Tecnologia

Fotovoltaico (FV) significa conversione diretta di energia radiante in energia elettrica mediante celle solari, che sfruttano il principio fisico dell'effetto fotoelettrico. La corrente continua prodotta in questo modo viene per lo più convertita in corrente alternata mediante un inverter e immessa nella rete pubblica.

  • Come funziona una cella solare?

    La maggior parte delle celle solari sono composte da semiconduttori al silicio, come quelli utilizzati per la produzione di chip per i computer. Questi semiconduttori trasformano radiazioni elettromagnetiche (luce) in corrente elettrica: le particelle di luce incidenti (fotoni) vengono assorbite nel semiconduttore, cioè gli elettroni del semiconduttore vengono portati ad un livello di energia più elevato e possono dunque muoversi nel materiale. I semiconduttori sono concepiti in modo tale (strati adiacenti, drogati in modo differente) da provocare una separazione delle cariche (elettroni risp. lacune di elettroni). La corrente elettrica così generata viene raccolta per mezzo di contatti metallici.

  • Le celle solari si differenziano non solo per il materiale, ma anche per il tipo di drogaggio e per i processi di produzione. In tutto il mondo è in corso un'intensa attività di ricerca sui nuovi tipi di celle e sull'ottimizzazione delle celle già disponibili sul mercato. La maggior parte delle celle utilizzate oggi sono fatte in silicio monocristallino. Fino ad ora altre tecnologie trovano impiego solo occasionalmente.

    Per la produzione di celle monocristalline vengono utilizzati semiconduttori dotati di una struttura ad elevata purezza. Dalla massa fusa di silicio si ricavano delle barre monocristalline (lingotti) che vengono in seguito tagliate in sottili placche (wafers) di 200 µm. Oggi vengono prodotti per lo più lingotti con un diametro di 300 mm e una lunghezza fino a 2 m. Sempre più spesso vengono prodotti lingotti con un diametro di 450 mm, che a lungo termine avranno un impatto anche sulle dimensioni dei moduli solari.

    Si parla di celle a silicio amorfo o celle a film sottile quando su un substrato di vetro o di altro materiale viene applicato un sottile strato di silicio o di un altro semiconduttore. Lo spessore di questo strato di silicio è inferiore a 1 µm. 

    Per le celle a film sottile, oltre al silicio si possono impiegare anche tellururo di cadmio (CdTe), diseleniuro di rame e di indio (CIS) e diseleniuro di rame indio gallio (CIGS). Si parla di celle tandem quando vengono combinati in un unica cella silicio cristallino e amorfo (a film sottile). 

    Le celle solari Grätzel, che utilizzano coloranti organici piuttosto che semiconduttori per convertire la luce in elettricità, hanno appena iniziato ad essere commercializzate. Queste celle sono state sviluppate all'EPFL di Losanna sotto la direzione del Prof. Dr. M. Grätzel. 

    Attualmente sono in corso intense attività di ricerca sulle celle a base di cristalli di perovskite. Tali celle hanno il potenziale per ottenere rendimenti molto elevati a bassi costi di produzione. Fino ad ora, tali celle non sono ancora state commercializzate. 

    Una panoramica aggiornata dei rendimenti delle varie celle solari è disponibile qui.

  • Le celle solari vengono interconnesse tra loro e imballate in vetro e plastica per formare i moduli solari. In questo modo, protetti dalle intemperie, vengono impiegati come componenti per impianti solari. I moduli attuali sono per lo più costituiti da 60 celle, con una potenza pari a 300 - 400 W e dimensioni di circa 1,0 x 1,65 m. 

    Il rendimento dei moduli dipende dal tipo di tecnologia usata per la fabbricazione, dalla configurazione delle celle (p. es. distanza tra le celle) e dall'interconnessione tra le celle. I moduli solari disponibili oggi hanno tipicamente un rendimento compreso tra il 19 e il 22%. Il rendimento complessivo di un impianto fotovoltaico è leggermente inferiore, poiché una parte dell'energia viene persa anche nel cablaggio e nell'inverter.

    La potenza dei moduli è espressa in Watt (a volte anche in Watt peak per potenza massima), che indica la potenza nominale generata in condizioni standard (irraggiamento di 1000 W/m2, temperatura della cella 25°C e massa d'aria di 1,5).

    Nelle condizioni climatiche dell'altopiano svizzero, un impianto fotovoltaico ben posizionato produce annualmente ca. 1'000 chilowattora (kWh) per 1'000 W di moduli fotovoltaici installati.

    I moduli fotovoltaici vengono testati secondo norme internazionali riconosciute: IEC 61215 (moduli fotovoltaici per applicazioni terrestri), IEC 61646 (moduli fotovoltaici a film sottile per applicazioni terrestri), IEC 61730 (specifica sulla sicurezza e sulla resistenza meccanica) e SNEN 50583-1/-2 (moduli risp. sistemi BIPV).

  • Il compito fondamentale di un inverter è convertire la corrente continua (DC) proveniente dai moduli solari in corrente alternata (AC) e adattare quest'ultima alla frequenza e all'intensità della tensione della rete. Si distinguono inverter di modulo, inverter di stringa (una o più stringhe per ogni inverter) e inverter centrali (per impianti di grandi dimensioni).

    Oggi gli inverter offrono molte altre funzioni per il supporto della rete elettrica, per incrementare l'autoconsumo e per monitorare (a distanza) l'impianto.

  • La quota di elettricità solare autoprodotta e consumata in proprio può essere ulteriormente incrementata avvalendosi di accumulatori a batteria. Ulteriori informazioni

  • Negli ultimi anni l'energia solare è diventata una delle forme più economiche di produzione di elettricità. Oggi si può costruire un grande impianto al costo di ca. 1'300 CHF/kW o anche meno.

    In 10 anni, i costi dell'energia fotovoltaica riferiti al chilowattora sono diminuiti dell'80%.

Evoluzione nel tempo del prezzo medio per potenza di picco degli impianti fotovoltaici in Svizzera, © Swissolar