Pannelli fotovoltaici bifacciali: quando convengono e come massimizzare la produzione di energia

I moduli fotovoltaici bifacciali rappresentano una delle evoluzioni più interessanti della tecnologia fotovoltaica. A differenza dei tradizionali pannelli monofacciali, infatti, sono in grado di convertire in energia elettrica non soltanto la radiazione solare incidente sulla superficie anteriore, ma anche quella che raggiunge la superficie posteriore.

Il vantaggio è intuitivo: a parità di superficie occupata, è possibile sfruttare una quantità maggiore di radiazione solare e incrementare la producibilità complessiva dell’impianto.

Il beneficio effettivo, tuttavia, non dipende esclusivamente dalle caratteristiche del modulo. Albedo del terreno, altezza di installazione, inclinazione, distanza tra le file e ombreggiamenti possono modificare sensibilmente la quantità di radiazione disponibile sul retro del pannello.

Per questo motivo, nella progettazione di un impianto con moduli bifacciali assume particolare importanza non soltanto la scelta del componente, ma anche la corretta definizione del layout dell’impianto.

Vediamo quindi come funzionano i pannelli fotovoltaici bifacciali, quali vantaggi offrono e quali aspetti occorre considerare per sfruttarne realmente il potenziale.

Cosa sono i moduli fotovoltaici bifacciali?

Un modulo fotovoltaico tradizionale è progettato per sfruttare prevalentemente la radiazione solare incidente sulla superficie frontale.

Nel modulo bifacciale, invece, anche la superficie posteriore è “attiva” e può contribuire alla produzione di energia elettrica.

La radiazione che raggiunge il retro del modulo proviene principalmente dalla luce riflessa dalle superfici circostanti e dal terreno, ma non esclusivamente: anche la componente diffusa della radiazione solare e, in determinate configurazioni, le riflessioni tra le diverse file possono contribuire alla produzione posteriore.

Dal punto di vista costruttivo, per consentire alla radiazione di raggiungere le celle posteriori, i moduli bifacciali utilizzano generalmente soluzioni che lasciano esposta alla luce anche la faccia posteriore, come configurazioni vetro-vetro o specifici backsheet trasparenti.

Il risultato è quindi una produzione composta da due contributi:

• quello della superficie anteriore, che rimane predominante;
• quello aggiuntivo della superficie posteriore.

È proprio quest’ultimo a determinare il cosiddetto guadagno bifacciale.

Fattore di bifaccialità: cosa indica?

Una delle caratteristiche tecniche più importanti di un modulo bifacciale è il fattore di bifaccialità (bifaciality factor o bifacial ratio).

Il parametro esprime, in condizioni di riferimento, il rapporto tra le prestazioni della superficie posteriore e quelle della superficie anteriore del modulo.

Un fattore di bifaccialità del 70%, ad esempio, indica che, a parità di condizioni di irraggiamento, il lato posteriore presenta prestazioni pari indicativamente al 70% di quelle del lato anteriore.

Non bisogna però interpretare questo valore come un aumento automatico del 70% della produzione dell’impianto.

La quantità di radiazione che raggiunge effettivamente il retro è infatti normalmente molto inferiore rispetto a quella disponibile sulla superficie frontale. Il guadagno bifacciale reale dipende quindi dall’interazione tra le caratteristiche del pannello e le condizioni effettive di installazione.

Ed è proprio qui che entra in gioco il tecnico e una corretta progettazione!

Da cosa dipende il guadagno dei moduli bifacciali?

Il contributo della superficie posteriore non è un valore costante.

Due impianti realizzati con lo stesso modello di pannello possono ottenere guadagni bifacciali differenti semplicemente perché installati con geometrie o su superfici diverse.

Tra i principali fattori che influenzano il risultato troviamo:

• • Albedo del terreno: rappresenta la capacità di una superficie di riflettere la radiazione solare incidente. Superfici scure assorbono una quota maggiore della radiazione e ne riflettono una quantità minore; superfici chiare o altamente riflettenti, invece, consentono di aumentare la radiazione che può raggiungere il lato posteriore dei moduli. La tipologia di superficie presente al di sotto e nelle immediate vicinanze dei pannelli assume quindi un ruolo particolarmente importante negli impianti bifacciali.

• • Altezza dei moduli dal terreno: Anche l’altezza di installazione influenza la quantità di radiazione disponibile sulla superficie posteriore. Se il pannello è molto vicino alla superficie sottostante, la porzione di terreno “visibile” dal retro è ridotta e la distribuzione della radiazione riflessa può risultare meno favorevole. Aumentando opportunamente l’altezza è invece possibile ampliare la superficie da cui il modulo può ricevere radiazione riflessa e ottenere una distribuzione più uniforme sul lato posteriore. Naturalmente l’altezza non può essere aumentata indiscriminatamente: occorre trovare un compromesso tra rendimento energetico, caratteristiche della struttura di sostegno, azioni del vento, costi e vincoli del sito.

• • Distanza tra le file: negli impianti composti da più file di moduli, la distanza reciproca assume una doppia importanza. File eccessivamente ravvicinate possono determinare ombreggiamenti reciproci sulla superficie anteriore e, contemporaneamente, aumentare le zone d’ombra sul terreno, riducendo la quantità di radiazione disponibile per la riflessione verso il retro. Una maggiore distanza può favorire l’accesso della radiazione al terreno e migliorare il contributo posteriore, ma richiede una superficie di installazione maggiore. La configurazione ottimale deve quindi essere valutata sull’intero impianto e non soltanto sul singolo pannello.

• • Inclinazione dei moduli: l’angolo di inclinazione, o tilt, modifica sia l’irraggiamento ricevuto dalla superficie anteriore sia la porzione di terreno e di cielo visibile dalla superficie posteriore. L’inclinazione deve pertanto essere valutata considerando entrambe le facce e le caratteristiche specifiche del sito.

• • Ombreggiamenti: edifici, strutture, vegetazione e le stesse file di pannelli possono modificare sensibilmente il contributo bifacciale. Particolarmente importante è l’ombreggiamento del terreno: se una porzione significativa della superficie sottostante ai pannelli rimane in ombra, diminuisce la radiazione disponibile per essere riflessa verso il lato posteriore. Poiché posizione e dimensione delle ombre variano durante la giornata e nel corso dell’anno, una valutazione accurata dovrebbe tener conto della loro evoluzione temporale.

Come posizionare i moduli bifacciali per aumentarne la resa?

Non esiste una configurazione universalmente valida per tutti gli impianti.

In linea generale, tuttavia, per valorizzare il contributo della superficie posteriore è opportuno:

• • evitare, quando possibile, installazioni nelle quali il retro del modulo risulti quasi completamente schermato;
  • garantire un’adeguata distanza dalla superficie sottostante;
  • valutare attentamente il passo tra le file;
  • limitare gli ombreggiamenti reciproci;
  • considerare la riflettanza della superficie sottostante;
  • evitare strutture di sostegno che provochino un eccessivo ombreggiamento delle celle posteriori;
  • valutare congiuntamente tilt, orientamento, altezza e distanza tra le file.

L’obiettivo non deve essere necessariamente quello di massimizzare il solo guadagno bifacciale, ma di individuare la configurazione che massimizza la prestazione complessiva dell’impianto in rapporto allo spazio disponibile e ai costi di realizzazione.

Aumentare molto la distanza tra le file, ad esempio, potrebbe migliorare il contributo posteriore del singolo modulo ma ridurre il numero complessivo di pannelli installabili sulla superficie disponibile.

È quindi necessario ragionare sempre a livello di sistema.

Dove conviene utilizzare i pannelli bifacciali?

I moduli bifacciali esprimono al meglio le proprie potenzialità nelle installazioni in cui la superficie posteriore può ricevere una quantità significativa di radiazione.

Tra le applicazioni particolarmente interessanti rientrano gli impianti fotovoltaici a terra, nei quali è possibile intervenire sulla geometria delle strutture, sull’altezza dei pannelli e sulla distanza tra le file.

Un’altra applicazione di particolare interesse è rappresentata dall’agrivoltaico, dove la necessità di mantenere i moduli sollevati dal terreno può creare condizioni favorevoli all’utilizzo della superficie posteriore.

I moduli bifacciali possono risultare vantaggiosi anche su pensiline, tettoie e coperture piane, soprattutto quando la superficie sottostante presenta una buona capacità riflettente.

Interessanti sono inoltre le configurazioni con moduli installati verticalmente, comprese alcune soluzioni Est-Ovest, nelle quali le due facce possono ricevere radiazione in momenti differenti della giornata, modificando anche il profilo orario di produzione.

Diverso è il caso di installazioni perfettamente complanari a una copertura opaca: quando il retro del pannello non è adeguatamente esposto alla radiazione, il vantaggio della tecnologia bifacciale può risultare molto limitato.

La convenienza deve quindi essere valutata caso per caso.

Come si calcola il contributo della seconda faccia?

Per stimare correttamente la producibilità di un modulo bifacciale non è sufficiente applicare una percentuale fissa alla produzione ottenuta dalla superficie anteriore.

Occorre innanzitutto determinare la quantità di irraggiamento che raggiunge effettivamente il lato posteriore.

In un modello di calcolo il contributo può essere ricondotto principalmente a tre componenti:

• • Radiazione riflessa dal terreno: una parte della radiazione solare che raggiunge il terreno viene riflessa verso l’ambiente circostante. L’entità di questo contributo dipende dall’irraggiamento incidente, dall’albedo della superficie e dalle zone di terreno eventualmente ombreggiate.
  • Radiazione diffusa proveniente dal cielo: Il retro del modulo può ricevere anche una quota della radiazione diffusa proveniente dalla volta celeste. La quantità effettivamente intercettata dipende dalla geometria dell’installazione e dalla porzione di cielo visibile dalla superficie posteriore.
  • Riflessioni multiple: in impianti costituiti da più file può essere presente anche un contributo dovuto alle riflessioni multiple tra terreno, moduli e file adiacenti.

Determinato l’irraggiamento complessivamente disponibile sul retro, occorre considerare la capacità della superficie posteriore di trasformarlo in energia elettrica attraverso il fattore di bifaccialità caratteristico del modulo.

A questi aspetti si aggiungono quindi i parametri geometrici dell’impianto: altezza dal terreno, distanza tra le file, tilt, orientamento e ombreggiamenti.

La stima del contributo bifacciale diventa pertanto un problema strettamente legato alla configurazione reale dell’impianto.

Da qui deriva una considerazione importante: il guadagno ottenibile da un modulo bifacciale non è una proprietà del solo pannello, ma il risultato dell’interazione tra modulo, ambiente e layout di installazione.

Come progettare un impianto con moduli bifacciali con Blumatica Impianti Fotovoltaici

La progettazione di un impianto fotovoltaico richiede di coordinare numerosi aspetti: definizione del layout, valutazione dell’irraggiamento e degli ombreggiamenti, scelta e dimensionamento dei componenti, verifiche elettriche, stima della producibilità e analisi economica.

Con Blumatica Impianti Fotovoltaici tutte queste attività possono essere gestite all’interno di un unico ambiente di lavoro, attraverso procedure guidate che accompagnano il tecnico nelle diverse fasi della progettazione.

Il software consente di sviluppare il progetto direttamente in 2D e 3D, utilizzando il CAD integrato oppure importando file DWG/DXF, immagini e modelli BIMBIM è l’acronimo di “Building Information Modeling”, traducibile in Modello di Informazioni di un Edificio. Il NIBS (National Institutes of Building Science) definisce il BIM come la “rappresentazione digitale di caratteristiche fisiche e funzionali di un oggetto”. Leggi in formato IFCCos'è il formato IFC? E’ lo standard di riferimento del BIM. Acronimo di Industry Foundation Classes. Definite le superfici disponibili e gli eventuali ostacoli, è possibile configurare i campi fotovoltaici e valutare irraggiamento e ombreggiamenti, considerando sia gli ostacoli vicini sia il profilo dell’orizzonte.

Specifiche procedure guidate supportano il progettista nel dimensionamento di tutti i principali elementi dell’impianto, con la possibilità di progettare sistemi monofase o trifase, in bassa e media tensione, con o senza accumulo.

Per i campi fotovoltaici è possibile gestire configurazioni fisse (complanari, non complanari o Est-Ovest) e sistemi ad inseguimento, dimensionandoli in funzione del numero di moduli, della potenza o dell’energia desiderata. Il software può inoltre calcolare automaticamente la distanza tra file e moduli per limitare gli ombreggiamenti reciproci.

Procedure dedicate guidano anche nella configurazione degli inverter (standard o con ottimizzatori), con verifiche elettriche in tempo reale, e nel dimensionamento di batterie, quadri, dispositivi di protezione e cavi, fino alla generazione automatica degli schemi unifilari e multifilari.

Tra le funzionalità più avanzate rientra la gestione dei moduli fotovoltaici bifacciali. Il progettista può specificare manualmente il guadagno bifacciale oppure utilizzare la procedura automatica di calcolo, che ne determina il contributo considerando le caratteristiche del modulo e parametri legati alla configurazione dell’impianto, come altezza di installazione e distanza tra le file. In questo modo la valutazione della producibilità può riflettere più fedelmente le effettive condizioni di installazione.

Il software integra inoltre una completa analisi economica dell’investimento, considerando costi di realizzazione e gestione, tariffe energetiche, incentivi e finanziamenti, regime fiscale e contrattuale (comunità energetiche, agrivoltaico, scambio sul posto, ritiro dedicato, ecc.), oltre all’evoluzione nel tempo di consumi, inflazione ed efficienza dell’impianto. Dai componenti progettati è inoltre possibile generare un computo metrico dettagliato, personalizzabile ed esportabile in Blumatica Pitagora.

È possibile confrontare differenti simulazioni tecniche ed economiche per individuare la soluzione più conveniente e valutare gli effetti delle diverse scelte progettuali sulla producibilità e sulla redditività dell’impianto.

Disporre di strumenti completi per il dimensionamento degli impianti assume oggi ancora maggiore importanza anche alla luce dell’evoluzione normativa introdotta dalla Direttiva RED III, che amplia il ruolo delle fonti rinnovabili negli interventi sugli edifici. Al di là delle specifiche applicazioni dei moduli bifacciali, il fotovoltaico è quindi destinato a interessare un numero crescente di progetti.

Con Blumatica Impianti Fotovoltaici il professionista può così gestire l’intero processo progettuale in un unico ambiente, dalle prime scelte di layout fino alla verifica della producibilità, al dimensionamento elettrico e alla valutazione economica, affrontando sia impianti tradizionali sia configurazioni più evolute, come quelle con moduli bifacciali.

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Luca Cocozza

Responsabile Ricerca e Sviluppo Area Energia