Tecnologia
LA STORIA
Sebbene l’effetto fotovoltaico venne scoperto già nel 1839, le prime applicazioni pratiche nacquero solo negli anni cinquanta.
Il fotovoltaico (FV) venne sviluppato per i primi satelliti, che furono messi in orbita in quel periodo.
Le tradizionali pile, le batterie a combustione e l’energia nucleare non erano adatte alle esigenze di allora: dopo un breve periodo l’energia immagazzinata si sarebbe consumata ed il satellite sarebbe divenuto inutilizzabile.
Con lo sviluppo di celle solari al silicio ad alto rendimento, il FV si rivelò la soluzione ideale per questo impiego. I vantaggi erano evidenti:
- Inesauribilità della fonte d’energia (il sole)
- Nessuna produzione di scorie (gas combusti, residui, ecc.)
- Assenza di necessità di manutenzione dei componenti
IL PRINCIPIO
Il funzionamento dei dispositivi fotovoltaici si basa sulla capacità di alcuni materiali semiconduttori, opportunamente trattati, di convertire l’energia della radiazione solare in energia elettrica in corrente continua senza bisogno di parte meccaniche in movimento.
Il materiale semiconduttore quasi universalmente impiegato oggi a tale scopo è il silicio.
Il componente base di un impianto FV è la cella fotovoltaica, che è in grado di produrre circa 1,5 Watt di potenza in condizioni standard, vale a dire quando essa si trova ad una temperatura di 25°C ed è sottoposta ad una potenza della radiazione pari a 1000 W/m2.
La potenza di uscita da un dispositivo FV quando esso lavora in condizioni standard prende il nome di potenza di picco (Wp).
Più celle assemblate e collegate tra di loro in una unica struttura formano il modulo fotovoltaico.
LA PRODUZIONE DEI MODULI SOLARI
L’elemento principale delle celle FV è il silicio, che dopo l’ossigeno è l’elemento più comune della crosta terrestre. In natura esso non compare in forma pura, ma sotto forma di composti insieme ad altri elementi.
Per la produzione di celle FV però il silicio deve essere purissimo, ed è proprio la purificazione il processo più impegnativo e dispendioso.
Dalle purissime barre di silicio vengono tagliati dei dischetti molto fini che vengono successivamente lisciati mediante levigatura e trattamento con acido.
Un altro metodo consiste nel ricoprire una piastra di vetro di atomi di silicio attraverso spruzzamento catodico (silicio amorfo).
Un ulteriore processo prende il nome di drogatura. Consiste nell’aggiunta programmata di impurità ai dischetti di silicio sotto forma di atomi estranei.
Il dischetto così trattato può già essere chiamato cella FV, dato che in questo stato possiede le proprietà di semiconduttore e il principio può già funzionare.
Per raggiungere la potenza desiderata e per proteggere le celle dai fattori atmosferici (vento, neve, pioggia/ghiaccio, ecc.) esse vengono collegate elettricamente, inserite in un telaio metallico e protette da una lastra di vetro.
I VARI TIPI DI CELLE SOLARI
A seconda dei loro processi di produzione, si distinguono i seguenti tipi di celle fotovoltaiche:
- Celle monocristalline: vengono prodotte tagliando una barra monocristallina. Il vantaggio principale è un alto rendimento (fino al 18%). Questo tipo di celle è però molto costoso a causa del complicato processo di produzione. Le celle di tipo monocristallino sono caratterizzate usualmente da un’omogenea colorazione blu
- Celle poli (multi-)cristalline: vengono colate in blocchi e poi tagliate a dischetti. Il rendimento è minore (13-15%), ma anche il prezzo. Questo tipo di celle è riconoscibile da un disegno ben distinguibile (a causa dei vari cristalli contenutivi)
- Celle amorfe: vengono prodotte mediante spruzzamento catodico di atomi di silicio su una piastra di vetro. Questo tipo di cella ha il rendimento minore (ca. 8-10%), ma si adatta anche al caso di irradiamento diffuso (cielo coperto, ecc.). Le celle così prodotte sono riconoscibili da un caratteristico colore scuro, inoltre sono realizzabili in qualsiasi forma geometrica (forme circolari, ottagonali, irregolari e persino convesse)
SCHEMA DI FUNZIONAMENTO DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO
Azimuth: angolo orizzontale misurato in senso orario a partire dal Sud; un azimuth di 0° indica il Sud; un azimuth di 90° indica l' Ovest; un azimuth di -90° indica l'Est
Campo fotovoltaico: un insieme di moduli fotovoltaici, connessi elettricamente tra loro e installati meccanicamente nella loro sede di funzionamento
Cella fotovoltaica: il materiale semiconduttore che converte la radiazione solare in elettricità: è l'unità base della generazione fotovoltaica
Modulo fotovoltaico: più celle assemblate e collegate tra di loro in una unica struttura formano il modulo fotovoltaico
Convertitore CC/CA, Inverter: dispositivo che converte la corrente continua in corrente alternata
Potenza di picco [Wp]: è la potenza massima prodotta da un dispositivo fotovoltaico in condizioni standard di funzionamento (irraggiamento 1000 W/m2 e temperatura 25°C )
Quadro elettrico: in esso avviene la distribuzione dell’energia. In caso di consumi elevati o in assenza di alimentazione da parte dei moduli FV la corrente viene prelevata dalla rete pubblica. In caso contrario l’energia FV eccedente viene di nuovo immessa in rete. Inoltre esso misura la quantità di energia fornita dall’impianto fotovoltaico alla rete
Rete: allacciamento alla rete pubblica dell’azienda elettrica
Sistema fotovoltaico: installazione di moduli fotovoltaici e altri componenti progettata per fornire potenza elettrica dalla radiazione solare
Utenze: apparecchi alimentati dall’impianto FV
FATTIBILITÀ TECNICO-ECONOMICA DEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI
La tecnologia fotovoltaica appare quella che consente il più promettente sfruttamento nel lungo termine e su grande scala delle fonti rinnovabili, soprattutto in paesi come l'Italia con alti livelli di insolazione ed il cui potenziale energetico fotovoltaico ammonta a 47.000 miliardi di kWh/anno.
Il fotovoltaico è tra le fonti di produzione di energia a più basso impatto ambientale, in quanto il pannello fotovoltaico in circa un anno di esercizio restituisce tutta l’energia che è stata consumata per produrlo e per la restante parte della sua vita utile, oltre i 20 anni, sarà in grado di produrre energia elettrica a impatto-zero.
L’energia solare viene prodotta durante le ore diurne, ossia quando è più cara e ce n’è più bisogno, andando a coprire i picchi di consumo. Questo è proprio uno degli obiettivi primari del fotovoltaico e nel contempo uno dei suoi punti di forza, rendendo l’energia solare integrativa alle altre fonti convenzionali le cui centrali non hanno facilità a gestire tali picchi diurni, proprio per la loro caratteristica di essere legate ad un ciclo produttivo“costante”.
Se coprissimo di pannelli solari solo le superfici sfruttabili dei tetti dell’ Italia avremmo soddisfatto il 45% del fabbisogno energetico nazionale.
Con il proprio impianto FV, il cittadino diventa protagonista in quanto auto produttore, e pertanto consuma energia in maniera più consapevole.
Il trend del passato dimostra che il costo della tecnologia FV si riduce di un 20% ad ogni raddoppio del volume di mercato e che con i trend attuali la grid parity, ossia il costo dell’energia da fonte solare uguale a quello da fonte tradizionale, è prevista prima del 2020 anche in Italia.
A quel punto il settore non avrà più bisogno di incentivi ed il fotovoltaico diventerà una commodity ed avrà un a diffusione capillare.
Secondo l’International Energy Agency, oggi il fotovoltaico copre lo 0,1% dei consumi di elettricità a livello mondiale, ma con i trend attuali di riduzione dei costi e di crescita di mercato, la stessa IEA stima che questa percentuale raggiungerà il 5% nel 2030 e l’11% nel 2050.
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