Fotovoltaico: come funziona, tecnologia e potenzialità

Il potenziale del fotovoltaico in Italia e nel mondo è spesso sottostimato. Ma capiamo cos’è e come funziona l’Energia Fotovoltaica e scopriremo quanto davvero può sostenere le nostre necessità energetiche

Energia fotovoltaica

È data dall’effetto fotoelettrico (per la scoperta e spiegazione del quale ha preso il Nobel Albert Einstein), e consiste nella trasformazione diretta della luce (fotoni) in energia elettrica. Non è quindi un fenomeno termodinamico (per il quale il sistema sembrerebbe estrarre energia dal nulla), ma rientra nell’Elettrodinamica Quantistica.

Sintetizzando al massimo, l’energia si ottiene quando i fotoni della luce solare, colpendo una cella FV, “strappano” gli elettroni più esterni (di valenza), degli atomi di un semiconduttore. Gli elettroni sono raccolti nel reticolo metallico serigrafato sulla superficie visibile della cella il quale serve a “convogliare” il flusso di elettroni ottenendo una corrente continua di energia elettrica.

La prima applicazione commerciale si ebbe nel 1954 negli Stati Uniti, ad opera dei laboratori Bell, dove si realizzò la prima cella fotovoltaica utilizzando il silicio monocristallino.

Effetto fotovoltaico

Qualunque sia il materiale semiconduttore impiegato, il meccanismo con cui la cella trasforma la luce solare in energia elettrica è essenzialmente lo stesso.

Esiste un forte legame elettrostatico fra un elettrone e i due atomi che esso contribuisce a tenere uniti. Tale legame può essere però spezzato da una certa quantità di energia: se l’energia fornita è sufficiente, l’elettrone viene portato ad un livello energetico superiore (banda di conduzione), dove è libero di spostarsi, contribuendo così al flusso di elettricità. Quando passa alla banda di conduzione, l’elettrone si lascia dietro una “buca”, cioè una lacuna dove manca un elettrone. Un elettrone vicino può andare facilmente a riempire la buca, scambiandosi così di posto.

Per sfruttare l’elettricità è necessario creare un moto coerente di elettroni (e di buche), ovvero una corrente, mediante un campo elettrico interno alla cella. Il campo si realizza con particolari trattamenti fisici e chimici, creando un eccesso di atomi caricati positivamente in una parte del semiconduttore ed un eccesso di atomi caricati negativamente nell’altro. In pratica questa condizione si ottiene immettendo piccole quantità di atomi con carica + (es. boro) e una certa quantità di atomi con carica – (es. fosforo) nel reticolo del semiconduttore, ovvero drogando il semiconduttore. Una volta attraversato il campo, gli elettroni liberi non tornano più indietro, perché il campo, agendo come un diodo, impedisce loro di invertire la marcia.

La cella fotovoltaica

E’ il componente base dei sistemi fotovoltaici, un dispositivo costituito da un sottile strato ( 0,3 mm ) di materiale semiconduttore (wafer), in genere silicio, opportunamente trattato.

Tale trattamento è caratterizzato da diversi processi chimici, tra i quali si hanno i cosiddetti “drogaggi”: nello specifico inserendo nella struttura cristallina del silicio delle impurità, cioè atomi di boro e fosforo, si genera un campo elettrico e si rendono anche disponibili le cariche necessarie alla formazione della corrente elettrica.

In sostanza l’energia si ottiene quando i fotoni della luce solare, colpendo una cella, “strappano” gli elettroni più esterni (di valenza) degli atomi di silicio. Gli elettroni sono raccolti dal reticolo metallico serigrafato sulla superficie visibile della cella che “incanalano” un flusso ottenendo una corrente continua di energia elettrica.

Sviluppo delle Celle Fotovoltaiche

Attualmente circa l’85% dei moduli fotovoltaici in commercio sono costruiti partendo da semiconduttori al silicio. E’ spesso il sistema più adatto per utenze isolate dove sarebbe oneroso collegarsi con la rete elettrica o dove non sussistano altre fonti primarie quali venti costanti, corsi/salti d’acqua ecc.

Le celle fotovoltaiche tradizionali (di prima e seconda generazione) sono costituite principalmente da:

– Silicio Monocristallino ovvero realizzato a partire da un cristallo del quale viene mantenuta costante la struttura reticolare;

– Silicio Policristallino ovvero realizzato a partire da un cristallo
del quale non viene mantenuta costante la struttura reticolare.

Le celle Fotovoltaiche più recenti (terza e quarta generazione), sono costituite da:

– Celle a Film Sottile (celle al silicio amorfo, CdTe, GaAs, ecc…);

– Celle Organiche (dispositivo fotovoltaico in cui la parte fotoattiva è
basata sui composti organici del carbonio).

A quest’ultima categoria appartengono le celle fotovoltaiche il cui funzionamento si ispira ai processi che regolano la fotosintesi clorofilliana, utilizzando una miscela di materiali in cui un pigmento (Dye) assorbe la radiazione solare e gli altri componenti estraggono la carica per produrre elettricità.

Centrali solari fotovoltaiche

Una centrale fotovoltaica di potenza è costituita da un insieme di moduli fotovoltaici.

I moduli sono costituiti da un insieme di celle.

Più moduli collegati insieme formano un pannello che può essere utilizzato anche per piccoli sistemi.

Un insieme di pannelli, collegati elettricamente in serie, costituiscono una stringa.

Più stringhe, collegate generalmente in parallelo, costituiscono un campo di una centrale fotovoltaica.

---

Produzione potenziale da fotovoltaico

Ogni anno il sole irradia sulla terra 19.000 miliardi di TEP (Tonnellate Equivalenti Petrolio), mentre la domanda annua mondiale di energia è di circa 15 miliardi di TEP e quella italiana è di circa 200 milioni di TEP.

Spesso si dice che il fotovoltaico abbia una scarsa potenzialità nella produzione di energia elettrica a livello nazionale, ma anche solo valutando le sue applicazioni in edilizia sembra che questo assunto sia da rimettere in discussione. 

Infatti già in uno studio del 2002 dell’International Energy Agency – Photovoltaic Power Systems Programme (IEA-PVPS, Task 7) si è cercato di determinare il potenziale del fotovoltaico integrato negli edifici in alcuni dei Paesi OCSE. Per l’Italia è stata stimata un’area di tetti potenzialmente disponibile all’inserimento del FV pari a 763,53 km2 (410 km2 circa per gli edifici residenziali ed il restante in edifici agricoli, industriali e commerciali) e un’area per le facciate pari a 286,32 km2 (per un valore totale pro-capite pari a circa 18 m2). La produzione potenziale da fotovoltaico in Italia sarebbe pari a circa 126 TWh/anno (il 45% dei consumi elettrici).

Nel rapporto IEA si parte dalla valutazione che ad un’area occupata da un edificio di 100 m2, corrisponda in media un’area di tetto pari a 40 m2 (fattore di utilizzazione: 0.4) e un’area di facciata di 15 m2 (fattore di utilizzazione: 0.15), utilizzabili per l’integrazione di moduli fotovoltaici.

Attraverso specifiche metodologie di valutazione e assumendo determinati valori per i diversi parametri, tra cui l’orientamento ottimale delle superficie di captazione fotovoltaiche e il rendimento dei moduli (stabilito però ad un conservativo 10%), la IEA arriva a stimare una quota potenziale di produzione di elettricità da Fotovoltaico sui consumi totali per i principali paesi industrializzati.

Grazie all’elevata radiazione solare, Spagna e Italia hanno un elevato rapporto tra produzione solare potenziale e consumi elettrici, oltre il 40%. 

Si è calcolato che nei paesi dell’Europa centrale ed occidentale ogni abitante ha in media 18 m2 di tetto potenzialmente utilizzabile per il FV. Per quanto riguarda le facciate, per l’Europa centrale ed occidentale è di 6,5 m2 alle quali, quindi, si può attribuire il 15-20% della produzione potenziale di elettricità solare generata da sistemi fotovoltaico integrati in edilizia.

I dati relativi all’Italia sono molti interessanti. Nel nostro paese infatti è stata stimata un’area di tetti potenzialmente disponibile all’inserimento del fotovoltaico pari a 763,53 km2 (410 km2 circa per gli edifici residenziali ed il restante in edifici agricoli, industriali e commerciali) e un’area per le facciate pari a 286,32 km2 (per un valore totale pro-capite pari a circa 18 m2).

PRODUZIONE POTENZIALE da Fotovoltaico in Italia 

• Produzione potenziale di elettricità solare per tetti: 103,077 (TWh/anno) 
• Produzione potenziale di elettricità solare per facciate: 23,827 (TWh/anno) 
• Totale Produzione potenziale di elettricità solare per involucro edificio: 126,904(TWh/anno) 

Classificazione dei sistemi di generazione fotovoltaica

L’architettura dei sistemi fotovoltaici può essere suddivisa in tre grandi categorie:
1. sistemi autonomi (stand-alone), utilizzati per alimentare carichi in c.a. senza l’ausilio della rete di distribuzione (anche definiti off-grid);
2. sistemi di cogenerazione (ibridi), nei quali il sistema PV è impiegato congiuntamente ad un altro generatore (generalmente a combustibile fossile), per alimentare carichi disconnessi dalla rete di distribuzione;
3. sistemi connessi alla rete di distribuzione elettrica (grid-connected).

Possono, inoltre, essere realizzati in versione monofase o trifase.

Qui sotto gli schemi di collegamento principali:

Le più grandi centrali fotovoltaiche nel mondo

Per chiudere questo articolo, vi segnaliamo quali sono i più grandi impianti fotovoltaici al mondo. Mentre fino a qualche anno fa era al primo posto la cina con una centrale da ben 1.000 MWp realizzata nella regione del Qinghai, dal 2018 è passata saldamente al primo posto l’India con una mega centrale da 1.365 MWp.

Per trovare l’Italia bisogna arrivare al 98° posto con la centrale di Montalto di Castro (VT) da 84,2 MWp Per vedere l’elenco completo dei principali impianti FV al mondo potete vedere la lista completa

Ovviamente per spazi, densità abitativa e urbanizzazione in Italia i grandissimi impianti sono irrealizzabili anche se proprio in questi mesi (aprile 2022) sta per cominciare la realizzazione di quello che potrà diventare il più grande impianto italiano con 90,5 MWp di potenza installata in Sicilia in provincia di Siracusa.

Ma la nostra forza deve risiedere nella capillarità e buona dispersione su tutto lo stivale di impianti ben realizzati e funzionanti. In questo modo possiamo più che dimezzare la nostra dipendenza dalle fossili in maniera semplice e rapida.

Potete discutere e approfondire gli argomenti trattati in questo articolo sul forum EnergeticAmbiente nell’apposita sezione.