Cosa è un impianto fotovoltaico.

Un impianto solare fotovoltaico è un sistema elettronico che permette di generare energia elettrica direttamente dalla energia solare sfruttando l'effetto fotovoltaico. Questo tipo di tecnologia è stata sviluppata verso la fine degli anni 50 nell’ambito dei programmi spaziali, dove occorreva disporre di una fonte di energia affidabile, inesauribile e con scarsa manutenzione ed adesso si sta diffondendo sempre più rapidamente anche per applicazioni terresti nell’ambito dell’alimentazione delle utenze isolate o per impianti collegati alla rete elettrica preesistente. Il funzionamento di detti impianti si basa fondamentalmente sull’effetto fotovoltaico caratteristico di alcuni tipi di materiali semiconduttori che, se opportunamente trattati, sono in grado di convertire l’energia della radiazione solare in energia elettrica senza aver bisogno di nessuna parte meccanica.

 

Dal silicio alla cella fotovoltaica

L’elemento base di un impianto è la cella fotovoltaica che è costituita principalmente dal silicio. Il silicio (Si) è un atomo del 14° gruppo (più formalmente del gruppo IV) e possiede, nel guscio più esterno, 4 elettroni di valenza ovvero 4 elettroni che possono legarsi con altrettanti elettroni dei gusci esterni degli atomi vicini. In particolare, nel Si gli atomi si legano tra loro in maniera covalente a formare solidi sostanzialmente di due tipi, amorfo (senza ordine a lungo raggio) e cristallino (dove gli atomi sono disposti in un reticolo tridimensionale ordinato). Ci sono diversi termini per definire la struttura cristallina del silicio: poli-, micro- e nanocristallino in riferimento alle dimensioni dei grani o domini che costituiscono il solido. Da un punto di visto elettronico, il silicio è un semiconduttore: ciò significa che ci sono degli intervalli di energia, detti bande, che gli elettroni nel solido possono avere (stati con energie permesse) ed intervalli di energia tra queste bande che sono proibiti: questi ultimi sono chiamati bandgap. L’insieme degli stati permessi occupati dagli elettroni costituisce la cosiddetta banda di valenza che è separata da un bandgap dalla successiva banda di stati permessi, detta banda di conduzione. A temperatura ambiente il silicio è un pessimo conduttore ma diventa conduttore quando viene “drogato” ovvero quando vengono inserite delle impurezze nella sua struttura reticolare mediante aggiunta di atomi di fosforo e boro. In particolare, questi atomi “droganti” sostituiscono il silicio nel reticolo cristallino e si legano agli atomi vicini di Si circa nello stesso modo; tuttavia, dato che gli atomi del gruppo III hanno solo 3 elettroni di valenza e quelli del gruppo V ne hanno 5, c’è sempre un elettrone in più o in meno per occupare i quattro legami covalenti che forma il silicio. Proprio perché questi elettroni extra, o questi elettroni mancanti (chiamati buche o lacune) non sono coinvolti in alcun legame del cristallo, essi sono liberi di muoversi all’interno del solido caratterizzandone le proprietà elettriche. Il silicio drogato con il boro (o elementi del III gruppo) è chiamato silicio di tipo p perché la maggior parte dei portatori di carica (lacune) trasportano una carica positiva, mentre il silicio drogato con il fosforo (o elementi del gruppo V ) è chiamato silicio di tipo n dato che la maggior parte dei portatori di carica (elettroni) sono carichi negativamente. Occorre comunque puntualizzare che entrambi i tipi di silicio, p ed n, sono elettricamente neutri, hanno cioè lo stesso numero di cariche positive e negative al loro interno: sono invece le cariche libere di muoversi che ne caratterizzeranno le proprietà elettriche.

Una cella fotovoltaica richiede il contatto, su una grande superficie, dei due strati di silicio p ed n (giunzione p-n). Quel che avviene è un processo di diffusione dei portatori di carica dalla regione dove sono ad alta concentrazione – elettroni per il lato n e lacune per il lato p della giunzione – verso la regione a bassa concentrazione analogamente a quel che avviene quando un gas diffonde da pressioni maggiori verso quelle minori. In particolare, gli elettroni provenienti dagli atomi di drogante nel lato n della giunzione diffondono nel lato p lasciando dietro di sé nuclei carichi positivamente ovvero lasciando un eccesso di carica positiva sul lato n della giunzione; contemporaneamente, questi elettroni, sul lato p, occupano i posti delle lacune creando di conseguenza un eccesso di carica negativa su tale lato. Si instaura pertanto uno sbilanciamento di carica tra i due strati e un forte campo elettrico (permanente)che si oppone all’ulteriore diffusione di portatori di carica attraverso la giunzione: questa zona della giunzione, dove non vi sono portatori di carica mobili, è chiamata regione di svuotamento.

Generazione di portatori di carica da parte della luce (Effetto Fotovoltaico)

Quando un fotone della radiazione luminosa colpisce la zona di contatto, due cose possono accadere: o il fotone attraversa indisturbato il materiale o viene assorbito e cede la propria energia a un elettrone del reticolo cristallino.

Un fotone assorbito può produrre calore urtando il materiale semiconduttore oppure, se possiede abbastanza energia, può strappare ovvero eccitare un elettrone da uno stato legato della banda di valenza ad uno libero della banda di conduzione con la capacità di muoversi liberamente all’interno del materiale. Il legame covalente da dove proveniva l’elettrone, ora possiede una lacuna, permettendo così agli elettroni dei legami vicini di occuparla e lasciando di conseguenza una buca dietro di sé: la lacuna può così muoversi a sua volta all’interno del semiconduttore nella direzione opposta a quella dell’elettrone comportandosi alla stregua di una carica positiva. In questo modo, l’assorbimento di un fotone genera quelle che sono chiamate coppie elettrone-lacuna. E’ qui che interviene il campo elettrico che sospingerà gli elettroni così generati verso la strato n e le lacune verso lo strato p.

effetto fotovoltaico

Collegando con un circuito esterno i due strati, si avrà una circolazione di elettroni ovvero una corrente elettrica continua tra lo strato n e p e una tensione continua misurata di 0,5 V. Come si può notare, rispetto ad altre tipologie di impianto, dove la produzione di energia avviene attraverso un procedimento meccanico (ad esempio la dinamo della bicicletta), nella cella solare non vi sono parti meccaniche in movimento, il che rende il periodo di vita di una cella teoricamente illimitato.

cella fotovoltaica

 

Le celle solari come visto producono valori di tensioni e corrente limitati in rapporto a quelli normalmente richiesti dagli apparecchi utilizzatori, sono molto fragili, non sono elettricamente isolate. Sono pertanto assemblate in modo opportuno a costituire un'unica struttura comunemente detta "modulo fotovoltaico". Nei moduli fotovoltaici, le celle solari sono racchiuse tra due strati protettivi che possono essere di vetro (moduli vetro-vetro) o di resine plastiche trasparenti (moduli tedlar-tedlar) o ancora di uno strato superiore di vetro ed uno inferiore di tedlar (moduli vetro-tedlar). I moduli vengono poi forniti di una cornice perimetrale di alluminio dove si fissano i dispositivi di aggancio ai supporti delle varie strutture in cui verrano installati. Nella parte posteriore del pannello è presente una scatola di derivazione dove alloggeranno i vari collegamenti elettrici.

Un modulo da 120 Wp corrisponde all'incirca ad una superficie di 1 mq. Il dato di Watt di picco (Wp) esprime la potenza max generata dall'impianto fotovoltaico in condizioni standard, ovvero con irraggiamento di 1000 W/mq e 25°C di temperatura della cella fotovoltaica.

Un insieme di moduli collegati in serie costituisce una "stringa" e il parallelo di più stringhe costituisce un "generatore fotovoltaico".

La corrente totale del generatore è data dalla somma delle correnti delle singole stringhe mentre la tensione totale è data dalla tensione della singola stringa. La potenza nominale totale del sistema sarà data dalla somma della potenza nominale di ogni singolo modulo.

Il numero dei moduli fotovoltaici varia a seconda dello spazio sul tetto e della potenza di picco desiderata. Impianti per edifici residenziali (case unifamiliari, bifamiliari o piccoli condomini) hanno una superficie di moduli compresa tra 8 mq ( 1 kWp) e 50 mq ( 8 kWp). Per edifici commerciali, industriali o zone dedicate espressamente al fotovoltaico, la superficie di moduli può aumentare considerevolmente fino a raggiungere anche i MWp

 

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Tutto è Energia basta saperla sfruttare...