L’alimentazione di elementi di illuminazione domestica o persino auto elettriche con energia solare, grazie all’uso di celle fotovoltaiche, è comune oggi. Ciò non significa, tuttavia, che tutti, compresi gli utenti di tali impianti, sappiano come funzionano questi impianti e quali processi sono responsabili della conversione dell’energia solare in elettricità. Questo articolo risponde alla maggior parte delle domande.
- Fotovoltaica – le basi
- Come funziona il pannello solare
- Tipi di celle fotovoltaiche
- Cosa determina la quantità di elettricità generata
- Pannelli fotovoltaici nel catalogo della TME
Cos’è il fotovoltaico?
Il fotovoltaico è una tecnologia per convertire la radiazione solare in elettricità attraverso l’uso di pannelli fotovoltaici e inverter da corrente continua a corrente alternata, tutto per alimentare ricevitori di energia collegati alla rete o immagazzinare energia in batterie per un secondo momento. Questo è l’approccio più semplice e ristretto al problema, pertanto vale la pena assumere una prospettiva leggermente più ampia e tornare indietro nel tempo agli inizi della tecnologia.
Dal termine stesso “fotovoltaica” ne consegue che si tratta di una scienza che si occupa della conversione di energia solare in energia elettrica, che ha dato origine a un significativo campo tecnologico presente nella maggior parte dei paesi altamente sviluppati. Parallelamente al fotovoltaico, si sono sviluppate molte altre tecnologie legate all’ottenimento di energia da fonti energetiche rinnovabili, tuttavia ottenere energia dal sole è il metodo più importante e ancora leader per ottenere energia “gratuita” e inesauribile. Vale la pena rendersi conto che l’energia solare potrebbe sostituire completamente le fonti di energia fossile, il che ridurrebbe significativamente la quantità di inquinanti rilasciati nell’atmosfera. Tuttavia, uno dei requisiti chiave di questa tecnologia si frappone: il fabbisogno di una vasta area, generata dalle dimensioni dei pannelli fotovoltaici stessi.
Principio di funzionamento delle celle fotovoltaiche
Il processo di conversione dell’energia solare in energia elettrica che avviene negli strati interni della cella, inizia sotto lo strato riflettente, dove vi sono due wafer di silicio, quello superiore è un conduttore negativo, realizzato in silicio con una miscela di fosforo. Quello inferiore è un conduttore positivo ed è formato da silicio con una miscela di boro. Quando un fotone colpisce un atomo di silicio, fa cadere un elettrone dal suo posto e lo costringe a muoversi, e poiché vi sono un numero enorme di fotoni e collisioni, gli elettroni cercano di accoppiarsi con i luoghi liberi di elettroni vicini precedentemente urtati, a seguito dei quali iniziano a circolare tra le piastre, generando il movimento delle cariche elettriche. Tuttavia, il campo elettrico alla giunzione degli strati positivi e negativi del silicio separa le coppie elettrone-lacuna, ciò causa un movimento ordinato degli elettroni e la comparsa di una tensione elettrica.
CL-SM50P – Cella di silicio policristallino del marchio Cellevia Power
Questo processo viene collegato facilmente alla rete elettrica locale, tuttavia prima è necessario collegare un inverter all’impianto, che converta la corrente continua in corrente alternata. Il silicio sopra citato viene utilizzato qui come materiale base per la costruzione di celle fotovoltaiche, poiché l’energia del fotone corrisponde all’energia richiesta per spostare un elettrone in un atomo di silicio. Sebbene il silicio puro non sia un semiconduttore ottimale, combinato con fosforo e boro diventa la soluzione migliore. Sul mercato sono apparsi anche pannelli realizzati con altri materiali come il cadmio combinato con tellurio, rame, indio, gallio e selenio. Tuttavia, indipendentemente dagli elementi utilizzati, i pannelli fotovoltaici sono sempre costituiti da celle fotovoltaiche, che sono le unità più piccole e possono essere collegate tra loro in serie o in parallelo.
Tipi più importanti di celle fotovoltaiche
Attualmente vi sono fondamentalmente due tipi di celle fotovoltaiche sul mercato. Si tratta di:
- celle a base di silicio (pannelli) (monocristallini, policristallini e amorfi), decisamente dominanti in termini di quota di mercato,
- celle (pannelli) costituite da altri elementi (CdTe e CIGS).
CL-SM50M – Panello con silicio monocristallino del marchio Cellevia Power
I pannelli a base di silicio sono i più diffusi sul mercato grazie alla loro semplicità costruttiva e all’elevato rendimento, che nel caso dei pannelli monocristallini raggiunge il 17-23%, e nel caso dei pannelli policristallini circa il 14-18%. I pannelli monocristallini presentano il rendimento più alto, ma sono anche i più costosi. Sono realizzati in wafer di silicio a forma di cerchio, successivamente tagliati a forma di quadrato con angoli smussati. I pannelli policristallini (rendimento del 14-18%) sono realizzati in silicio multicristallino, sotto forma di un blocco compresso con una superficie non uniforme, tagliato in sottili lastre quadrate di colore blu. I pannelli amorfi opachi sono realizzati in silicio molto economico e non cristallizzato, il che si traduce in un minore rendimento (8 -10%), ma anche in un prezzo più basso.
Nel secondo gruppo di celle fotovoltaiche vi sono quelle realizzate con elementi diversi dal silicio. Questi includono celle CdTe e celle CIGS, caratterizzate da uno spessore trascurabile dello strato fotovoltaico e da una minore efficienza rispetto ai pannelli a base di silicio.
I pannelli CdTe sono una cella unica con uno spessore di diversi micron, sono realizzati in tellururo di cadmio e raggiungono un rendimento leggermente inferiore (10-12%) rispetto ai pannelli CdTe (12-14%), realizzati sulla base di quattro elementi: rame, indio, gallio e selenio.
Ciò influisce sul rendimento delle celle fotovoltaiche
Sebbene i produttori di celle fotovoltaiche di solito non rivelino dettagli sui processi di produzione a causa dei segreti commerciali, si può presumere che la qualità di queste celle sia decisamente influenzata dalle condizioni di taglio di cristalli e blocchi di quarzo, nonché dalle condizioni di crescita dei cristalli monocristallini. La qualità è influenzata anche da fattori quali le condizioni di smerigliatura delle piastrelle e la pulizia, la ventilazione e la temperatura dei locali in cui avvengono i processi chiave. Tuttavia è più facile confrontare il rendimento e le prestazioni di pannelli identici di diversi fornitori, che dipendono in gran parte dalla qualità dei processi di produzione e dei materiali utilizzati durante la produzione. Per farlo nel modo più oggettivo possibile, dovrebbero essere testati in condizioni reali identiche, che sono costantemente sotto l’influenza di vari fattori, comuni a tutti i pannelli (celle) che partecipano a tale test.
Tuttavia, indipendentemente dal fatto che venga effettuato un test comparativo o venga analizzato l’uso effettivo degli impianti fotovoltaici, i fattori base che influenzano i loro risultati finali sono sempre un gruppo degli stessi fattori:
- superficie del tetto,
- pendenza del tetto rispetto ai raggi del sole,
- stagione e intensità della luce solare,
- tempo di assorbimento della luce solare contato in ore,
- e temperatura delle celle stesse durante il loro funzionamento.
Quest’ultimo fattore è piuttosto fastidioso, poiché l’efficienza delle celle inizia a diminuire quando la loro temperatura raggiunge un certo limite, e questo di solito accade in giornate molto calde e soleggiate. Questo costituisce un piccolo paradosso, poiché questi giorni sono i più intensi in termini di radiazione solare. Gli altri fattori sopra elencati, tra cui la mancanza di ombreggiatura dove funzionano i pannelli, influiscono direttamente anche sulla quantità dell’elettricità ottenuta. Anche la stagione menzionata è importante, poiché in primavera e in estate il numero di giorni di sole è maggiore e l’intensità della luce solare è la più alta, che insieme all’angolo di inclinazione appropriato delle celle consente risultati molto migliori.
AM-1454CA – Cella miniaturizzata dell’offerta Panasonic
Pannelli fotovoltaici nel catalogo della TME
Il catalogo delle celle fotovoltaiche offerte dalla TME comprende prodotti di tre marchi noti: Panasonic, Green Power e Cellevia Power, i prodotti del primo produttore menzionato sono celle mini-amorfe per uso interno (orologi, piccoli dispositivi elettronici), e le celle degli altri due produttori sono celle monocristalline e policristalline più grandi per uso esterno.
