Photovoltaic panel, how to calculate the yield and duration

I pannelli fotovoltaico sono in grado di convertire l’energia del sole in energia elettrica in percentuale diversa a seconda di diversi fattori. Il grado di rendimento di un impianto fotovoltaico indica la percentuale di energia captata e trasformata in energia elettrica rispetto a quella totale giunta sulla superficie del modulo stesso e può essere quindi considerato un indice di correlazione tra watt erogati e la superficie occupata.

Da cosa dipende il rendimento di un pannello fotovoltaico?

Il rendimento dei pannelli solari dichiarato dal produttore è sempre calcolato in condizioni standard, con un irraggiamento di 1000W per ogni m2 di superficie, una temperatura di 25°C e con distribuzione spettrale uguale a 1,5. Ma i rendimenti dei pannelli fotovoltaici non sono costanti, variano anche in modo sostanziale in funzione di diversi fattori, quali:

• caratteristiche e prestazioni dei diversi materiali (monocristallino, policristallino, amorfo), degli inverter e degli altri componenti dell’impianto
• corretta esposizione all’irraggiamento solare dei moduli (le condizioni ottimali per l’Italia sono: esposizione sud – ma anche a sud-est o sud-ovest garantiscono buoni risultati)
• inclinazione dei moduli (30-35 gradi quella ottimale) ed eventuali ombreggiamenti temporanei
• temperatura di esercizio dei materiali, poiché tendono a ridurre le prestazioni in ambienti troppo caldi
• composizione dello spettro di luce.

Nei pannelli ad uso aerospaziale i rendimenti hanno raggiunto il 50 per cento, ma i costi non consentono una diffusione su larga scala. Nei pannelli attualmente in commercio a base di silicio i valori si attestano invece attorno a:

• 21-25 per cento nei moduli in eterogiunzione
• 19-21 per cento nei moduli in silicio monocristallino
• 16-18 per cento nei moduli in silicio policristallino
• 10 per cento nei moduli in silicio microsferico
• 8,5 per cento nei moduli in silicio amorfo.

Si stima che efficienza dei pannelli tenderà a crescere grazie all’innovazione tecnologica che attualmente ha raggiunto buoni livelli, rendendo i pannelli sempre più convenienti da un punto di vista economico.

Ne consegue che a parità di produzione elettrica richiesta, la superficie occupata da un impianto fotovoltaico amorfo sarà più che doppia rispetto a un equivalente campo fotovoltaico cristallino. Per aumentare la producibilità dei sistemi del 20-30%, è tuttavia possibile montare i pannelli su supporti ad orientamento variabile (mono o biassiali), in grado di seguire costantemente lo spostamento del sole (impianti a inseguimento).

Il calcolo del rendimento dei pannelli fotovoltaici è piuttosto facile perché mette in relazione la potenza con la superficie dell’impianto. La formula matematica per calcolare il rendimento dei pannelli fotovoltaici è la seguente:

Rendimento % = (Potenza / Superficie / 1000) x 100, dove la potenza è espressa in watt e la superficie di captazione dell’irraggiamento solare in metri quadrati.

Temperature d’esercizio

Meglio al fresco! Spesso si trascura il fatto che gli impianti fotovoltaici funzionano al meglio ad una temperatura di 25°C. Se pensiamo che già alle nostre latitudini si possono raggiungere in estate temperature vicine ai 40 °C (e sulle coperture di certi edifici anche i 50-60 °C) è facile capire come il rendimento
dell’impianto possa lievemente diminuire a causa del riscaldamento dei moduli. Nelle comuni celle al silicio, il calo di efficienza è pari a circa 0,4 per cento per ogni grado°C. Le temperature più fresche dei paesi nord europei compensano, di fatto, il livello inferiore di irraggiamento di quelle aree.

Durata dei pannelli solari fotovoltaici

Un altro fattore che influisce sul rendimento di un modulo è il suo decadimento di prestazione a causa del naturale affaticamento dei materiali, con valori che possono raggiungere mediamente circa l’1 per cento su base annua. Per garantire la qualità dei materiali impiegati, è prassi comune che i produttori coprano con un’opportuna garanzia il calo di rendimento del pannello nel tempo. La garanzia oggi più comune è del 90 per cento sul nominale per 10 anni e dell’80 per cento sul nominale per 20 anni. E’ bene richiedere sempre la garanzie dei prodotti al momento dell’acquisto. I moduli fotovoltaici odierni hanno una vita stimata di 40-50 anni circa, anche se è plausibile ipotizzare che vengano dismessi dopo un ciclo di vita di 20-25 anni, a causa dell’obsolescenza della tecnologia dell’intero sistema dell’impianto.

Correct sizing

Photovoltaic systems are characterized by a  “peak power” indicated with kWp . To get an idea of ​​the peak power to be installed to allow a total coverage of the annual electricity needs of a specific user (for example a single family or a company), it is necessary to calculate:

peak power (kWp) = average production of kWh per year of the panel for the area in which the panel is to be installed / annual consumption of the user

In fact, the annual energy consumption of users is divided by 1,200, a value relating to the average annual kWh production of a panel.

Considering the average Italian electricity consumption of a single-family home to be 3000-4000 kWh / year, a photovoltaic system for domestic use in a city in northern Italy should have a power between 2.5 and 3.3 kWp (slightly less in central and southern Italy due to their greater insolation).

To have a rated installed power of 1 kWp, from 8m2 (for the most efficient modules) to 15m2 (for the least efficient modules) are generally needed. The most common crystalline silicon photovoltaic modules vary in size from 0.5 m2 to 1.5 m2 (sometimes even 2.5 m2 in specimens for large plants). For a 3 kWp system, therefore, at least 20-24 m2 of available surface is required.

The correct sizing of a photovoltaic system is in any case the result of a more complex calculation that takes into account multiple and variable factors: solar radiation of the site in question; altitude and climatic characteristics; exposure of the building and / or the land; surface available to the plant; inclination and orientation of the modules; conversion factor of the photovoltaic module used; electrical assembly of the system; period of use of the system (always, only weekends, holiday periods, etc.); users who will be used and their power; system power supply voltage (12, 24, 220 Volt).