CELLA FOTOVOLTAICA
Una cella solare o cella fotovoltaica è un dispositivo a stato solido (semiconduttore) che converte l’energia delle radiazioni luminose incidenti in elettricità tramite l’effetto fotovoltaico. Si tratta di un tipo di cellula fotoelettrica, le cui caratteristiche elettriche (corrente, tensione e resistenza) possono variare quando è esposta alla luce. Rappresenta l’elemento costitutivo dei moduli fotovoltaici, anche noti come pannelli solari. La forma più comune delle celle fotovoltaiche è quella quadrata con 12,5 cm di lato (e spessore compreso fra 0,25 e 0,35 mm).
Fra i vari tipi di celle presenti sul mercato, le più diffuse sono quelle in silicio monocristallino, di colore blu, tendente al nero. Queste sono caratterizzate da bordi smussati e dall’avere i cristalli di silicio orientati tutti nella stessa direzione. L’efficienza energetica di un pannello solare composto da celle in silicio monocristallino, che sia colpito da luce solare in direzione perpendicolare alla superficie del pannello, è di circa il 20%.
Una cella fotovoltaica è costituita essenzialmente da due sottili strati di materiali semiconduttori (silicio cristallino o amorfo o altre sostanze): uno strato è di tipo n (tende a raccogliere elettroni, quindi cariche negative), l’altro di tipo p (tende a raccogliere cariche positive o “buche”). La cella fotovoltaica è completata da un rivestimento antiriflesso e da due contatti elettrici, l’uno superiore, l’altro inferiore.
FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA – Nella zona di contatto (giunzione) tra i due semiconduttori, esiste un campo elettrico, dovuto alla diversa natura dei due materiali. Quando la zona di contatto è colpita da luce solare, cioè da fotoni, vengono mobilitati elettroni (quelli più esterni degli atomi di silicio), che il campo elettrico sospinge nello strano n. Per ogni elettrone che si libera, si forma contemporaneamente una carica positiva che, sempre a causa del campo elettrico, viene sospinta nello strato p. Collegando i due strati con un circuito esterno, si avrà una circolazione di elettroni, cioè una corrente elettrica continua, tra n e p. Il rendimento massimo teorico della trasformazione di energia solare in energia elettrica è del 32%.
IMPIEGHI DELLE CELLE FOTOVOLTAICHE – Abbinando insieme più celle fotovoltaiche si ottiene un modulo o un pannello fotovoltaico, che può fornire elettricità, per esempio, a singole utenze domestiche. Mettendo insieme un elevato numero di moduli, si possono realizzare centrali solari fotovoltaiche. Le batterie solari trovano anche diffuso impiego in calcolatrici tascabili e orologi, oltre che nei satelliti artificiali (la prima batteria solare fu realizzata nel 1954 e utilizzata per la prima volta in un satellite artificiale del nel 1958).
SEMICONDUTTORI
I semiconduttori, nella scienza e tecnologia dei materiali, sono materiali che hanno resistività (intesa come attitudine a opporre resistenza al passaggio delle cariche elettriche) intermedia tra i metalli e gli isolanti, spesso rappresentati da metalloidi. All’opposto di quanto avviene nei conduttori, nei semiconduttori la conduttività aumenta con l’aumentare della temperatura. Sempre nei semiconduttori, la conduttività può essere incrementata con l’aggiunta di piccole quantità di sostanze estranee.
Sono esempi di semiconduttori elementi come il silicio (Si), il germanio (Ge), il selenio (Se) quindi composti come l’arseniuro di gallio (GaAs), il fosfuro di indio (InP) e l’antimoniuro di indio (InSb). I semiconduttori sono alla base di tutti i principali dispositivi elettronici e microelettronici a stato solido quali transistor, diodi e diodi a emissione luminosa (LED).
CARATTERISTICHE DEI SEMICONDUTTORI – Il comportamento dei semiconduttori può essere spiegato se si considera la loro struttura atomica. Gli atomi del silicio, per esempio, sono disposti in una configurazione cristallina tale che ciascun atomo è legato a quattro atomi vicini con altrettanti legami covalenti, in cui sono impegnati i suoi quattro elettroni esterni o di valenza. Questi elettroni hanno scarsissima possibilità di muoversi, in quanto fortemente vincolati a ciascun atomo, a differenza di ciò che avviene nei conduttori metallici in cui gli elettroni di legame solo liberi di muoversi nell’intero reticolo cristallino, formando ciò che viene detto “mare di elettroni” in cui sono immersi i nuclei degli atomi (circostanza caratteristica del legame metallico). Ora, perché sia possibile la conduzione elettronica, occorre che alcuni elettroni acquistino energia sufficiente a passare dai livelli energetici pieni che formano la banda di valenza a livelli energetici vuoti che formano la cosiddetta banda di conduzione. Mentre nei metalli non è necessario alcun salto di energia per passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione, nei semiconduttori, il dislivello (o gap) energetico è elevato e negli isolanti è ancora maggiore. Questo spiega perché la conduttività elettrica dei semiconduttori aumenta con il calore. Elevando la temperatura, alcuni elettroni acquistano l’energia necessaria per superare il gap tra le due bande e muoversi all’interno del reticolo cristallino se viene applicato un campo elettrico esterno, determinando così un passaggio di corrente elettrica. Quando un elettrone abbandona il legame che lo tiene vincolato nel reticolo, lascia libero un posto nella banda di valenza, provocando cioè una lacuna o “buca” che si comporta a tutti gli effetti come una carica elettrica positiva. In presenza di un campo elettrico esterno, un elettrone di valenza va ad occupare la lacuna, ma così lascia libera una nuova lacuna che viene occupata da un altro elettrone e così via. L’effetto complessivo è una coppia elettrone-buca, per cui nei semiconduttori la conduzione elettrica è dovuta al contributo di elettroni (cariche elettriche negative) e buche (cariche elettriche positive).
Oltre che per effetto termico, l’aumento della conduttività nei semiconduttori può essere conseguito per esposizione a fonti luminose e, nella pratica, con l’introduzione di quantità molto piccole (nel rapporto di 1 atomo su 10 milioni) di opportune sostanze (impurità), secondo il processo di drogaggio. L’importanza del drogaggio sta nel fatto che dosando opportunamente le impurezze immesse per esempio in cristalli di silicio o germanio e regolando la temperatura, si può ottenere un numero fissato di portatori di carica per unità di volume del semiconduttore (tale numero è sempre molto minore del numero di elettroni di conduzione in un metallo).
EFFETTO FOTOVOLTAICO
Conversione di radiazione elettromagnetica (soprattutto luce) in corrente elettrica che si produce in alcuni materiali, come il silicio e il germanio, detti semiconduttori. Gli strumenti funzionanti secondo detto principio sotto detti cellule o celle fotovoltaiche. Esse si utilizzano generalmente per l’alimentazione di calcolatrici e orologi a energia solare e, in fisica nucleare, come rivelatori di fotoni (raggi γ). Sui satelliti artificiali, grandi pannelli solari forniscono energia agli strumenti di bordo.
In fisica dello stato solido, l’effetto fotovoltaico è il fenomeno fisico di interazione radiazione-materia che si realizza quando un elettrone presente nella banda di valenza di un materiale (generalmente un semiconduttore) passa alla banda di conduzione a causa dell’assorbimento di un fotone sufficientemente energetico che incide sul materiale (esposizione alla luce).
MECCANISMO DELL’EFFETTO FOTOVOLTAICO – I semiconduttori hanno una capacità di condurre la corrente che dipende molto dalla loro purezza e che può essere aumentata introducendo in essi delle impurità (drogaggio). Accostando due semiconduttori drogati in modo che abbiano l’uno un eccesso di cariche positive (dette lacune), l’altro di cariche negative, si ottiene una giunzione p-n. Il semiconduttore assorbe parte dei fotoni della luce che lo illumina. Quando un fotone viene assorbito, la sua energia libera un elettrone (che può muoversi nel semiconduttore) e genera al tempo stesso una lacuna positiva. L’elettrone e la lacuna vengono separati spontaneamente dal campo elettrico della giunzione e si accumulano in due zone opposte così da generare ai capi del dispositivo una differenza di potenziale: collegando i due capi a un circuito si ottiene la corrente elettrica.
PANNELLO FOTOVOLTAICO
In ingegneria energetica, un pannello fotovoltaico è un dispositivo optoelettronico (cioè in grado di interagire con la luce), composto da moduli fotovoltaici, a loro volta costituiti da celle fotovoltaiche, in grado di convertire l’energia solare in energia elettrica mediante effetto fotovoltaico, tipicamente impiegato come generatore.
PANNELLO SOLARE
Il pannello solare termico, o collettore solare, è un dispositivo per la conversione della radiazione solare in energia termica e il suo trasferimento, per esempio, verso un accumulatore termico per un uso successivo: produzione di acqua calda (sanitaria o di processo), riscaldamento degli ambienti, raffrescamento solare (solar cooling). Si differenzia dal pannello fotovoltaico, in quanto quest’ultimo serve invece per la produzione di corrente elettrica.
POMPA DI CALORE
La pompa di calore (o termopompa) è una macchina termica in grado di estrarre e trasferire energia termica utilizzando differenti forme di energia, generalmente meccanica. La pompa di calore aria-acqua (diversa dalla pompa di calore aria-aria) è una pompa di calore che recupera energia dall’aria esterna e la utilizza per riscaldare l’acqua contenuta nei termosifoni o alimentare la serpentina del riscaldamento a pavimento. Le pompe di calore aria-acqua possono essere utilizzate anche all’interno di un sistema integrato (per esempio, caldaia + solare termico + pompa di calore) per ottenere il massimo beneficio dalle varie fonti di energia.
CALDAIA A CONDENSAZIONE
Una caldaia a condensazione è una caldaia ad acqua calda nella quale si ha la condensazione del vapore acqueo dei fumi di scarico. In questo modo si ha il recupero del calore latente di condensazione e di conseguenza maggiore efficienza energetica rispetto a una caldaia tradizionale.
Lo scopo principale della caldaia è quello di fornire calore all’acqua che scorre nei radiatori o altri corpi scaldanti per il riscaldamento. Esistono caldaie a condensazione sia nella versione a basamento (in un’ampia gamma di potenze), sia nella versione murale (fino a 140 o 160 kW).
Le caldaie tradizionali utilizzano solo una parte del calore sensibile dei fumi di combustione perché occorre evitare la condensazione di questi ultimi, che darebbe origine a fenomeni corrosivi. Il vapore acqueo generato dal processo di combustione viene quindi disperso in atmosfera attraverso il camino e con esso il calore latente associato. La caldaia a condensazione, invece, recupera parte del calore latente dei fumi prima che vengano espulsi con il camino. Tale quantitativo di calore viene utilizzato per preriscaldare l’acqua di ritorno dall’impianto termico. Di conseguenza, la temperatura dei fumi di scarico è minore rispetto a quella dei fumi di una caldaia tradizionale, mentre l’acqua in ingresso, avendo una temperatura maggiore, necessita di minor calore al focolare per il ritorno alla temperatura di esercizio, aumentando il rendimento di combustione e una riduzione delle emissioni di NOx (ossidi di azoto) e CO (monossido di carbonio).
INVERTER FOTOVOLTAICO
L’inverter fotovoltaico – chiamato anche inverter solare – è una componente fondamentale di ogni impianto fotovoltaico. Senza tale elemento non sarebbe possibile utilizzare l’energia elettrica prodotta dai pannelli, in quanto sarebbe incompatibile con la rete elettrica per lo scambio sul posto e i vari apparecchi da alimentare tramite l’autoconsumo. La sua funzione principale è quella di trasformare la corrente continua in corrente alternata, affinché possa essere utilizzata dalle varie utenze della casa o essere immessa nella rete pubblica per cederla al gestore di zona.
L’energia elettrica prodotta dai pannelli fotovoltaici, infatti, è una corrente continua (CC o in inglese DC, Direct Current), incompatibile con l’impiego diretto in ambito domestico o la cessione alla rete elettrica. Per poter usare l’energia generata dai moduli è necessario un inverter per pannelli solari fotovoltaici, un dispositivo che effettua la conversione della CC in corrente alternata (CA o in inglese AC, Alternating Current).
L’inverter dell’impianto fotovoltaico assicura anche che i pannelli funzionino sempre al massimo delle loro potenzialità, ottimizzandone il rendimento per una maggiore efficienza nella produzione di energia elettrica. Inoltre, la sua utilità è legata anche alla sicurezza dell’impianto e al rispetto delle norme nazionali, alla compatibilità di una serie di componenti come l’accumulo e al monitoraggio del funzionamento e della resa dell’impianto fotovoltaico.
IMPIANTO FOTOVOLTAICO
Un impianto fotovoltaico è un impianto elettrico costituito essenzialmente dall’assemblaggio di più moduli fotovoltaici che sfruttano l’energia solare per produrre energia elettrica mediante effetto fotovoltaico, della necessaria componente elettrica (cavi) ed elettronica (inverter) ed eventualmente di sistemi meccanici-automatici ad inseguimento solare.
IMPIANTO FOTOVOLTAICO CON ACCUMULO
L’impianto fotovoltaico con accumulo rappresenta un importante passo avanti nella direzione dell’autonomia energetica delle famiglie e degli edifici. Grazie a questa nuova tecnologia fatta di pannelli solari e batterie di accumulo, è possibile aumentare l’efficienza energetica dei nuovi impianti, ossia produrre una quantità maggiore di energia riducendo allo stesso tempo gli sprechi.