Energia solare e fotovoltaico - Tesina per liceo scientifico

3) 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 Bécquerel 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;

 D

I è l'intensità di corrente prodotta dal generatore, ed è proporzionale

 s

all'intensità della radiazione incidente sulla cella;

I è l’intensità di corrente di saturazione, un fattore direttamente

 0

proporzionale alla superficie della giunzione p-n;

q è la carica elementare dell'elettrone;

 k è la costante di Boltzmann;

 p

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 è la resistenza parallelo del modello

 p

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

N

universale dei gas, R, e il numero di Avogadro, , 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

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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; sono tecnologie costruttivamente simili, e prevedono che ogni cella

fotovoltaica sia cablata in superficie

(collegata mediante cablaggio, cioè dei cavi)

con una griglia di materiale conduttore che ne canalizzi gli elettroni. Ogni

singola cella viene connessa alle altre mediante nastrini metallici, in modo da

formare opportune serie e paralleli elettrici. La necessità di silicio molto puro

attraverso procedure di purificazione dell'ossido di silicio (SiO , silice) presente

2

in natura eleva il costo della cella fotovoltaica.

Sopra una superficie posteriore di supporto, in genere realizzata in un materiale

isolante con scarsa dilatazione termica, come il vetro temperato o un polimero

come il tedlar, vengono appoggiati un sottile strato di acetato di vinile (spesso

EVA),

indicato con la sigla la matrice di moduli preconnessi mediante i già citati

nastrini, un secondo strato di acetato e un materiale trasparente che funge da

protezione meccanica anteriore per le celle fotovoltaiche, in genere vetro

temperato. Dopo il procedimento di pressofusione, che trasforma l'EVA in mero

collante inerte, le terminazioni elettriche dei nastrini vengono chiuse in una

morsettiera stagna generalmente fissata alla superficie di sostegno posteriore,

e il "sandwich" ottenuto viene fissato ad una cornice in alluminio, che sarà utile

al fissaggio del pannello alle strutture di sostegno atte a sostenerlo e orientarlo

opportunamente verso il sole.

Costruzione del modulo Fotovoltaico in

silicio

Il modulo fotovoltaico in silicio è costituito da un sandwich di materie prime

detto laminato e dai materiali accessori atti a rendere usabile il laminato.

(Stratificazione del laminato) 6

Il laminato viene preparato con i seguenti materiali:

Vetro (i moduli costruiti in Italia abitualmente usano vetro da 4 mm di

 spessore)

Etilene vinil acetato - EVA

 Celle mono o policristalline

 EVA

 Backsheet (copertura di fondo)



Il vetro viene usato come base su cui è steso un sottile foglio di EVA. Al di sopra

dell'EVA vengono posizionate le celle rivolte con il lato fotosensibile verso il

basso, viene steso un altro foglio di EVA e quindi un foglio di materiale plastico

isolante (PET o similare) oppure un'altra lastra di vetro. Il vetro è a basso

contenuto di ferro per garantire una maggiore trasparenza ai raggi solari ed è

temperato. Un vetro di questo tipo lascia passare circa il 91,5%

dell'irraggiamento ricevuto.

Il sandwich così realizzato viene inviato al laminatore, o forno, una macchina

nella quale viene creato il vuoto in circa cinque minuti; a questo punto la

piastra del laminatore è riscaldata fino a 145°C per 10 minuti in modo da

favorire la polimerizzazione dell'EVA. Trascorso questo tempo il coperchio si

apre e il laminato ora è pronto per le lavorazioni successive. Dopo la

laminazione il laminato ha raggiunto le caratteristiche richieste per essere

installato in quanto, se la laminazione è stata fatta correttamente, il laminato è

in grado di resistere alle intemperie per almeno 25/30 anni. Tutte le lavorazioni

che vengono fatte successivamente hanno lo scopo di rendere più comodo e

pratico l'utilizzo del laminato, ma aggiungono poco per quanto riguarda la sua

durata nel tempo.

Prestazioni e rendimenti

Le prestazioni dei moduli fotovoltaici sono suscettibili di variazioni anche

sostanziose in base:

al rendimento dei materiali;

 alla tolleranza di fabbricazione percentuale rispetto ai valori di targa;

 all'irraggiamento a cui le sue celle sono esposte;

 all'angolazione con cui questa giunge rispetto alla sua superficie;

 alla temperatura di esercizio dei materiali, che tendono ad "affaticarsi" in

 ambienti caldi; 7

alla composizione dello spettro di luce.

 alla banda spettrale di radiazione solare assorbita (valutata dalla risposta

 spettrale)

rendimento efficienza

Si definisce o di un modulo fotovoltaico il rapporto

espresso in percentuale tra energia captata e trasformata rispetto a quella

totale incidente sulla superficie del modulo; esso è quindi proporzionale al

rapporto tra watt erogati e superficie occupata, a parità di altre condizioni.

L'efficienza ha ovviamente effetti sulle dimensioni fisiche dell'impianto

fotovoltaico: tanto maggiore è l'efficienza tanto minore è la superficie

necessaria di pannello fotovoltaico per raggiungere un determinato livello di

potenza elettrica. Per motivi costruttivi, il rendimento dei moduli fotovoltaici è

in genere inferiore o uguale al rendimento della loro peggiore cella.

In particolare il miglioramento nell'efficienza di un modulo fotovoltaico

(rapporto tra energia elettrica prodotta ed energia solare incidente) si può

ottenere attraverso un processo sempre più spinto di purificazione del

materiale semiconduttore utilizzato (tanto più è puro tanto maggiore è la

radiazione solare captata e convertita) oppure attraverso l'uso combinato di più

materiali semiconduttori che coprano in assorbimento la maggior parte

possibile di spettro della radiazione solare incidente. Tuttavia tanto maggiore è

l'efficienza tanto maggiori tendono ad essere i costi in quanto più spinto e

raffinato diventa il processo di fabbricazione delle celle.

A livello impiantistico, l'efficienza della cella dipende dalla temperatura della

cella stessa. I dati qui sotto si riferiscono alla temperatura di cella di 25 °C; per

le celle in Si cristallino si può considerare una perdita di rendimento dello

0,45 % circa per ogni grado centigrado di aumento della temperatura; si può

ritenere quindi ad esempio che una cella in Si monocristallino, alla temperatura