Riassunto esame Fisica tecnica, prof Aste, libro consigliato Il fotovoltaico in architettura, Aste

Il fotovoltaico in architettura

Capitolo 1: La generazione elettrica fotovoltaica

Cenni storici

L'osservazione del fenomeno della conversione della luce in corrente elettrica risale al 1839 con gli esperimenti del fisico francese Becquerel. La vera progenitrice delle celle fotovoltaiche venne messa a punto nel 1876, grazie agli studi di Smith, Adams e Day, anche se l'efficienza ottenuta raggiungeva appena l'1%. Si dovette tuttavia attendere fino al 1940-1950 per intravedere le vere potenzialità di questa tecnologia, grazie agli esperimenti effettuati negli Stati Uniti, presso i laboratori Bell, che condussero alla realizzazione delle prime celle fotovoltaiche commerciali. A quel punto la tecnologia era sufficientemente sviluppata, ma la sua diffusione era ancora ostacolata dal costo eccessivo degli impianti; in quegli anni, dunque, si fecero applicazioni solo nel settore aerospaziale. Solo a partire dalla metà degli anni '70, con la crisi di risorse mondiale, si cominciò a considerare il fotovoltaico nell'applicazione civile. Negli ultimi anni le vendite hanno raggiunto livelli record, l'unico ostacolo è rappresentato dalla non convenienza economica di questo tipo di impianti in quanto costa circa il doppio di un impianto convenzionale e si scontra con gli enormi interessi delle multinazionali che producono l'energia tradizionale.

Il principio di funzionamento

L'effetto fotovoltaico consiste nella conversione diretta dell'energia solare in energia elettricità attraverso l'interazione dei fotoni con gli elettroni di valenza di materiali semiconduttori, il più utilizzato è il silicio cristallino. La capacità di generare energia fotovoltaica di alcuni materiali può essere esaltata aggiungendo additivi come il fosforo ed il boro. L'elemento base della tecnologia fotovoltaica è rappresentato dalla cella. Questa è composta da una sottile lastra, di circa 10-15 cm, di materiale semiconduttore a cui vengono applicati dei contatti elettrici metallici; sulla parte superiore della cella vengono applicate una sottile griglia ed uno strato di materiale dielettrico, generalmente si utilizza l'ossido di titanio, che fornisce il caratteristico colore blu e dona alla cella un coefficiente di assorbimento molto elevato. Quando la cella viene esposta alla radiazione solare, i fotoni che la compongono possono venire assorbiti, riflessi o trasmessi. Il contenuto energetico dei fotoni dipende dalla frequenza e dalla lunghezza d'onda della radiazione corrispondente.

E(λ) = ^hc/_λ

• E(λ) = energia del fotone appartenente alla radiazione di lunghezza d'onda (λ) [J]
• h = costante di Planck = 6,626 × 10^-34 [Js]
• c = velocità della luce nel vuoto = 300.000 [km/s]
• λ = lunghezza d'onda della radiazione [hm]

Per poter essere assorbiti, i fotoni che investono la cella devono avere un'energia superiore al valore minimo EG (energy gap) che dipende dal tipo di semiconduttore impiegato; inoltre, i fotoni con troppa energia vengono utilizzati solo parzialmente in quanto vengono assorbiti e convertiti in calore. Per quanto riguarda il silicio cristallino, la radiazione solare con energia insufficiente corrisponde alla banda dell'infrarosso e quella con troppa energia corrisponde alla banda dell'ultravioletto.

La realizzazione della cella fotovoltaica

Il materiale di cui è composta la cella è il fattore che maggiormente influisce sulle prestazioni del dispositivo. Gli elementi più comunemente utilizzati sono:

• Silicio cristallino: il silicio è uno dei materiali più diffusi sulla Terra, la sua facile reperibilità e la qualità delle sue prestazioni lo rendono il materiale più usato per questo tipo di dispositivi. Per essere opportunamente sfruttato, però, esso deve essere caratterizzato da un'adeguata struttura molecolare: monocristallina, policristallina o amorfa, e dal giusto grado di purezza, con un'impurità dello 0,01%. Per raggiungere queste caratteristiche sono però necessarie una serie di lavorazioni con un consumo molto elevato di energia che andrebbero ad intaccare l'immagine del fotovoltaico come energia pulita. Momentaneamente si utilizzano i residui delle industrie elettroniche, ma la disponibilità di queste è insufficiente e, per creare valide alternative, si stanno sviluppando ricerche su altri materiali e su processi produttivi più economici. Le celle in silicio cristallino sono caratterizzate da buoni valori di efficienza che, in condizioni di utilizzo, si aggirano intorno al 15-20%.
• Silicio amorfo: il silicio amorfo differisce notevolmente dal silicio cristallino in quanto la struttura della sua materia si presenta irregolare, le qualità di questo materiale, si possono notevolmente migliorare incorporando atomi di idrogeno. L'intero processo richiede costi di produzione piuttosto contenuti, ma ha un'efficienza di conversione dimezzata rispetto al silicio cristallino con valori inferiori al 10%. Inoltre, questo materiale presenta una notevole degradazione se sottoposto ad un'illuminazione prolungata; questa caratteristica lo rende particolarmente adatto alle realizzazioni nel campo dell'elettronica di consumo a bassa frequenza, ma poco competitiva nelle installazioni a cielo aperto.
• Materiali innovativi: affinché la tecnologia fotovoltaica si possa sviluppare pienamente in futuro, si stanno sviluppando varie ricerche al fine di ridurre i costi del materiale e di fabbricazione e migliorare l'efficienza delle celle.
  • Film sottili: consiste nella realizzazione di celle fotovoltaiche costituite da pellicole finissime di silicio amorfo o di altri semiconduttori composti. Queste hanno un ottimo rapporto qualità-prezzo, ma presentano problemi di instabilità nel tempo.
  • Celle a giunzione multipla: consiste nella realizzazione di celle fotovoltaiche costituite da più film sottili costituiti da diversi materiali caratterizzati da differenti EG. In questo modo si può sfruttare al meglio lo spettro solare.
  • Celle a concentrazione: sono costituite da celle fotovoltaiche abbinate a concentratori luminosi. Sono estremamente sofisticate e molto costose, ma danno ottimi risultati di conversione che possono arrivare al 37%.

Il funzionamento della cella fotovoltaica

Quando viene investita dalla radiazione solare, una cella fotovoltaica diviene un generatore di corrente, il cui comportamento può essere descritto secondo le curve di caratteristica tensione-corrente che consentono di individuare il punto di esercizio della cella. Tali curve sono tracciate tra i due valori massimi di intensità di corrente di corto circuito (I_SC) e di tensione a circuito aperto (V_OC). La curva caratteristica di una cella dipende dall'intensità della radiazione incidente, dalla temperatura di giunzione e dall'area della cella stessa. L'intensità, misurata in ampere, dipende in maniera direttamente proporzionale dalla radiazione solare, mentre la tensione, misurata in volt, dipende dal materiale ed in maniera inversamente proporzionale dalla temperatura. La potenza erogata dalla cella, misurata in watt, è data dunque dalla differenza di potenziale moltiplicata per l'intensità di corrente.

P = V × I (in condizioni di circuito aperto o cortocircuito P=0)

Generalmente, si fa riferimento ad una particolare condizione detta STC (standard test conditions) per paragonare tra loro le prestazioni di diverse celle; le condizioni sono:

• Temperatura di giunzione: 25°C
• Irradianza (I_STC) : 1.000 W/m²
• Massa d'aria (AM): 1,5

L'efficienza nominale della cella in STC si calcola: ɳ = P_cella / (I_STC × A_cella)

Questo valore varia tra il 5 ed il 20%, ciò significa che una cella di 1 m² può generare una potenza massima variabile da 5 a 250 W. Un altro valore importante per individuare il livello prestazionale di una cella è il punto di potenza massima (MPP) che indica il punto di esercizio sulla curva caratteristica in cui viene generata la massima potenza.

Il modulo fotovoltaico

Il modulo fotovoltaico è l'unità funzionale dell'impianto fotovoltaico e si realizza tramite resistente, con caratteristiche elettriche adeguate ad un impiego di media e larga scala. I moduli più diffusi contengono 36, 64 o 72 celle ed hanno dimensioni variabili tra 0,5 e 1,1 m², ma sono stati messi a punto una gamma di prodotti diversificati per soddisfare ogni tipo di esigenza. Ad alte temperature, però, vi è una riduzione della capacità di conversione della radiazione solare di circa lo -0,4%/°C per ogni grado che superi i 25°C. Si deve dunque calcolare il valore di efficienza nelle reali condizioni di impiego:

h_eff = h_Mod × [100 - 0,4 × (t_c - 25)] dove: h_Mod = P_Mod / (I_Mod × A_Mod) e t_c = t_a + (NOCT - 20) × I_Mod