L’energia che sprigiona il Sole può essere utilizzata anche attraverso metodi diversi dalle centrali a concentrazione e per finalità diverse dalla produzione di energia elettrica. Diversi sistemi sono in studio e alcuni ormai sono giunti a maturazione e trovano impiego nelle nostre case e città. Tra queste tecnologie, possiamo citare i pannelli solari per la produzione di calore a bassa temperatura e gli impianti fotovoltaici che trasformano direttamente l’Energia Radiante del Sole in energia elettrica.
Il sistema fotovoltaico è un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che permettono di captare l’Energia Solare e di trasformarla in Energia Elettrica. Questo avviene sfruttando un fenomeno fisico, noto come effetto fotovoltaico, cioè la capacità di alcuni materiali semiconduttori (normalmente silicio) di generare elettricità quando esposti alla Radiazione Luminosa.
Quale forma di ENERGIA sfruttiamo in un impianto fotovoltaico?
Quando i fotoni (unità elementare, priva di carica elettrica e di massa, che si propaga esattamente alla velocità della luce) colpiscono una cella fotovoltaica, una parte di energia è assorbita dal materiale (silicio drogato) e alcuni elettroni, scalzati dalla loro posizione, scorrono attraverso il materiale producendo una corrente continua che può essere raccolta sulle superfici della cella.
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Gli impianti fotovoltaici possono essere suddivisi in due categorie: quelli connessi alla rete elettrica (grid-connected) e quelli isolati (stand-alone). Nei primi, la corrente generata viene inviata ad un convertitore (inverter) dal quale esce sotto forma di corrente alternata, tale da poter essere poi trasformata in corrente a media tensione dal trasformatore, prima di essere immessa nella linea di distribuzione. I secondi invece sono in genere dotati di accumulo e possono essere senza o con inverter. Il sistema di immagazzinamento è necessario per garantire la continuità dell’erogazione anche nei momenti in cui non viene prodotta. Questo avviene mediante accumulatori elettrochimici (batterie).
Schema di Impianto Fotovoltaico
Nel sistema grid-connected non è previsto un sistema di accumulo in quanto l’energia prodotta durante le ore di insolazione viene immessa nella rete elettrica; viceversa, durante le ore di insolazione scarsa o nulla il carico viene alimentato dalla rete.
Il fotovoltaico può essere usato anche per realizzare delle centrali per la produzione di energia elettrica. In questo caso, bisognerà collegare in serie o in parallelo, più celle fotovoltaiche tra di loro.
Campo fotovoltaico
Sapendo che ogni cella produce circa 1,5W di potenza elettrica, basterà conoscere il consumo dell’area da servire per stabilire quante celle dovranno essere collegate tra loro per fornire l’energia necessaria. Per stabilire queste connessioni e renderle fattibili, le celle vengono combinate tra di loro in strutture regolari sempre più grandi che prendono i seguenti nomi (vedi schema sopra):
- modulo;
- pannello;
- stringa;
- campo.
MODULO – i più comuni sono costituiti da 36 o 72 celle. Queste sono assemblate fra uno strato superiore di vetro e uno strato inferiore di materiale plastico (il tedlar) e racchiuse da una cornice di alluminio. Nella parte posteriore del modulo è collocata una scatola di giunzione in cui vengono alloggiati i diodi e i contatti elettrici. Il modulo fotovoltaico ha una dimensione di circa mezzo metro quadro e le taglie normalmente in commercio vanno da 100 a 300 Watt di potenza.
Struttura di un pannello fotovoltaico
PANNELLO – è un insieme di più moduli collegati in serie o in parallelo su una struttura rigida.
STRINGA – per fornire la tensione richiesta, più moduli o più pannelli, possono essere collegati elettricamente in serie costituendo una stringa.
CAMPO – è un collegamento elettrico di più stringhe. Nella fase di progettazione devono essere effettuate alcune scelte determinanti. Innanzitutto bisogna scegliere tra una configurazione in serie o una in parallelo dei moduli.
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| Collegamento in Serie |
Collegamento in Parallelo |
La distanza minima fra le file di pannelli non può essere casuale ma deve essere fatta in modo da evitare che l’ombra della fila anteriore possa coprire quella immediatamente posteriore. È quindi necessario calcolare la distanza minima tra le file in funzione dell’altezza dei pannelli, della latitudine del luogo e dell’angolo di inclinazione dei pannelli.
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| Pannello fotovoltaico |
Stringa fotovoltaica |
Campo fotovoltaico |
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| GLI ELEMENTI DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO |
Un impianto fotovoltaico è costituito dai seguenti elementi:
- celle fotovoltaiche;
- inverter;
- contatore energia prodotta (GSE);
- contatore energia scambiata (bidirezionale).
CELLA FOTOVOLTAICA – è un diodo (componente elettronico che consente il passaggio della corrente in una direzione e ne impedisce il passaggio in quella opposta) di grande superficie che, esposto ai raggi del sole, converte la Radiazione Solare in elettricità. La cella si comporta come una minuscola batteria e produce una corrente di 3 Ampere con una tensione di 0,5 Volt, quindi una potenza che sfiora 1,5 Watt.
Schema di funzionamento di una cella di silicio
Sono di colore blu scuro a causa dell’ossido di titanio presente nel rivestimento antiriflettente, fondamentale per massimizzare la captazione dell’irraggiamento solare. La loro forma è quasi sempre quadrata o circolare e le misure variano dai 10cm x 10cm ai 15cm x 15cm. Sono costituite principalmente da silicio, arsenuro di gallio e telloluro di cadmio, tutti semimetalli. Il flusso di elettroni è orientato, ossia fluisce in una determinata direzione, all’interno della cella; su questa sono sovrapposti altri due strati di silicio (tipo n e tipo p), trattati ognuno con un particolare elemento chimico (operazione detta di drogaggio), fosforo e boro. Di tutta l’energia che investe la cella solare sotto forma di radiazione luminosa, solo una parte viene convertita in energia elettrica. L’efficienza di conversione delle celle commerciali al silicio è compresa tra il 10% e il 20%.
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| Cella fotovoltaica |
Celle ultrasottili |
INVERTER – i pannelli fotovoltaici generano corrente di tipo continuo. Il sistema di distribuzione dell’energia nazionale avviene, invece, in corrente alternata. Per questo motivo, viene installato un dispositivo elettronico chiamato inverter, capace di trasformare l’energia elettrica da continua ad alternata. A questo punto, per rendere la corrente prodotta da una centrale fotovoltaica idonea alle utenze da servire, bisogna installare una serie di dispositivi che prendono il nome di B.O.S. (Balance of System) che comprendono, oltre all’inverter, il trasformatore, i quadri elettrici e i sistemi ausiliari di centrale.
CONTATORE ENERGIA PRODOTTA (GSE) – serve a misurare l’energia prodotta giornalmente dall’impianto. Questo dispositivo è essenziale per capire quanto si sta guadagnando dalla produzione di energia del proprio impianto fotovoltaico. I dati di questo contatore vengono periodicamente trasmessi al Gestore dei Servizi Elettrici (GSE) il quale li elabora e calcola l’incentivo totale sull’energia prodotta.
CONTATORE ENERGIA SCAMBIATA (bidirezionale) – questo strumento elettronico, serve nel momento in cui il nostro impianto fotovoltaico produce più energia di quanto l’utenza ne possa consumare. Allora serve un secondo contatore che consenta il passaggio di un flusso di energia elettrica dall’impianto fotovoltaico verso la rete pubblica (flusso uscente). Tale contatore garantisce, inoltre, il flusso di corrente in senso opposto (flusso entrante) nei momenti in cui l’impianto fotovoltaico non è in grado di sopperire alle esigenze dei carichi elettrici (ad esempio nelle ore notturne o in assenza di Sole).
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MAPPA CONCETTUALE DELL’ARGOMENTO
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In pratica i microscopici coni realizzati sul semi-conduttore, creano dei percorsi obbligati che la luce è costretta a percorrere in infinite riflessioni penetrando sempre più in profondità e non riuscendo più a riemergere a causa di queste e della dispersione. Le frequenze comprese tra i 450 e i 750 nanometri restano così intrappolate permettendo al pannello di assorbire la massima quantità di energia.
Giuseppe e Michele sono ingegneri microelettronici, Salvatore un fisico esperto nella scienza dei materiali. Insieme hanno fondato una start-up, la “eRALOS3”, che ha vinto riconoscimenti internazionali come “Mind the Bridge Business Plan Competition”, e il primo premio “Wind Business Factor”.
