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Principio di base
La cella fotovoltaica
è il componente elementare del sistema ed è costituita da una sottile
"fetta" di un materiale semiconduttore, quasi sempre silicio, ( l'
elemento più diffuso in natura dopo l' ossigeno) di spessore pari a circa
0,3mm. Può essere rotonda o quadrata e può avere una superficie compresa tra
i 100 e i 225 cm2. Il silicio che costituisce la fetta viene
"drogato" mediante l' inserimento di atomi di boro (drogaggio p) da
una parte e sull'altra parte mediante l' inserimento di atomi di fosforo
(drogaggio n).
Nella zona di contatto tra i due strati a diverso drogaggio si determina un
campo elettrico; quando la cella è esposta alla luce, per effetto
fotovoltaico, si generano delle cariche elettriche, e se le due facce della
cella sono collegate ad un utilizzatore, si avrà un flusso di elettroni sotto
forma di corrente elettrica continua.
Attualmente il silicio, mono e policristallino, impiegato nella costruzione
delle celle è lo stesso utilizzato dall' industria elettronica, che richiede
materiali molto puri e quindi costosi. Tra i due tipi il silicio
policristallino è il meno costoso, pur avendo rendimenti
leggermente-inferiori.
Per ridurre il costo della cella sono in studio nuove tecnologia che
utilizzano il silicio amorfo e altri materiali policristallini, quali il
seleniuro di indio e rame e il tellurio di cadmio.
Una cella fotovoltaica di dimensioni 10x10 cm si comporta come una minuscola
batteria, e nelle condizioni di soleggiamento tipiche dell' Italia, alla
temperatura di 25°c fornisce una corrente di 3A, con una tensione di 0,5V e
una potenza pari a 1,5-1,7 Watt-di-picco.
L' energia elettrica prodotta sarà, ovviamente, proporzionale all' energia
solare incidente, che come sappiamo varia nel corso della giornata, a variare
delle stagioni, e a variare delle condizioni atmosferiche, ecc.
Per la fabbricazione delle celle oggi si utilizzano
principalmente il silicio cristallino, il silicio amorfo e l'arsenuro di
gallio. Le celle, di forma circolare o quadrata, hanno uno spessore di
qualche decimo di millimetro e un'area di circa 100 cm². Ciascuna è in grado
di erogare 1,2 - 1,5 Watt, ad una tensione di circa mezzo Volt, trasformando
in energia elettrica il 10 - 15 percento dell'energia luminosa incidente
sulla sua superficie.
Le celle fotovoltaiche, come le comuni pile, possono collegarsi fra loro per
ottenere un modulo e più moduli per formare un generatore fotovoltaico avente
le caratteristiche di potenza e tensione desiderate. Gli impianti
fotovoltaici sono ormai utilizzati per tutti gli usi. Si va, per esempio,
dall'alimentazione degli orologi, dei giocattoli, delle calcolatrici tascabili
(circa un decimo di Watt) fino ai grandi sistemi con potenze di alcuni
milioni di Watt (MW) connessi alla rete ENEL (a Serre, in provincia di
Salerno esiste un impianto da 3,3 MW). Sono insostituibili per dare energia a
ponti radio isolati sulle montagne o a sistemi per il rilevamento degli
incendi nei boschi. Sono utilizzati negli impianti di pompaggio dell'acqua,
ed in quelli di dissalazione dell'acqua di mare (Lampedusa, Lipari), per
l'illuminazione di strade isolate, aereoporti, aree archeologiche (Sovana in
provincia di Siena) o negli impianti di ricarica degli accumulatori di auto
elettriche (Palermo). Al posto dei rumorosi gruppi elettrogeni a gasolio o
benzina, si usano, per l'alimentazione di case o comunità isolate e, per
sfruttare completamente l'energia prodotta dal sole, anche sui tetti delle
case o in quartieri già connessi alla rete elettrica pubblica. Un sistema
fotovoltaico non è un impianto complesso, lo dimostra la vita media superiore
ai 25 anni. L'impianto, che non consuma combustibile e non ha parti in
movimento, anche se per i casi comuni di sistemi per l'alimentazione di case
isolate dalla rete elettrica pubblica, di pompe per il sollevamento di acqua
e di lampioni, è composto da:
- Moduli
fotovoltaici
raggruppamenti piani di celle, di potenza che va dai 20 ai 100 Watt
di picco, erogati nelle condizioni di illuminamento nominale. I pannelli
vanno rivolti a sud con un'inclinazione, in gradi, rispetto al piano
orizzontale, pari alla latitudine del luogo. Considerando che
l'intensità dell'illuminazione solare varia durante il giorno e nel
corso dei mesi, si può dire che l'energia media prodotta da un m² di
pannello è di circa 450 Wattora al giorno;
- Inverter
la corrente generata dai pannelli fotovoltaici è di tipo continuo;
visto che la maggior parte delle apparecchiature elettriche richiede la
corrente alternata si utilizza un dispositivo elettronico, l'inverter,
capace di trasformare l'energia eletrrica da continua ad alternata;
- Sistema
d'accumulo dell'energia elettrica
per garantire l’alimentazione delle apparecchiature elettriche anche
di notte o quando l'insolazione è insufficiente, si prevede,
normalmente, l'installazione di un certo numero di accumulatori (come
quelli delle auto) nei quali si immagazzina l'energia prodotta in
eccesso durante il giorno;
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Sistema elettronico di controllo della
carica degli accumulatori
si tratta di un sistema regolazione della carica degli accumulatori
necessario per evitare danneggiamenti per difetto o eccesso di carica.
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