Pannelli Fotovoltaici

Cosa Sono i Pannelli Fotovoltaici

I pannelli fotovoltaici sono l’elemento base di ogni impianto fotovoltaico e sono composti da un insieme di celle fotovoltaiche elementari collegate tra di loro. I pannelli fotovoltaici rappresentano quindi il cuore pulsante di un impianto fotovoltaico, di qualsiasi potenza, che deve produrre energia elettrica convertendo l’energia del sole catturata proprio dai pannelli.

La cella fotovoltaica è il componente elementare di ogni pannello ed è costituita da una sottile “fetta”, wafer di materiale semiconduttore, quasi sempre silicio, spessa circa 0,3mm. La cella può essere di forma rotonda o quadrata e può avere una superficie compresa tra i 100 e i 225 cm2. Il silicio che costituisce la fetta è lavorato tecnologicamente con processi che sfruttano sia le proprietà fisiche che chimiche del silicio puro che viene “drogato” cioè contaminato con impurità (processo di doping) di atomi di trivalenti o pentavalenti per modularne la conducibilità e renderla meno influenzata dalla temperatura. Gli elementi droganti più comunemente usati sono il boro (per il drogaggio p) e il fosforo (drogaggio n). La cella presenta una zona drogata prevalentemente di tipo P e una drogata prevalentemente di tipo N così da formare la giunzione PN ( si tratta in pratica di un fotodiodo).

Come Si Genera la Corrente Elettrica Fotovoltaica

Nella zona di contatto tra i due strati P e N a diverso drogaggio si determina un campo elettrico; quando la cella è esposta alla luce, per effetto fotovoltaico, si generano delle cariche elettriche e, se le due facce della cella sono collegate a un utilizzatore, si avrà un flusso di elettroni che genera la corrente elettrica continua.
Il silicio utilizzato nella costruzione delle celle è lo stesso utilizzato dall’industria elettronica, che richiede materiali molto puri e quindi costosi: silicio mono e policristallino. Tra i due tipi il silicio policristallino è il meno costoso, ma ha rendimenti leggermente inferiori del monocristallino.
Per ridurre il costo della cella e quindi anche dei pannelli le nuove e più recenti tecnologie utilizzano il silicio amorfo e altri materiali policristallini, quali il Seleniuro di Indio e Rame e il Tellurio di Cadmio.

Cella, Modulo e Pannello Fotovoltaici

Una cella fotovoltaica di dimensioni 10×10 cm si comporta come una minuscola batteria, e nelle condizioni di esposizione solare tipiche dell’Italia (1kW/m2), alla temperatura di 25°C fornisce una corrente di 3A, con una tensione di 0,5V e una potenza pari a 1,5 – 1,7 Watt di picco. L’energia elettrica prodotta sarà proporzionale all’energia solare incidente, che non è sempre uguale e costante, ma varia nel corso della giornata, al variare della stagioni, e al variare delle condizioni atmosferiche.

In commercio troviamo i moduli fotovoltaici che sono costituiti da un insieme di celle elementari. Un tipo tra i più diffusi è quello costituito da 36 celle disposte su 4 file parallele collegate in serie che permettono l’accoppiamento con gli accumulatori da 12Vcc nominali.

Più moduli collegati in serie formano un pannello fotovoltaico, cioè una struttura comune ancorabile al suolo o ad un edificio. Nella terminologia comune è uso indicare come sinonimi le parole modulo e pannello FV quindi far coincidere pannello = modulo.

A Cosa Servono i Pannelli Fotovoltaici

I pannelli fotovoltaici, come già spiegato sopra, hanno la funzione di catturare la luce del sole, energia pulita e non inquinante, e convertirla in energia elettrica. Grazie alla possibilità di ottenere incentivi per il fotovoltaico di tipo economico (Conto Energia) per l’installazione di impianti da fonti di energia rinnovabile e fotovoltaici, la diffusione dei pannnelli FV è aumentata sempre più in Italia nell’installazione di impianti fotovoltaici grid connected (collegati a rete) o stand alone (isolati) di varia potenza per la produzione di energia elettrica.

Tipologie di Pannelli Fotovoltaici

Le tipologie di pannelli fotovoltaici in commercio sono diverse e dipendono dalle tecnologie costruttive della cella elementare e dal tipo di impianto da installare.

Le tecnologie ed i tipi più diffusi sono le seguenti.

Pannelli fotovoltaici monocristallini

Utilizzano cristalli di semiconduttore, quasi sempre silicio di tipo monocristallino, quindi con celle molto regolari e isoorientate spazialmente che garantiscono un’ottima conducibilità e purezza, così da ottenere celle elementari efficienti .
Il rendimento dei moduli al silicio monocristallino è circa 14% – 16% e le celle fotovoltaiche sono di colore blu scuro a forma ottagonale.

Pannelli fotovoltaici policristallini

Utilizzano silicio policristallino invece che monocristallino, il che significa che le celle sono di cristalli meno puri e che hanno subito meno lavorazioni, quindi prodotte a costi inferiori, anche se il rendimento è inferiore. il rendimento di un modulo policristallino è compreso circa tra il 12% e il 14% e le celle sono di colore blu intenso di forma quadrata.

Le tecnologie di lavorazione del silicio monocristallino e policristallino sono le più mature e pertanto i pannelli più diffusi in commercio sono i pannelli fotovoltaici monocristallini e policristallini.

Le tecnologie a film sottile e concentrazione per gli impianti fotovoltaici CSP (Concentration Solar Power) sono i più recenti e quindi, causa anche i costi non ancora molto competitivi, non largamente diffuse su scala commerciale e industriale.

Pannelli fotovoltaici a film sottile

Utilizzano non solo silicio, ma anche materiali alternativi e permettono, grazie alla flessibilità degli strati sottili, di realizzare pannelli integrabili perfettamente nell’architettura delle coperture degli edifici. Sono ottimi per velocità e facilità di posa e a parità di potenza hanno un’ottima resa.

Materiali alternativi al silicio per la tecnologia a film sottile sono anche: GaAs arseniuro di gallio, per applicazioni speciali aerospaziali CIS, strati di calcogenuri, ad esempio. Cu(InxGa1-x)(SexS1-x)2). Hanno un’efficienza fino all’11%, ma il loro costo è ancora elevato, CdTe telloruro di cadmio.

Pannelli fotovoltaici a concetrazione

Sono i pannelli fotovoltaici destinati alla realizzazione di impianti fotovoltaici CSP a concentrazione solare o solare termodinamico e quindi parchi energetici
di ampie dimensioni che sfruttano la proprietà degli specchi di concentrare l’energia solare ( vedi anticamente gli specchi ustori di Archimede).

La struttura di un impianto CSP prevede pannelli concentratore di tre tipologie:

1. pannelli riflettenti di forma parabolica che inseguono il movimento del disco solare parabolico attraverso un meccanismo di spostamento biassiale,e concentrano la radiazione incidente su un ricevitore posizionato nel punto focale. Per concentratori a disco parabolici.
2. pannelli riflettenti di tipo piano (eliostati), ad inseguimento tilt-azimutale del disco solare, che concentrano la radiazione diretta su un singolo ricevitore posto sulla sommità di una torre, all’interno del quale viene fatto circolare un fluido termovettore per l’asportazione del calore generato (sistemi a torre)
3. Eliostati lineari per sistemi a lente di Fresnel (sistemi a torre)