Energia solare e fotovoltaico - Tesina per liceo scientifico

Energia solare e fotovoltaico

Indice

Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Energia solare . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Cella fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Modulo fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . 7

Prestazioni e rendimenti . . . . . . . . . . 9

Il Sole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

Lo Schwarze Sonne . . . . . . . . . . . . .15

Nietzsche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Introduzione

Da sempre l’uomo ha utilizzato materiali combustibili per ricavare energia, soprattutto dal 1800 in poi, con la rivoluzione industriale, l’uomo ha avuto bisogno di quantità molto maggiori di energia e ha cominciato ad usare combustibili fossili, inizialmente carbone, che però si è rivelato molto inquinante, poi petrolio e gas naturale.

Tutto questo ha portato, nei paesi industrializzati, a grandi progressi a livello sociale, economico, tecnologico, scientifico, ma ha anche creato problemi di inquinamento sia a livello locale che a livello globale, si pensi al problema del riscaldamento globale legato all’effetto serra.

In ogni caso il motore energetico della rivoluzione industriale, i combustibili fossili e più recentemente l’energia nucleare, non sono eterni, ma sono destinati ad esaurirsi in breve tempo. Il petrolio si stima che si esaurirà entro 40 anni, il carbone e l’uranio entro 400 anni.

Questo ci fa capire che fra poco assisteremo ad una rivoluzione energetica di portata ancora maggiore rispetto alla rivoluzione industriale del 1800. I problemi del riscaldamento globale si stanno rivelando così gravi che forse non si dovranno attendere 400 anni per vedere l’inizio della rivoluzione energetica.

Infatti i più grandi paesi industrializzati hanno già preso degli accordi, a cominciare dal trattato di Kyoto del 1998, per prevenire i più gravi effetti dell’uso indiscriminato di combustibili fossili. Si sono messi dei limiti sulle emissioni di CO 2 nei vari paesi e si è cercato di incentivare l’uso di fonti energetiche rinnovabili come quella solare, eolica, idroelettrica, geotermica.

Tra queste quella più promettente sembra l’energia solare che è sfruttata in tre tipi di impianti:

• FOTOVOLTAICI nei quali si trasforma l’energia solare direttamente in energia elettrica.
• TERMICI nei quali si ottiene acqua calda per il riscaldamento domestico.
• TERMODINAMICI nei quali si trasforma l’energia solare, catturata con specchi parabolici, prima in calore e poi in energia elettrica.

Qui mi occuperò dei sistemi fotovoltaici che attualmente sono basati sulle celle al silicio. Queste celle hanno una resa energetica soddisfacente, circa il 12 % dell’energia solare è convertita in energia elettrica, ma il loro vero problema è il costo elevato.

Anche se il silicio è abbondante nella crosta terrestre, il processo di produzione di queste celle è difficile e assomiglia a quello dei chip per computer, infatti bisogna creare un wafer di silicio p ed n, cioè un dispositivo che permetta il flusso di corrente in una sola direzione.

Energia solare

L'energia solare è una delle principali fonti di energia rinnovabile. Con il termine energia solare si intende la produzione di energia termica ed elettrica ottenuta sfruttando i raggi solari.

L'energia solare può essere sfruttata utilizzando diverse tecnologie rinnovabili come i pannelli solari. Essi sono prevalentemente di tipo fotovoltaico, il quale converte l'energia solare direttamente in energia elettrica tramite l'ausilio delle proprietà fisiche di alcuni semiconduttori quando sono sollecitati dalla luce solare.

Celle fotovoltaiche

Un modulo fotovoltaico è un dispositivo composto da in grado di convertire l'energia solare direttamente in energia elettrica mediante effetto fotovoltaico ed è impiegato come generatore di corrente in un impianto fotovoltaico.

Può essere meccanicamente preassemblato a formare un pannello fotovoltaico, pratica caduta in disuso con il progressivo aumento delle dimensioni dei moduli, che ne hanno quindi incorporato le finalità.

Può essere esteticamente simile al pannello solare termico, ma, pur appoggiandosi entrambi sull'energia solare, hanno scopi e funzionamento molto differenti, in quanto il pannello solare termico (o collettore solare) è una tecnologia in grado di catturare l'energia termica dei raggi solari per riscaldare l'acqua sanitaria contenuta in un serbatoio di accumulo tramite uno scambiatore di calore.

Storia

Le principali tappe della tecnologia fotovoltaica:

• 1839 Il francese Alexandre Edmond Béquerel nota che "della corrente elettrica è generata durante alcune reazioni chimiche indotte dalla luce". Scopre così l'effetto fotogalvanico negli elettroliti liquidi.
• 1883 L'inventore statunitense Charles Fritz produce una cella solare di circa 30 centimetri quadrati a base di selenio con un'efficienza di conversione dell'1-2 per cento. 3
• 1905 Albert Einstein pubblica la sua teoria sull'effetto fotoelettrico che gli porterà il premio Nobel per la Fisica nel 1921, che consiste nella scoperta dell’emissione di elettroni da parte di una superficie metallica investita da radiazioni elettromagnetiche.
• 1963 La giapponese Sharp produce i primi moduli fotovoltaici commerciali.

Composizione

Cella fotovoltaica

La cella fotovoltaica o cella solare è l'elemento base nella costruzione di un modulo fotovoltaico.

La versione più diffusa di cella fotovoltaica, quella in materiale cristallino, è costituita da una lamina di materiale semiconduttore, il più diffuso dei quali è il silicio, e si presenta in genere di colore nero o blu e con dimensioni variabili dai 4 ai 6 pollici.

Piccoli esemplari di celle fotovoltaiche in materiale amorfo sono in grado di alimentare autonomamente dispositivi elettronici di consumo, quali calcolatrici, orologi e simili.

Analogamente al modulo, il rendimento della cella fotovoltaica si ottiene valutando il rapporto tra l'energia elettrica prodotta dalla cella e l'energia della radiazione solare che investe l'intera sua superficie.

Valori tipici per gli esemplari in silicio multicristallino comunemente disponibili sul mercato si attestano attorno al 18%. L'efficienza del modulo è sempre minore, come discusso di seguito.

Tensione e corrente

(Circuito equivalente di una cella fotovoltaica.)

Una cella solare è di fatto un generatore di corrente tramite effetto fotovoltaico che trasduce in elettricità l'energia solare.

Un buon modello matematico per l'analisi del suo funzionamento è l'equazione del diodo ideale di Shockley.

Partendo dal circuito equivalente mostrato di fianco si ha che la corrente che scorre sul carico vale: 4

Dove: I è l'intensità di corrente che scorre sul carico;

• V è la differenza di potenziale tra i due terminali del diodo;
• I D è l'intensità di corrente prodotta dal generatore, ed è proporzionale all'intensità della radiazione incidente sulla cella;
• I 0 è l'intensità di corrente di saturazione, un fattore direttamente proporzionale alla superficie della giunzione p-n;
• q è la carica elementare dell'elettrone;
• k è la costante di Boltzmann;
• T è la temperatura assoluta sulla superficie di giunzione tra la zone ed n;
• È il coefficiente di emissione, anch'esso dipendente dal processo di fabbricazione ed è compreso generalmente tra 1 e 2 (fattore di idealità del diodo);
• R p è la resistenza parallelo del modello.

Costante di Boltzmann k

La costante di Boltzmann, (in molti testi viene indicata con il carattere B

cappa greca: κ), fu introdotta da Planck, che la chiamò così in onore di Ludwig Boltzmann. È una grandezza che si incontra spessissimo in meccanica statistica ed è relazionata ad altre due costanti di grande importanza quali la costante universale dei gas, R, e il numero di Avogadro, N, dalla seguente espressione: A

Quindi le unità di misura con cui viene espressa nel sistema internazionale sono i J/K (joule su kelvin), le stesse unità dell'entropia e della capacità termica.

Il valore raccomandato dal CODATA nel 2002 è:

Zone d’ombra

Se le celle del pannello sono collegate in serie, come si fa normalmente per ottenere una tensione in uscita più alta, non si ha il controllo delle singole celle, perché la corrente è uguale per tutte.

La cella in ombra viene quindi attraversata da una corrente più forte di quella che genererebbe da sola, e fa da strozzatura per l'intero sistema scaldandosi e potenzialmente danneggiandosi, oltre a disperdere energia.

Ne deriva l'importanza che l'intero pannello sia illuminato senza celle in zone d'ombra, ovvero che le celle abbiano un'esposizione solare simile.

Tuttavia tanto più è grande il pannello, tanto più è probabile e ampia la differenza di esposizione e di corrente che la singola cella è in grado di produrre, a meno dell'utilizzo di inseguitori solari.

Moduli

I moduli in silicio mono o policristallini rappresentano la maggior parte del mercato.