Un po' di curiosità

Gli impianti fotovoltaici sono costituiti da moduli che permettono di convertire la radiazione solare direttamente in energia elettrica. Questo principio fisico è noto da alcuni secoli ma solo dagli anni 70 ha avuto uno sviluppo di tipo industriale, con l'avvento dell'era spaziale. Infatti quando l'uomo è riuscito a conquistare lo spazio inviando sulla volta celeste i primi satelliti si è subito posto il problema di come poterli alimentare senza dover inviare ripetutamente navette spaziali per il rifornimento.
Le prime aziende che hanno capito l'importanza di questa tecnologia sono state aziende giapponesi e americane, oggi leader di questa tecnologia. Ancora oggi i nostri satelliti possono orbitare intorno alla terra e trasmettere i dati senza interruzione solo grazie alla tecnologia fotovoltaica. 

Gli impianti fotovoltaici per uso spaziale sono costituiti da moduli con celle al silicio collegati a dei regolatori di carica per l'accumulo dell'energia in batterie elettrolitiche.

Ma sulla terra questi moduli vengono utilizzati prevalentemente in modo diverso. Infatti gli impianti fotovoltaci sono normalmente collegati direttamente alla rete elettrica in modo che l'energia prodotta possa essere direttamente consumata o sul posto o da un qualunque utente collegato alla rete elettrica nazionale.
Questo modo di connessione viene preferito e incentivato in quanto permette di poter sfruttare questa straordinaria tecnologia al massimo della propria efficienza senza avere perdite di conversione durante la carica e durante la conservazione dell'energia in batteria.

L'uso di impianti fotovoltaici in isola è tuttavia utilizzato anche sulla terra per tutti quei casi in cui non conviene collegare l'utenza alla rete elettrica nazionale (baite, torri di avvistamento in boschi e riserve, ecc) e quindi vengono collegate ad una parco batterie.

Fisica del fotovoltaico

Max Plank è considerato il fondatore della meccanica quantistica in quanto egli fu il primo ad ipotizzare nel 1900 che gli scambi di energia tra gli atomi di un corpo e la radiazione elettromagnetica avvengono in modo discontinuo secondo quantità discrete chiamate quanti di energia.
Egli infatti trovò una relazione tra la radiazione e la sua frequenza, secondo la quale in tutti i processi fisici l’energia può essere scambiata solo secondo multipli interi di una quantità finita di energia, proporzionale alla frequenza dell’onda.Solo cinque anni più tardi l’ipotesi di Plank venne ripresa da Albert Einstein, il quale presentò una nuova interpretazione della radiazione luminosa rivoluzionando le teorie conosciute fino ad allora.
Nel 1905 egli infatti affermò che gli scambi di energia tra la radiazione e la materia avvengono in modo quantistico e che l’energia luminosa stessa viaggia in quanti, chiamati fotoni, che sono particelle elementari che possiedono una quantità discreta ed indivisibile di energia elettromagnetica proporzionale alla frequenza.
Per la sua attività di ricerca Max Plank ricevette il premio Nobel per la fisica, lo stesso riconoscimento andò ad Albert Einstein nel 1922.

L'effetto fotoelettrico è dovuto all'emissione di un elettrone da una superficie, solitamente metallica, quando questa viene colpita da un fotone in possesso di una frequenza superiore ad un certo valore dipendente dal tipo di materiale.
L’energia necessaria per far passare un elettrone dalla banda di valenza alla benda di conduzione è chiamata energia di gap eg .
Nel caso del Silicio (Si), questo valore è pari a 1,12 eV.
Se l’energia di un fotone e è minore dell'energia di gap eg l'elettrone rimane nella banda di valenza e l’energia del fotone viene dissipata in calore.
Quando invece l’energia del fotone è maggiore dell’energia di gap l’elettrone viene liberato e l’eccesso di energia (e - eg) viene dissipato in calore.
Per cui una radiazione con lunghezza d’onda superiore a 1,11 in una cella al silicio non può essere sfruttata per produrre corrente.

Il silicio

Il componente elementare di un generatore fotovoltaico è la cella. È lì che avviene la conversione della radiazione solare in corrente elettrica.
Essa è costituita da una sottile fetta di un materiale semiconduttore, quasi sempre silicio opportunamente trattato, dello spessore di circa 0,3mm. Può essere rotonda o quadrata e può avere una superficie compresa tra i 100 e i 225cm2.
Il silicio è il semiconduttore più utilizzato nella produzione di celle fotovoltaiche.
Le dimensioni delle celle assemblate nei moduli che fino a qualche anno fa arrivavano a 8 cm, ora, per cercare di massimizzare la superficie attiva, hanno raggiunto anche i 10 cm per celle in silicio monocristallino e i 12-15 cm per celle in silicio policristallino. Le celle in silicio monocristallino hanno un grado di purezza più elevato rispetto alle celle in policristallino ed hanno un ‘efficienza maggiore che va dal 14 al 17%.
Un’alternativa alla tecnologia del silicio cristallino è rappresentata dal silicio amorfo.
La produzione di silicio amorfo si realizza mediante un processo di deposizione di uno strato di 1-2 micrometri di silicio cristallino su di una superficie di vetro o plastica.
Non si parla più di celle in quanto possono essere ricoperte superfici anche consistenti in modo continuo.
Questo tipo di tecnologia presenta un’efficienza inferiore rispetto a quella del cristallino, che va dal 5 al 6.8%.
Inoltre a causa del cosiddetto effetto “Stabler – Wronsky” che si verifica già nei primi mesi di esercizio è opportuno sovradimensionare il progetto per evitare di deludere le aspettative di produzione elettrica.

Le celle fotovoltaiche

La cella si comporta come una minuscola batteria e nelle condizioni di soleggiamento tipiche
dell’Italia (1kW/m2), alla temperatura di 25°C fornisce una corrente di 3A, con una tensione di
0,5V e una potenza pari a 1,5-1,7Wp.
In commercio troviamo i moduli fotovoltaici che sono costituiti da un insieme di celle.
I più diffusi sono costituiti da 36 celle disposte su 4 file parallele collegate in serie. Hanno superfici che variano da 0,5 a 1m2 e permettono l’accoppiamento con gli accumulatori da 12Vcc
nominali. Più moduli collegati in serie formano un pannello, ovvero una struttura comune ancorabile al suolo o ad un edificio. Più pannelli collegati in serie costituiscono una stringa.
Più stringhe, collegate generalmente in parallelo per fornire la potenza richiesta, costituiscono
il generatore fotovoltaico.
Dal punto di vista elettrico non ci sono praticamente limiti alla produzione di potenza da sistemi
fotovoltaici, perché il collegamento in parallelo di più file di moduli, le “stringhe”, consente
di ottenere potenze elettriche di qualunque valore. Il trasferimento dell’energia dal sistema
fotovoltaico all’utenza avviene attraverso ulteriori dispositivi necessari a trasformare la corrente
continua prodotta in corrente alterna, adattandola alle esigenze dell’utenza finale.