Un impianto fotovoltaico è un impianto elettrico costituito essenzialmente dall'assemblaggio di più moduli fotovoltaici che sfruttano l'energia solare per produrre energia elettrica mediante effetto fotovoltaico, della necessaria componente elettrica.
Gli impianti fotovoltaici sono principalmente suddivisi in 2 grandi famiglie:
Un caso particolare di impianto ad isola, detto "ibrido", resta connesso alla rete elettrica di distribuzione, ma utilizza principalmente le sue fonti, una sola, o può avere una combinazione, ad esempio, fotovoltaico, eolico, gruppo elettrogeno, anche con l'aiuto di un accumulatore. Qualora nessuna delle fonti sia disponibile o l'accumulatore sia scarico, un circuito collega l'impianto alla rete elettrica per la continuità della fornitura.
Dal punto di vista strutturale, va menzionata la posa "architettonicamente integrata" (noto anche con l'acronimo BIPV, Building Integrated PhotoVoltaics, ovvero "sistemi fotovoltaici architettonicamente integrati"). L'integrazione architettonica si ottiene ponendo i moduli fotovoltaici dell'impianto all'interno del profilo stesso dell'edificio che lo accoglie. Le tecniche sono principalmente:
I costi per realizzare un impianto fotovoltaico integrato sono più alti rispetto a quello tradizionale. Nel periodo di vigenza del Conto energia il risultato estetico dell'integrazione architettonica era favorito dalla normativa, con il riconoscimento di una tariffa incentivante sensibilmente più elevata.
Questa famiglia è al servizio di quelle utenze elettriche isolate da altre connessioni energetiche, come dalla rete nazionale in C.A., che si riforniscono da un impianto fotovoltaico elettricamente isolato ed autosufficiente. Vanno dai più ridotti impianti (ad esempio per un lampione), a piccoli impianti per baite o fattorie; in aree senza allacciamenti infrastrutturali come in Africa o Asia sono gli impianti più frequenti, anche se spesso sfuggano dai registri statistici per la loro intrinseca parcellizzazione diffusa ed autocostruzione.
I principali componenti di un impianto fotovoltaico ad isola sono generalmente:
Le tensioni più utilizzate sono 12 o 24 V. Conseguentemente, dato che la maggior parte dei moduli fotovoltaici utilizzati in questa tipologia di impianti ha tensioni in uscita pari a 12 o 24 V, le cosiddette stringhe elettriche che formano il campo sono costituite da pochissimi moduli, fino al limite del singolo modulo per stringa. In quest'ultimo caso, in pratica, il campo fotovoltaico è costituito da semplici paralleli elettrici tra moduli, dotati di diodi di stringa per la protezione dalle correnti inverse.
L'accumulatore è in genere costituito da monoblocchi, o elementi singoli specificamente progettati per cariche e scariche profonde e cicliche. Negli impianti che devono garantire continuità di servizio anche alle più severe condizioni non sono, in genere, impiegati accumulatori per uso automobilistico, che pur funzionando a dovere hanno bassa "vita utile" ossia tollerano un minor numero di cicli di carica e scarica rispetto ad accumulatori progettati e costruiti appositamente per questo tipo di impiego. Nel caso di installazioni degli accumulatori su palo o in altezza (per es. pubblica illuminazione o lampione fotovoltaico) non possono essere utilizzati accumulatori per uso automobilistico in quanto eventuali perdite di elettrolita (che è costituito da una soluzione altamente corrosiva a base di acido solforico) potrebbero causare danni a persone, animali e cose. In queste installazioni si utilizzano appositi accumulatori nei quali l'elettrolita liquido è sostituito da uno speciale gel.
Il regolatore di carica è un dispositivo elettronico che possiede le seguenti funzionalità minime:
Questa famiglia identifica quelle utenze elettriche già servite dalla rete nazionale in AC, ma che immettono in rete tutta o parte della produzione elettrica risultante dal loro impianto fotovoltaico, opportunamente convertita in corrente alternata e sincronizzata a quella della rete, contribuendo alla cosiddetta generazione distribuita.
I principali componenti di un impianto fotovoltaico connesso alla rete sono:
All'interno della famiglia degli impianti fotovoltaici connessi in rete si distinguono gli impianti "Plug and Play", ovvero sistemi di taglia ridotta che possono essere collegati direttamente all'impianto elettrico dell'utente, tramite una propria spina, alla normale presa di corrente domestica a 230 volt su un circuito elettrico dedicato, facente capo al centralino domestico.
Con la consultazione 614/2016/R/eel del 2016 vennero riportate le prime disposizioni dell'AEEGSI (oggi ARERA) per la connessione di questi impianti a spina. La Norma CEI 0-21 definisce l'impianto di produzione "Plug and Play" come "un particolare impianto di taglia ridotta destinato alla produzione di elettricità, avente potenza nominale non superiore a 350 watt, che risulta completo e pronto alla connessione diretta tramite spina ad una presa dedicata e visivamente identificabile rispetto alle altre prese all'interno dell'impianto elettrico dell'utente".
Il 4 agosto 2020, con la delibera 315/2020/R/eel, ARERA ha semplificato le condizioni procedurali ed economiche per la connessione di tutti gli impianti di generazione con potenza nominale inferiore a 800 watt, Plug and Play compresi.
La potenza nominale di un impianto fotovoltaico si considera generalmente come la somma dei valori di potenza nominale di ciascun modulo fotovoltaico di cui è composto il suo campo, e si intende come il valore in Watt di picco, indicato con il simbolo Wp e multipli (kWp, MWp, ...). Una indicazione più puntuale della potenza utile è quella della potenza in alternata, ovvero dopo l'inverter (una indicazione della potenza netta, utile, dell'impianto), valore che si indica in WCA (WAC sulle pubblicazioni in lingua inglese) e multipli (kWCA, MWCA, ...). In tale frangente, la potenza di picco, ovvero lorda, si indica con WCC (WDC sulle pubblicazioni in lingua inglese), per indicare che si tratta della potenza in corrente continua.
La superficie occupata da un impianto fotovoltaico è in genere poco maggiore rispetto a quella occupata dai soli moduli fotovoltaici. Per le tecnologie a silicio policristallino e silicio monocristallino, con efficienze di modulo comprese fra il 18% e il 22%, occorrono all'incirca 4,5-5,5 m² per ogni kWp installato, ai quali vanno aggiunte eventuali superfici occupate dai coni d'ombra prodotti da ostacoli, tipo camini, antenne TV ecc., se i moduli sono montati in modo complanare alla copertura; se invece sono montati in modo non complanare si deve tenere conto dell'ombra che gli stessi moduli producono reciprocamente, e la superficie complessivamente impiegata è all'incirca doppia.
Negli impianti su terreno o tetto piano, è prassi comune distribuire geometricamente il campo su più file, opportunamente sollevate singolarmente verso il sole, in modo da massimizzare l'irraggiamento captato dai moduli. Queste file vengono stabilite per esigenze geometriche del sito di installazione e possono o meno corrispondere alle stringhe.
In entrambe le configurazioni di impianto, ad isola o connesso in rete, l'unico componente disposto in esterno è il campo fotovoltaico, mentre regolatore, inverter e batteria sono tipicamente disposti in locali tecnici predisposti (es. cabina).
L'energia prodotta è tanto maggiore quanto più l'impianto gode di un'esposizione favorevole all'irraggiamento solare, che è funzione dell'eliofania e massima con determinati angoli di inclinazione rispetto ad un piano orizzontale al suolo e per esposizioni il più possibile verso sud.
Per massimizzare la captazione dell'irraggiamento solare si progettano e si realizzano moduli fotovoltaici ad inseguimento solare che adattano cioè l'inclinazione del pannello ricevente all'inclinazione dei raggi solari durante il giorno e la stagione.
Infine, occorre tenere presente l'efficienza del B.O.S. (Balance of System), che indica l'efficienza di tutta la catena che compone il sistema fotovoltaico, esclusi i moduli stessi. Per BOS si intende l'insieme dei dispositivi e della componentistica elettrica ed elettronica dell'impianto fotovoltaico che trasferiscono l'energia prodotta dai moduli alla rete elettrica. Un valore accettabile è generalmente valutato intorno all'85%. In termini di potenze, un WCA equivale al prodotto dell'efficienza citata per un WCC (grosso modo il Wp).
L'effetto della temperatura sui moduli fotovoltaici viene solitamente quantificato mediante alcuni coefficienti relativi alle variazioni della tensione a circuito aperto, della corrente di cortocircuito e della potenza massima al variare della temperatura.
La regolamentazione nazionale ha storicamente suddiviso gli impianti fotovoltaici in gruppi, per dimensione, modalità di utilizzo e di posa:
Questa classificazione è stata in parte dettata dalla normativa italiana del Conto energia. Il 2º Conto energia (febbraio 2007) definì tre fasce di tariffa incentivante: da 1 a 3 kW, da 3 a 20 kW e oltre i 20 kW. Con l'entrata in vigore del 4º Conto energia (maggio 2011) le fasce per gli impianti su edificio divennero: da 1 a 3 kW, da 3 a 20 kW, da 20 a 200 kW (limite dello scambio sul posto), da 200 kW a 1 MW, da 1 a 5 MW e oltre i 5 MW.
Il 27 agosto 2012 entrò in vigore il 5º Conto energia, con un sistema incentivante rivisto rispetto ai precedenti, che introdusse un premio per l'energia autoconsumata e un meccanismo di accesso a registri per gli impianti di potenza superiore a 12 kW, o 50 kW se con rimozione di amianto. Il 5º Conto energia terminò il 6 luglio 2013 a seguito del raggiungimento del tetto di spesa di 6,7 miliardi di euro; da allora il sostegno al fotovoltaico in Italia non avviene più tramite tariffe incentivanti in conto energia.
Lo STMG e il Testo unico della produzione elettrica definiscono i criteri di allacciamento per impianti fotovoltaici superiori a 1 kWp fino ad impianti di grandi dimensioni.
Nell'ambito della progettazione, il dimensionamento di un impianto domestico si fa usualmente tenendo conto di:
Il valore varia però sensibilmente con la latitudine e con le condizioni di installazione. Lo strumento di riferimento europeo per la stima della producibilità di un impianto in un dato sito è il PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System), sviluppato dal Centro comune di ricerca della Commissione europea. Una rilevazione condotta su 333 coperture residenziali italiane analizzate mediante rilievo satellitare indica rese specifiche mediane stimate crescenti da nord a sud, dell'ordine di 1200 kWh/kWp per anno nel Nord-est e di circa 1400 kWh/kWp per anno nelle Isole; si tratta di stime di producibilità attesa e non di produzione misurata.
Da tutti questi fattori si risale alla misura della superficie di moduli fotovoltaici necessaria a soddisfare le specifiche di impianto in termini di produzione richiesta, pervenendo di conseguenza ad una stima complessiva del costo di impianto, cui andranno poi aggiunti i costi delle componenti elettriche ed elettroniche (cavi e inverter) e i costi di installazione.
In tutti i casi risulta necessaria una valutazione o studio di fattibilità economica che valuti la realizzabilità tecnica e la convenienza economica, ovvero costi e ritorni dell'investimento in base all'energia elettrica annuale stimata prodotta e ai tempi di dismissione dell'impianto.
Nel 2019 il GSE ha pubblicato il portale dell'autoconsumo, che permette di dimensionare il proprio impianto e valutare l'andamento dei flussi di cassa inserendo le superfici disponibili, i consumi elettrici e l'indirizzo dell'abitazione.
Il principale ostacolo all'installazione di questo tipo di tecnologia è stato, per lungo tempo, l'alto costo degli impianti stessi, e di conseguenza dell'energia prodotta. Tali limiti sono stati fortemente ridotti dalla produzione di massa, conseguenza diretta dell'incentivazione offerta alla produzione di energia solare, che ha portato ad un sostanziale abbattimento dei costi.
La ricerca sul silicio amorfo ha dato risultati inferiori alle aspettative, mentre risultati migliori sono stati ottenuti, in via sperimentale, su diversi altri materiali (diseleniuro di indio e rame CIS, tellururo di cadmio, ecc.).
Molte speranze si possono riporre nel fotovoltaico, se integrato con gli altri sistemi di energia rinnovabile (energia eolica, energia delle maree e energia da biomassa), per la sostituzione graduale delle energie da fonti fossili, le cui riserve sono limitate. In Germania, che risulta il Paese europeo con la maggiore potenza fotovoltaica installata, sono state avviate molte centrali elettriche fotovoltaiche utilizzando zone dismesse o tetti di grandi complessi industriali. Più discussa è viceversa l'installazione su aree agricole e collinari.
In Italia è consentita l'installazione di impianti fotovoltaici sulle aree agricole solo se soddisfano i requisiti in merito alla compatibilità ambientale (assenza in area di progetto di vincoli ambientali, idrogeologici, paesaggistici). Nei paesi particolarmente soleggiati, tra cui l'Italia, per impianti a terra è in competizione col fotovoltaico la tecnologia termoelettrica a concentrazione solare, in particolare nella versione con accumulo termico. Questa tecnologia, oltre ad utilizzare il Sole come fonte, risolve il problema della dispacciabilità, affrontato nel paragrafo seguente, che il fotovoltaico affronta con l'abbinamento a svariate soluzioni convenzionali: impianti idroelettrici a pompaggio e impianti turbogas.
La produzione energetica solare è intrinsecamente legata al ciclo giorno-notte, varia inoltre durante la giornata e durante l'arco dell'anno in base alla posizione del Sole, e risente di cali improvvisi di diversa intensità dovuti al passaggio delle nuvole. Intermittenza e variabilità sono problemi condivisi anche dagli impianti a energia eolica. Infine, anche la richiesta di energia è solo parzialmente prevedibile e risente di grandi variazioni giornaliere, stagionali e casuali. La produzione effettiva media risulta infatti molto minore della produzione teorica massima.
Per garantire un flusso omogeneo di energia, proporzionato alla domanda, gli impianti domestici usano il fotovoltaico in affiancamento alla rete elettrica. Un impianto domestico indipendente, e a maggior ragione un impianto su larga scala, necessita l'affiancamento di soluzioni di accumulo energetico e gestione programmata.
Si cerca pertanto di implementare delle smart grid, reti intelligenti nella gestione dei flussi di energia non solo dalla produzione all'utilizzatore (produzione, trasmissione, distribuzione), ma in una logica di adattamento continuo alle variazioni, con affiancamento di sistemi informatici per il rilevamento dati e la gestione.
Nodo fondamentale è il sistema di accumulo: quello più comune è una stazione con batterie ricaricabili per immagazzinare energia in eccesso, che viene restituita in rete quando manca l'approvvigionamento alla fonte. L'accumulo energetico può essere realizzato anche in ambito idroelettrico o gravitazionale, sfruttando l'eccesso di energia fotovoltaica per riportare l'acqua o i pesi a monte del generatore.
Per la verifica delle prestazioni di un impianto fotovoltaico in esercizio si ricorre, fra le altre tecniche, alla termografia a infrarossi, che consente di individuare celle o moduli in condizioni anomale (punti caldi, stringhe non funzionanti, difetti di connessione) senza interrompere la produzione. L'impiego di aeromobili a pilotaggio remoto equipaggiati con termocamera permette di estendere l'ispezione a impianti di grande estensione in tempi ridotti rispetto al rilievo manuale da terra. Le modalità di esecuzione e le condizioni ambientali richieste per l'ispezione termografica in campo sono oggetto della specifica tecnica IEC TS 62446-3.
Una delle questioni discusse nello sviluppo su larga scala del fotovoltaico riguarda il fabbisogno di materiali, energia e processi industriali necessari alla produzione dei moduli e degli altri componenti degli impianti. Le analisi del ciclo di vita del fotovoltaico considerano infatti le diverse fasi della filiera, dalla produzione del polisilicio e dei wafer fino alla fabbricazione delle celle, all'assemblaggio dei moduli, all'installazione, alla manutenzione e alla gestione a fine vita.
Nel caso dei moduli in silicio cristallino, la tecnologia oggi dominante nel mercato fotovoltaico, la produzione richiede l'impiego di materiali come silicio, vetro, alluminio, rame e argento, oltre a sostanze chimiche utilizzate nei processi di purificazione, incisione, deposizione e pulizia. Tali sostanze non costituiscono necessariamente il contenuto finale del modulo, ma fanno parte dei processi industriali di fabbricazione e devono essere gestite secondo le norme ambientali e di sicurezza applicabili agli stabilimenti produttivi.
L'Agenzia internazionale dell'energia ha evidenziato che la filiera del fotovoltaico comprende cinque segmenti principali — polisilicio, lingotti, wafer, celle e moduli — e che l'espansione della capacità produttiva mondiale pone questioni legate alla sicurezza delle forniture, alla concentrazione geografica della produzione, ai costi, alle emissioni e al riciclo. Per questo motivo il fabbisogno di materiali e l'impatto ambientale del fotovoltaico vengono generalmente valutati mediante analisi del ciclo di vita, che permettono il confronto con altre tecnologie di produzione elettrica sulla base di indicatori omogenei, come energia incorporata, emissioni, consumo di risorse e gestione del fine vita.
L'affidabilità a lungo termine dei moduli è un altro aspetto rilevante, poiché la durata operativa influisce sia sulla resa energetica complessiva sia sull'impatto ambientale per unità di elettricità prodotta. Gli studi sul degrado dei moduli fotovoltaici sono quindi utilizzati per stimare la vita utile degli impianti, migliorare i materiali e definire strategie di manutenzione e riciclo.
Secondo i dati statistici internazionali di Terna riferiti al 2019, la produzione mondiale di energia elettrica fotovoltaica risultava pari a 694,7 TWh su un totale di 27.031,4 TWh (contributo del 2,57%), con una potenza fotovoltaica installata pari a 587,4 GW.
Secondo il rapporto statistico GSE riferito al 2019, il contributo dell'energia fotovoltaica al fabbisogno di energia totale lorda europea (1155 Mtep di consumi finali lordi) è stato dello 0,94%, corrispondente al 5% dei 219 Mtep di consumi finali lordi da fonti rinnovabili.
Nell'anno 2023, dal rapporto statistico di GSE risulta che in Italia la produzione di energia dalla tecnologia fotovoltaica è stato pari a 2,9 Mtep con una potenza intallata pari a 30319 MWe contribuendo per il 2,26% al consumo finale lordo di energia complessivo, che è stato di 115,823 Mtep (tale consumo è in progressivo calo da diversi anni per effetto delle varie crisi economiche e la progressiva delocalizzazione sia dell'industria leggera che pesante). Da questi dati, si nota come nonostante la potenza installata (MW) sia rilevante, la produzione di energia (MWh, Mtep) risulta estremamente ridotta se paragonata alla produzione di un impianto tipo termoelettrico alimentato da combustibili fossili o nucleari a parità di potenza (fattore di capacità).
Secondo il rapporto statistico del GSE, al 31 dicembre 2024 risultavano in esercizio in Italia 1.875.870 impianti fotovoltaici, per una potenza complessiva pari a 37.002 MW, a fronte dei 1.597.447 impianti e 30.319 MW di fine 2023. Nel corso del 2024 sono entrati in esercizio 280.425 nuovi impianti, in maggioranza di taglia inferiore a 10 kW, per una potenza complessiva di 6.664 MW.
La struttura del parco installato è fortemente asimmetrica: la numerosità degli impianti è concentrata nelle classi di potenza inferiori a 10 kW, ma la potenza a esse associata (7,8 GW) rappresenta il 21% di quella complessiva, mentre la quota maggiore di potenza installata sul totale nazionale (20%) si concentra nella classe compresa fra 500 kW e 1 MW. A livello regionale il primato per potenza installata spetta alla Lombardia (4,96 GW, pari al 13,4% del totale nazionale), seguita dal Veneto (3,75 GW); in Puglia si rileva invece la maggiore dimensione media degli impianti, pari a 33 kW. I valori assoluti più bassi si registrano in Basilicata, Molise, Valle d'Aosta e nella provincia autonoma di Bolzano.
Secondo i dati Terna relativi al 2025, a fine anno la potenza fotovoltaica installata in Italia ha raggiunto 43.513 MW, con una produzione annua di circa 44 TWh (+25% rispetto al 2024), pari al 16,5% della produzione elettrica nazionale e al 14,2% della domanda, a fronte di un fabbisogno complessivo di 311,3 TWh.
Alcuni esempi di grandi impianti fotovoltaici nel mondo sono:
Il 3 giugno 2024 nel deserto dello Xinjiang è stato inaugurato un impianto esteso 2.000 ettari, capace di produrre 5 GW e 6,09 miliardi di chilowattora all'anno. Il precedente record mondiale di capacità installata era cinese ed era di 3 GW.
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