Le Celle solari (fotovoltaiche)

Una cella solare o cella fotovoltaica è un dispositivo che converte l’energia solare in energia elettrica con effetto fotovoltaico. Fotovoltaico è il campo della tecnologia e della ricerca connessi con l’applicazione di celle solari per la produzione di energia. Talvolta il termine cella solare è riservato per i dispositivi destinati specificamente a catturare l’energia dalla luce solare, mentre il termine cella fotovoltaica è usato quando la fonte non è specificata. L’uso di più celle è utilizzato per creare i cosiddetti moduli solari, che possono a loro volta essere collegati in per formare l’impianto fotovoltaico.

Le celle solari sono classificati in tre generazioni che indica l’ordine in cui ciascuno è diventata evidente. Al momento la ricerca è presente in tutte e tre le generazioni, mentre la prima generazione tecnologica è già largamente presente nella produzione commerciale (89,6% della produzione 2007).

Prima generazione

Le celle di prima generazione sono costituite da celle grandi, di alta qualità a singola giunzione (single junction devices). Tali celle stanno arrivando a toccare il limite di efficienza teorica del 33%, e raggiungere una parità di costo rispetto all’energia fossile, con un periodo di rientro dell’investimento pari a 5-7 anni (payback period).

Fig 1. Tecnologie delle celle fotovoltaiche di prima generazione

Seconda Generazione

La seconda generazione è indirizzata principalmente alla riduzione dei costi di produzione delle celle. Il maggior successo delle celle di seconda generazione è data dai seguenti materiali: telluluro di cadmio (CdTe), rame indio gallio selenio, silicio amorfo e silicio micromorfo. Questi materiali sono applicati in una pellicola sottile (thin film) su un di materiale di sostegno, come il vetro o ceramica per ridurre la massa e, pertanto i costi. Tra i principali produttori vi è certamente una tendenza verso le tecnologie di seconda generazione, tuttavia la commercializzazione di queste tecnologie si è rivelata difficile.

Fig 2. Celle a film sottile

Terza Generazione
Le Tecnologie di terza generazione mirano a migliorare le prestazioni elettriche delle celle di seconda generazione (film sottile), pur mantenendo molto bassi i costi di produzione.

• Celle fotovoltaiche multigiunzione
• Modifica dello spettro di incidenza (concentrazione)
• Uso della generazione termica in eccesso per aumentare la tensione

Prestazioni e rendimenti

Le prestazioni dei moduli fotovoltaici sono suscettibili di variazioni anche sostanziose in base:

• al rendimento dei materiali;
• alla tolleranza di fabbricazione percentuale rispetto ai valori di targa;
• all’irraggiamento a cui le sue celle sono esposte;
• all’angolazione con cui questa giunge rispetto alla sua superficie;
• alla temperatura di esercizio dei materiali, che tendono ad “affaticarsi” in ambienti caldi;
• alla composizione dello spettro di luce.

Per motivi costruttivi, il rendimento dei moduli fotovoltaici è in genere inferiore o uguale al rendimento della loro peggior cella. Con rendimento si intende la percentuale di energia captata e trasformata rispetto a quella totale giunta sulla superficie del modulo, e può essere considerato un indice di correlazione tra watt erogati e superficie occupata, ferme restando tutte le altre condizioni. Alcuni pannelli, per uso aerospaziale, hanno rendimenti nominali che raggiungono anche il 40%, e sono prodotti con materiali rari e costosi ed altamente tossici; valori tipici riscontrabili nei prodotti commerciali a base silicea si attestano intorno al:

• 16% nei moduli in silicio monocristallino
• 13% nei moduli in silicio policristallino
• 11% nei moduli in film sottile

Ne consegue che ad esempio a parità di produzione elettrica richiesta, la superficie occupata da un campo fotovoltaico amorfo (film sottile) sarà maggiore rispetto ad un equivalente campo fotovoltaico cristallino. A causa del naturale affaticamento dei materiali, le prestazioni di un pannello fotovoltaico comune diminuiscono di circa un punto percentuale su base annua. I moduli fotovoltaici odierni hanno una vita stimata di 80 anni circa, anche se è plausibile ipotizzare che vengano dismessi dopo un ciclo di vita di 35-40 anni, a causa della perdita di potenza dei moduli.

Impianti Fotovoltaici

Gli impianti fotovoltaici sono generalmente suddivisi in due grandi famiglie:

• impianti ad isola, o stand-alone
• impianti connessi alla rete, o grid-connected

Impianti ad isola

Questa famiglia identifica quelle utenze elettriche isolate da altre fonti energetiche, come la rete nazionale in energia elettrica, che si riforniscono da un impianto fotovoltaico elettricamente isolato ed autosufficiente.

Impianti fotovoltaici connessi alla rete

Questa famiglia identifica quelle utenze elettriche già servite dalla rete nazionale, ma che iniettano in rete la produzione elettrica risultante dal loro impianto fotovoltaico, opportunamente convertita in corrente alternata e sincronizzata a quella della rete. I principali componenti di un impianto fotovoltaico connesso alla rete sono:

• Moduli fotovoltaici, deputati a raccogliere l’energia irradiata dal sole;
• Inverter, deputato a stabilizzare l’energia raccolta, a convertirla in corrente alternata e ad iniettarla in rete;
• Sistemi di protezione e controllo, da situare in base alle normative vigenti tra l’inverter e la rete che questo alimenta.
• Cavi di connessione (spesso sottovalutati), che devono presentare un’adeguata resistenza ai raggi UV ed alle temperature.

I vari gestori di rete sono chiamati dalla vigente normativa italiana a fornire il servizio di net metering a titolo gratuito, fatte salve le spese di gestione, che si concretizzano in genere nel canone annuo di locazione di un contatore piombabile, dedicato esclusivamente alla misurazione dell’energia elettrica prodotta, e connesso a quello di consumo per permettere di autoconsumare sul posto, iniettare in rete o prelevare dalla rete l’energia in modo trasparente. Questo tipo di impianti, grazie alle incentivazioni stabilite dai paesi ratificanti il Protocollo di Kyōto, e concretizzatesi in Italia con il cosiddetto Conto energia, hanno avuto un aumento esponenziale di applicazioni.