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27-03-2016

Posted by in Fisica, Prima Pagina, Tecnologia | Comments Off on Pan­nelli solari: come fun­zio­nano?

Pan­nelli solari: come fun­zio­nano?

I pan­nelli solari sono da decenni pro­posti come prin­ci­pale fonte di ener­gia rin­nov­abile e rico­prono un ruolo cen­trale nel dibat­tito sull’approvvigionamento ener­getico del futuro. Ma come fun­zio­nano esat­ta­mente i pan­nelli solari? Sec­ondo quali prin­cipi fisici oper­ano? Provi­amo a par­larne insieme.

Innanz­i­tutto, non esiste un unico tipo di “pan­nello solare”, ma ben quat­tro tipi di dis­pos­i­tivi dis­tinti per prin­ci­pio di fun­zion­a­mento.
Tutti e quat­tro ovvi­a­mente sfrut­tano l’energia solare come fonte di ener­gia, ma fun­zion­a­mento, strut­tura, dimen­sione e appli­cazione var­i­ano.

 

I pannelli solari fotovoltaici

pannello_fotovoltaicoPan­nello foto­voltaico di sili­cio poli­cristallino. I sin­goli cristalli sono dis­tin­guibili per­chè riflet­tono la luce in maniera dif­fer­ente.

Il pan­nello foto­voltaico è soli­ta­mente il sis­tema a cui gran parte di noi si riferisce quando parla gener­i­ca­mente di “pan­nello solare”. In realtà, come vedi­amo, è solo uno dei quat­tro tipi di pan­nelli esistenti.
Il prin­ci­pio di fun­zion­a­mento del pan­nello foto­voltaico è, dal punto dei prin­cipi fisici, il più com­p­lesso tra i quat­tro tipi e si basa sull’assorbimento diretto della luce solare per trasfor­marla in cor­rente elet­trica, fenom­eno chiam­ato Effetto Foto­voltaico.

Sec­ondo questo fenom­eno, un fotone (la par­ti­cella che com­pone la luce) viene assor­bito da un elet­trone facente parte del mate­ri­ale del pan­nello. L’elettrone uti­lizza questa ener­gia per muoversi lib­era­mente nel mate­ri­ale, cosa che non potrebbe fare altri­menti. Il pan­nello foto­voltaico è costru­ito in modo da essere costan­te­mente attra­ver­sato da un campo elet­trico (è infatti a tutti gli effetti un enorme diodo a giun­zione), che viene usato per con­vogliare l’elettrone in un cir­cuito elet­trico. Gra­zie al cir­cuito elet­trico l’elettrone perso dal pan­nello verrà rimpiaz­zato da un altro elet­trone e così via, generando una cor­rente. Mag­giore è il numero di fotoni (mag­giore è quindi l’intensità della luce) e mag­giore sarà il numero di elet­troni mosso in questo modo, e mag­giore sarà quindi l’intensità della cor­rente prodotta. Più cor­rente, più ener­gia.

pannello_solare_schemaSchema del fun­zion­a­mento del pan­nello foto­voltaico. I fotoni della luce ven­gono assor­biti nello strato di mate­ri­ale attivo (in viola) e si for­mano cariche libere: neg­a­tive (gli elet­troni) e pos­i­tive (lacune, ovvero assenza di elet­troni). I due tipi di cariche sono con­vogliati nel cir­cuito elet­trico per trasferire ener­gia al carico.

Il mate­ri­ale uti­liz­zato per costru­ire un pan­nello solare deve essere nec­es­sari­a­mente un semi­con­dut­tore: solo questa classe di mate­ri­ali è infatti capace di assor­bire effi­cace­mente lo spet­tro lumi­noso del sole e al tempo stesso di gener­are una quan­tità di ener­gia tale da gius­ti­fi­care il loro costo di pro­duzione. Un semi­con­dut­tore, come fa intuire la parola, è un mate­ri­ale a metà strada da un con­dut­tore, come un met­allo, e un isolante, come il gran­ito o il legno. Il mate­ri­ale più adatto alla costruzione di pan­nelli foto­voltaici è, come ben noto, il Sili­cio, anche per via della sua rel­a­tiva eco­nomic­ità.

Esistono svari­ate classi di pan­nelli foto­voltaici di mate­ri­ali semi­con­dut­tori meno noti: ad esem­pio i pan­nelli di Arse­ni­uro di Gal­lio, che hanno una enorme effi­cienza (>40%) ma sono tremen­da­mente cos­tosi e per­tanto ven­gono uti­liz­zati per­lopiù in appli­cazioni aerospaziali, dove gli ele­vati costi sono meno impor­tanti dell’alta effi­cienza.
Esistono anche mod­uli foto­voltaici organici, applic­a­bili prati­ca­mente su qualunque super­fi­cie e addirit­tura traspar­enti. L’efficienza è però ten­den­zial­mente bassa (<10%), il che limita il loro pos­si­bile uti­lizzo su larga scala, anche se da anni li si pro­pone come pos­si­bile strato di ricop­er­tura delle finestre nei gratta­cieli.

Il pan­nello foto­voltaico, per sua natura, è un sis­tema scal­a­bile e mod­u­lare che può essere instal­lato in molti con­testi dif­fer­enti (perfino nelle cal­co­la­trici) con­fer­en­dogli un’innegabile ver­sa­til­ità. A causa dell’alto costo di pro­duzione però il suo uti­lizzo tut­tora stenta a pren­dere piede, nonos­tante il tempo di vita di questi sis­temi sia molto lungo e sia quindi soli­ta­mente un buon inves­ti­mento.
Data la sua ver­sa­til­ità è soli­ta­mente uti­liz­zato in pic­coli impianti, come ad esem­pio sul tetto delle case.

Impianti solari termodinamici

Noto anche come cen­trale solare a con­cen­trazione, si basa sulla con­cen­trazione della luce solare in un punto dove scorre un liq­uido, detto flu­ido ter­movet­tore, che si riscalda, viene con­vogliato in uno scam­bi­a­tore di calore dove tra­muta dell’acqua in vapore, il quale è infinte uti­liz­zato per atti­vare delle tur­bine per la gen­er­azione elet­trica. Il flu­ido ter­movet­tore in uti­lizzo nelle cen­trali di sec­onda gen­er­azione è cos­ti­tu­ito da sali fusi, che pos­sono rag­giun­gere tem­per­a­ture supe­ri­ori ai 500°C!

pannelli solari paraboliciSpec­chi solari par­a­bol­ici per impianto solare ter­mod­i­nam­ico. Nel tubo nero in primo piano scorre il flu­ido ter­movet­tore.

Anche negli impianti ter­mod­i­nam­ici esistono diversi tipi, che pos­sono essere approssi­ma­ti­va­mente divisi in due: con­cen­tra­tori par­a­bol­ici e impianti a torre.
I con­cen­tra­tori par­a­bol­ici con­cen­trano tutta l’energia solare in un tubo posizion­ato a pochi metri dallo spec­chio stesso, nel suo fuoco. Nel tubo scorre il flu­ido ter­movet­tore, che quindi viene riscaldato da ogni sin­golo spec­chio sep­a­rata­mente.
Negli impianti a torre invece tutti gli spec­chi riflet­tono la luce sulla cima di una “torre solare”, dove riscal­dano il flu­ido. Questo tipo di impianto soli­ta­mente è di mag­giori dimen­sioni e per­me­tte mag­giore effi­cienza per­chè l’intero processo di riscal­da­mento e scam­bio di calore avviene all’interno della torre cen­trale.

L’unico vero svan­tag­gio di questo tipo di cen­trale è che è dif­fi­cil­mente scal­a­bile su pic­cole dimen­sioni, quindi sono nec­es­sarie grandi cen­trali di pro­duzione ener­get­ica. I grandi van­taggi però sono l’enorme sem­plic­ità del sis­tema che si avvale di sis­temi pura­mente mec­ca­nici (spec­chio, tubo, flu­ido, turbina) invece che di cos­tosi semi­con­dut­tori cristallini e quindi l’eco­nomic­ità e pratic­ità di manuten­zione e riparazione.
Gli impianti solari ter­mod­i­nam­ici sono infatti con­siderati come una delle alter­na­tive più real­is­tiche per la pro­duzione di massa di ener­gia rin­nov­abile. E questa è evi­den­te­mente l’opinione del Marocco, che ha recen­te­mente inau­gu­rato la cen­trale solare ter­mod­i­nam­ica più grande del mondo in ter­mini di potenza, ovvi­a­mente nel Sahara.

marocco solare termodinamicoFoto aerea della cen­trale solare ter­mod­i­nam­ica in Marocco, la più grande del mondo in ter­mini di potenza gen­er­ata.

Pannelli solari termici

Il pan­nello solare ter­mico è uti­liz­zato per la con­ver­sione dell’energia solare in ener­gia ter­mica, da uti­liz­zare preva­len­te­mente in sis­temi di riscal­da­mento dell’acqua, for­nendo quindi acqua calda e/o riscal­da­mento ambi­en­tale ad abitazioni indipen­denti o alle volte impianti indus­tri­ali.
I pan­nelli in questo caso sono cos­ti­tu­iti da un mate­ri­ale che assorbe il più pos­si­bile la luce e si riscalda, trasmet­tendo l’energia ter­mica all’acqua, tal­volta tramite un flu­ido ter­movet­tore per aumentare il lim­ite di mas­sima tem­per­atura dell’impianto.
Questo sem­plice con­cetto era già noto ai tempi dei Romani, per poi pas­sare dal ‘500 con Leonardo da Vinci e le inno­vazioni durante l’Illuminismo e l’ottocento, ed è tutt’oggi uti­liz­zato.

pannello solare termico schemaScheda di fun­zion­a­mento del pan­nello solare ter­mico: il sole illu­mina il pan­nello, in cui scorre il flu­ido ter­movet­tore. Questo flu­ido viene con­vogliato in un boiler che riscalda l’acqua uti­liz­zata nell’abitazione.

Pannelli solari ibridi

I pan­nelli solari ibridi unis­cono l’impianto foto­voltaico e ter­mico, soli­ta­mente per fornire sia ener­gia elet­trica che riscal­da­mento ad un’abitazione.
E’ noto che i pan­nelli foto­voltaici per­dono effi­cienza quando troppo caldi, quindi un impianto ter­mico garan­tisce l’evacuazione dell’energia ter­mica in eccesso e il suo uti­lizzo, aumen­tando l’efficienza totale dell’impianto.

pannelli solari ibridiSin­is­tra: foto di pan­nelli solari ibridi mon­tati sul tetto di un’abitazione. Destra: schema di fun­zion­a­mento.

Conclusioni

Abbi­amo visto che esistono quindi ben quat­tro tipi di “pan­nelli solari” e impianti di diverso tipo, spesso spe­cial­iz­zati per par­ti­co­lari situ­azioni e uti­lizzi.
L’ener­gia solare è sicu­ra­mente una fonte di ener­gia abbon­dante, ma la sua con­ve­nienza è ancora infe­ri­ore rispetto ai com­bustibili fos­sili in ter­mini eco­nomici: richiedono un ele­vato inves­ti­mento iniziale, non sono movi­bili e soprat­tutto fun­zio­nano solo di giorno.
La loro dif­fu­sione e con­ve­nienza sono quindi inti­ma­mente legate alla ricerca sui vet­tori ener­getici e sull’accumulazione di ener­gia, come la pro­duzione di idrogeno e la ricerca sulle bat­terie elet­triche.
Il sole è quindi una fonte di ener­gia estrema­mente abbon­dante e molto promet­tente per il futuro, ma per un suo sfrut­ta­mento su larga scala è nec­es­saria una tec­nolo­gia più avan­zata di quella esistente.
Men­tre atten­di­amo i futuri sviluppi, noi par­liamo di scienza! :)

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