Abbiamo raccolto alcuni studi per fornire una panoramica dello stato della ricerca in materia di sporco presente sui moduli fotovoltaici e i suoi effetti, che potete scaricare o leggere direttamente sul sito.
Per darvi una panoramica veloce, ecco una breve sintesi: nell'ambito di diversi studi del prof. J. Hoffmann della thermovolt AG e del prof. Häberlin e di Charles Renken dell'Università di Scienze Applicate di Berna è stato constatato che in parte gli impianti fotovoltaici in esame presentavano perdite di rendimento significative fino al 13,8%. Il fenomeno delle strisce di sporco sulle cellule solari è stato osservato anche su moduli con un angolo di montaggio di 65°.
Seguiranno altri studi, tanto più che le opere attualmente disponibili sono state redatte in un periodo in cui la pulizia dei moduli era ancora costosa perché veniva ancora eseguita a mano (a riguardo vedi il punto Parchi solari costi/benefici). Per questo motivo questi studi ipotizzano ancora erroneamente che nonostante un effetto positivo si rinunci a una pulizia regolare per evitare un dispendio di tempo e costi. All'epoca, la soluzione di pulizia economica ed efficace di ProCleanSolar non era ancora conosciuta e quindi non poteva ancora confluire nella valutazione.
Il processo di invecchiamento nei moduli fotovoltaici
Prof. Dr.sc.techn. Dr.-lng. Johannes Hoffmann thermovolt AG
1. Sul processo di invecchiamento
Con il passare del tempo i moduli fotovoltaici sono soggetti ad effetti di invecchiamento. Essi si verificano in tutti i tipi di cellule, sia in cellule mono e policristalline sia in cellule amorfe.
L'invecchiamento comporta una riduzione del rendimento della cellula e del modulo, che aumenta con il ciclo di vita dell'impianto.
In riferimento all'approvigionamento energetico è di rilevanza la riduzione della potenza elettrica netta causata dagli effetti di invecchiamento, benché la radiazione solare sia costante.
Se si tratta di alimentazione a batteria per impianti a isola, fa testo la corrente continua generata dalle cellule e dai moduli solari con una radiazione solare definita.
Nella maggior parte dei casi, si tratta di immissioni di corrente alternata o trifase nella rete predefinita (esercizio parallelo di rete) attraverso moduli solari e inverter per l'immissione in rete o autonomi. In questo caso, il parametro fondamentale per l'efficienza del sistema fotovoltaico è la potenza della corrente alternata o trifase immessa in rete. A causa degli effetti dell'invecchiamento essa si riduce sia nelle cellule solari che negli inverter, benché la radiazione solare sia costante.
Le cause principali di questo deterioramento del grado di rendimento delle cellule e dei moduli sono due:
Da un lato sugli impianti situati all'esterno si formano dei depositi e degli strati di sporco sul lato dei moduli esposti all'inquinamento atmosferico (p.es. polvere, particelle di sporco, polline, inquinamento, in parte alghe sui bordi, ecc.), che attenuano e mitigano la radiazione solare nelle cellule che fa scattare la produzione di energia elettrica. Neanche l'effetto autopulente della pioggia riesce ad eliminare completamente questi strati superficiali estranei. Più tempo i moduli rimangono all'aria aperta più aumenta lo spessore di questi strati di sporco e di conseguenza l'attenuazione della radiazione solare utile.
Questo effetto di invecchiamento può essere contrastato con una regolare pulizia delle superfici di insolazione dei moduli. Per ragioni di dispendio di tempo e costi, nella prassi degli impianti fotovoltaici si rinuncia però quasi sempre a queste operazioni di pulizia.
La seconda causa della riduzione del grado di efficienza consiste nei processi intercristallini irreversibili nelle cellule, che si verificano all'aumentare della temperatura delle cellule.
Dal punto di vista energetico non è possibile eliminare queste due cause, cosicché al momento della configurazione e del calcolo economico di impianti fotovoltaici si deve tener conto della riduzione del grado di efficacia delle cellule e dei moduli nel corso del ciclo di vita.
2. Procedura per misurare il grado di invecchiamento
Da un punto di vista ingegneristico pratico, la misurazione del grado di invecchiamento viene eseguita confrontando la corrente continua o alternata generata dal modulo da verificare con quella di un modulo di confronto nuovo e non ancora usato dello stesso produttore, con gli stessi dati nominali e in presenza di una radiazione solare naturale. Sia il modulo di confronto che quello soggetto a verifica sono da disporre in modo geometrico, affinché le condizioni di insolazione siano identiche per entrambi i moduli.
In considerazione della durata di esercizio del modulo soggetto a verifica il quoziente è q
con P0= potenza elettrica netta del modulo da controllare
Pn= Potenza elettrica netta del modulo di confronto nuovo
q= p0/pn
una misura dell'invecchiamento, qui definita come energia elettrica per unità.
Le inevitabili tolleranze di produzione nel corso della fabbricazione dei moduli sono di circa ± 3%.
Per questo motivo quando si calcola la produzione di energia elettrica attesa si dovrebbe eseguire una riduzione con un fattore di 0,97.
Prof. Dr. Dr. J. Hoffmann thermovolt AG
Simulation der Abschattungsverluste bei solarelektrischen Systemen
von Prof.Dr-Ing.habil. Volker Quaschning
Beim Einfluß durch Verschmutzungen lassen sich wiederum verschiedene Arten unterscheiden.
Bei den Photovoltaikmodulen kommt es in der Regel zu einer Ablagerung von Schmutzpartikeln aus der Luft, die durch den Einfluß von Schnee oder Regen wieder abgewaschen werden. Ein gewisser Anteil von Schmutz bleibt jedoch haften, so daß der Ertrag schon nach einer kurzen Betriebszeit unter dem Anfangsertrag liegen wird. Bei älteren Modulen kommt es durch Umwelteinflüsse zu einer generellen Trübung, die nicht mehr abgewaschen werden kann.Bei Versuchen der Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien des Instituts für Elektrische Energietechnik (IET) der TU-Berlin konnte durch ein intensives Reinigen älterer Module der Ertrag um 10-15% gesteigert werden. Dieser Wert ist in etwa als Durchschnittswert für die Abschattungen durch Luftverschmutzungen zu erwarten. Diese Abschattungen ergeben sich bei den Modulen relativ gleichmäßig, lediglich bei einigen Modulen konnte eine Zunahme der Verschmutzung am unteren Modulrand beobachtet werden. Damit verringern diese Verschmutzungen den Transmissionsgrad der Modulfrontscheibe. Diese Verschmutzungen können durch eine etwa 10% niedriger angesetzte Sonnenstrahlung näherungsweise berücksichtigt werden. In Ländern mit wenig Niederschlägen sind größere Verluste durch Verschmutzungen zu erwarten. Hier ist es ratsam, die Module in gewissen Zeitabständen zu reinigen. Vor allem in extrem trockenen Gebieten mit starker Staubentwicklung und Sandablagerungen sollte öfter eine mechanische Reinigung der Moduloberfläche erfolgen.
Weitere Abschattungen gibt es durch ungleichmäßige Verschmutzungen, wie zum Beispiel durch Vogelexkremente. Hier kann es bei herkömmlichen Modulen zu großen Leistungseinbußen kommen. Je nach Niederschlagshäufigkeit können diese Abschattungen mehrere Tage oder gar Wochen dauern, bis sie schließlich durch Regen und Schnee wieder behoben werden. Eine Bestimmung dieser unvermeidbaren zufälligen Abschattungen ist praktisch unmöglich.
Quelle: Simulation der Abschattungsverluste bei solarelektrischen Systemen von Prof.Dr-Ing.habil. Volker Quaschning
