AGRISOLAR

E' data dall'effetto fotovoltaico, consiste nella trasformazione della luce in energia

elettrica. Sintetizzando al massimo l'energia si ottiene quando i fotoni della luce solare, colpendo una cella FV, "strappano" gli elettroni più esterni (di valenza) degli atomi di un semiconduttore, gli elettroni sono raccolti dal reticolo metallico serigrafato sulla superficie visibile della cella il quale serve a "convogliare" un flusso di elettroni ottenendo una corrente continua di energia elettrica.

Esso è noto fin dal secolo scorso, quando si scoprì che era possibile trasformare direttamente l'energia solare in energia elettrica tramite una cella elettrolitica senza passare per processi termodinamici. La prima applicazione commerciale si ebbe nel 1954 negli Stati Uniti, ad opera dei laboratori Bell, dove si realizzò la prima cella fotovoltaica utilizzando il silicio monocristallino.

Esistono due tipi di sistemi fotovoltaici: gli impianti senza accumulo e collegati alla rete elettrica (grid connected) e quelli con accumulo (stand alone); questi ultimi sono provvisti di accumulatori per "mettere in serbo", durante il giorno e specialmente nelle ore di sole, l'energia elettrica da utilizzare poi durante la notte e quando il sole è coperto. L'energia viene conservata in batterie (normalmente piombo-acido) ed un regolatore di carica impedisce che la tensione di carica superi un certo valore per salvaguardare l'integrità degli accumulatori.
Gli impianti con accumulo sono impiegati nelle "utenze isolate", cioè là dove gli utilizzatori non sono collegati alla rete, e quindi, se la loro fonte di elettricità fosse quella solare, ne rimarrebbero senza proprio la notte, quando la luce è indispensabile. Gli impianti senza accumulo sono normalmente utilizzati per fornire energia a una rete elettrica già alimentata da generatori convenzionali e servono ad immettervi altra energia.

Attualmente la quasi totalità dei moduli fotovoltaici in commercio sono costruiti partendo da semiconduttori al silicio, le applicazioni sono essenzialmente per piccole potenze e sopratutto per utenze isolate dove sarebbe oneroso collegarsi con la rete elettrica e non sussistano altre fonti primarie quali venti costanti, corsi/salti d'acqua ecc., esistono centrali solari di qualche MWp più che altro utili a testare le tecnologie maturate, i costi degli impianti attualmente funzionanti non sono competitivi con gli altri sistemi di generazione di energia elettrica.

Una centrale fotovoltaica di potenza:

E' costituita da un insieme di moduli fotovoltaici

I moduli sono costituiti da un insieme di celle

Più moduli collegati insieme formano un pannello che può essere utilizzato anche per piccoli sistemi.

Un insieme di pannelli, collegati elettricamente in serie, costituiscono una stringa .

Più stringhe, collegate generalmente in parallelo, costituiscono un campo di una centrale fotovoltaica

La centrale fotovoltaica di Serre, in provincia di Salerno, è stata la più grande d'Europa fino al 2002, ha una potenza di 3,3 MWp

L'attuale centrale fotovoltaica di maggior potenza è di 10 MWp ed è installata in Germania

Un modulo fotovoltaico è composto, come si può notare dalla figura a lato, anteriormante da uno speciale vetro temprato di spessore 4mm che permette il passaggio della luce e protegge la parte attiva. Tra il vetro e le celle fotovoltaiche viene interposto un sottile strato di vinilacetato di etilene (EVA) trasparente che contiene addittivi che ne ritardano l'ingiallimento dovuto all'esposizione ai raggi ultravioletti durante la vita operativa del modulo. Lo scopo dell'EVA è triplice: evitare un contatto diretto tra cella e vetro, eliminare gli interstizi ed isolare elettricamente la parte attiva del resto del laminato. Poi abbiamo la cella, che è' il componente base dei sistemi fotovoltaici, un dispositivo costituito da una sottile fetta ( 0,3 mm ) di materiale semiconduttore (wafer), in genere silicio, opportunamente trattata. Tale trattamento è caratterizzato da diversi processi chimici, tra i quali si hanno i cosiddetti "drogaggi". Sul retro della cella viene posto un ulteriore foglio di EVA, con funzioni analoghe a quello utilizzato anteriormente. A chiusura del sandwich realizzato, viene in genere utilizzato un foglio di polivinile fluorato Tedlar (in genere di colore bianco), eventualmente rinforzato con fogli metallici e polimerici per aumentare la sua impermeabilità all'ossigeno e all'acqua. In alternativa è possibile è possibile usare un altro vetro con caratteristiche meccaniche e trasmissive della luce inferiori a quelle previste per il vetro anteriore: un modulo realizzato i questo modo viene denominato a doppio vetro

La conversione da luce a energia elettrica effettuata dalla cella fotovoltaica avviene essenzialmente perché questi portatori di carica liberi, generati dalla luce, sono spinti in direzioni opposte dal campo elettrico incorporato. Una volta attraversato il campo, gli elettroni liberi non tornano più indietro, perché il campo, agendo come un diodo, impedisce loro di invertire la marcia.

Perciò, quando la luce incide sulla cella fotovoltaica, le cariche positive sono spinte in numero crescente verso la parte superiore della cella e le cariche negative verso quella inferiore, o viceversa, a seconda del tipo di cella. Se la parte inferiore e quella superiore sono collegate da un conduttore, le cariche libere lo attraversano e si osserva una corrente elettrica.

Fino a quando la cella resta esposta alla luce, l'elettricità fluisce con regolarità sotto forma di corrente continua.

Di tutta l'energia che investe la cella solare sotto forma di radiazione luminosa, solo una parte viene convertita in energia elettrica disponibile ai suoi morsetti. L'efficienza di conversione per celle commerciali al silicio è in genere compresa tra il 13 % e il 20%, mentre realizzazioni speciali di laboratorio hanno raggiunto valori del 32,5%.

I motivi di tale bassa efficienza sono molteplici e possono essere raggruppati in quattro categorie:

riflessione : non tutti i fotoni che incidono sulla cella penetrano al suo interno, dato che in parte vengono riflessi dalla superficie della cella e in parte incidono sulla griglia metallica dei contatti;
fotoni troppo o poco energetici : per rompere il legame tra elettrone e nucleo è necessaria una certa energia, e non tutti i fotoni incidenti possiedono energia sufficiente. D'altra parte alcuni fotoni troppo energetici generano coppie elettrone-lacuna, dissipando in calore l'energia eccedente quella necessaria a staccare l'elettrone dal nucleo.
ricombinazione : non tutte le coppie elettrone-lacuna generate vengono raccolte dal campo elettrico di giunzione e inviate al carico esterno, dato che nel percorso dal punto di generazione verso la giunzione possono incontrare cariche di segno opposto e quindi ricombinarsi;
resistenze parassite : le cariche generate e raccolte nella zona di svuotamento devono essere inviate all'esterno. L'operazione di raccolta viene effettuata dai contatti metallici, posti sul fronte e sul retro della cella. Anche se durante la fabbricazione viene effettuato un processo di lega tra silicio e alluminio dei contatti, resta una certa resistenza all'interfaccia, che provoca una dissipazione che riduce la potenza trasferita al carico. Nel caso di celle al silicio policristallino, l'efficienza è ulteriormente diminuita a causa della resistenza che gli elettroni incontrano ai confini tra un grano e l'altro e, ancor più nel caso di celle al silicio amorfo, per la resistenza dovuta all'orientamento casuale dei singoli atomi.

L' efficienza di queste celle fotovoltaiche in commercio attualmente e nell'ordine del 12-20%,

Per la produzione, l'installazione e la manutenzione in 20 anni di un sistema da 1 kWp occorrono 6-9 MWh di energia.

L'energia prodotta in 20 anni da un sistema FV da 1 kWp è di 18-28 MWh, a seconda della latitudine e della buona manutenzione dell'impianto, possono durare anche più di 30 anni. Il costo di un impianto con celle in silicio monocristallino è attualmente nell'ordine di 5000-8.000 € al kWp, il costo minore è per impianti di taglia maggiore, il costo di manutenzione è di 50 -100 € all'anno.

Il wafer di monocristallo si produce con il metodo Czochralsky , basato sulla cristallizzazione di un "seme" di materiale molto puro, che viene immerso nel silicio liquido e quindi estratto e raffreddato lentamente per ottenere un "lingotto" di monocristallo, che avrà forma cilindrica (da 13 a 30 cm di diametro e 200 cm di lunghezza). Successivamente le celle ottenute affettando questo cilindro vengono squadrate non completamente, lasciando i caratteristici angoli smussati, a volte anche a forme ottagonali, il colore è uniforme.

Con una nuova linea concettuale si procede cristallizzando direttamente su un supporto un film sottile di silicio, ottenendo così qualcosa di simile ad una cella in silicio cristallino ma con i vantaggi delle celle a film sottili, quindi minori costi e maggiori possibilità di industrializzazione della produzione.

L' efficienza di queste celle fotovoltaiche in commercio attualmente è nell'ordine del 10-15%,

Per la produzione, l'installazione e la manutenzione in 20 anni di un sistema da 1 kWp occorrono 4-7 MWh di energia.
L'energia prodotta in 20 anni con questi sistemi FV da 1 kWp è di 16-25 MWh, a seconda della latitudine e della buona manutenzione dell'impianto, possono durare anche più di 30 anni. Il costo di un impianto con celle in silicio policristallino è attualmente di circa 4.000 -7.000 € al kWp, il costo diminuisce se l'impianto è di taglia maggiore.

Il wafer di multicristallo si origina dalla fusione e successiva ricristallizzazione del silicio di scarto dell'industria elettronica ("scraps" di silicio). Da questa fusione si ottiene un "pane" che viene tagliato verticalmente in lingotti con forma di parallelepipedo, per cui i wafer ottenuti hanno forma squadrata e le caratteristiche striature. Attualmente più dell'80% dei sistemi fotovoltaici in commercio sono con celle in silicio poli e mono cristallo.

Con l'amorfo, in realtà, non si può parlare di celle, in quanto si tratta di deposizioni di silicio (appunto allo stato amorfo) in film sottili su superfici che possono anche essere ampie, attualmente è la tecnologia che più rappresenta la soluzione "thin film" a livello commerciale, con una quota del 5% circa sul totale mercato fotovoltaico. I moduli in silicio amorfo possono avere efficienze del 4-6% quelli monogiunzione e 7-10% con le tecnologie a doppia o tripla giunzione che sfruttano una più larga banda dello spettro solare utile.

Per la produzione di un pannello da un kWp occorrono 3-5 MWh di energia. L'energia prodotta nella vita media (20 anni) da un pannello FV da 1 kWp è 10-18 MWh secondo la tecnologia adottata. Il costo di un impianto con celle in silicio policristallino è attualmente di circa 6-9.000 € al kWp, il costo diminuisce se l'impianto è di taglia maggiore.

Il maggiore vantaggio dei moduli in silicio amorfo è la potenziale versatilità nell' integrazione architettonica dei moduli FV, sia per quanto concerne la forma che le tonalità cromatiche, fino ad ottenere anche superfici semitrasparenti utilizzabili in facciate vetrate.

* Energy Return On Energy Investment: Considerando una produzione di 1.200 kWh/anno e 20 anni di vita impianto