Energia solare fotovoltaica

L’energia fotovoltaica è una fonte di energia rinnovabile che fondamentalmente trasforma la radiazione o l’energia solare in elettricità. Si stima che la produzione fotovoltaica mondiale copra tra il 3,5% e il 7% dell’attuale domanda di elettricità.

Questa forma di generazione di energia, una volta installata e in funzione, non genera gas a effetto serra o altri tipi di inquinamento. Inoltre, è molto facile personalizzare l’installazione in base alle esigenze degli utenti.

I suoi principali svantaggi sono che ha bisogno della luce solare diretta per massimizzare la sua efficienza e che, normalmente, le ore di massima irradiazione solare non coincidono con le ore di maggiore richiesta di elettricità.

La fotocellula

È l’elemento di base dei pannelli fotovoltaici ed è l’elemento chiave dell’intero processo di generazione dell’elettricità.

In breve, la funzione delle cellule fotoelettriche (note anche come celle, fotocellule o celle fotovoltaiche) è quella di trasformare la luce in tensione e corrente elettrica. Un fenomeno che si manifesta in alcuni semiconduttori ed è chiamato effetto fotoelettrico.

Questo effetto, sebbene scoperto da Heinrich Hertz nel 1887, avrebbe avuto una base teorica solo quasi 20 anni dopo, nell’articolo “Euristica della generazione e della conversione della luce” pubblicato da Albert Einstein.

Principio di funzionamento

Il principio sottostante a questa tecnologia, senza entrare troppo nel dettaglio dei suoi fondamenti fisici, si basa sulla capacità di un fotone di colpire un atomo di semiconduttore ed eccitarlo, liberando così un elettrone e creando una buca.

Gli elettroni di solito trovano rapidamente una nuova buca da occupare e l’energia fornita dal fotone viene dissipata sotto forma di calore.

La particolarità dei materiali che compongono le fotocellule è che costringono gli elettroni e le buche a muoversi anziché ricombinarsi istantaneamente. In questo modo si crea una differenza di potenziale, proprio come in una batteria.

generazione di elettricità nella cella fotovoltaica

Produzione di fotocellule

Le tecniche di produzione di queste celle sono simili a quelle di altri dispositivi a semiconduttore, anche se il grado di purezza delle materie prime richieste o il processo stesso non sono così impegnativi.

Il processo è sostanzialmente simile al seguente:

  1. La materia prima, come il quarzo, viene prelevata e introdotta in un forno dove si ottiene il silicio fuso.
  2. Le impurità vengono rimosse.
  3. Utilizzando processi come quello di Czochralski, si ottengono lingotti monocristallini.
  4. Il lingotto viene tagliato in fogli molto sottili (wafer) di 200 µm.
  5. I wafer vengono puliti e lucidati.
  6. Drogaggio dei wafer, che può essere effettuato durante il processo Czochralski nel caso del drogaggio del boro (B) o, come nel caso del fosforo (P), portando i wafer al di sotto del punto di fusione in presenza di gas di fosforo.
  7. Le celle sono collegate tra loro da contatti elettrici e vengono aggiunte sottili strisce di metallo per “catturare” l’elettricità generata.
  8. Viene aggiunto un rivestimento antiriflesso per prevenire le perdite.
  9. Le celle solari vengono incapsulate e inserite nella struttura del pannello.

Tipi di celle fotovoltaiche

Sebbene esistano diversi tipi di cellule, ci concentreremo sui due tipi più diffusi.

Tipi di celle fotovoltaiche

Celle in silicio policristallino

Conosciute anche come celle multicristalline, sono caratterizzate da cristalli multipli che si formano durante il raffreddamento del silicio. Il risultato è un aspetto non uniforme.

Hanno un’efficienza di circa 100 Wp/m2 (watt di picco per metro quadro) con un’alta efficienza del 14%.

Viene utilizzato soprattutto nei climi caldi perché soffre meno di surriscaldamento.

Celle in silicio monocristallino

Oltre che per le celle solari, viene utilizzato anche come base per i chip di silicio, anche se i requisiti delle imperfezioni di questi ultimi sono molto più limitanti.

L’efficienza e le prestazioni sono leggermente superiori, con quasi 150 Wp/m2 e il 14-16% rispettivamente.

A differenza delle precedenti, sono meno tolleranti alle alte temperature.

Applicazioni dell’energia solare fotovoltaica

Le applicazioni di questo tipo di energia sono molto varie. In questo articolo ci concentreremo sugli impianti per l’autoconsumo domestico di energia elettrica, ma prima elencheremo alcuni dei suoi molteplici usi:

Meccanismi isolati

Si tratta in genere di piccoli dispositivi alimentati da una piccola piastra o da un gruppo di fotocellule.

L’esempio più tipico è la calcolatrice solare, ma al giorno d’oggi possiamo trovare tutti i tipi di dispositivi come lampade, pompe per l’acqua o parchimetri.

parchimetro con pannello solare

Trasporto e navigazione

Sebbene il suo utilizzo come fonte di energia primaria sia più sperimentale che pratico, viene sempre più utilizzato come sistema di alimentazione secondaria sia nelle automobili che nelle imbarcazioni.

La World Solar Challenge in Australia è molto popolare. Una gara in cui diversi team (principalmente aziende, università o istituti) si sfidano con le rispettive auto solari attraverso 3021 km di deserto.

gara di auto solari

Fattorie solari

Chiamati anche parchi solari, non sono altro che centrali fotovoltaiche in cui vengono installati grandi impianti di pannelli solari per generare elettricità e immetterla nella rete.

parco solare

Telecomunicazioni

Questo tipo di energia è molto utile nelle centrali telefoniche, nelle antenne radio o nei ripetitori di microonde, dove viene generalmente installata insieme alle batterie. In questo modo, il servizio non viene interrotto in caso di interruzione dell’alimentazione.

Aerospaziale

Una delle prime applicazioni della tecnologia fotovoltaica. I pannelli solari vengono utilizzati da tempo sui satelliti, da quando gli Stati Uniti hanno lanciato il Vanguard 1 nel 1958.

Satellite con pannelli solari

Autoconsumo fotovoltaico tramite pannelli solari

Per autoconsumo fotovoltaico si intende la produzione di energia per autoconsumo, ovviamente utilizzando i pannelli solari.

Questo tipo di installazione si trova soprattutto nelle case monofamiliari dove, in genere, l’installazione e il dimensionamento del sistema sono più semplici.

Elementi basici di un impianto fotovoltaico “domestico”

I componenti principali di un impianto fotovoltaico standard comprendono:

Pannelli fotovoltaici: sono quelli incaricati di generare energia elettrica, in base al principio fisico che abbiamo già illustrato all’inizio di questo articolo.

Batterie: accumulano l’energia generata per un uso successivo, di solito di notte e nelle ore non di punta.

Inverter: trasforma la corrente continua in corrente alternata.

Regolatore di carica: impedisce una carica/scarica eccessiva delle batterie, prolungandone la durata.

Si fa notare che non è necessario che tutti gli elementi siano presenti in un impianto, ad eccezione dei pannelli, perché questo sia pienamente funzionante. Tutto dipende dalle esigenze di ciascun progetto.

casa con pannelli solari

Classificazione dei sistemi di autoconsumo fotovoltaico

Tra le diverse opzioni attualmente disponibili, possiamo distinguere, a livello tecnico, vari tipi di impianti a seconda che siano o meno collegati alla rete elettrica convenzionale e che le modalità di connessione siano diverse.

In questo modo possiamo distinguere:

Impianto fotovoltaico off-grid

Come suggerisce il nome, si tratta di sistemi completamente off-grid. Sono particolarmente diffusi nelle aree in cui l’accesso all’elettricità è più limitato.

In questo tipo di impianto, l’uso delle batterie è essenziale perché, se non fossero disponibili, la disponibilità di elettricità sarebbe limitata alle ore di luce solare.

Es muy habitual encontrar instalaciones de este tipo que combinan circuitos indepeÈ molto comune trovare installazioni di questo tipo che combinano circuiti separati per la corrente alternata e la corrente continua, cioè hanno dispositivi che funzionano in corrente continua (principalmente 12V/24V), come l’illuminazione, e altri che funzionano in corrente alternata, come un televisore.

Sistema fotovoltaico collegato alla rete

In questo caso, la rete convenzionale funge da backup quando l’energia solare generata non è sufficiente, eliminando la necessità di installare batterie e riducendo il costo dell’installazione.

In questo caso si può fare la distinzione, prevista dalla normativa vigente, tra impianti con o senza produzione in eccesso scaricata in rete (un impianto isolato ovviamente non reimmette energia nella rete di distribuzione).

Ora sappiamo qualcosa di più su come funziona l’energia solare fotovoltaica e sulle sue numerose applicazioni.