 
I sistemi che sfruttano l'energia solare per produrre energia possono essere suddivisi 
in due grandi categorie:  
- sistemi termici che convertono l'energia solare in energia termica; 
- sistemi fotovoltaici che invece la convertono in energia elettrica. 
 
2.1 Sistemi fotovoltaici: 
 
Il modulo fotovoltaico (di seguito anche chiamato semplicemente PV) è costituito da 
celle in silicio o altri semiconduttori, incapsulate tra una superficie posteriore di 
supporto realizzata in materiale dielettrico con scarsa dilatazione termica, come vetro 
temperato o tedlar, e una anteriore trasparente, solitamente in vetro temperato, che 
funge da protezione meccanica. Al di sopra della lastra di supporto vengono 
appoggiati un sottile strato di acetato di vinile (spesso indicato con la sigla EVA), la 
matrice di celle in silicio preconnesse elettricamente e un secondo strato di acetato. 
Dopo il procedimento di pressofusione, che trasforma l'EVA in collante inerte, le 
terminazioni elettriche che connettono le celle vengono chiuse in una morsettiera 
stagna generalmente  fissata alla superficie di sostegno posteriore, e il sandwich 
ottenuto viene fissato ad un telaio in alluminio. Prima di tale assemblaggio però, per 
diminuire le perdite per riflessione, si sottopone la superficie della cella ad un 
trattamento chimico che le conferisce una struttura a piramidi. Dopo questi 
trattamenti la cella assume il caratteristico coloro blu scuro o nero ed è capacedi 
convertire la radiazione solare incidente in energia elettrica; il rendimento di tale 
conversione dipende, tra i tanti parametri, anche dalla temperatura della cella PV, in 
particolare maggiore è la temperatura, minore è la resa elettrica del modulo. Per 
essere in grado di fornire una potenza elettrica significativa la cella deve essere
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collegata in serie ad altre celle, figura 1.1. I moduli fotovoltaici vengono poi collegati 
in serie o parallelo secondo la potenza e il voltaggio desiderato generando cosi il 
campo fotovoltaico, figura 1.2 
 
Fig 1.1: Collegamento in serie delle celle fotovoltaiche 
 
 
Fig 1.2: Campo fotovoltaico 
 
Pur con qualche variante i moduli fotovoltaici cristallini disponibili oggi sul mercato 
possono essere ricondotti allo schema di base di figura 1.3 : 
 
 
Fig 1.3: Composizione del modulo PV 
I moduli sono costituiti da diversi strati sovrapposti, i più comuni sono :
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- Vetro  
Il vetro dei moduli è uno degli elementi più importanti in quanto ha la funzione di  
proteggere le celle dagli agenti atmosferici e deve chiaramente garantire la massima 
trasmissione della luce in modo che tutte le radiazioni incidenti arrivino alle celle. In 
linea generale l’assorbimento della luce da parte del vetro è circa pari ad un punto 
percentuale. La diversità tra l’indice di rifrazione del vetro e dell’aria, inoltre, fa 
deviare il 4% della radiazione incidente e questo avviene su entrambe le facce del 
vetro, con una perdita totale dell’8%, sicuramente non accettabile per un modulo 
fotovoltaico. Per limitare questo effetto è indispensabile effettuare un trattamento 
antiriflesso sulla superficie del vetro che consiste nell’ applicare un sottilissimo strato 
di materiale avente un indice di rifrazione intermedio. 
 
- EVA 
L’EVA è un copolimero di etilene e di acetato di vinile. Si tratta di un composto 
estremamente elastico, che può essere utilizzato per formare un materiale poroso 
simile alla gomma, ma con durezza eccellente. L’EVA viene utilizzato nei moduli 
fotovoltaici a protezione delle celle. Queste vengono infatti racchiuse tra due fogli 
molto sottili in modo da essere messe sotto vuoto. Risulta estremamente importante 
garantire l’assenza assoluta di aria per evitare che con il tempo si verifichino 
ossidazioni della cella, visibili come chiazze di colore giallo sul modulo. Queste 
ossidazioni farebbero decadere enormemente le funzionalità della cella interessata, 
cosa che a sua volta farebbe diminuire la potenza generata dal modulo. 
 
 
Tab 1.1: Caratteristiche tecniche EVA 
	
Conducibilità 	termica 	λ	
[W/m 	K] 	
Spessore 		e 	[m] Trasmittanza 	τ	
	
EVA	 0.2	 ~	760*10
 	 0.9
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- Tedlar®  
Il Tedlar
®
 prodotto dalla Du Pont
1
 è il materiale che, unitamente a EVA, celle e vetro 
solare, viene laminato a caldo per formare il modulo solare. Si tratta di un pannello 
flessibile dello spessore di circa 1mm, di colore bianco, chimicamente inerte, 
resistente e leggero, che rappresenta la parte posteriore del modulo PV. Grazie alle 
sue proprietà meccaniche, elettriche e chimiche, il Tedlar
®
 è un materiale ideale per 
molti tipi di protezione delle superfici. Mantiene la sua forza e flessibilità all’interno 
della gamma di temperature da -70°C fino a 110°C. Ha un allungamento di oltre il 
100%, resistenza all’usura, agli agenti atmosferici e ai raggi UV ed è facile da pulire. 
Cornice  
La cornice del modulo fotovoltaico è un componente estremamente importante 
perché assicura la resistenza meccanica del modulo stesso. In genere non viene mai 
data molta importanza alla valutazione di questo aspetto, ma risulta invece 
fondamentale capirne la funzionalità, per garantire la durata del modulo nel tempo. 
I materiali appena descritti  per la composizione del sandwich fotovoltaico sono 
quelli più comuni, ma a volte gli strati esterni sono entrambi costituiti da lastre in 
materiale polimerico e il pannello può essere inserto o meno in un telaio con profilo 
in alluminio estruso. Differente è invece il caso delle celle al silicio amorfo, in cui il 
materiale viene depositato su diversi substrati: rigidi (ad esempio vetro) o flessibili 
(ad esempio lamine sottili anche trasparenti) senza la necessità del sigillante. 
Tipologia di stratificazioni 
A prescindere dalla natura delle celle, il tipo di assemblaggio del modulo risulta 
particolarmente importante poiché i materiali impiegati determinano il peso del 
componente, il campo di utilizzo e la sostituibilità nell’involucro edilizio di altri 
materiali, la resistenza agli agenti atmosferici, il comportamento termico e 
meccanico. 
Le stratificazioni possibili sono : 
 
 
                                                 
 
 
1
http://www2.dupont.com
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‐ Modulo Vetro-Vetro 
‐ Modulo Vetro-tedlar
®
(opachi), o altri polimeri come il polietilene, o polimeri 
a base di fluoro. 
‐ Moduli flessibili a guaina (opachi o semitrasparenti) 
 
Tab 1.2: Tipo di assemblaggio e stratificazione di moduli fotovoltaici 
	 Silicio 	
monocristallino
Silicio		
policristallino
Silicio 	amorfo 	
film 	sottile 	
Vetro‐V e tro 	 • 	 • 	 • 	
Vetro‐tedlar®	 • 	 • 	 • 	
Guaina	fless ibile	 ‐	 ‐	 • 	
	
 
- Backsheets disponibili 
I backsheets più comuni sono la lastra di vetro per garantire lo scambio termico o il 
tedlar
®
 (polivinilfluoruro)  ampiamente utilizzato per le sue caratteristiche di 
antiumidità. Recentemente è stato sviluppato un backsheet composto da un film di 
poliestere “high grade” ad alte prestazioni, il dyMat
®
PYE  un backsheet interamente 
basato su uno speciale PET (polietilene tereftalato)di alta qualità prodotto dalla 
COVEME
2
. In commercio sono anche noti i prodotti sviluppati dalla AGC solar
3
. 
Come strato frontale viene utilizzato il SUNMAX
TM
, un vetro extra chiaro 
ottimizzato per applicazioni solari con spessori da 1 a 3.2 mm. Un altro materiale 
innovativo è formato dal Fluon
®
 ETFE film, un fluoro polimero ideale sia per uso 
frontale che posteriore, figura 1.4:  
 
                                                 
 
 
2
http://www.covemephotovoltaic.com/it/photovoltaic/ 
3
http://www.agc-solar.com/
15 
 
 
Fig 1.4: Fluon
®
 ETFE film per applicazioni PV 
 
Lo strato posteriore è quindi solitamente formato da : 
‐ vetro  
‐ polimeri : polivinilfluoruro (PVF) , polietilene tereftalato (PET), Fluon
®
 
ETFE film 
 
Tab 1.3: Materiali utilizzati come backsheet per moduli fotovoltaici 
	 Conducibilità 	
termica 	λ	[W/mK] 	
Spessore 		e 	[m] 	
Vetro	chiar o ‐extra	chiaro	 1.11.8	 0.001‐0.004	
tedlar® 	 0.180.2	 0.000150.0004	
dyMat®PY E			 ‐	 ‐	
Fluon®	ET FE	film	 ‐	 		 ‐ 	
 
 
Le celle fotovoltaiche che si presentano all’assemblaggio del modulo con i contatti 
elettrici anteriori e posteriori già predisposti, vengono collegate elettricamente tra 
loro, utilizzando sottili nastri metallici elettrosaldati. Il numero di celle in ogni
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singolo modulo assume valori standard: 32, 60, 72 a cui corrispondono dimensioni di 
circa 1 0.5 m, 0.8 	 0.8 m, 1 1 m. I collegamenti elettrici con l’esterno avvengono 
nella maggior parte dei casi all’interno delle cassette di terminazione stagne, dotate 
di passacavi  ed applicate con gomma siliconica sul retro dei moduli; nelle cassette 
sono disponibili con soluzione che ogni produttore personalizza , le polarità positiva 
e negativa ed i diodi di by-pass. 
 
2.2 Sistemi PV/T 
 
I due dispositivi appena descritti vengono di solito utilizzati separatamente; se invece 
vengono combinati in un unico apparecchio capace di produrre simultaneamente 
energia elettrica e termica da quella solare, è possibile ripagare l'assorbimento dalla 
rete elettrica convenzionale per sostenere il sistema di pompaggio e allo stesso tempo 
migliorare le prestazioni del pannello fotovoltaico che, se raffreddato aumenta il suo 
rendimento elettrico. Un sistema del genere prende il nome di collettore ibrido, 
pannello termo-fotovoltaico o dall'inglese photovoltaic thermal collector abbreviato 
in PV/T o PVT, figura 1.5, figura 1.8. In applicazioni dove lo spazio disponibile è 
limitato e i costi d'investimento devono essere recuperati  in breve tempo, tali sistemi 
possono rappresentare una scelta molto più competitiva rispetto a pannelli 
fotovoltaici e collettori solari termici installati separatamente. Si possono distinguere 
tre tipologie di sistemi: 
‐ daylighting 
‐ PV Ventilato Moduli ibridi  
‐ PV/T 
 
Fig 1.5: Collettore ibrido(PV/T)