Come Funzionano i Pannelli Solari?

Sappiamo tutti che i pannelli fotovoltaici convertono l’energia del sole in elettricità sia per utilizzi domestici che industriale, ma come funzionano effettivamente i pannelli solari e quali sono le varie tecnologie disponibili?

Componenti di un impianto fotovoltaico

Per capire come funziona un impianto fotovoltaico è bene conoscere quali sono le parti che lo costituiscono. Vediamo insieme i principali componenti:

• Pannelli solari: I singoli pannelli fotovoltaici sono costituiti da gruppi di “celle” solari. Le celle sono fatte di un materiale speciale chiamato semiconduttore e sono raggruppate insieme formando un pannello o un modulo. I moduli sono poi collegati tra loro in un gruppo, noto come “array”.
• L’inverter: l’energia generata da un impianto fotovoltaico è corrente continua. Le abitazioni tuttavia funzionano con il sistema a corrente alternata, più sicuro e affidabile. Per questo motivo si utilizza un inverter per convertire la corrente continua in corrente alternata utilizzabile all’interno dell’abitazione.
• La scatola dei fusibili: dall’inverter la corrente arriva alla scatola dei fusibili per essere distribuita in casa ed essere così utilizzata dagli elettrodomestici. Questo assicura che la corrente sia sicura e che la nostra casa sia protetta da eventuali sbalzi di tensione.
• Il contatore: A seconda del tipo di impianto fotovoltaico installato, esistono diversi tipi di contatore. Per le nuove installazioni, verrà installato un pannello per misurare non solo la quantità di energia prodotta, ma anche quella in eccesso che viene reimmessa nella rete, consentendo al proprietario di casa di richiedere un pagamento da parte dell’operatore energetico. Alcuni impianti possono anche essere dotati di display che consentono di conoscere la produzione di energia in tempo reale e altri dettagli sulle prestazioni del sistema.

Le celle fotovoltaiche

Tutte le celle solari sono costituite da un materiale semiconduttore, il più comune dei quali è il silicio. Questi materiali hanno proprietà chimiche speciali che sono alla base della generazione di energia attraverso l’irraggiamento solare. Un atomo di silicio ha 14 elettroni disposti su tre gusci. I primi due gusci sono pieni, con due e otto elettroni ciascuno, ma il guscio finale è pieno solo a metà, con soli 4 elettroni. Ciò significa che gli atomi sono portati a “tenersi per mano” con gli atomi vicini, creando la cosiddetta struttura “cristallina”.

Quando si aggiunge energia al silicio puro, alcuni di questi elettroni rompono i loro legami e lasciano gli atomi. Conosciuti come “portatori liberi”, questi elettroni vagano per la struttura cristallina, carichi di energia, alla ricerca di un nuovo posto dove legarsi. Tuttavia, nel silicio puro ci sono così pochi di questi portatori liberi che risulta essere un conduttore di elettricità piuttosto scarso.

Per rendere efficiente una cella solare, è necessario aggiungere un’agente esterno. Lungi dall’essere un male, queste impurità trasformano un’inutile lastra di silicio in una tecnologia altamente efficiente per la generazione di elettricità. Il fosforo viene spesso utilizzato all’interno dei pannelli, soprattutto perché la sua composizione chimica gli conferisce cinque elettroni orbitanti. Ciò significa che ha quattro “mani” per mantenere il legame con gli atomi di silicio, ma ha anche una “mano di riserva” che non è legata a nulla. In questo modo è molto più facile far uscire uno degli elettroni dalla sua orbita, rendendo il silicio un conduttore di energia più efficiente. A causa dell’elevato numero di elettroni liberi in questo tipo di pannello, si parla di silicio di “tipo N” (tipo negativo).

Ma la scienza non finisce qui. Sull’altro lato di una cella solare, il silicio è mescolato con atomi di boro, un elemento che ha solo tre elettroni nel suo guscio esterno. Quando si applica energia a questo tipo di silicio, nella struttura rimangono dei “buchi” in cui non ci sono abbastanza elettroni. Ciò conferisce al pannello una carica positiva, creando il cosiddetto silicio di “tipo P”.

Quando si mettono insieme questi due pezzi di silicio con carica opposta, i portatori liberi del lato N si precipitano a riempire i buchi del lato P. Questo crea un campo elettrico che è il meccanismo alla base del funzionamento dei pannelli fotovoltaici. Riassumendo: quando l’energia solare, trasportata sotto forma di “fotoni”, colpisce il pannello, le coppie di elettroni vengono interrotte. Il movimento degli elettroni genera una corrente e il campo elettrico della cella fornisce la tensione; tensione più corrente = energia.

Tipi di pannelli solari

Il materiale più comune per i pannelli fotovoltaici è il silicio. Tuttavia, il silicio si presenta in diverse forme, ciò influisce sulle prestazioni, sul costo e sull’efficienza dell’impianto nel suo complesso. Vediamo assieme le principali tipologie di pannelli solari per installazioni domestiche:

• Monocristallini: Hanno un’efficienza leggermente superiore rispetto alle altre tecnologie, anche se i policristallini negli ultimi anni hanno recuperato terreno. I pannelli monocristallini sono generalmente più costosi rispetto alle altre alternative e, se la differenza di prestazioni (e di aspetto) valgano la differenza, questo dipende unicamente dalle preferenze individuali e dalle caratteristiche del singolo impianto. Spesso la qualità e l’affidabilità del produttore sono più importanti rispetto alla tecnologia utilizzata.
• Policristallino: È il tipo di pannello più comunemente utilizzato per impianti domestici e fornisce un’efficienza del 14-16% ad un costo ragionevole.
• Film sottile/amorfo: ha il vantaggio di poter essere montato su superfici curve e di avere uno spessore ridotto, tuttavia questo ha un costo in termini di resa. L’efficienza tipica è solo del 5-10%, tuttavia è una tecnologia che funziona bene anche in condizioni di luce diffusa.
• Ibridi: i pannelli ibridi utilizzano un sottile strato di film amorfo dietro celle monocristalline, estraendo ulteriore energia dalla luce solare e ottenendo un sistema nel complesso più efficiente. Questi pannelli sono però sono molto più costosi rispetto agli altri modelli e quindi non risultano convenienti per la maggior parte delle famiglie.

Quale tipo di pannello solare è più adatto alle vostre esigenze?

Quando si tratta di capire quale sia il tipo di pannello migliore, è necessario considerare quale sia il fattore per voi più importante. Di seguito, abbiamo elencato quattro aspetti fondamentali per chi sta pensando di passare al fotovoltaico:

• Convenienza: I pannelli monocristallini dato il loro costo elevato potrebbero essere fuori discussione se avete un budget limitato. In questo caso, è meglio optare per i pannelli solari policristallini: i costi iniziali non sono così elevati e sono comunque più efficienti nell’assorbire l’energia rispetto ai pannelli a film sottile.
• Estetica: Se siete più preoccupati dell’aspetto piuttosto che del costo, i pannelli monocristallini sono la scelta giusta. Questi pannelli hanno un aspetto moderno e simmetrico che si adatta perfettamente a qualsiasi tipo di architettura.
• Mancanza di spazio sul tetto: Pensate che il vostro tetto non ha abbastanza spazio per i pannelli? Il film sottile può aiutarvi in questo caso. La sua capacità di piegarsi intorno agli oggetti significa che sarete comunque in grado di sfruttare l’energia solare anche con uno spazio a disposizione limitato. Tuttavia, è bene chiedersi se ne valga la pena considerando il basso livello di efficienza di questa tecnologia. Se il film sottile non fa per voi, potete sempre trovare pannelli monocristallini e policristallini di dimensioni compatte.
• Efficienza: Se la vostra unica preoccupazione è la quantità di luce solare che i vostri pannelli possono convertire in energia, vi consigliamo di acquistare un set di pannelli solari monocristallini. Nonostante la spesa più elevata sono la scelta migliore per risparmiare sulle bollette energetiche.