I sistemi solari fotovoltaici (PV) sono uno degli elementi essenziali della transizione energetica mondiale, poiché consentono la conversione diretta della luce solare in elettricità con un'efficacia speciale e in rapido aumento. Per chiunque sia impegnato in attività che vanno dall'installazione agli investimenti o alla definizione delle politiche nel campo delle energie rinnovabili, la conoscenza di come funzionano questi sistemi a vari livelli, inclusa la conoscenza a livello atomico-dei materiali semiconduttori e degli inverter collegati alla rete-, è fondamentale.
L'effetto fotovoltaico: il principio fondamentale
L'effetto fotovoltaico, che è il concetto fondamentale alla base di un pannello solare, è un fenomeno fisico confuso attribuito alle ricerche dello scienziato francese Edmond Becquerel nel 1839. Il fenomeno prevede il contributo di fotoni, le particelle della luce solare, che impartiscono la loro energia ai materiali semiconduttori e provocano l'eccitazione degli elettroni.
I pannelli solari sono solitamente costituiti da uno specifico materiale semiconduttore chiamato silicio cristallino. Il processo per rendere il silicio adatto ai pannelli solari prevede diverse fasi, tra cui il "drogaggio" con impurità per creare due strati diversi. Uno strato è chiamato strato di tipo n- e ha elettroni extra mentre l'altro strato è di tipo p-, che genera carenze di elettroni (lacune). Il punto in cui i due strati si incontrano è chiamato giunzione p-n, e avrà campi elettrici interni dovuti al movimento degli elettroni dovuto all'energia e alla successiva creazione di cariche dove lo strato di tipo n- ha più elettroni e lo strato di tipo p- ha buchi. Pertanto, quando i pannelli solari sono illuminati, si genera una differenza di tensione e, di conseguenza, una notevole quantità di tensione elettrica a corrente continua.
Sebbene un singolo pannello solare generi poca energia (da 0,5 a 0,6 volt e solo diversi watt), per questo motivo è necessario collegare più pannelli tra loro per generare una maggiore quantità di elettricità.
Dalla DC alla AC: il ruolo cruciale dell'inverter
I pannelli solari generano elettricità a corrente continua, ma la maggior parte degli elettrodomestici e la rete elettrica utilizzano corrente alternata. Per effettuare la conversione dell'elettricità DC in elettricità AC, è necessario l'inverter. L'inverter è conosciuto come il “cervello” dell'impianto solare perché effettua la conversione.
Nel mondo di oggi, gli inverter fanno molto più che eseguire semplicemente la conversione. Gli inverter utilizzano la più recente tecnologia di inseguimento del punto di massima potenza (MPPT) progettata per aiutare nella regolazione costante del carico di elettricità. Garantisce la massima quantità possibile di energia elettrica indipendentemente dalle condizioni atmosferiche.
Gli inverter offrono funzionalità di monitoraggio e sicurezza fondamentali. Possono rilevare interruzioni di corrente e disattivarsi (protezione anti-isola) che impedisce il reinvio dell'elettricità alle linee elettriche, garantendo così la sicurezza dei lavoratori. Numerosi nuovi inverter sono dotati di-strumenti di monitoraggio integrati che aiutano gli utenti a misurare lo stato del sistema, individuare guasti e gestire il consumo di elettricità in tempo reale-tramite app mobili o sistemi online.
Equilibrio del sistema e di altri componenti
Un sistema di energia solare completo include vari componenti-del-sistema (BOS) oltre a inverter e pannelli. Tali componenti includono sistemi di montaggio (portapacchi, strutture di supporto a terra o sistemi di inseguimento della luce solare), cavi e condotti elettrici, scatole di giunzione, sezionatori, dispositivi di protezione contro il sovraccarico e, in determinate situazioni, apparecchiature di monitoraggio e comunicazione.
Per i sistemi solari su tetto, è importante garantire un montaggio corretto in modo che la struttura rimanga stabile e non si formino perdite, nonché che i pannelli rimangano in posizione e inclinazione ottimali. Nella parte settentrionale del globo, i pannelli solari sono posizionati verso sud con un angolo di inclinazione vicino a quello della propria latitudine per garantire la massima produzione di elettricità. Gli inseguitori a asse singolo e doppio-possono essere impiegati in sistemi montati a terra-che aiutano ad aumentare la produzione di energia del 15-25%, dato che i sistemi fotovoltaici ricevono raggi solari durante tutto il giorno. Tuttavia, l’utilizzo di tali sistemi presenta anche degli svantaggi.
Prestazioni, degrado ed efficienza
Generalmente, le prestazioni di un sistema solare vengono valutate attraverso il suo fattore di capacità, che è il numero che riflette la quantità di energia prodotta durante un periodo di tempo rispetto all'energia massima che potrebbe essere prodotta se il sistema solare funzionasse a piena capacità per il 100% del tempo. Gli impianti fotovoltaici fissi-inclinabili hanno un fattore di capacità del 10% - 20% a seconda di fattori come la posizione; tuttavia, il fattore di capacità per i sistemi a inseguimento è leggermente superiore a quello dei sistemi fotovoltaici a inclinazione fissa-, variando dal 20% al 30%.
Tutti i pannelli solari perdono gradualmente efficienza nel tempo, con una diminuzione dell'efficienza del tasso dello 0,5% - 1% annuo. Quasi tutti i produttori garantiscono i propri pannelli solari per un periodo compreso tra 25 e 30 anni, garantendo così che l'efficienza del pannello solare non scenderà al di sotto dell'80%-85% della sua efficienza nominale iniziale dopo la scadenza di questo periodo di tempo.
L'efficienza del sistema dipende anche dalla temperatura: le celle solari sono meno efficienti a temperature più elevate-un fenomeno noto come coefficiente di temperatura. Le tipiche celle in silicio cristallino perdono circa lo 0,3–0,5% della loro potenza per grado Celsius sopra i 25 gradi. Una ventilazione e un montaggio adeguati che consentano il flusso d'aria dietro i pannelli possono aiutare a mitigare questo effetto.
Il viaggio dalla luce solare alla presa
Per quanto riguarda un tipico sistema di elettricità solare domestico collegato alla rete, funziona in questo modo: in primo luogo, la luce solare colpisce i pannelli che sono ciò che crea elettricità a corrente continua. La corrente arriva all'inverter che la trasforma in energia elettrica a corrente alternata. L'inverter osserva costantemente i parametri della rete elettrica consentendogli di arrivare ad un'uscita di frequenza e tensione costante. Successivamente, l'elettricità viene inviata al pannello principale della casa che la fornisce a diversi apparecchi. Vale la pena ricordare che durante le ore di punta della produzione di elettricità (quando si verifica la massima quantità di energia solare) l’elettricità viene reimmessa nella rete grazie al contatore opportunamente funzionante che potrebbe girare nella direzione opposta rispetto allo scambio netto. Di notte, il processo avviene al contrario, in modo che la casa inizi a consumare energia dalla rete in senso normale, il che non porta altro che a un regolare giro in avanti del contatore.
I sistemi intelligenti possono essere utilizzati con soluzioni di gestione intelligente dell'energia in casa poiché consentono di spostare gli apparecchi-a consumo intensivo di energia (come lavastoviglie e unità di ricarica per veicoli elettrici) ai momenti di maggiore produzione solare.
Conclusione
Un sistema di energia solare è una sofisticata integrazione di fisica dei semiconduttori, elettronica di potenza, ingegneria strutturale e intelligenza del software. Dal movimento a livello quantistico-degli elettroni nel silicio alla sincronizzazione continua con la rete pubblica, ogni componente funziona in armonia per trasformare una risorsa abbondante, gratuita e pulita-luce solare-nell'affidabile elettricità su-domanda che alimenta la vita moderna. Mentre il settore continua a innovarsi con celle a maggiore efficienza-, inverter più intelligenti e soluzioni di storage più convenienti, i principi fondamentali di funzionamento rimangono ancorati all'effetto fotovoltaico, una scoperta centenaria-che sta ora rimodellando il panorama energetico globale. Comprendere questi principi non è semplicemente un esercizio accademico; è la base su cui si sta costruendo un futuro energetico sostenibile.
