Come funziona la tecnologia fotovoltaica? Quali tipi di celle solari esistono? E quali sono i componenti di un impianto? Le risposte in un approfondimento verticale dedicato all'energia solare
Fotovoltaico: Definizione e tecnologie solari disponibili
Per energia solare si intende l’energia emanata dal sole e trasmessa sulla terra come radiazione elettromagnetica. L’utilizzo del sole come fonte energetica presenta dei pro e dei contro: si tratta di una fonte pulita, inesauribile ed abbondante che tuttavia è discontinua nel tempo. Inoltre le varie condizioni climatiche e la latitudine influenzano l’irraggiamento del sito (potenza istantanea che colpisce la superficie, misurata in kW/m2).
Il fotovoltaico consente di trasformare in maniera diretta l’energia associata alla radiazione solare in energia elettrica sfruttando il fenomeno fotoelettrico.
Tecnologia fotovoltaica
La conversione energetica avviene in un dispositivo (cella fotovoltaica) costituito da un materiale semiconduttore, opportunamente trattato, all’interno del quale si crea un campo elettrico, che orienta le cariche elettriche generate dalla interazione della radiazione solare (fotoni) con la struttura elettronica del materiale semiconduttore, dando origine ad un flusso di corrente elettrica.
Attualmente il materiale più usato è il silicio cristallino (mono/poli), impiegato in una sottile fetta di spessore compreso tra 0,25 e 0,35 mm. Il monocristallino ha rendimenti di conversione pari al 15-17%, mentre il policristallino, caratterizzato da un minore costo di produzione, presenta rendimenti del 12-14%, più bassi per la presenza di un maggior grado di impurità. Il silicio amorfo, utilizzato nella tecnologia a “film sottile” , viene invece spruzzato sotto forma di gas su una superficie di supporto. Tale tecnologia presenta una convenienza maggiore rispetto alle precedenti, in quanto, per la produzione delle celle viene usata una quantità inferiore di materiale, abbassando quindi il costo di produzione. Inoltre possiede un’ampia versatilità e flessibilità di impiego. L’unico svantaggio, non ancora risolto, è la bassa efficienza dovuta alla struttura cristallina instabile del silicio amorfo.
Sono sistemi a film sottile anche quelli con semiconduttori CIS, CIGS, tellururo di cadmio (CdTe). CIS e CIGS hanno efficienze fino al 13% e costi attuali leggermente inferiori ai sistemi in silicio. Tuttavia la scarsa disponibilità di indio e selenio costituiscono un ostacolo per uno sviluppo su larga scala.
Per un maggiore rendimento si stanno studiando celle fotovoltaiche multigiunzione (Split spectrum cell o Vertical Multijunction Cell). Sono costituite da differenti materiali semiconduttori disposti l’uno sull’altro che permettono di avere un più largo spettro del livello assorbente di energia e quindi un rendimento maggiore, aumentando l’efficienza totale di conversione della radiazione solare (raggiungimento di efficienze superiori al 30%).
Ancora in fase di sviluppo sono le celle organiche note come DSSC (Dye-Sensitized Solar Cell) o celle di Gratzel. Questo tipo di unità utilizza un pigmento organico fotosensibile ( in grado d’assorbire la luce e generare un flusso d’elettroni), applicato su un film sottile costituito da un strato d’ossido metallico nanoporoso e polimeri conduttori o elettroliti liquidi. La peculiarità delle DSSC è di essere notevolmente flessibili e adatte ad essere conformate in diverse forme e applicazioni, oltre a costituire un prodotto più economico rispetto alle celle tradizionali.
Negli ultimi anni si stanno facendo strada anche le celle solari in perovskite, una classe di materiali sintetici ad alto assorbimento solare, la cui struttura chimica “imita” quella della perovskite naturale.
Come funziona l’impianto fotovoltaico?
Solo una parte dell’energia radiogena che colpisce la cella è convertita in energia elettrica; l’efficienza di conversione dipende in alta percentuale dalle caratteristiche del materiale costitutivo e non supera generalmente il 20%.
Naturalmente la resa energetica da parte del dispositivo è anche in funzione di fattori quali: fattori geografici e metereologici, orientamento ed inclinazione della superficie dei moduli. Per le latitudini italiane il rendimento massimo si ottiene orientando i moduli verso sud con un angolo di inclinazione rispetto all’orizzonte di 32-45 °.
In condizioni standard (a 25°C con 1kW/ m2 di irraggiamento) una cella eroga circa 1.5 Watt di potenza ( Wp – potenza di picco).
Le celle vengono assemblate insieme fra uno strato superiore di vetro ed uno strato inferiore di materiale plastico (Tedlar) e racchiuse da una cornice di alluminio, in modo da costruire un’unica struttura: il modulo fotovoltaico, tradizionalmente costituito da 36 – 72 unità collegate in serie e in parallelo, per una potenza di uscita che va dai 50 agli 150Wp.
A seconda della tensione richiesta dalle utenze elettriche più moduli possono esser connessi, in serie o in parallelo, a costituire una stringa. A loro volta più stringhe collegate in parallelo vanno a costituire il generatore fotovoltaico.
Un complesso di ulteriori dispositivi (BOS) collega il generatore alle utenze, convertendo ed adattando la corrente continua in uscita alle esigenze finali; ne fanno parte:
- sistema di controllo
- convertitore CC/CA o inverter
- protezione di interfaccia
- sistema d’accumulo
In base alla loro configurazione elettrica gli impianti fotovoltaici sono suddivisi in:
1 STAND ALONE sistemi autonomi
2 GRID CONNECTED sistemi allacciati alla rete elettrica nazionale
Gli impianti stand alone sono impiegati in caso di utenze a bassissimi consumi energetici e per edifici ubicati in zone poco accessibili dalla rete elettrica e quindi difficilmente collegabili. In questa tipologia di sistemi è necessario ricorrere all’utilizzo di batterie per accumulare l’energia elettrica e garantire pertanto la continuità dell’erogazione anche nei periodi in cui il generatore non produce corrente. Un altro componente essenziale in caso di sistemi autonomi è il regolatore di carica, la cui installazione preserva le batterie da eccessi di carica ed impedisce la scarica eccessiva.
Nei sistemi grid connect la rete fornisce l’energia sufficiente a coprire la richiesta quando non viene prodotta dal generatore fotovoltaico ( periodi di scarsa o nulla insolazione) e riceve il surplus di elettricità che il sistema genera nelle ore di massima incidenza solare. I grid connect sono impiegati nelle centrali fotovoltaiche e negli impianti inseriti negli edifici.
L’integrazione dei moduli fotovoltaici negli edifici offre una serie di vantaggi:
- riduzione delle perdite dovute alla distribuzione.
- riduzione della domanda di picco nei mesi estivi, conseguente ad sempre un maggior impiego di condizionatori.
- risparmio nei materiali di investimento degli edifici.
- recupero dell’energia termica.
- utilizzo come frangisole per le superfici vetrate esposte a sud.
I moduli fotovoltaici stanno inoltre trovando sempre più spazio di diffusione commerciale in tutti quei casi in cui l’allaccio alla rete nazionale comporterebbe costi sproporzionati rispetto alle ridotte richieste di energia. Rispondono a questi requisiti: illuminazione e segnaletica stradale, ponti radio e ripetitori televisivi, stazioni per la raccolta dati, batterie di servizio di roulotte ed imbarcazioni.
Leggi anche Incentivi fotovoltaico, tutti i bonus 2024 per privati e famiglie
Quanto produce un sistema fotovoltaico?
La quantità di energia prodotta da un sistema fotovoltaico è legata ad una serie di fattori che variano da impianto ad impianto, ed i più importanti sono:
- Latitudine del sito
- Area dell’impianto
- Angolo di inclinazione della superficie considerata ed angolo d’orientamento rispetto al sud
- Efficienza e grado di pulizia dei moduli
- Temperatura delle celle
- Rendimento dell’inverter e degli altri componenti elettrici convenzionali (cavi, interruttori, etc.)
A titolo indicativo, prendendo in considerazione le latitudini dell’Italia centrale, un m2 di moduli, installato su una struttura fissa, è in grado di erogare in media circa 190 kWh/anno, con una produzione maggiore d’estate e minore d’inverno.
I vantaggi principali di questo tipo di tecnologia riguardano innanzitutto la sua modularità (alta flessibilità di impiego), le ridotte esigenze di manutenzione, in quanto costituiti da materiali resistenti agli agenti atmosferici, un impatto ambientale praticamente nullo e la sua semplicità di utilizzo.
A cura di: Ing. Francesco Trezza
Link Utili
“Centre for Photovoltaic Devices and Systems, University of New South Wales”:https://www.pv.unsw.edu.au/ – UNSW (AUS)
“EPIA (Europeean Photovoltaic Industry Association)”:https://www.epia.org/
“GIFI – Gruppo Imprese Fotovoltaiche Italiane”:https://www.gifi-fv.it/System/webclient/layout-oc04/default.asp?isauth=n (ITA)
“IEA Photovoltaic Power Systems Programme”:https://www.iea-pvps.org/
“Solar Energy Industries Association”:https://www.seia.org/ – SEIA (USA)
“Solarbuzz”:https://www.solarbuzz.com/
“Utility PhotoVoltaic Group”:https://www.ttcorp.com/upvg/index.htm – UPVG (USA)
Leggi gli ultimi aggiornamenti sui Pannelli fotovoltaici
Pannelli fotovoltaici colorati, dai moduli solari rossi a quelli bianchi
Pannelli fotovoltaici trasparenti ad alta efficienza, obiettivo raggiunto
Pannelli fotovoltaici da interno, come funziona il solare indoor
