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SFRUTTAMENTO DELL’ENERGIA SOLARE FOTOVOLTAICA

L’energia solare fotovoltaica è diventata molto popolare negli ultimi anni, lo sfruttamento di questo tipo di energia aiuta le persone a ridurre il costo delle bollette elettriche 

Definizione e categorie

L’energia solare è l’energia diffusa dalla radiazione solare. Dalle onde radio dei raggi gamma alla luce visibile, tutte queste radiazioni sono costituite da fotoni, i componenti fondamentali della luce e i vettori di energia solare. L’energia solare proviene da reazioni di fusione nucleare che animano il Sole.

Sulla Terra, l’energia solare è l’origine del ciclo dell’acqua, del vento e della fotosintesi del regno vegetale. Il regno animale, compresa l’umanità, dipende dalle piante su cui si basano tutte le catene alimentari.

L’energia solare è la fonte di tutte le forme di produzione di energia che sono attualmente utilizzate sulla Terra, ad eccezione dell’energia nucleare per l’energia geotermica e l’energia delle maree.

 L’uomo utilizza l’energia solare per trasformarla in altre forme di energia: energia chimica (il cibo che il nostro corpo utilizza), energia cinetica, energia termica, energia elettrica o biomassa.

Per estensione, il termine «energia solare» viene spesso utilizzato per indicare l’elettricità o l’energia termica ottenuta dalla fonte di energia primaria della radiazione solare.

Attualmente, ci sono due modi principali per sfruttare l’energia solare:

  • energia solare fotovoltaica,  che trasforma direttamente la radiazione solare in elettricità;
  • solare termico  che trasforma direttamente la radiazione in calore. Il solare chiamato «termodinamica» è una variante dell’energia solare termica. Questa tecnica differisce in quanto utilizza l’energia termica del sole per trasformarla una seconda volta in elettricità.

Sono in corso numerosi programmi di ricerca per migliorare i rendimenti delle nuove tecnologie di energia solare.

Operazione tecnica o scientifica

Le caratteristiche della radiazione solare sulla Terra.

L’energia solare ricevuta in un punto del globo dipende da:

  • energia solare inviata dal Sole, che fluttua con la sua attività di fusione;
  • nuvolosità (nuvole, nebbia, ecc.), che è, ad esempio, importante nell’equatore e più debole nell’ambiente intertropicale;
  • latitudine, stagione e tempo, che influenzano l’altezza del sole nel cielo e, quindi, l’energia ricevuta per unità di superficie sul terreno.
SFRUTTAMENTO DELL'ENERGIA SOLARE FOTOVOLTAICA
Modellare la distribuzione ineguale di energia solare nel mondo: qui il «GHI» o «Irradiazione orizzontale globale» (1) (fonte: Atlante solare globale, Banca mondiale)

Lo sfruttamento dell’energia solare.

Tre famiglie di processi di trasformazione dell’energia solare si distinguono oggi.

Energia solare termica

L’energia solare termica consiste nell’utilizzare il calore della radiazione solare:

  • l’uso di calore diretto a radiatori,  acqua  e pannelli solari, fornelli solari e asciugatrici;
  • Nell’uso indiretto, il calore viene utilizzato per un altro uso: raffreddamento solare, dissalazione, ecc.

In effetti, viene utilizzato principalmente per riscaldare acqua o locali. I sensori termici vengono utilizzati per questo scopo. Esistono diverse categorie, ma il principio è sempre lo stesso: il sensore termico assorbe i fotoni solari e li trasforma in calore. Questo viene trasmesso a un liquido o gas (chiamato «refrigerante») che lo trasporta in un serbatoio di accumulo di calore.

Energia solare termodinamica (CSP)

L’energia termica del sole permette anche di produrre elettricità termodinamicamente. Il principio è identico a quello di una centrale elettrica convenzionale: la produzione di vapore o gas ad alta pressione viene turbinata e quindi trasformata in elettricità. Questo processo richiede alte temperature (da 250 ° C a più di 1000 ° C) che si ottengono concentrando la luce solare con gli specchi in un refrigerante.

Tra le principali tecnologie di concentrazione si possono citare:

  • centrali solari paraboliche a concentrazione lineare, dotate di canali parabolici;
  • Centrali solari di Fresnel a concentrazione lineare, dotate di lastre a specchio leggermente ricurve;
  • centrali elettriche a torre solare con eliostati che restituiscono radiazione al concentratore;
  • Parabole solari Dish-Stirling con una concentrazione precisa, dotate di un motore Stirling (motore ad aria calda).

Consentono lo stoccaggio di parte dell’energia sotto forma di calore. Questo stoccaggio riduce le conseguenze dell’intermittenza della risorsa solare consentendo, ad esempio, di continuare a produrre elettricità dopo il tramonto.

Energia solare fotovoltaica (PV)

Il termine «fotovoltaico» può riferirsi al fenomeno fisico (scoperto da Alexandre Edmond Becquerel nel 1839), o alla tecnica associata. L’interesse di questa tecnica è convertire l’energia del sole direttamente in elettricità.

L’energia solare fotovoltaica è l’elettricità prodotta trasformando parte della radiazione solare in una cella fotovoltaica. Le celle fotovoltaiche sono realizzate con materiali semiconduttori, come il silicio, prodotti con una materia prima di purezza molto elevata.

Sebbene rappresenti ancora una piccola parte della produzione mondiale di elettricità (circa il 2% nel 2017 secondo lo IEA  (2)  ), l’energia solare fotovoltaica promette un grande futuro grazie ai progressi previsti, ai costi inferiori, alla sua semplicità e versatilità. Può funzionare con o senza una connessione di rete e può soddisfare il fabbisogno di energia elettrica di una casa (sensori a soffitto) o di un settore.

La prima applicazione è apparsa nel dominio spaziale per i satelliti. Altri settori hanno utilizzato la tecnologia fotovoltaica, tra cui telecomunicazioni, illuminazione marina e aerea, illuminazione domestica e pompaggio dell’acqua. Ma poiché il sole non è visibile da nessuna parte sulla Terra 24 ore al giorno, questa applicazione richiede l’uso di batterie o altri sistemi che garantiscono lo stoccaggio di elettricità per il consumo al di fuori del periodo del sole. .

Sfide con l’energia.

Rispondere a problemi economici e ambientali.

L’energia solare è spesso considerata l’energia del futuro: è rinnovabile e potenzialmente inesauribile a misura d’uomo. C’è molto in gioco nel contesto del cambiamento climatico e delle grandi fluttuazioni dei prezzi dei combustibili fossili (carbone, gas naturale, petrolio). Questo forte potenziale, insieme alla necessità di ridurre i gas a effetto serra, rende oggi l’energia solare un’area prioritaria di sviluppo.

Aumenta la redditività e le prestazioni.

L’investimento iniziale in una centrale solare è ancora importante ma, una volta che l’installazione è ammortizzata, i suoi costi operativi sono bassi. Molti paesi hanno istituito piani di incentivazione finanziaria (sotto forma di qualifica zero, sussidi o tassi favorevoli per l’acquisto di energia) per incoraggiare l’innovazione e le installazioni anticipate.

L’uso di questi sistemi di produzione di energia solare è immediatamente giustificato in situazioni in cui è molto costoso trasportare combustibili fossili, effettuare una connessione alla rete elettrica, come per i dispositivi isolati (fari marini, timestamp). ) o in aree isolate o scarsamente popolate.

Attori principali

La produzione globale di pannelli fotovoltaici è ora concentrata principalmente in Cina, che ha i principali produttori nel 2019 (Jinko Solar, JA Solar, Trina Solar, ecc.)  (3)  . Queste società, a causa delle loro dimensioni, possono rispondere alle gare di appalto statali. Pertanto, ottengono notevoli economie di scala e spesso ricevono sussidi pubblici. Le aziende più piccole sono responsabili dell’installazione di pannelli fotovoltaici nelle persone interessate.

Per l’energia solare puramente termica, che è ancora un mercato domestico prevalentemente a bassa tecnologia, gli attori sono piccole aziende per la produzione di componenti e ancor più per l’installazione.

Grazie alla sua portata strettamente industriale e allo stato iniziale, il settore solare termodinamico ha consentito lo sviluppo di poche grandi aziende. Il settore è stato storicamente distribuito in Spagna, ma la maggior parte dell’attuale sviluppo di questi impianti è ora »   in paesi in cui le condizioni del sole sono molto favorevoli, come Cina, India, Australia, Stati Uniti. Sud Africa, paesi del Golfo o il Maghreb   »  ,  che ricorda nel suo barometro EurObserv’ER luglio 2019 dedicato al il settore.

In tutti e tre i casi, il sostegno finanziario statale svolge un ruolo chiave nello sviluppo delle catene del valore. Possono assumere la forma di sussidi diretti o tariffe alimentari preferenziali.

Unità di misura e cifre chiave

joule

L’energia è misurata in joule (J) e la potenza è misurata in watt (W). Uno luglio equivale a un watt per 1 secondo.

1 kJ = 10  3   J è 1000 J.
1 MJ = 10  6   J è 1000 kJ.
1 GJ = 10  9   J o 1000 MJ.

L’energia solare totale assorbita ogni anno dall’atmosfera, dagli oceani e dalla terra terrestre sarebbe di circa 3.850 zettajoule (1 ZJ = 10  21  J)  (4)  .

Ricapitolando, il consumo di energia primaria globale Mtep raggiunto 14.301 nel 2018 secondo per l’annuale »  Global Energy e di CO   di stato   » AIE, circa 600 EJ (1 EJ = 10  18   J).

Passato e presente

1839   : Antoine Becquerel (1788-1878) scopre il fenomeno fotovoltaico e inventa la cella fotovoltaica.

1912   : prima implementazione di un sensore cilindrico parabolico inventato da Charles Vernon Boys (1855-1944), un fisico inglese.

1949   : Félix Trombe (1906-1985), un chimico francese, sviluppa sistemi di riscaldamento solare passivo, incluso il «muro di Trombe». È anche coinvolto nello sviluppo di successivi forni solari nel sito di Odeillo.

1959   : Lancio di Vanguard I, il primo satellite alimentato da energia fotovoltaica.

Anni ’70   : i due shock petroliferi fanno rivivere l’interesse per l’energia solare.

Anni ’80   : gli sviluppi rallentano per motivi di redditività, in particolare in relazione a tecnologie troppo costose.

Anni ’90   : inizia un nuovo inizio.

Anni 2000  : l’energia solare termica e fotovoltaica si sta sviluppando rapidamente in Francia. Tra il 2007 e il 2009, le rispettive emissioni energetiche sono state moltiplicate per 2 e 7.

2012  : l’energia fotovoltaica globale connessa alle reti supera i 100 GW.

Alla fine del 2017  : la capacità fotovoltaica globale sarebbe di circa 400 GW di elettricità secondo l’AIE. Le capacità termiche solari dispiegate in tutto il mondo raggiungono 472 GW termici  (5)  .

 

SFRUTTAMENTO DELL'ENERGIA SOLARE FOTOVOLTAICA
Con 19.269.490 m 2 di collettori solari termici alla fine del 2018 (e 573.500 m 2 installati nel 2018), la Germania è di gran lunga il paese in cui il settore si è sviluppato maggiormente nell’Unione europea. (© Energy Knowledge, secondo EurObserv’ER)
futuro

In tutto il mondo, i progetti di centrali elettriche stanno emergendo quasi ovunque. Secondo Patrick Jourde e Jean-Claude Muller, ricercatori della Atomic Energy Commission (CEA) e del CNRS, il 5% della superficie dei deserti produrrebbe tutta l’elettricità di cui il pianeta ha bisogno.

L’elettricità solare (solare fotovoltaico combinato e termodinamica) potrebbe rappresentare dal 20% al 25% della produzione mondiale di elettricità entro il 2050, secondo le stime dell’AIE nel maggio 2010 alla Conferenza del piano solare mediterraneo organizzata dalla presidenza spagnola dell’UE .

Lo sapevi

I fotoni, i componenti della luce e, quindi, il processo di trasmissione dell’energia solare, viaggiano nel vuoto a 299.792.458 metri al secondo. Questa è la massima velocità che un oggetto può raggiungere nel nostro universo, secondo la fisica relativistica. La luce emessa dal Sole richiede solo 8 minuti per coprire i 150 milioni di chilometri che separano la Terra dal Sole.