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La cella fotovoltaica e i pannelli solari
L'elemento principale delle celle FV é il silicio.
In natura esso non compare in forma pura, ma sotto forma di composti insieme ad altri elementi. Per la produzione di celle FV però il silicio deve essere purissimo, ed é proprio la purificazione il processo più impegnativo e dispendioso.
Una volta purificato il silicio, si taglia in tanti dischetti finissimi e si
"droga" con altri atomi di altri materiali, realizzando una giunzione P-N .
Il dischetto così trattato può già essere chiamato cella FV, dato che in questo stato possiede le proprietà di semiconduttore e in principio può già funzionare.
Quando la luce irradia la cella, i fotoni (particelle che rappresentano la luce da un punto di vista quantistico) urtano contro la cella e l’urto fornisce abbastanza energia per far si che gli elettroni migrino verso la zona P e le lacune verso la zona N della giunzione creando così una tensione elettrica nei cristalli di silicio che può essere prelevata dalla superficie attraverso degli elettrodi.
Una cella standard (10x10cm), in caso di pieno irradiamento solare, fornisce una tensione di circa
0,5V e una corrente di circa 3A, vale a dire una potenza di circa 1,5W.
Per raggiungere la potenza desiderata e per proteggere le celle dai fattori atmosferici (vento, neve, pioggia/ghiaccio, ecc.), esse vengono collegate elettricamente e incapsulate.
Per aumentare la potenza le singole celle vengono assemblate a formare i cosiddetti moduli.
Il materiale di incapsulazione deve garantire l’isolamento elettrico, un’adeguata resistenza alle tensioni, ai raggi UV e alle intemperie, alle forti escursioni termiche e inoltre deve garantire un ciclo di vita del modulo di almeno venti anni.
Per soddisfare questi requisiti le celle vengono inserite tra un vetro superiore ad alta
trasparenza e uno schienale rigido. Quest’ultimo può essere anch’esso di vetro
oppure composto da un multistrato di pellicole plastiche. In entrambi i casi vi è una
pellicola di EVA (etilenvinilacetato) che protegge le celle da entrambi i lati.
Come alternativa alla pellicola di EVA si può utilizzare una colata di resina, ma solo
se si tratta di moduli vetro-vetro; questo materiale presenta dei vantaggi soprattutto
nella produzione di moduli FV di grandi dimensioni.
I moduli FV possono avere diverse forme e dimensioni (fino a circa 2 x 3 m), utilizzando i tipi di celle e di vetro che il cliente desidera. La semitrasparenza e l’effetto ottico dei moduli cristallini possono essere direttamente determinate e adeguate alle diverse situazioni, semplicemente variando la distanza tra le celle oppure utilizzando come schienale vetri con diffusione della luce.
Un particolare trattamento della superficie delle celle cristalline permette di ottenere anche altri colori oltre a quello blu tipico (per esempio magenta, oro, verde o grigio).
A seconda dei loro processi di produzione, si distinguono i seguenti tipi di celle fotovoltaiche:
Celle monocristalline:
Dal silicio di elevata purezza (99.9998%) viene trafilata una colonna di cristallo con un diametro di circa 10 cm e una lunghezza di 1 m. Il vantaggio principale é un alto rendimento (fino al 16%). Questo tipo di celle é però molto costoso a causa del complicato processo di purificazione. Le celle di tipo monocristallino sono caratterizzate usualmente da un'omogenea colorazione blu.
Celle policristalline:
Vengono colate in blocchi e poi tagliate a dischetti. Il rendimento é minore (10-12%), ma anche il prezzo perché il materiale è purificato in misura inferiore alle celle mponocristalline. Questo tipo di celle é riconoscibile da un disegno ben distinguibile (a causa dei vari cristalli contenuti).
Celle amorfe:
Vengono prodotte mediante spruzzamento catodico di atomi di silicio su una piastra di vetro. Questo tipo di cella ha il rendimento minore (ca. 4-8%), ma si adatta anche al caso di irradiamento diffuso (cielo coperto, ecc.). Le celle così prodotte sono riconoscibili da un caratteristico colore scuro.
Impianti a pannelli solari
Gli impianti elettrici a pannelli solari possono essere
"Ad Isola" o "In Rete".
Quelli ad isola funzionano indipendentemente dalla rete elettrica pubblica. Questo tipo di impianto viene impiegato principalmente per l'alimentazione di apparecchi in zone isolate, o nel caso sia richiesta grande mobilità. Per poter disporre di energia elettrica anche durante le ore notturne l'energia fornita durante il giorno dai moduli FV viene immagazzinata da accumulatori.
Un semplice impianto fotovoltaico ad isola é composto dai seguenti elementi:
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Cella solare: per la trasformazione di energia solare in energia elettrica. Per ricavare più potenza vengono collegate tra loro diverse celle.
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Regolatore di carica: é un apparecchio elettronico che regola la ricarica e la scarica degli accumulatori.
Uno dei suoi compiti é di interrompere la ricarica ad accumulatore pieno.
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Accumulatori: sono i magazzini di energia di un impianto fotovoltaico. Essi forniscono l'energia elettrica quando i moduli non sono in grado di produrne, per mancanza di irradiamento solare.
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Invertitore: trasforma la corrente continua proveniente dai moduli e/o dagli accumulatori in corrente alternata convenzionale a 230V. Se l'apparecchio da alimentare necessita di corrente continua si può fare a meno di questa componente.
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Utenze: apparecchi alimentati dall'impianto FV.
Lo schema degli impianti FV a immissione in rete è analogo. Essi possono essere definiti come centrali elettriche, forniscono infatti energia direttamente alla rete pubblica di distribuzione dell'energia elettrica
Un problema che si può riscontrare nel pannelli solari è costituito dal pericolo di surriscaldamento di una cella anche parzialmente in ombra mentre il resto del modulo si trova esposto al sole. In determinate condizioni di funzionamento la cella in ombra si può comportare come un utente elettrico che viene alimentato dalle altre celle. La potenza che viene trasformata
all'interno della cella la riscalda portando in casi estremi al danneggiamento
dell'incapsulazione ed eventualmente di tutto il modulo.
Per evitare ciò si collegano dei diodi-bypass antiparalleli a un determinato numero di celle collegate in serie, in modo che la corrente possa fluire attraverso il diodo saltando la cella in ombra e quindi evitando di riscaldarla.
Centrali in Italia
La centrale di Serre (SALERNO) è attualmente la più grande centrale fotovoltaica operante al mondo; si sviluppa su un'estensione di territorio pari a circa 5 ettari e mezzo, con una superficie di pannelli installati di 26.500 mq.
Il campo fotovoltaico (il complesso di tutti i pannelli produttivi) è ulteriormente suddiviso in sezioni, o sottocampi: 9 di questi sono fissi, cioè i pannelli non si muovono, mentre il decimo è definito come "sottocampo ad inseguimento solare". In questo caso infatti i pannelli variano automaticamente la propria inclinazione in modo da trovarsi sempre nella posizione ottimale per raccogliere il massimo di luce dal sole nell'arco della giornata. La potenza installata è di 3,3 MW.
Saluti Natalia MARSILIA
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