Energia Solare Fotovoltaica: Principi, Componenti e Applicazioni

Introduzione all'Energia Solare

I sistemi di produzione tradizionali di elettricità presentano problematiche che rendono necessario per la società lo sviluppo di altre fonti di energia.

Problemi delle Fonti Energetiche Tradizionali

• Idroelettrico: L'energia idroelettrica è soggetta a periodi di siccità più prolungati, che ne limitano la disponibilità.
• Centrali a Combustibile Fossile: Contribuiscono all'effetto serra e ai cambiamenti climatici, oltre ad essere una risorsa limitata nel tempo.
• Centrali Nucleari: Presentano il problema dello smaltimento dei rifiuti radioattivi, oltre al rischio di incidenti nucleari.

Metodi di Sfruttamento dell'Energia Solare

Metodi Indiretti

Nei metodi indiretti, l'energia solare viene utilizzata per riscaldare un fluido e trasformarlo in vapore, producendo energia elettrica attraverso il movimento di un alternatore.

Metodi Diretti

Nei metodi diretti, la luce solare viene convertita direttamente in energia elettrica tramite celle solari e le loro applicazioni.

Classificazione degli Impianti Solari Fotovoltaici

Applicazioni Stand-alone (Off-grid)

Impianti situati in luoghi senza alcun collegamento alla rete elettrica. All'interno di questa categoria si trovano:

Applicazioni Spaziali

Utilizzate per fornire energia a elementi spaziali.

Applicazioni Terrestri

• Telecomunicazioni
• Elettrificazione delle zone rurali e remote
• Segnalazione
• Illuminazione stradale
• Pompaggio dell'acqua
• Reti VSAT
• Telemetria
• Altre applicazioni

Applicazioni Connesse alla Rete (On-grid)

In queste applicazioni, il produttore non utilizza l'energia direttamente, ma la vende all'organismo incaricato della gestione energetica del Paese.

Parchi Fotovoltaici (Solar Farms)

Aree in cui un numero significativo di impianti fotovoltaici, spesso di proprietà diverse, sono concentrati per la produzione e la vendita di energia elettrica alla società elettrica con cui è stato stipulato un contratto.

Fotovoltaico Integrato negli Edifici (BIPV)

Rappresenta una delle applicazioni più recenti e sviluppate per l'utilizzo del fotovoltaico, dove i moduli sono parte integrante della struttura dell'edificio.

Elementi di un Impianto Solare Fotovoltaico (ISF)

Modulo Fotovoltaico

L'elemento primario che converte l'energia del sole in energia elettrica (corrente continua - DC). È formato dall'unione di diverse celle fotovoltaiche per fornire la potenza richiesta all'installazione.

Regolatore di Carica

Stabilisce il collegamento tra i pannelli solari e gli elementi di consumo dell'impianto. È anche responsabile della protezione della batteria contro i sovraccarichi e fornisce una tensione di uscita continua per l'installazione, impostando il valore della tensione nominale di funzionamento.

Batteria

Presente solo negli impianti stand-alone, fornisce energia durante i periodi senza luce solare o quando l'energia prodotta non è sufficiente per l'impianto.

Inverter

Converte la corrente continua (DC) prodotta dai pannelli in corrente alternata (AC), necessaria per alimentare la maggior parte dei dispositivi elettrici.

Le Celle Solari Fotovoltaiche

L'elemento principale di ogni generatore di energia solare è la cella solare. Una cella solare si comporta come un diodo.

I Principali Parametri della Cella Solare

• Corrente di Luce: La corrente generata quando la radiazione solare colpisce la cella.
• Corrente di Buio: È dovuta alla ricombinazione delle coppie elettrone-lacuna che avviene all'interno del semiconduttore.
• Tensione a Circuito Aperto (Voc): La tensione massima ottenuta ai capi della cella solare, che si verifica quando non è collegata a nessun carico.
• Corrente di Corto Circuito (Isc): Il valore massimo di corrente che può fluire attraverso la cella solare, che si verifica quando i terminali sono in corto circuito.

Componenti del Modulo Fotovoltaico

Il modulo fotovoltaico è costituito da un insieme di celle solari e presenta i seguenti componenti:

• Struttura di Supporto/Telaio: Deve fornire un'adeguata rigidità strutturale per l'installazione del modulo.
• Cavi di Collegamento: Si trovano in una scatola di giunzione nella parte posteriore del modulo.
• Vetro Frontale: Copre il modulo e serve a proteggere le celle solari dai fenomeni atmosferici.
• Sistema di Fissaggio: Consente l'installazione del modulo su un supporto specifico.
• Incapsulamento: Protegge il modulo dagli agenti atmosferici e le celle e le connessioni da potenziali vibrazioni.
• Collegamento delle Celle: Le celle sono collegate in parallelo o in serie.

Tipi di Celle Fotovoltaiche

• Monocristallino: Efficienza tipica del 15-24%. Le celle sono di colore blu uniforme e sono ottenute da silicio puro fuso e drogato con boro.
• Policristallino: Efficienza tipica del 12-19%. La superficie delle celle è strutturata e presenta diverse tonalità di blu. Sono prodotte da silicio fuso, ma con un minor numero di fasi di cristallizzazione rispetto al monocristallino.
• Amorfa: Efficienza tipica inferiore al 10%. Hanno un colore uniforme (marrone) e non presentano collegamenti visibili tra le celle. Il loro vantaggio è che possono essere depositate come strato sottile su un substrato flessibile, come vetro o plastica.

Collegamento Elettrico delle Celle Solari

Per quanto riguarda il collegamento elettrico delle celle, si possono trovare diverse possibilità:

• Collegamento in Serie: Aumenta la tensione finale ai capi della cella equivalente (o del modulo).
• Collegamento in Parallelo: Aumenta la corrente finale ai capi della cella equivalente (o del modulo).