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Solare fotovoltaico

L’energia solare fotovoltaica è prodotta da pannelli solari formati da celle solari

Solare fotovoltaico: definizione e categorie

Il termine «fotovoltaico» può riferirsi al fenomeno fisico (l’effetto fotovoltaico scoperto da Alexandre Edmond Becquerel nel 1839) o alla tecnologia associata.

L’energia solare fotovoltaica è l’elettricità prodotta trasformando parte della radiazione solare attraverso una cella fotovoltaica. Schematicamente, un fotone di luce incidente consente in determinate circostanze di mettere in moto un elettrone, producendo così una corrente elettrica.

Le celle fotovoltaiche sono realizzate con materiali semiconduttori prodotti principalmente da silicio. Questi materiali emettono elettroni quando sottoposti all’azione della luce. Questi vengono espulsi dal materiale e circolano in un circuito chiuso, producendo così elettricità.

L’energia solare è, a misura d’uomo, inesauribile ed è disponibile in grandi quantità.

Questo processo non richiede un ciclo termodinamico intermedio, ovvero la radiazione viene convertita direttamente in elettricità senza l’uso intermedio di calore (al contrario della termodinamica solare).

Funzionamento scientifico

Principio di funzionamento di una cella fotovoltaica.

Le celle fotovoltaiche sfruttano l’effetto fotoelettrico per produrre corrente continua per assorbimento della radiazione solare. Questo effetto consente alle cellule di convertire direttamente l’energia luminosa dei fotoni in elettricità attraverso un materiale semiconduttore che trasporta cariche elettriche.

Una cella fotovoltaica è composta da due tipi di materiali semiconduttori, uno con un eccesso di elettroni e l’altro con una carenza di elettroni. Queste due parti sono chiamate rispettivamente «drogate» tipo n e tipo p. Il drogaggio di cristalli di silicio consiste nell’aggiunta di altri atomi per migliorare la conducibilità del materiale.

Un atomo di silicio ha 4 elettroni periferici. Uno degli strati della cellula è drogato con atomi di fosforo, che hanno 5 elettroni (1 in più rispetto al silicio). Parliamo del doping di tipo d come negativo perché gli elettroni (caricati negativamente) sono eccedenze.

L’altro strato è drogato con atomi di boro che hanno 3 elettroni (1 in meno del silicio). Parliamo del doping di tipo p come positivo a causa della carenza di elettroni creata in questo modo. Quando il primo viene a contatto con il secondo, gli elettroni in eccesso nel materiale n si diffondono nel materiale p.

Costituzione di una cella fotovoltaica (conoscenza delle energie, secondo CEA)

Quando attraversano la cella fotovoltaica, i fotoni strappano elettroni negli atomi di silicio dei due strati n e p. Gli elettroni rilasciati si muovono quindi in tutte le direzioni.

Dopo aver lasciato lo strato p, gli elettroni prendono in prestito un circuito per tornare allo strato n. Questo spostamento di elettroni non è altro che l’elettricità.

Stato delle tecnologie tradizionali.

Solare fotovoltaico non concentrato

Le tecnologie a base di silicio rappresentano oltre il 90% del mercato fotovoltaico globale  (1)  .

  • Celle monocristalline
    Questo è il settore storico dell’energia fotovoltaica. Le celle monocristalline sono la prima generazione di fotocellule. Sono prodotti da un blocco di silicio cristallizzato in un unico pezzo. Hanno una buona prestazione, ma il metodo di produzione è laborioso e costoso. Questa è la calcolatrice e la cella di orologio chiamata «solare».
  • Celle policristalline Le celle policristalline
    sono costituite da un blocco di silicio composto da più cristalli. Hanno una resa inferiore rispetto alle celle monocristalline, ma il loro costo di produzione è inferiore.
  • I progressi tecnologici ora consentono la produzione di celle policristalline a film sottile per risparmiare silicio. Queste celle hanno uno spessore dell’ordine di alcuni micron di spessore.

Negli ultimi dieci anni, l’efficienza media di un pannello fotovoltaico a base di silicio è aumentata dal 12% al 17% secondo l’Istituto tedesco Fraunhofer  (2)  .

Tecnologie promettenti

Energia solare fotovoltaica concentrata

Gli specchi concentrano i raggi del sole in una piccola cella solare fotovoltaica ad alta efficienza. Grazie a questa tecnologia di concentrazione, i materiali semiconduttori possono essere sostituiti da sistemi ottici meno costosi. Con la stessa potenza, ciò consente di utilizzare materiale fotovoltaico 1.000 volte inferiore rispetto ai pannelli fotovoltaici a esposizione diretta.

Questa tecnologia dovrebbe entrare nel mercato nel prossimo futuro.

Il rendimento teorico massimo della conversione fotone-elettrone è dell’ordine dell’85% (il rendimento di Carnot è del 95%)  (3)  . La resa sperimentale massima ottenuta con questa tecnologia è attualmente del 46%  (  4)  .

Componenti organici (polimeri)

L’uso di materiali polimerici è destinato a sostituire i materiali inorganici con semiconduttori organici, in altre parole, materie plastiche, per la fabbricazione di celle fotovoltaiche.

Sono economici, hanno buone proprietà di assorbimento e sono facili da depositare. Il suo costo molto basso è combinato con caratteristiche particolarmente interessanti: più leggero e meno fragile, la sua natura flessibile consente materiali flessibili realizzati con polimeri organici o silicone e persino inchiostri fotovoltaici.

Con una breve aspettativa di vita, attualmente offrono solo poco più del 10% di rendimento in laboratorio  (5),  ma potrebbero servire da base per lo sviluppo di un settore industriale.

Celle ibride: termiche e fotovoltaiche.

 

L’efficienza delle celle solari fotovoltaiche diminuisce quando i pannelli aumentano di temperatura. Alcuni centri di ricerca  (6) hanno   avuto l’idea di recuperare il calore catturato e rilasciato dall’energia fotovoltaica per ottimizzare contemporaneamente l’efficienza elettrica e ottenere una fonte di riscaldamento. Sviluppano collettori solari ibridi che combinano energia fotovoltaica e termica.

Sfide con l’energia.

vantaggio

  • L’energia solare è a misura d’uomo, inesauribile e disponibile in grandi quantità. Inoltre, durante la fase operativa, la produzione di energia elettrica da pannelli fotovoltaici non è inquinante.
  • Il silicio, un materiale utilizzato nei pannelli solari più popolari di oggi, è molto abbondante e non tossico.
  • I pannelli solari hanno una durata compresa tra 20 e oltre 30 anni e sono quasi completamente riciclabili.
  • La modularità dei pannelli è molto importante, ovvero è possibile progettare installazioni di varie dimensioni in un’ampia varietà di ambienti. Pertanto, sono adatti per la produzione decentralizzata di elettricità in siti isolati.
  • I pannelli fotovoltaici possono essere utilizzati per scopi domestici su piccola scala (ad esempio sui tetti) o per la produzione di energia industriale su larga scala (ad esempio, il parco solare di Toul-Rosières in Lorena).

Una cella fotovoltaica tradizionale deve funzionare tra un anno e mezzo e cinque anni per compensare l’energia utilizzata per produrla.

limitazioni

  • La tecnologia fotovoltaica rimane costosa nonostante il suo costo di produzione (LCOE) sia diminuito in modo significativo negli ultimi anni (con un costo di produzione da $ 70 a $ 90 / MWh in alcune aree oggi, gli impianti fotovoltaici a volte raggiungono il livello locale «parità di prezzo» con mezzi «convenzionali» di produzione di elettricità).
  • I pannelli fotovoltaici più diffusi, realizzati in silicio cristallino, sono pesanti, fragili e difficili da installare.
  • Una centrale elettrica richiede grandi aree, anche se la densità tende a migliorare (esempio della centrale fotovoltaica di Bresse-sur-Issole in Provenza: 1,2 ettari per megawatt installato).
  • L’impatto ambientale ed energetico della produzione di pannelli di silicio non è zero. Una cella fotovoltaica deve funzionare tra un anno e mezzo e cinque anni per compensare l’energia utilizzata per produrla  (7)  .
  • L’energia elettrica non è «direttamente» immagazzinabile, cioè nella sua forma primaria. Tuttavia, è possibile memorizzarlo «indirettamente» in batterie in forma chimica o in accumulatori cinetici in forma meccanica. Le tecnologie esistenti rimangono costose.
Attori principali

Per diversi anni, le installazioni di pannelli fotovoltaici hanno accelerato grazie a programmi nazionali di incentivazione finanziaria come i tassi di riacquisto agevolato. elettricità prodotta per la rete pubblica. Gli stati svolgono un ruolo chiave nello sviluppo del settore.

Il mercato globale delle celle e dei pannelli fotovoltaici è dominato da una manciata di paesi (Cina, Taiwan, Giappone, Malesia, Germania, Stati Uniti). La società cinese Suntech Power nel 2009 è diventata il principale produttore mondiale di pannelli fotovoltaici. Sharp (Giappone), JA Solar (Cina) e First Solar (Malesia) sono altri grandi nomi in questo settore (a cui, fino al 2012, la società tedesca Q-Cells, che rappresenta il saldo di quell’anno).

Unità di misura e cifre chiave

Picco di Watt

La potenza «massima» di un impianto fotovoltaico (espressa in Wc) è la potenza massima (sensori ben orientati, ben inclinati e ombreggiati) che può produrre sotto una certa quantità di luce solare.

Questa unità ha tre usi principali:

  • il confronto delle prestazioni dei materiali fotovoltaici alle stesse condizioni;
  • la qualificazione delle dimensioni di un impianto, indipendentemente dalle sue condizioni di sole;
  • Il confronto dei depositi solari e della loro produzione elettrica.

Alla fine del 2016, la capacità installata del parco solare fotovoltaico globale superava i 300 gigawatt (GW) installati, secondo PV Market Alliance  (8)  .

Nel 2014, l’energia solare (fotovoltaica e termodinamica inclusa) ha generato quasi 197,1 TWh di elettricità in tutto il mondo, pari a circa lo 0,8% della produzione globale di elettricità secondo gli ultimi dati di  Irena  (9)  .

Secondo l’AIE, i settori fotovoltaico e termodinamico avranno contributi equivalenti nel 2050 in termini di produzione di energia. Circa l’80% della produzione mondiale di moduli fotovoltaici si basa ancora su wafer di silicio cristallino. Il resto utilizza strati sottili depositati su una superficie, una soluzione più economica per i costi di produzione ma con rese inferiori.

Presenza o area di applicazione

I paesi con le aziende più sviluppate sono anche i paesi che hanno installato la maggiore capacità fotovoltaica. Questo perché le aziende locali ottengono sovvenzioni o mercati nazionali che consentono loro di crescere più rapidamente e sperimentare con le loro tecnologie.

Va notato che l’efficienza dei pannelli diminuisce all’aumentare della temperatura. Pertanto, ci sono poche strutture nel deserto. Sono generalmente i sistemi solari termodinamici preferiti le cui prestazioni aumentano con la temperatura.

Passato e presente

1839   : Antoine Becquerel pubblica un rapporto sugli effetti elettrici prodotti sotto l’influenza dei raggi solari in un esperimento condotto da suo figlio Edmond con una batteria costituita da elettrodi di platino e rame ossidato immerso in una soluzione elettrolitica acida. Questa batteria può fornire energia.

1877   : WG Adams e RE Day scoprono l’effetto fotovoltaico del selenio e C. Fritts sviluppa il primo pannello fotovoltaico basato su celle di selenio.

1905   : Albert Einstein pubblica un articolo sull’effetto fotoelettrico, per il quale vince un premio Nobel nel 1921.

1954   : DM Chapin, CS Fuller e GL Pearson, due ingegneri dei Bell Telephone Laboratories (USA), annunciano lo sviluppo di una cella con un’efficienza di conversione energetica del 6%, segnando davvero la nascita dell’elettricità fotovoltaica

1959   : gli Stati Uniti mettono in orbita Vanguard, il primo satellite alimentato da celle fotovoltaiche.

1970   : le crisi petrolifere rafforzano l’interesse e i crediti concessi al fotovoltaico.

1978   : viene raggiunto il primo picco megawatt installato nel 1978.

Dal 2010 al 2016   : la capacità installata del parco fotovoltaico globale si è moltiplicata per 6 tra la fine del 2010 (50 GW) e la fine del 2016 (305 GW).

futuro

L’industria fotovoltaica si sta ora rivolgendo allo sviluppo di tecniche che alla fine utilizzeranno molto meno materiale o materiali meno costosi. L’energia solare concentrata, la deposizione del nastro, i pannelli a film sottile e i materiali organici sono oggi le principali linee di ricerca e innovazione futura.

Infine, sarà importante anche la ricerca sullo stoccaggio dell’elettricità. Questa questione trasversale dell’energia riguarda più specificamente l’energia solare fotovoltaica, poiché la competitività di questa tecnologia dipenderà in gran parte dalla capacità di adattare la sua produzione per soddisfare esigenze specifiche.

specificamente

La potenza del parco fotovoltaico francese è aumentata di oltre dieci volte tra la fine del 2009 e la fine del 2011, ma il ritmo di sviluppo della capacità è rallentato negli ultimi anni. Il parco fotovoltaico francese ha una capacità installata di 6,8 GW alla fine del 2016. Secondo RTE, ha prodotto 8,3 TWh nel 2016, ovvero l’1,6% della produzione nazionale di elettricità in quell’anno.

Lo sapevi

In un’ora, il sole produce più energia di quanta ne consuma l’umanità in un anno.