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Il fotovoltaico è una tecnologia che permette di produrre energia elettrica direttamente
dall’irraggiamento solare; è una delle tecnologie più promettenti per la produzione di
energia.
Non si tratta affatto di un sistema di nuova sperimentazione poco collaudato, bensì di
una tecnologia matura, nata negli anni cinquanta con la ricerca aerospaziale e in uso da
ben trent’anni per applicazioni “terrestri” ad uso civile.
Storia del fotovoltaico
I componenti dei sistemi fotovoltaici
Generatore
Caratteristiche del silicio
La cella
Funzionamento della cella
Rendimento
Il drogaggio
Campo
Stringa
Inverter
Meter
Trasformatore
I vantaggi del fotovoltaico
Costo del KWh fotovoltaico
Applicazioni
Storia del fotovoltaico
L’effetto fotovoltaico è stato scoperto da H. Becquerel nel 1839, ma bisogna arrivare al 1954
per vederne la realizzazione pratica: è la Bell Telephone che realizza le prime celle
fotovoltaiche al silicio ad alto rendimento e le usa per alimentare un telefono militare da
campo.
Negli anni successivi l’intera produzione di celle fotovoltaiche viene assorbita da una nuova
tecnologia: i satelliti spaziali. Uno dei più noti è lo Skylab, un vero laboratorio spaziale, messo
in orbita nel 1973 dagli Stati Uniti; ricava 25 KW di energia da 500.000 celle fotovoltaiche
montate su una superficie di 1250 metri quadrati.
I satelliti artificiali, civili e militari che oggi girano a migliaia intorno alla Terra, sono quasi
sempre alimentati da celle fotovoltaiche.
Alla base del processo c’è l’effetto fotovoltaico che si fonda sulla proprietà che hanno alcuni
materiali semiconduttori, opportunamente trattati, di generare direttamente energia
elettrica, se colpiti dalla luce del Sole.
Uno dei materiali che ha questa proprietà fotovoltaica è il silicio, materiale molto diffuso in
natura e il più utilizzato per la produzione di elementi generatori.
La trasformazione della luce solare in energia elettrica avviene senza l’utilizzo di combustibili,
non producendo alcun rumore o spreco né emissioni gassose o rifiuti, né dispersioni di calore.
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La luce solare è inoltre una fonte energetica inesauribile, ancora poco utilizzata, che
attraverso un suo migliore sfruttamento, permetterebbe un uso più razionale delle altre
risorse energetiche.
Negli ultimi anni la sensibilità nei confronti di questi argomenti ha portato alla nascita di una
coscienza energetica anche nel settore edile.
È possibile oggi creare architetture che utilizzino intelligentemente l’energia o che
addirittura la producano, attraverso, per esempio, l’integrazione al suo interno di dispositivi
fotovoltaici.
I componenti dei sistemi fotovoltaici
inizio
La struttura del sistema fotovoltaico può essere molto varia a seconda del tipo di
applicazione. Una prima distinzione può essere fatta tra sistemi isolati (stand-alone) e sistemi
collegati alla rete (grid connected), questi ultimi a loro volta si suddividono in centrali
fotovoltaiche e sistemi integrati negli edifici.
Il sistema fotovoltaico è costituito da:
- il generatore
- da un sistema di condizionamento e da un eventuale “accumulatore” di energia, la batteria, e
naturalmente da una struttura di sostegno.
Generatore
inizio
E’ costituito da un sistema di moduli fotovoltaici collegati in modo da ottenere i valori di
potenza e tensione desiderati; 1m2 di moduli eroga 0,4-0,6 KWh
I moduli sono costituiti da un insieme di celle.
I più diffusi sono quelli costituiti da 36 celle di silicio mono e policristallino, disposte su 4 file
parallele, collegate in serie; hanno una superficie che varia da 0,5 ad 1 m2 e una potenza in
uscita pari a 50 Watt.
Attualmente si mettono in commercio anche moduli con molte più celle tanto da arrivare ad
ottenere una potenza pari a 200 Watt per ogni singolo modulo.
L’orientamento dei moduli fotovoltaici deve essere il più possibile a Sud; per quanto riguarda
l’inclinazione del modulo, generalmente si sceglie una inclinazione pari alla latitudine del luogo
di installazione; per ottimizzare la produzione in estate, ideale sarebbe una inclinazione pari
alla latitudine meno 15-20°; invece d’inverno ideale sarebbe una inclinazione vicina a 60°.
Caratteristiche del silicio
Il silicio, dopo l’ossigeno, è l’elemento più diffuso in natura; per essere sfruttato deve
presentare una opportuna struttura molecolare e un elevato grado di purezza, delle
caratteristiche non presenti nei minerali in cui ritrova allo stato naturale.
Tenendo presente la diversa struttura, si può suddividere in tre tipi diversi:
Monocristallino
inizio
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Policristallino
Amorfo
Nella struttura monocristallina gli atomi sono orientati nello stesso verso e legati gli uni agli
altri nello stesso modo; in quella policristallina gli atomi sono aggregati in piccoli grani
monocristallini orientati in modo casuale; in quella amorfa gli atomi sono orientati in modo
casuale, come in un liquido, pur conservando le caratteristiche dei corpi solidi.
A secondo della purezza possiamo distinguere il silicio di grado elettronico, in cui le impurezze
sono circa una parte su cento milioni, silicio di grado solare, con impurezze di una parte su 100
milioni; silicio metallurgico, con impurezze di una parte su 100. Il silicio di grado elettronico,
impiegato nella costruzione di componenti elettronici, deve essere estremamente puro e con
struttura monocristallina; gli scarti di questo silicio vengono utilizzati per le celle solari.
La cella
inizio
La cella è il dispositivo più elementare, capace di operare una conversione dell’energia solare
in c.s., cioè a temperatura di 25° C, sottoposta ad una potenza della radiazione solare pari a
1W/m2.
La potenza in uscita da un dispositivo fotovoltaico, quando lavora in c. s. prende il nome di
potenza di picco (Wp) ed è un valore che viene usato come riferimento.
Un insieme di moduli connessi elettricamente tra loro costituisce il campo fotovoltaico che
insieme ad altri componenti meccanici, elettrici ed elettronici, consente di realizzare i
sistemi fotovoltaici.
Più moduli assemblati meccanicamente costituiscono il pannello. Pannelli o moduli collegati
elettricamente in serie formano la stringa.
Le celle si possono costruire con silicio cristallino ma anche con diversi altri semiconduttori,
fatti con leghe quali il diseleniuro di rame e indio, telleruro di cadmio, arseniuro di gallio; il
meccanismo comunque è lo stesso.
Funzionamento della cella
inizio
Celle di silicio collegate tra loro formano complessi sistemi in grado di generare energia
elettrica.
Il materiale di base della cella, che è il componente primo dei sistemi fotovoltaici, è in genere
il silicio.
Nella maggior parte dei casi la cella è costituita da un singolo cristallo (silicio monocristallino),
che garantisce il massimo rendimento, oppure viene realizzata attraverso l’accostamento di
più cristalli adiacenti, (silicio policristallino).
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Il primo tipo si distingue per una sostanziale omogeneità di colore della superficie, mentre il
secondo è caratterizzato da una particolare sfaccettatura data dall’accostamento dei singoli
cristalli.
Siamo soliti riconoscere le celle fotovoltaiche dal loro caratteristico colore blu, ma è possibile
richiedere pannelli dalla colorazione differente. Queste variazioni sono ottenute attraverso la
variazione dello spessore del rivestimento antiriflettente, che condiziona fortemente la
capacità di captazione della luce solare e quindi il rendimento. Più ci si discosta dalla
colorazione blu, più si diminuisce la quantità di energia generabile.
Le celle fotovoltaiche hanno fornito elettricità ai veicoli spaziali fin dai loro primi voli e
cominciano a essere utilizzate in certi prodotti commerciali, come le calcolatrici e gli orologi
da polso. Questo dispositivo è stato costruito fino oggi con silicio cristallino.
Sappiamo che la corrente elettrica consiste nel passaggio di cariche elettriche in un circuito.
Il fenomeno che ci interessa allora è il movimento dei portatori di carica nei semiconduttori,
dato che l’elettricità consiste nel passaggio di queste cariche lungo un circuito.
Normalmente l’atomo di silicio possiede 14 elettroni, quattro dei quali sono elettroni di
valenza: ciò significa che essi possono partecipare alla formazione di legami con gli atomi, sia
di silicio, sia di altri elementi.
In un cristallo di silicio puro, ciascun atomo è legato covalentemente con altri quattro atomi,
una coppia di elettroni viene messa in comune fra i due atomi che formano il legame. Questo
legame, abbastanza forte, può essere spezzato da una quantità sufficiente di energia. Se
l’energia fornita è sufficiente, l’elettrone viene portato a un livello energetico superiore,
chiamato banda di conduzione, dove è libero di spostarsi e può contribuire al flusso di
elettricità. Quando esso passa nella banda di conduzione, si lascia dietro una buca, cioè una
lacuna dove manca un elettrone.
Un elettrone vicino può riempire la “buca”; quindi all’interno di un cristallo, tanto gli elettroni
che le “buche” si possono muovere.
Una cella fotovoltaica è un diodo di grande superficie. Un diodo è una superficie costituita da
due semiconduttori diversi, in cui il passaggio della corrente (costituita da portatori di carica
liberi, per es. elettroni), è ostacolato in una direzione e facilitato in quella opposta, questo
grazie alla presenza di un campo elettrico fisso, dovuto al fatto che il diodo è costituito da
due semiconduttori di materiale diverso. Questo campo spinge le cariche di un segno ad
attraversare il diodo e respinge le cariche di segno opposto.
Una cella fotovoltaica è costituita da strati di semiconduttori diversi che creano dentro la
cella un campo elettrico fisso, simile a quello del diodo. Questo campo è incorporato molto
vicino alla regione del dispositivo che assorbe la luce,
La luce solare trasporta energia: i fotoni, quando colpiscono un semiconduttore della cella
fotovoltaica, possono venire riflessi, attraversarlo o essere assorbiti. I fotoni potenzialmente
utili sono quelli che vengono assorbiti.
Un fotone che viene assorbito da un semiconduttore può produrre calore urtando il materiale
semiconduttore oppure, se possiede abbastanza energia, può strappare un elettrone da uno
stato legato ed elevarlo a uno stato libero nella banda di conduzione del materiale.
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Quando l’elettrone passa nella banda di conduzione si crea una buca, questa rappresenta una
carica positiva libera che si comporta in modo analogo, ma opposto ad una carica negativa
libera.
In un semiconduttore di silicio, una buca (+) può spostarsi liberamente, perché un elettrone
legato, che si trovi nelle vicinanze, può saltare nella buca, mentre quest’ultima va ad occupare
la posizione lasciata libera dall’elettrone che si è spostato.
La luce che viene assorbita da un semiconduttore produce due portatori di carica liberi:
l’elettrone libero nella banda di conduzione e la buca libera nella banda di valenza.
La conversione da luce ad energia elettrica, effettuata dalla cella, avviene essenzialmente
perché questi portatori di carica liberi, generati dalla luce, sono spinti in direzione opposte dal
campo elettrico incorporato: supponiamo che il campo abbia un verso tale da facilitare il
passaggio degli elettroni e respingere le buche, gli elettroni allora attraversano il campo e
vengono accelerati, mentre le buche restano vicino al punto dove sono state generate.
Una volta che gli elettroni liberi abbiano attraversato il campo, non tornano indietro, perché il
campo, agendo come un diodo, impedisce loro di invertire la marcia. Perciò quando la luce
incide sulla cella fotovoltaica, le cariche positive sono spinte in numero crescente verso la
parte superiore della cella e, le cariche negative verso quella inferiore o viceversa a seconda
del tipo di cella.
La luce assorbita dalla cella può generare portatori liberi sia nella stretta regione del campo,
che fuori di essa. I portatori dentro questa regione vengono separati molto efficacemente dal
forte campo elettrico, che a sua volta li spinge ad alta velocità verso la parte superiore e
verso la parte inferiore della cella.
Se la parte superiore e quella inferiore sono collegate da un conduttore, le cariche libere lo
attraversano e si osserva una corrente elettrica. Fino a quando la cella resta esposta alla luce,
l’elettricità fluisce sottoforma di corrente continua.
In genere un cella fotovoltaica poggia su di un supporto di vetro o di plastica, che si chiama
substrato e che serve a sostenere la cella. Su di esso è depositato uno strato conduttore, per
esempio di metallo, che funge da polo inferiore: poi viene depositato un semiconduttore
fotoassorbente e in quest’ultimo viene posto un semiconduttore diverso o modificato. Il campo
critico incorporato si trova in corrispondenza della superficie che separa questi due
semiconduttori. Spesso il semiconduttore superiore è trasparente, per consentire alla luce di
passare e di essere assorbita più vicino al campo elettrico, Questo accorgimento accresce la
probabilità che gli elettroni e le buche generate dalla luce raggiungano la zona di campo e
vengano separati.
L’ultima componente di una cella è di solito una griglia, che costituisce il polo superiore,
Se i due poli sono tra loro collegati e formano un circuito, quando la cella viene illuminata, si
osserva il passaggio di una corrente elettrica, che può essere sfruttata.
inizio
Rendimento
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Lo spessore di una cella fotovoltaica e, in larga misura, il suo costo, in termine di materiali e di
lavorazione, sono determinati dalla sua capacità di assorbire la luce solare. Questo
assorbimento dipende da due fattori critici, l’ampiezza della banda proibita e il coefficiente di
assorbimento.
La banda proibita di un semiconduttore è il livello di energia caratteristico al quale il
semiconduttore inizia ad assorbire la luce. Materiali come silicio iniziano ad assorbire la luce
già a elevate lunghezze d’onda, di conseguenza riescono ad assorbire una quota cospicua della
luce ambiente.
Le cosiddette celle fotovoltaiche a pellicola sottile sono fatte di materiali che presentano il
massimo assorbimento ad uno spessore intorno a un micrometro, quindi sono da preferire,
perchè riducono i costi di lavorazione e di materiali.
Alcuni materiali, detti a banda proibita diretta, presentano un forte assorbimento, invece i
materiali a banda indiretta assorbono poco. Il silicio cristallino è un materiale a banda proibita
indiretta, invece il silicio amorfo e il diseleniuro di rame e indio sono materiali a banda proibita
diretta.
Quando si lavora con le celle fotovoltaiche, si deve tener conto della quantità di luce solare
che raggiunge la Terra. L’energia solare, a livello della superficie terrestre è concentrata
nell’intervallo di lunghezza d’onda a 0,4 a 2,5 micrometri, l’energia ha un massimo fra 0,5 e
0,55 micrometri.
Il rendimento di una cella è determinato dallo spettro di energia dell’assorbimento ottico
dell’area attiva del semiconduttore e dalla profondità della giunzione p-n. Un esempio di
efficienza ci può essere fornita da una cella di silicio cristallino che è sensibile alla luce
nell’intervallo fra circa 0,35 e circa 1,1 micrometri, che contiene quindi quasi tutto lo spettro
visibile e si prolunga nell’infrarosso.
Il massimo rendimento teorico della conversione fotoelettrica di una cella di silicio è circa il
28%, a causa delle perdite dovute al calore, alla riflessione ed ai fotoni che non vengono
assorbiti dal semiconduttore. Per aumentare il rendimento, molto importante è applicare alla
superficie anteriore della cella un rivestimento antiriflettente, perché in una cella non
rivestita, le perdite per riflessione possono raggiungere il 30%. Si cerca anche di impiegare la
cosiddetta tecnologia del campo superficiale posteriore, che consiste nel creare un campo
elettrico presso la superficie posteriore di un semiconduttore, in modo da respingere verso la
giunzione p-n i portatori di carica liberi in movimento casuale e migliorare la separazione di
elettroni e buche. Grazie a questi accorgimenti, il rendimento delle celle fotovoltaiche
cristalline di serie ha raggiunto circa il 14%.
Negli ultimi anni si sono sperimentati molti materiali per celle fotovoltaiche: uno di questi
materiali è il silicio amorfo, che non possiede la struttura reticolare regolare del silicio
cristallino. La struttura amorfa accresce notevolmente la probabilità che la luce venga
assorbita e che gli elettroni passino nella banda di conduzione. Per quanto riguarda
l’assorbimento luminoso questo materiale presenta notevoli vantaggi rispetto al silicio
cristallino, quindi si possono ricavare con questo materiale, semiconduttori a pellicola sottile,
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con uno spessore di 0,5 micrometri rispetto ai 300 micrometri del silicio cristallino. Dato che
contengono una minore quantità di materiale, le celle a pellicola sottile sono più economiche.
Un altro progresso compiuto nella tecnologia delle celle fotovoltaiche a pellicola sottile
consiste nel sovrapporre più celle, per sfruttare meglio lo spettro solare. Le celle
fotovoltaiche ad alto rendimento, sono per esempio, le celle a cristallo unico di arseniuro di
gallio e silicio.
Il “drogaggio”
inizio
All’interno della cella avviene dunque la conversione dell’energia solare in elettricità.
Ciò è reso possibile da un particolare trattamento del silicio: la struttura cristallina viene
“drogata” attraverso l’inserimento di atomi di boro, dopodiché una delle facce viene a sua
volta drogata con piccole quantità di fosforo. Nella zona a contatto tra le due parti a diverso
potenziale si forma un campo elettrico. È l’esposizione alla luce del Sole che determina quindi
la generazione di cariche elettriche e l’applicazione di un utilizzatore crea il flusso di
elettroni.
Le cariche vengono raccolte da una griglia metallica frontale, mentre sul lato posteriore della
cella viene posto il contatto elettrico per elettrodeposizione o serigrafia. L’energia generata
si trova, però, a questo stadio, sotto forma di corrente continua: la sua utilizzazione sarà
dunque possibile solo attraverso un inverter, che la trasformi in corrente alternata.
L’inverter
inizio
Poiché l’energia prodotta dal generatore F V è sottoforma di corrente continua e la maggior
parte degli apparecchi elettrici funzionano a corrente alternata, è necessario introdurre nel
sistema fotovoltaico un dispositivo che provveda a
trasformare l’energia elettrica continua in alternata (CC
in AC), questo dispositivo è l’inverter.
L’inverter è un elemento essenziale negli impianti
collegati alla rete elettrica che è AC, a bassa tensione
(BT), ma può non esserci se il sistema è isolato e tutte le
apparecchiature funzionano in corrente continua.
Attualmente però si nota
un forte aumento della
richiesta di inverter da istallare negli impianti solari per
l’alimentazione di utenze isolate; esistono inverter ad
onda quadra, ad onda sinusoidale modificata, ad onda
sinusoidale.
Nei sistemi collegati alla rete, l’inverter è sempre presente ma non è previsto il sistema di
accumulo, in quanto l’energia prodotta durante le ore di insolazione viene immessa in rete;
viceversa, nelle ore notturne, il carico locale viene alimentato dalla rete; un meter provvede a
scalare la differenza dal contatore.
inizio
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Il meter
Il meter è lo strumento che misura l’energia elettrica, quindi è un contatore elettrico; viene
usato per misurare la corrente elettrica che un impianto collegato alla rete immette in rete
poiché prodotta in eccesso. Il valore di questa energia viene detratta dalle future bollette
dell’utente.
Per controllare questo sistema collegato alla rete, ci si serve di un quadro di controllo: tra i
morsetti del generatore e la linea ci sono dispositivi che controllando il funzionamento della
centrale, la proteggono, la mettono in parallelo con la rete o la staccano dalla stessa in caso di
guasto.
Tale controllo si realizza mediante la misura della tensione, l’intensità e la frequenza della
corrente. La tensione e l’intensità di corrente si misurano mediante trasformatori.
Il trasformatore
È quell’elemento che si interpone tra la centrale e
la rete elettrica. Ha la funzione di variare la
tensione della corrente in uscita dall’alternatore, in
particolare di portare la corrente dalla tensione di
uscita del generatore a quella della linea elettrica.
Ricordiamo infatti che il trasporto della corrente
elettrica, per ridurre le perdite per effetto Joule,
avviene ad alta tensione.
Vantaggi del Fotovoltaico.
inizio
I moduli fotovoltaici producono una forma di energia di alto valore che può essere impiegata
in modi diversi.
Non necessitano di nessun combustibile. I sistemi fotovoltaici migliorano l’ambiente, infatti
non producono alcun rumore, né emissioni né dispersioni di calore; sono modulari e possono
essere installati in piccole unità vicino al punto di consumo dell’energia.
Il fotovoltaico è una tecnologia collaudata ed è una delle tecnologie energetiche del futuro.
Tale tecnologia può portare a dei sostanziali miglioramenti nelle condizioni di vita delle
popolazioni rurali del Terzo Mondo, dove non esiste una rete pubblica.
I moduli fotovoltaici integrati in un edificio non richiedono spazio addizionale, questo riduce i
costi e l’utilizzo del suolo.
Un inserimento di elementi fotovoltaici ben progettati architettonicamente può migliorare
l’aspetto dell’edificio e può essere una caratteristica pregevole estetica, inoltre l’uso di tali
sistemi in un edificio è un affermazione molto visibile dell’interesse dei proprietari verso i
temi del risparmio energetico e della difesa dell’ambiente.
I benefici ambientali ottenibili dall’adozione di sistemi FV sono proporzionali alla quantità di
energia prodotta: per produrre un kWh elettrico vengono bruciati mediamente l’equivalente di
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2,5 kWh sottoforma di combustibili fossili e di conseguenza emessi nell’aria circa 0,53 kg di
anidride carbonica, quindi ogni kWh prodotto dal sistema fotovoltaico evita l’emissione di 0,53
kg di anidride carbonica. Per stimare l’emissione evitata nel tempo di vita di un impianto FV è
sufficiente moltiplicare le emissioni evitate annue per i 30 anni di vita stimata degli impianti
Il costo del chilowattora fotovoltaico
inizio
Il costo dell’energia prodotta da un impianto fotovoltaico può essere calcolato con lo stesso
metodo usato nel caso degli impianti tradizionali. Secondo le Aziende elettriche, il costo
dell’energia viene diviso in due parti: un costo fisso, dovuto all’investimento iniziale necessario
per la costruzione dell’impianto e ad un costo variabile, dovuto alle spese per il funzionamento
e la manutenzione dell’impianto. I costi variabili includono le spese per il personale, il
combustibile e le parti di ricambio.
In formule si può scrivere:
costo kWh = (A x I + E) / N
in cui
A =fattore di attualizzazione dell’investimento
I = costo dell’investimento
E = costo di esercizio e manutenzione
N = numero di kWh prodotti dall’impianto in un anno
Il fattore A dipende dalla durata dell’impianto, di solito stimata in 30 anni, e dal tasso di
interesse reale.
Applicazioni fotovoltaiche in edifici
inizio
I moduli fotovoltaici possono essere impiegati per:
coperture di tetti
rivestimenti di facciate
elementi di schermatura dal Sole quali pensiline poste davanti alle finestre
schermatura solare per lucernari
pensiline per parcheggi
sistema di alimentazione per apparecchiature isolate, quali illuminazioni esterne,
apparecchiature di controllo e segnalazione, cartelloni ecc.
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