Il fotovoltaico è una delle principali fonti di produzione elettrica da energia rinnovabile. La tecnologia alla base dei pannelli fotovoltaici garantisce l’assenza di emissioni inquinanti, senza rinunciare all'efficiente ritmo produttivo che ne giustifica un impiego di sempre più larga diffusione.

Come funzionano i pannelli fotovoltaici?

Un impianto fotovoltaico ad energia solare prevede l'impiego di pannelli, ossia delle superfici che montano più celle fotovoltaiche: ciascuna di queste provvede a convertire l'energia trasportata dai fotoni (conduttori di luce e calore) in elettricità. Ciò avviene grazie alla “stimolazione” degli elettroni presenti nel materiale semiconduttore all'interno di ogni cella solare (tipicamente silicio cristallino), i quali sono eccitati dai fotoni e iniziano a fluire nel circuito producendo corrente elettrica. Il funzionamento base di un pannello fotovoltaico prevede, appunto, questi passaggi: - esposizione del pannello alla luce solare, con i fotoni che colpiscono la superficie della cella fotovoltaica; - da qui, l’energia trasportata dal fotone è trasferita agli elettroni presenti sulla cella di silicio; - l'energia trasferita agli elettroni ne provoca “un'agitazione” che comporta la formazione di corrente nel circuito. Si produce quindi energia elettrica in corrente continua. Una volta prodotta questa energia, uno strumento connesso alla cella fotovoltaica (l'inverter) provvederà a convertire la corrente in alternata, così da poterla immettere sui cavi di collegamento e, infine, sulla rete di distribuzione che ne permette l'utilizzo per i fini più disparati sul mercato.

Quali sono i componenti dei pannelli solari

Viceversa, passando all'esame più dettagliato delle celle fotovoltaiche, dobbiamo segnalare che la componente di gran lunga più importante e che ne condiziona lo stesso funzionamento è il cd. silicio di grado solare. Come visto, si tratta del materiale con cui vengono prodotte le celle fotovoltaiche. La specifica variante di questo elemento non esiste in natura, dal momento che la sua forma pura è soggetta a reazioni con l'ossigeno (non a caso, è frequente trovarlo sotto forma di ossido di silicio o in altri elementi compositi, come sabbia e argilla). È dunque necessario purificare prima tramite fusione con polvere di carbone e poi tramite processi chimici il silicio estratto, fino ad arrivare ad un grado di purezza del 99,9%: proprio a queste condizioni la materia assume la denominazione di silicio di grado solare. Con tali caratteristiche, questo elemento presenta delle caratteristiche di semiconduttore, nel senso che la conducibilità elettrica dipende dalla temperatura e quindi fornendo calore si può dare agli elettroni l’energia necessaria per passare dal livello energetico della banda di valenza a quello della banda di conduzione e quindi permettere loro di muoversi all’interno del materiale, soggetti alle forze elettriche: è proprio quanto avviene in un pannello fotovoltaico. In particolare si usa il “drogaggio” dei semiconduttori con impurità di sostanze opportune (fosforo, arsenico o boro) per aumentarne la conducibilità. Infatti, quando i pannelli vengono colpiti dalla luce del Sole si creano differenze di cariche negli strati della cella che scatenano la produzione di un campo elettrico. L'altro elemento imprescindibile dei pannelli fotovoltaici è rappresentato dagli inverter: questi come detto sono essenziali per convertire la corrente continua che si produce all'interno delle celle in corrente alternata. Una delle caratteristiche principali degli inverter è data dalla possibilità di allocare degli impianti di stoccaggio basilari, come batterie al litio, che permettono di tenere da parte l'energia necessaria al funzionamento stesso del pannello solare: ad esempio, per permettere la rotazione del medesimo (il cd. inseguimento) man mano che il sole alza o cala o si sposta lungo il piano terrestre. Infine, gli inverter garantiscono monitoraggio e protezione degli impianti e delle reti di alimentazione a cui sono collegati e permettono di mantenere costantemente il punto di funzionamento ideale (MPP) per poter estrarre in ogni momento la massima potenza disponibile dai moduli fotovoltaici.

L'energia solare

Chiaramente, l'ingrediente principale del processo appena descritto sta nell'energia che viene trasmessa dal Sole per la semplice irradiazione della superficie terrestre su cui sono montati i pannelli fotovoltaici. Si stima che la nostra stella invii ogni ora una quantità di energia pari al consumo medio annuale di tutta la popolazione mondiale. All'interno di queste stime, peraltro, è stato ritenuto che l'erogazione di energia da ogni metro quadrato di superficie solare sia pari a quella che si otterrebbe, per un'ora, bruciando oltre 6.000 litri di gasolio. Si tratta, quindi, della fonte di energia più potente a disposizione, che supera di gran lunga tutte le centrali nucleari e le riserve di combustibile fossile a disposizione dell'uomo. Si deve chiarire l'aspetto solo "potenziale" di questi dati, dal momento che il fotovoltaico, almeno stando alle tecnologie a disposizione, non è attualmente in grado di operare una conversione totale dell'energia che giunge sulla Terra (anzi, l'efficienza di conversione, influenzata da fattori come umidità, temperatura o inefficienze dell'impianto, è minore del 30%); inoltre, come noto, il Sole non è disponibile allo stesso modo, sia nell'arco del giorno (ciclo giorno/notte) sia nel corso dell'anno, registrandosi un minor grado di irradiazione nelle stagioni invernali rispetto a quelle estive.

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Il presente documento è aggiornato al 29 ottobre 2018.

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