Pannelli solari fotovoltaici: cosa sono e come funzionano

I pannelli solari stanno sempre più rapidamente diventando un’opzione di energia rinnovabile tra le più diffuse, con un incredibile vantaggio per l’ambiente e per le tasche dei consumatori.

Grazie allo sviluppo tecnologico, il processo di conversione della luce solare in energia elettrica è migliorato notevolmente negli ultimi decenni ed è ora più efficiente che mai. I raggi che emanano dal sole sono in grado di produrre quasi 1.000 watt di energia per ogni metro quadrato di superficie terrestre.

Se tutti possedessimo gli strumenti per la raccolta di questa energia, non dovremmo più fare affidamento sull’uso dei combustibili fossili, una fonte non rinnovabile che danneggia l’ambiente.

Quali sono i componenti di un pannello fotovoltaico?

Il processo di conversione di energia solare in elettricità (da fotoni ad elettroni) avviene mediante l’uso di un particolare tipo di cella nota come ‘cella fotovoltaica’. I pannelli sono il cuore degli impianti fotovoltaici: sono dispositivi ad alta tecnologia che contengono molte celle fotovoltaiche realizzate con diversi tipi di silicio, un semiconduttore, o altri materiali.

Il semiconduttore assorbe la luce del sole ed i fotoni della luce solare che, combinandosi con gli elettroni presenti, si trasformano in corrente elettrica. All’interno di ogni cella, esiste un campo elettrico che viene utilizzato per ottimizzare questo flusso di elettroni in una particolare direzione.

La cella si compone da strati sovrapposti di silicio, trattato tramite il ‘drogaggio’ per consentire di creare una differenza di potenziale tra le due facce (una faccia con carica positiva, una con carica negativa). Il silicio è uno dei materiali che presentano una proprietà nota come “effetto fotoelettrico”, che permette di assorbire fotoni di luce e rilasciare elettroni: questi si mettono in movimento, generando corrente continua, quando la cella viene colpita dai raggi del sole.

Quando il silicio positivo e quello negativo vengono a contatto uno con l’altro, gli elettroni liberi su un lato saranno attirati dall’altro lato, creando una forma di barriera nota come “campo elettrico”.

Nella sua forma naturale, il silicio non è un materiale conduttivo particolarmente buono a causa del fatto che non ha elettroni liberi, a differenza di altri materiali conduttivi, come il rame. Per liberare il movimento di questi elettroni, il silicio che si trova sui pannelli solari è una speciale forma impura. Mescolando altri atomi con il silicio, vengono generati un numero dispari di elettroni liberi.

Questi elettroni sono senza vincoli e quindi sono liberi di muoversi quando vengono colpiti dalla luce. Il silicio è in natura molto lucido e riflettente e fa in modo di fermare i fotoni dal rimbalzo: è per questo motivo che viene applicato alle celle un rivestimento anti-riflettente.

Molto spesso, sopra la parte superiore del pannello fotovoltaico, viene posta una copertura di vetro in modo da proteggere il silicio da altri elementi esterni. Un certo numero di celle solari collegate elettricamente tra loro e montate su una struttura di supporto o telaio è chiamato ‘modulo fotovoltaico’.

I moduli sono progettati per fornire energia elettrica ad una certa tensione, come ad esempio un sistema comune a 12 volt. La corrente prodotta è direttamente dipendente dalla quantità di luce che colpisce il modulo. Più moduli possono essere collegati insieme per formare una matrice. In generale, maggiore è l’area di un modulo o matrice, più elettricità verrà prodotta. I moduli fotovoltaici producono corrente continua (cc) di energia elettrica, che viene trasformata in corrente alternata tramite inverter.

Tipi di panelli fotovoltaici: come scegliere?

A seconda delle tecnologie costruttive e delle componenti, esistono diversi tipi di pannelli fotovoltaici con specifiche efficienze di conversione, che consiste nel rapporto dato tra la produzione di energia e la superficie occupata. La cella fotovoltaica utilizzata per la realizzazione del pannello ne determina il rendimento in termini di condizioni di sole, luce e temperatura.

Sulla base della precedente descrizione del funzionamento dei pannelli fotovoltaici, si è visto come esistano moduli in silicio mono e policristallino, mentre i pannelli a film sottile contengono silicio cosiddetto amorfo, perchè non perfettamente strutturato.

I pannelli fotovoltaici più “tradizionali” sono i monocristallini che riescono, con soli 6 metri quadrati di superficie, a produrre una potenza massima di 1 Kwp. Si tratta della tipologia a maggiore efficienza in relazione allo spazio occupato, ma solo se posizionati in modo che le radiazioni solari cadano in maniera perfettamente perpendicolare alla loro superficie (richiedono condizioni di irraggiamento ottimali).

Questi pannelli sono realizzati assemblando tra le 30 e le 70 celle fotovoltaiche e ricoprendo questa lastra con un vetro protettivo incorniciato da un profilo in alluminio.
I pannelli fotovoltaici policristallini o multicristallini hanno, invece, bisogno di circa 8 metri quadrati di superficie per produrre un massimo di Kwp di potenza, avendo dunque un’efficienza leggermente inferiore rispetto al monocristallino.

Questo tipo di pannello è molto simile al precedente, in quanto a sensibilità agli ombreggiamenti e risulta una via di mezzo tra il monocristallino e il pannello a film sottile.

Quest’ultimo, infine, necessita di superfici maggiori, fino a 20 metri quadrati (e dunque presenta un’efficienza minore), ma ha il vantaggio di funzionare molto bene con alte temperature e condizioni di luce diffusa.

I pannelli a film sottile sono particolarmente indicati per tetti dalle superfici irregolari, che non ricevono un irraggiamento solare direttamente perpendicolare, risultando quindi più versatili dei precedenti. Essendo realizzati con una lastra molto sottile e flessibile, questi pannelli possono adattarsi a molte tipologie di elementi strutturali ed architettonici e possono essere installati sia in orizzontale che in verticale senza perdite in termini di rendimento totale.

Con questa tecnologia costruttiva, inoltre, si possono realizzare pannelli fotovoltaici utilizzando anche altri materiali semiconduttori alternativi al silicio, come il Diseleniuro di indio rame gallio (CIGS) oppure il Telluro di Cadmio (CdTe).
Esistono, infine, i pannelli fotovoltaici per impianti a concentrazione. Questi rappresentano la soluzione più innovativa per riuscire ad ottenere il massimo rendimento. I pannelli sono realizzati utilizzando delle celle solari a concentrazione, grado di convogliare grandi quantità di energia solare su superfici di conversione (o celle) di piccole dimensioni attraverso lenti o specchi.

Spesso questi dispositivi sono dotati anche di un sistema di inseguimento, che orienta il pannello costantemente verso il sole. Si tratta di una soluzione più costosa in termini di produzione ed installazione, ma che garantisce valori di efficienza che superano il 35-40% e richiede una superficie di meno di 3 metri quadrati per 1 Kwp.

Gli usi dell’energia solare

Apponendo pannelli solari sul tetto di una casa, le celle fotovoltaiche producono energia elettrica che può essere utilizzata direttamente per l’alimentazione della casa oppure immagazzinata in un generatore. Naturalmente, se si vive in una regione del mondo meno soleggiata, l’efficienza di questi pannelli sarà notevolmente ridotta.

L’energia solare può anche essere venduta a reti elettriche quando viene prodotta in eccesso: ciò significa che, quando il sole splende, non solo si possono alimentare tutti gli apparecchi casalinghi, ma si può anche guadagnare qualcosa generando un eccesso di energia.

Allo stesso modo, se il sole non dovesse splendere, si può attingere alle riserve di energia precedentemente immagazzinate in batterie o generatori. I pannelli solari sono comuni anche nelle navicelle spaziali e servono per generare l’energia elettrica per far funzionare i computer di bordo e altri apparecchi elettrici.

Ciò è dovuto principalmente al fatto che l’efficacia dei pannelli solari non è diminuita nello spazio e il sole consente di avere una fonte affidabile di energia senza dover trasportare combustibili pesanti o batterie. Questi pannelli si trovano spesso anche su satelliti, come navette e rover alla scoperta di altri pianeti.

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