L'effetto fotovoltaico
A partire dagli anni 60 il Silicio, già utilizzato dall'edilizia fino alla costruzione di prodotti elettronici, diventa fonte di energia grazie alla scoperta dell'effetto fotovoltaico. Il Silicio, un semiconduttore facilmente reperibile in natura, se trattato opportunamente induce l'effetto fotovoltaico ovvero la genesi di una carica elettrica. Inizialmente applicata soltanto all'alimentazione dei satelliti artificiali, verso gli anni 70 la tecnologia fotovoltaica entra a far parte della grande distribuzione con la distribuzione della prima cella fotovoltaica nei supermercati USA. Alla base dell'effetto fotovoltaico sta il processo di drogaggio del Silicio, ovvero l'inserimento fra gli atomi di Silicio di alcune impurità, specificamente alcuni atomi di Boro o di Forforo. Ogni atomo di Silicio ha in comune con gli altri intorno a se quattro elettroni, gli atomi del drogaggio presentano invece un numero inferiore o superiore di elettroni. Nel caso del Boro tre, in quello del Forforo cinque. Ponendo due placche di Silicio l'una accanto all'altra, l'una drogata con Boro (P) e l'altra con Forforo (N), si crea un'instabilità che può essere attivata se soggetta ad un'energia esterna.
Produzione di energia fotovoltaica
L'energia esterna è quella solare. La luce del sole è composta di fotoni che, penetrando nella struttura reticolare degli atomi di silicio, resa irregolare dal drogaggio, producono un'instabilità degli elettroni. Una parte di questa energia viene riflessa, una parte si trasforma in calore, e una parte induce uno spostamento di elettroni dalla placca P alla placca N inducendo un corrente elettrica. La corrente elettrica prodotta è proporzionale sia alla superficie delle placche che all'energia solare stessa. Ad esempio una cella quadrata di lato 10 cm, in condizioni di piena illuminazione, produce una potenza elettrica di circa 1,3 W con una tensione di 0,5 V. Per aumentare l'energia prodotta dall'effetto fotovoltaico è possibile collegare le celle in serie o in parallelo componendo un modulo fotovoltaico. La modularità del fotovoltaico rappresenta uno dei suoi principali vantaggi, rendendo possibile la sua applicazione sia a piccoli che a grandi impianti.
Impianti fotovoltaici
Gli impianti fotovoltaici possono essere isolati o collegati alla rete. I primi sono utilizzati per utenze isolate altrimenti difficilmente collegabili alla rete elettrica. Un impianto isolato deve coprire l'intero fabbisogno dell'utenza ed è quindi caratterizzato dalla presenza di regolatori di potenza e batterie per l'accumulo della corrente in eccesso oltre che da un inverter, nel caso siano presenti apparecchiature che richiedono corrente alternata. Gli impianti isolati sono comunemente usati nell'elettrificazione rurale e montana oltre che per la segnaletica di strade, porti ed aeroporti. Gli impianti collegati alla rete sono invece caratterizzati dallo scambio di energia con la rete elettrica pubblica. Nelle ora in cui l'impianto fotovoltaico non fornisce energia questa viene presa dalla rete, viceversa l'energia in eccesso prodotta dall'impianto, nelle ore di maggior illuminazione, viene reintrodotta nella rete. Un impianto collegato alla rete non richiede batterie ma richiede sempre un inverter.
Domande frequenti
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Come funziona esattamente l'effetto fotovoltaico nelle celle solari?L'effetto fotovoltaico sfrutta il silicio, un semiconduttore trattato con impurità come boro o fosforo (drogaggio). Si creano così due strati: uno positivo (P) e uno negativo (N). Quando i fotoni della luce solare colpiscono la cella, trasferiscono energia agli elettroni, generando instabilità e causando lo spostamento degli elettroni dallo strato P allo strato N. Questo movimento genera una corrente elettrica continua. La quantità di energia prodotta dipende direttamente dalla superficie della cella e dall'intensità della radiazione solare incidente.
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Quanta energia produce una singola cella fotovoltaica standard?Una cella fotovoltaica quadrata con lato di 10 cm, sotto piena illuminazione solare, produce generalmente circa 1,3 watt di potenza elettrica con una tensione di 0,5 volt. Poiché questa quantità è ridotta per usi domestici o industriali, le celle vengono collegate tra loro in serie o in parallelo per formare moduli più grandi. Questa modularità permette di scalare la produzione energetica in base alle esigenze specifiche dell'impianto, dai piccoli dispositivi ai grandi parchi solari.
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Qual è la differenza principale tra un impianto fotovoltaico isolato e uno connesso alla rete?La differenza fondamentale risiede nello stoccaggio e nello scambio energetico. Un impianto isolato opera indipendentemente dalla rete pubblica ed è dotato di batterie per accumulare l'energia in eccesso, necessaria quando il sole non splende; è ideale per zone remote o rurali. Al contrario, un impianto connesso alla rete scambia energia con il gestore elettrico: preleva corrente quando l'impianto non produce e immette l'eccesso nella rete durante le ore di picco. Non necessita di batterie, ma richiede comunque un inverter per convertire la corrente continua in alternata.
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È obbligatorio avere le batterie in un impianto fotovoltaico moderno?No, non è obbligatorio. Negli impianti moderni connessi alla rete elettrica pubblica, le batterie non sono necessarie perché la rete funge da 'bacheca virtuale': l'energia prodotta in eccesso viene immessa nella rete e recuperata successivamente tramite meccanismi di compensazione. Le batterie sono essenziali solo per gli impianti isolati (stand-alone), tipici di abitazioni remote o infrastrutture fuori rete, dove non esiste alcun collegamento con il distributore elettrico e lo stoccaggio locale è vitale per garantire continuità di servizio.
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Cosa succede all'energia solare che non viene convertita in elettricità?Quando la luce solare colpisce una cella fotovoltaica, non tutta l'energia viene trasformata in elettricità. Una parte significativa viene riflessa dalla superficie del pannello senza interagire con il materiale. Un'altra porzione si trasforma in calore, riscaldando la struttura della cella. Solo la restante frazione attiva il movimento degli elettroni attraverso il drogaggio del silicio, generando la corrente utile. L'efficienza complessiva del sistema dipende quindi da quanto bene si riesce a minimizzare riflessione e dispersione termica massimizzando la conversione fotoelettrica.
