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 convertita mediante un inverter e immessa in rete.

  • 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, quando esposti alla luce, producono elettricità: le particelle di luce incidenti (fotoni) vengono assorbite nel semiconduttore, cioè gli elettroni del materiale vengono portati ad un livello di energia più elevato. I semiconduttori sono concepiti in modo tale da provocare una separazione delle cariche (particelle o spazi caricati positivo e negativo). 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 ü 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.

    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 generalmente prodotti lingotti con un diametro di 300 mm e una lunghezza fino a 2 m. Tuttavia, vengono sempre più spesso prodotti anche 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. Lo spessore di questo strato di silicio è inferiore a 1 µm (spessore di un capello umano 50-100 µm). Il rendimento delle celle a film sottile è ancora inferiore rispetto a quello delle celle cristalline. 

    Per le celle a film sottile, oltre al silicio si possono impiegare altri materiali, come il tellururo di cadmio (CdTe), il diseleniuro di rame e di indio (CIS) e il 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. 

    Sono attualmente 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 celle solari è disponibile qui.

  • Per ottenere il livello di tensione adatto per la conversione, le celle solari vengono connesse in serie. Questi moduli solari – detti anche pannelli solari – sono integrati in un involucro di vetro e plastica che li protegge dalle intemperie e vengono impiegati come componenti per impianti solari. I moduli attuali sono per lo più costituiti da 60 celle, con una potenza pari a 250 - 350 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 ad oggi hanno un rendimento compreso tra il 17 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 generalmente 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, 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) e IEC 61730 (specifica sulla sicurezza e sulla resistenza meccanica).

  • I moduli fotovoltaici producono corrente continua, che per poter essere impiegata nella rete a corrente alternata deve passare attraverso un inverter. 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 domestica. Si distinguono inverter di modulo, inverter di stringa (una o più stringhe per ogni inverter) e inverter centrali (per impianti di grandi dimensioni).

    Gli inverter offrono oggi 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 autoconsumata può essere ulteriormente incrementata non solo mediante un'efficace gestione del carico, ma anche avvalendosi di accumulatori a batteria. Ulteriori informazioni.

  • Nel 2009, quando è stata introdotta la RIC, l'energia solare era la tecnologia più costosa, mentre oggi è quella più economica. Rispetto ad un chilowattora, in 10 anni i costi dell'energia solare sono diminuiti dell'80%.

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