IL FOTOVOLTAICO. Gualtieri Francesco Malinverno Christian Mazzi Matteo

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1 IL FOTOVOLTAICO di Gualtieri Francesco Malinverno Christian Mazzi Matteo

2 Cos è il fotovoltaico? Il termine fotovoltaico è composto dalla parola greca phos (cioè luce ) e Volt, che è l unità di misura della differenza di potenziale elettrico. Quindi, come dice la parola stessa, l effetto fotovoltaico consiste nella conversione dell energia solare in energia elettrica. Storia del fotovoltaico Nel 1839 il fisico francese Alexandre Edmund Becquerel osservò che l intensità della corrente tra due elettrodi di platino immersi in una cella elettrolitica (cioè contenente una soluzione liquida), aumentava se si esponeva la pila così composta alla luce del Sole. Studi successivi condotti intorno al 1876 da tre scienziati (Smith, Adams e Day), portarono alla realizzazione della prima cella fotovoltaica costituita dalla giunzione del selenio (materiale semiconduttore) con alcuni ossidi metallici. Nel 1954 negli USA studi presso i laboratori Bell furono realizzate le prime celle fotovoltaiche commerciali in silicio monocristallino. In questo periodo la tecnologia fotovoltaica trovò applicazione in campo aerospaziale, in particolare per i satelliti, poiché i costi erano ingenti. Solo a partire dal 1970, con il manifestarsi delle crisi energetiche di portata mondiale, si iniziò a trasferire la tecnologia fotovoltaica anche nel settore delle costruzioni civili. Il principio di funzionamento delle celle Il funzionamento dei dispositivi fotovoltaici si basa sulla capacità di alcuni materiali semiconduttori, opportunamente trattati, di convertire l'energia proveniente dalla radiazione solare in energia elettrica in corrente continua senza bisogno di combustibili e senza l uso di parti meccaniche in movimento. Il materiale semiconduttore prevalentemente impiegato oggi a tale scopo è il silicio. Il componente base di un impianto fotovoltaico è la cella fotovoltaica, che è l unità base del sistema fotovoltaico in cui si realizza la conversione dell energia ricevuta tramite radiazione solare in energia elettrica. Essa è in grado di produrre circa 1,5 W di potenza in condizioni standard, cioè quando essa si trova ad una temperatura di 25 C ed è sottoposta ad una potenza della radiazione pari a 1000 W/m². L irradiamento solare Il sole emette continuamente un inimmaginabile potenza di 175 miliardi di megawatt, pari ad oltre kw/m 2. A causa della dispersione nell atmosfera, data dalla distanza tra terra e Sole (circa 150 milioni di km), la superficie terrestre viene raggiunta da circa 1350 W/m². Questo valore è chiamato COSTANTE SOLARE, ma in realtà non è costante perché dipende dall attività solare e dalla distanza tra Terra e Sole nel corso dell anno (per esempio nei mesi estivi la distanza tra Terra e Sole è massima e quindi si ha una minore costante solare). Il valore di costante solare viene usato come riferimento di massima potenza di irradiamento ed è comunque raggiungibile solo in una giornata con cielo sereno. Le celle fotovoltaiche però non riescono a trasformare tutta la energia di irradiamento proveniente dal sole in energia elettrica. Quelle attualmente sul mercato permettono, a seconda del tipo, di raggiungere dei rendimenti (rapporto tra energia ricavata e energia irradiata) dal 3% al 16%.

3 La posizione delle celle fotovoltaiche rispetto al Sole influisce notevolmente sulla quantità di energia captata e quindi sulla quantità di energia elettrica generata. I parametri che influiscono direttamente sul fenomeno sono: angolo di inclinazione rispetto al terreno; angolo di azimuth, chiamato anche angolo orario, cioè l angolo che la direzione del Sole, proiettata sul piano orizzontale, forma con la direzione Sud. Consideriamo l influenza dell angolo di inclinazione rispetto al terreno, rivolto verso sud, in tre città italiane: una a nord (Milano), una al centro (Roma) e una al sud (Trapani). Riportiamo in una tabella i dati per ciascuna delle tre inclinazioni: 0 (in caso di tetto piano) 30 (in caso di tetto inclinato) e 90 (facciata verticale): Milano (kwh/m 2 ) Roma (kwh/m 2 ) Trapani (kwh/m 2 ) 0 (tetto piano) (tetto inclinato) (facciata verticale) Dalla tabella possiamo giungere alla conclusione che rispetto alla soluzione ottimale, cioè quella con inclinazione di 30, il sistema fotovoltaico perde circa il 10-12% del suo rendimento nell applicazione su superficie orizzontale (cioè con angolo di inclinazione di 0 ) e circa il 35% nell applicazione su facciata verticale, cioè con angolo di inclinazione di 90. Il silicio L elemento principale costituente delle celle fotovoltaiche è il silicio. I principali vantaggi di questo materiale sono: 1. abbondanza: è disponibile sul nostro pianeta in quantità praticamente illimitata, infatti il 25% circa della sabbia è composta da silicio; 2. utilizzo su larga scala, soprattutto nell industria elettronica (per esempio nei processori), che ne ha agevolato i metodi di lavorazione, raffinazione e drogaggio; 3. riciclo e riutilizzo nel tempo: è infatti possibile riciclare il silicio dagli scarti di lavorazione dei componenti elettronici, poichè i componenti fotovoltaici possono tollerare anche maggiori concentrazioni di impurità rispetto ai componenti prodotti dall industria elettronica. PROCESSO DI LAVORAZIONE DEL SILICIO Il silicio, così come si trova in natura, non può essere subito impiegato per costruire componenti elettronici o fotovoltaici. Per poter essere utilizzato, il silicio grezzo deve subire una serie di trattamenti: 1. viene trasformato in triclorosilano, diventando così liquido; 2. viene purificato per mezzo di uno speciale trattamento chimico, fino a raggiungere percentuali di purezza elevatissime (99%); 3. viene fatto solidificare dentro a un lingotto a sezione cilindrica con diametro variabile dai 13 ai 20 cm e con lunghezza che può raggiungere i 200 cm; 4. il lingotto viene poi tagliato con speciali seghe a filo in tanti pezzettini detti wafers con spessore variabile dai 250 ai 300 micron.

4 I vari tipi di celle solari A seconda del trattamento subito, possiamo distinguere tre tipi di celle fotovoltaiche: 1. CELLE MONOCRISTALLINE: si ottengono da un unico grande cristallo di silicio. Hanno colore uniforme tra il blu e il nero e con forma generalmente quadrata dagli spigoli smussati, che le distinguono dagli altri tipi di celle. In condizioni di esposizione ottimale (luce perpendicolare e assenza di nuvole), il loro rendimento oscilla tra il 14% e il 17%. 2. CELLE POLICRISTALLINE: si ottengono a partire da molti cristalli di silicio. Hanno forma quadrata e colore blu, con la presenza di riflessi causati dal posizionamento casuale dei singoli cristalli. Hanno un rendimento minore delle celle monocristalline (12-14%). 3. CELLE AMORFE: il silicio amorfo è una forma non cristallina del silicio, nella quale gli atomi formano un reticolo cristallino disordinato. I legami ancora disponibili presenti in alcuni atomi portano dei difetti nel reticolo e sono responsabili del suo comportamento elettrico. Il rendimento varia dal 5% al 7%, ma bisogna tenere conto del fatto che la cella subisce un decadimento di circa il 30% già nel primo mese di utilizzo. Dalla cella al modulo fotovoltaico I moduli fotovoltaici sono costituiti da diversi strati sovrapposti: 1. lastra di vetro temperato di spessore variabile con funzione di fornire resistenza meccanica, dato il fatto che le celle fotovoltaiche sono molto fragili e si rompono facilmente; 2. foglio sigillante trasparente in EVA (acetato vinile etilenico) con funzione di garantire la tenuta agli agenti esterni; 3. cella fotovoltaica; 4. ulteriore foglio sigillante in EVA per l isolamento posteriore; 5. chiusura posteriore che può essere in vetro o in PVF (polivinilfluoruro). Questo sandwich viene posto in forno di laminazione in cui, tramite riscaldamento a circa 150, si realizza la sigillatura dei componenti; l EVA diventa trasparente e si eliminano dall interno della stratificazione l aria e il vapore contenuti tra gli interstizi in modo da evitare la corrosione. Nella parte posteriore del modulo fotovoltaico è collegata la scatola di giunzione per i collegamenti elettrici necessari per l installazione. Dal modulo al generatore fotovoltaico Più moduli fotovoltaici, collegati in serie o in parallelo, in una struttura rigida, formano un pannello fotovoltaico. A loro volta, moduli e pannelli collegati elettricamente tra di loro in serie per ottenere la tensione di lavoro del campo fotovoltaico, danno la stringa. Più stringhe, unite a pannelli e moduli, danno a loro volta un generatore fotovoltaico. Tipi di impianti fotovoltaici Un impianto (o sistema) fotovoltaico è un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che captano l energia solare e la trasformano in energia elettrica. Esistono due tipi di impianti fotovoltaici: 1. Impianti isolati (o stand alone ) 2. Impianti connessi alla rete (o Grid connected ).

5 IMPIANTI ISOLATI Come dice la parola stessa, gli impianti fotovoltaici isolati funzionano indipendentemente dalla rete elettrica pubblica. In questi tipi di impianti, il pannello fotovoltaico cattura l energia solare nelle ore di luce ed alimenta una batteria accumulatore. Nelle ore di buio l energia accumulata viene rilasciata per alimentare la lampada e il sistema elettronico di controllo. Le applicazioni principali di questi impianti sono le apparecchiature di pompaggio dell acqua, i ripetitori e le stazioni radio e l illuminazione stradale. I componenti di un impianto isolato sono: Campo fotovoltaico: è il sistema dedicato alla raccolta dell energia solare; Regolatore di carica: è il sistema grazie al quale l energia prodotta viene poi gestita e stabilizzata; Batterie di accumulo: servono ad accumulare l energia prodotta dai moduli fotovoltaici per consentirne un uso differito nel tempo; Inverter, cioè il sistema di conversione della corrente continua in corrente alternata. IMPIANTI GRID CONNECTED Questi tipi di impianti fotovoltaici non sono provvisti di sistemi di accumulo dato che l energia prodotta viene immessa in rete. Quando l insolazione è scarsa o nulla l alimentazione proviene direttamente dalla rete. Prima di essere immessa nella rete elettrica, l energia prodotta dai pannelli fotovoltaici viene convertita in corrente alternata. Gli impianti connessi alla rete sono più affidabili di quelli isolati, che in caso di guasto non può essere alimentato alternativamente. I componenti degli impianti grid connected sono il generatore fotovoltaico e l inverter, che ha però una funzione diversa da quello presente negli impianti stand alone. Vantaggi e svantaggi del fotovoltaico VANTAGGI Il Sole è una fonte di energia gratuita e praticamente inesauribile; gli impianti possono essere ampliati a piacere: vale a dire che la potenza di un impianto fotovoltaico può essere aumentata anche successivamente senza grandi problemi; il fotovoltaico è particolarmente ecologico dato che non vengono prodotti gas di scarico o altre scorie; elevata durata nel tempo dell impianto; assenza quasi totale di manutenzione, dato che non sono presenti parti meccaniche in movimento: è richiesta solo una pulizia annua; approvvigionamento energetico decentralizzato: ciò significa che è possibile evitare il ripetersi di altre crisi energetiche. SVANTAGGI investimento inziale con costi elevati; necessità di avere a disposizione un elevata superficie rispetto alla potenza installata; variabilità e instabilità della fonte energetica, a causa dell irraggiamento solare che non si mantiene sempre costante.