Energia solare e fotovoltaico

Radiazione solare

Il Sole si comporta in modo analogo a un corpo nero con temperatura di circa 5800 K.
Emette dunque una radiazione che, all’esterno dell’atmosfera, ha una distribuzione spettrale che va dal campo dell’infrarosso a quello dell’ultravioletto, con un massimo nel campo del visibile (in corrispondenza di una lunghezza d’onda di circa 0,5 μm).
La potenza incidente su una superficie unitaria perpendicolare al raggio (detta “costante solare”) è pari a 1367 W/m².

All’ingresso nell’atmosfera, una parte dell’energia associata alla radiazione solare si perde per riflessione e dispersione nello spazio esterno e un’altra parte per assorbimento da parte di alcune molecole (soprattutto H2O, CO2, ozono).
La radiazione che non è né riflessa né dispersa né assorbita, ma raggiunge in linea retta la superficie terrestre è chiamata radiazione diretta.
La radiazione che raggiunge la terra dopo essere stata riflessa e/o assorbita è chiamata invece radiazione diffusa.
Il modo in cui la radiazione è divisa tra componente diretta e diffusa dipende dalle condizioni meteorologiche: con il cielo coperto tutta la radiazione è diffusa, mentre se il cielo è sereno la componente diretta è almeno pari all’80%.

Una terza componente della radiazione, sovente trascurabile rispetto alle altre due, è detta albedo ed è costituita dalla radiazione che raggiunge la superficie ricevente dopo essere stata riflessa dalla superficie terrestre.
L’irradianza al suolo, oltre che dalle condizioni meteorologiche e dalla stagione, dipende dalla latitudine, dall’altitudine, dall’inclinazione della superficie ricevente rispetto al piano orizzontale e dall’angolo rispetto al Sud (azimut).

Un altro concetto importante è quello di Massa d’Aria (AM): essa rappresenta la lunghezza relativa percorsa dai raggi solari diretti attraverso l’atmosfera.
In un giorno d’estate sereno, al livello del mare e con il Sole allo zenith si ha AM = 1. Per le applicazioni satellitari si ha AM = 0. Un valore tipico sulla superficie terrestre è AM = 1,5: tale valore di massa d’aria, con irradianza di 1000 W/m² e temperatura di 25°C, è usato per le prove di laboratorio su celle e moduli fotovoltaici (condizioni standard STC).

Cella fotovoltaica e principio di funzionamento

L’elemento base di qualsiasi generatore fotovoltaico è la cosiddetta cella.
Essa generalmente si presenta di forma quadrata e può essere realizzata in silicio monocristallino, in silicio policristallino o come film sottile (silicio amorfo o altri semiconduttori come il diseleniuro di indio e rame CIS o il telloruro di cadmio CdTe).

Una cella solare è fondamentalmente un diodo a semiconduttore di grossa sezione. Il suo spessore va dal micrometro (pari ad un millesimo di millimetro) per i film sottili a poche centinaia di micrometri per il silicio cristallino.

Il diodo è costituito da un substrato drogato di tipo P (con impurità del III gruppo, come il boro) sul quale è posto uno strato sottilissimo drogato di tipo N (con impurità del V gruppo, come il fosforo). Lo spessore di questo secondo strato è tanto ridotto da permettere alla radiazione solare di penetrare fino alla zona di giunzione.

La giunzione presenta un campo elettrico, dal momento che gli elettroni della zona di tipo N si diffondono in quella di tipo P: in questo modo la regione di tipo N si carica positivamente, mentre quella di tipo P negativamente.

Quando la cella è investita dalla radiazione solare, i fotoni caratterizzati da un sufficiente livello di energia, per l’effetto fotoelettrico, “liberano” gli elettroni della regione caricata negativamente, facendoli passare dalla banda di valenza a quella di conduzione. Questi tendono dunque a spostarsi verso la regione positiva per ristabilire l’equilibrio elettrico e tale flusso di elettroni costituisce la corrente di generazione.

Il processo di realizzazione di una cella è molto complesso. Le principali fasi che lo caratterizzano sono:

• Il drogaggio, cioè l’inserimento nella cella di atomi di boro e fosforo per poter generare la corrente elettrica;
• La realizzazione dei contatti metallici, costituiti da una superficie continua sul lato posteriore della cella e da una griglia sul lato anteriore, per aumentare il flusso elettrico captato;
• La realizzazione di un rivestimento antiriflettente, ossia la deposizione di un sottile strato di ossido di titanio, per diminuire la componente di radiazione riflessa e di conseguenza aumentare il rendimento della cella.

Per potere operare un confronto tra le prestazioni delle diverse celle si utilizzano le condizioni operative di riferimento “STC” (standard test condition). Esse, per convenzione, sono:

• Intensità della radiazione solare pari a 1000 W/m² (equivalente alle condizioni di insolazione in una giornata di sole con cielo limpido);
• Temperatura della cella pari a 25°C;
• AM = 1,5.

Modulo fotovoltaico

Il modulo o pannello fotovoltaico è un assemblaggio di celle collegate in serie, in grado di generare energia elettrica se esposto alla radiazione solare.

Le celle, saldate tra di loro , sono racchiuse tra due strati: quello anteriore è trasparente, composto da un vetro (dello spessore di circa 4mm) ad alta trasmittanza ed in grado di resistere a pressioni dell’ordine di 500÷600 Kg/m². Un polimero chiamato EVA (Etilen Vinil Acetato) salda i due strati rendendo ermetica la struttura. La copertura posteriore è generalmente costituita da vetro oppure da una lamina di tedlar.

Generatore fotovoltaico

Per ottenere potenze significative, è necessario collegare più moduli fotovoltaici.
Si definisce stringa un gruppo di moduli collegati in serie. I generatori fotovoltaici sono formati da una o più stringhe collegate in parallelo (array).

In presenza di dissimmetrie (mismatching) dovute a diversità intrinseche delle caratteristiche dei moduli o a ombrature, i collegamenti serie-parallelo possono comportare riduzioni della potenza generata. Per questo è necessario impiegare protezioni idonee (diodi).