Teoria sui pannelli fotovoltaici

Com'e' fatto un pannello fotovoltaico?

Occorre la luce diretta del Sole o è sufficiente la luminosità?
 

Le caratteristiche nominali del pannello (potenza, tensione, corrente nominali) si ottengono con un'esposizione diretta del pannello al Sole, con un irraggiamento nominale di 1000 Watt/metro quadro, 25°C di temperatura, posizione perpendicolare ai raggi del sole, e assenza di ombreggiamenti. I pannelli fotovoltaici producono energia anche in condizioni di luce indiretta, irraggiamento inferiore al nominale, sole non perpendicolare, cielo nuvoloso, presenza di ombreggiamenti, ma in misura molto minore. Per l'utilizzo ottimale, un pannello fovotoltaico andrà orientato a Sud, e inclinato di 30-35° sull'orizzontale.

E' meglio un pannello Monocristallino? Policristallino? Amorfo? CIS?

Ogni tipologia di pannello presenta vantaggi e svantaggi:

	- i pannelli al silicio monocristallino sono tuttora i pannelli con la maggior efficienza per unità di superficie, cioè quelli che producono la maggior potenza (Watt) al metro quadro. Per contro sono soggetti ad un significativo calo di corrente in caso di insolazione parziale e/o di ombreggiatura. I pannelli prodotti industrialmente hanno rendimenti del 14-15%, con punte del 18% per alcuni modelli.
	- i pannelli al silicio policristallino sono molto simili come caratteristiche al silicio monocristallino, con analoghi pregi e difetti, ed un'efficienza leggermente minore (13-14%), che peraltro si ripercuote soltanto in una superficie leggermente maggiore
	- i pannelli al silicio amorfo hanno efficienza sensibilmente minore dei pannelli al silicio mono/policristallino (6-8%), e quindi a parità di potenza occupano una superficie più che doppia. In compenso sono soggetti ad un minor calo di corrente in caso di insolazione parziale e di ombreggiatura, e quindi ragionando in termini di energia prodotta nell'arco dell'anno, possono talvolta risultare più efficaci del silicio cristallino, se installati in zone con clima poco soleggiato. Inoltre consentono l'esecuzione di pannelli flessibili
	- i pannelli CIS e CIGS non sono basati sul silicio, come materiale fotosensibile, ma su Rame (C=Copper), I= Indio, S=Selenio, G=Gallio E' una tecnologia a film sottile che presenta caratteristiche intermedie di rendimento tra il silico cristallino ed il silicio amorfo, (intorno al 10-11%), buona risposta anche alle situazioni di insolazione intermedia, e flessibilità di supporto. Per contro al momento i produttori di questa tecnologia a livello mondiale non sono numerosi.

Nuove tecnologie si stanno affacciando sul mercato, ma con diffusione al momento non altrettanto ampia come quelle sopracitate:
- CdTe (Telloruro di Cadmio)
- Nanotecnologie
- Solare a concentrazione

Che tipo di corrente produce un pannello fotovoltaico?

Un pannello fotovoltaico produce una corrente continua, in bassa tensione, mediamente sui 12-24V (con alcune eccezioni di tensioni superiori). I valori nominali che leggiamo sulla targhetta dei pannelli sono in effetti superiori (18-40V), ma dal punto di vista operativo tali tensioni servono per far funzionare apparecchiature con tensione nominale di 12 o 24V.

Secondo i modelli, la corrente prodotta da un pannello fotovoltaico varia da pochi milliAmpere di piccolissime applicazioni fino ad un valore massimo di c.a. 10A, per i pannelli attualmente in commercio.
Quando la corrente di un solo pannello non è sufficiente per la propria applicazione, si possono collegare più pannelli insieme (in serie o in parallelo), moltiplicando in tal modo la potenza erogata

Che cosa posso alimentare con un pannello fotovoltaico?
Precisiamo innanzitutto che normalmente i pannelli fotovoltaici non alimentano direttamente le apparecchiature, in quanto la corrente prodotta da un pannello è variabile a seconda dell'ora, dell'insolazione, dell'inclinazione, ecc...

Il compito dei pannelli fotovoltaici è quello di caricare una batteria, che a sua volta alimenta le apparecchiature, scaricandosi e venendo poi ricaricata dai pannelli stessi.

In tal caso occorre un apparecchio aggiuntivo che si chiama "inverter", il cui compito è quello di convertire la tensione 12V in corrente continua generata dal pannello nella normale corrente alternata a 220V presente in casa.

Come è fatto un modulo fotovoltaico? Un modulo fotovoltaico è un insieme di celle fotovoltaiche realizzate in silicio cristallino interconnesse tra di loro. Il silicio in forma cristallina è un semiconduttore:  l'energia di una radiazione elettromagnetica (il sole nel nostro caso, quindi il fotone) che colpisce questo materiale causa il "distacco" di un elettrone dagli atomi di silicio, generando una corrente elettrica. Più è bassa la quantità di energia necessaria per causare il distacco, più la cella è efficiente, ovviamente. Come si può immaginare, l'efficienza del 100% la si ottiene quando per ogni fotone si ottiene un elettrone. La cella fotovoltaica è formata da più strati:  lo strato più profondo è di silicio cristallino (normalmente drogato) mentre quello immediatamente superiore è un conduttore dove "confluiscono" gli elettroni rilasciati dal silicio (e che quindi, semplificando alla massima potenza, permettono il passaggio della corrente elettrica). Sotto il silicio viene sistemato uno strato di isolante che non deve reagire con la temperatura: il materiale che viene usato normalmente è l'EVA (acetato di vinile). Sopra il materiale conduttore viene infine sistemato un vetro protettivo antiurto, antigraffio e antiriflesso per la parte che va a contatto con lo strato sottostante.

• 60-70% di vetro con uno spessore che può variare da 3 a 4 mm
• 15-25% telaio alluminio
• 4% delle celle di silicio
• 1% delle scatole di giunzione
• 7-8% di EVA

Quanto costa produrre un modulo fotovoltaico? 
Eccoci alla domanda dolente: considerando l'estrazione dei minerali utilizzati per la realizzazione, il trasporto e tutte le lavorazioni connesse, un modulo fotovoltaico costa (energia grigia) 3-4MWh/kWpicco nel caso di silicio amorfo e 5-7MWh/kWpicco nel caso di silicio poli o monocristallino. Un valore decisamente alto che viene ammortizzato in 3 anni se installato in una regione del Sud Europa (Africa del nord/Sicilia), in 6 anni se ci spostiamo sulla fascia centrale dell'Europa (compresi i paesi del nord Italia).


Efficienza di un modulo fotovoltaico In condizioni ideali, un modulo fotovoltaico, decade in particolare per l'ossidazione dei contatti elettrici e per la riduzione della trasparenza (per invecchiamento) del vetro protettivo il modulo fotovoltaico. In commercio troviamo moduli con efficienza nominale che difficilmente superara il 14/15%.  Questa efficienza viene erosa annualmente di circa il 2%: dopo 5 anni, quindi, l'efficienza globale del nostro modulo sarà scesa al 13,5% e dopo 10 anni raggiungerà l'11%. I pannelli fotovoltaici non sono eterni, insomma. Anzi.

Smaltire un modulo fotovoltaico
Come fatto notare in precedenza, lo smaltimento è un processo per nulla semplice essendo il pannello composto di più materiali, tra cui anche terre rare o metalli pesanti. Se per il silicio ed il vetro del primo strato non ci sono problemi, tutte le connessioni, l'alluminio ed i cavi vengono spesso riutilizzati in ambito edilizio. Anche l'EVA in generale è un materiale "facilmente" ricondizionabile, così come anche tutti i metalli pesanti o rari che sono impiegati nella costruzione del modulo stesso. Come si può intuire, soprattutto per la tipologia di costruzione (a strati) un pannello deve essere smaltito in appositi centri, come il PV CYCLE tedesco (nato nel 2007) in grado di recuperare circa il 90% dei materiali.
Tutto questo ha ovviamente un costo: mediamente, una tonnellata di pannelli viene smaltita ad un costo di 25o€. Un impianto casalingo da una decina di KWp comprende circa 400Kg di pannelli, corrispondenti quindi a circa 120€. Che tradotto in energia significa circa 1MWh o poco meno.

Nel caso ideale, qual'è l'energia massima producibile da un impianto fotovoltaico?
Il sole irradia la superficie della nostra atmosfera con una potenza pari a 1.353W/m2, ovvero 32.5KWh/m2/giorno. Alla nostra latitudine (40° nord) questa potenza decresce raggiungendo 8KWh/m2/giorno. L'atmosfera influisce ovviamente su questo valore (assorbimento e diffusione) e, a terra, si riduce ad appena 5.5KWh/m2/giorno in una giornata limpida, senza quindi nubi e smog. Considerando che le nuvole riducono di circa il 30% l'energia e lo smog di un 5% medio, una stima decente è quella di ottenere, nella pianura padana, un valore pari  a 3.8KWh/m2/giorno e in Sicilia di 5KWh/m2/giorno.

Quindi, in una città del Nord Italia, con un'efficienza dei pannelli solari del 100% (li hanno appena inventati: MEG: Il pannello solare con efficienza del 114% è realtà) e ipotizzando che gli stessi siano sempre orientati verso il sole (quindi con inseguitori) e sempre perfettamente puliti ed efficienti, dimenticatevi di produrre più di  3.8KWh/m2/giorno. Troppo poco.

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