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Il collettore solare

L'edilizia del futuro per combattere inquinamento e rendere le città più vivibili.

Il Bosco Verticale

gennaio 8, 2018 Commenti (6) Ingegneria Energetica, Slideshow Evidenza Tempo di Lettura:

Pannelli solari e la loro evoluzione

Nel contesto odierno, in cui siamo testimoni di un inquinamento globale senza precedenti, è ormai indispensabile comprendere l’importanza delle risorse rinnovabili. Nel 2017 la popolazione mondiale è stimata attorno ai  7,5 miliardi di persone, le quali utilizzano energia ogni giorno; risulta quindi lampante come sia necessario sfruttare delle fonti di energie diverse da quelle fossili (ormai agli sgoccioli, vendute quindi a prezzi sempre più alti e con un’alta produzione di CO2 ).

Le energie rinnovabili sono fonti di energia che consentono di lasciare inalterate le risorse naturali a disposizione dell’uomo ed evitano di immettere nell’ atmosfera sostanze inquinanti come la CO2 (per questo prendono il nome di energie “ pulite ”).

Il termine “ rinnovabili ” deriva proprio dal fatto che si rigenerano rapidamente, peculiarità che consente di definirne la maggior parte come “inesauribili”.

Una delle fonti rinnovabili più interessanti è l’energia solare: si pensi che ogni secondo la Terra viene colpita da circa 170.000 TW di radiazioni elettromagnetiche e che l’ Italia, in particolare, avendo un clima favorevole, potrebbe sfruttare al massimo le potenzialità di questa risorsa.

La diffusione di questa tecnologia è tuttavia rallentata dagli alti costi di installazione e dalla discontinuità con cui questi impianti forniscono energia.

Per questo è importante investire su questa tipologia di risorsa energetica al fine di abbattere i costi con materiali meno costosi ed aumentare i rendimenti dei pannelli solari; passiamo quindi in rassegna le principali tipologie delle varie generazioni di pannelli solari fino ad ora diffusi sul mercato.

 

La prima generazione

Si tratta di impianti che sfruttano i cristalli di silicio (che sia esso monocristallino o policristallino) come semiconduttore. In particolare si utilizza la capacità del silicio di convertire la radiazione solare direttamente in energia elettrica.

I pannelli fotovoltaici in commercio si contraddistinguono per un rendimento pari a circa il 20 %.

Per la realizzazione di questa tipologia di panelli solari si possono individuare 3 distinte fasi:

Fase 1: Denominata “texturing” (termine che indica proprio la struttura superficiale degli oggetti che sfrutta diverse geometrie), permette di ottenere una superficie del pannello di silicio non più liscia ma composta di modo da ridurre al minimo la riflessione dei raggi solari  (4 %) con una sagomatura a micropiramidi.

Fase 2: Si procede con il drogaggio, ovvero la diffusione di piccole percentuali di atomi non facente parte del semiconduttore stesso, all’ interno del reticolo cristallino del silicio. Con questo processo si aumenta la conducibilità elettrica.

Fase 3: La terza e ultima fase prende il nome di contattatura serigrafica dove viene depositata una pasta di argento sul fronte della cella e di alluminio sul retro per via serigrafica e automatizzata consentendo di ottenere una raccolta di tutte le cariche elettriche e la loro convergenza verso i conduttori primari negativo-positivo.

Fotovoltaicosulweb.it.  Pannello fotovoltaico di prima generazione

 

 

La seconda generazione

Con questa tecnologia si realizzano celle di silicio in film sottile che riducono l’utilizzo di silicio sostituendolo con altri materiali come il silicio amorfo, il telluro di cadmio o il diseleniuro di rame – indio – gallio.

Le celle di seconda generazione si contraddistinguono di conseguenza per uno spessore inferiore e per l’alta flessibilità, caratteristiche che permettono di abbattere i costi di produzione rispetto alla precedente generazione.

Un’ altro importante vantaggio è dovuto alla possibilità di lavorare i pannelli mediante tecnologie laser ottenendo dimensioni ridotte e ulteriore risparmio dei materiali.

Di contro, questi pannelli hanno un rendimento  inferiore che si attesta intorno al  10 %.

Si presentano di seguito, in breve, le 3 tipologie principali dei pannelli di seconda generazione:

  • Silicio amorfo (a- Si):

La sua caratteristica fondamentale è quella di poterlo depositare a basse temperature (fino a 75  ̊C) sopra superfici di vetro o di materiale plastico utilizzando la cosiddetta tecnica roll-to-roll.

Possiede un rendimento molto basso che varia tra il 6-10 %, ma essendo formate da un unico film sottile o “ thin film” dello spessore di qualche millesimo di millimetro, permette applicazioni architettoniche avanzate in cui si punta anche all’ estetica. Il limite principale che ne riduce il rendimento risiede nella bassa densità energetica del materiale, che costringe all’utilizzo di ampie superfici.

Aspetto fondamentale è la capacità di produrre energia elettrica anche in cattive condizioni d’ insolazione ed è per questo indicata per zone poco soleggiate.

  • CIS e CIGS:

Sono i moduli realizzati con rame-indio-selenio e rame – indio – gallio – selenio.

Posseggono un ’ alta efficienza (in laboratorio arriva anche al 20 %) ma sono costosi in quanto realizzati con materiali più ricercati.

  • Telluro di Cadmio (CdTe):

Con un rendimento del 10 %, queste tipologie di celle hanno una banda di assorbimento dello spettro solare maggiore dei semiconduttori al silicio. Lo svantaggio principale risiede tuttavia nella pericolosità di lavorazione del cadmio.

 

La terza generazione

La tipologia più usata dei pannelli solari di terza generazione consiste in moduli a concentrazione che utilizzano le lenti di Fresnel o riflettori parabolici per concentrare la luce solare su piccole superfici fotovoltaiche e trasformare il calore direttamente in energia elettrica, attraverso delle celle a multigiunzione. Questa nuova tecnologia (in inglese : Vertical Multijunction Cell)  si basa su celle composte in cui si sovrappongono differenti materiali semiconduttori a strati, l’uno sopra l’altro, che permettono alle differenti porzioni di spettro solare di essere convertite in elettricità a diverse profondità aumentando così l’ efficienza totale di conversione.

 

Schema di funzionamento dei vetri a concentrazione dei pannelli fotovoltaici. (energia.com)

 

I vantaggi di questa nuova tipologia di pannelli solari sono molteplici. Tra i più importanti si evidenziano l ’ efficienza che è circa il doppio dei classici modelli delle precedenti generazioni (si attesta difatti intorno al 40 %), la capacità di non soffrire di cali di efficienza in climi che superano i 40 gradi, e la possibilità di concentrarli in un minor spazio di installazione. Per questi motivi sono utilizzati per l’istallazione di grandi parchi solari spesso in zone molto calde.

 

Dai dati riscontrati dall’ INSPRA (istituto superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale) , i  pannelli a silicio policristallino (pari a 345.022) prevalgono in ogni regione rappresentando su tutto il territorio nazionale italiano il 71% della potenza installata; seguono i pannelli monocristallini (105.362), il cui contributo è del 22% ed infine il film sottile (30.496) utilizzato di rado, il cui contributo è pari a circa il 7%.

 

Le nostre considerazioni

Abbiamo così terminato la nostra breve panoramica sull’ evoluzione dei pannelli solari esplicitando vantaggi e svantaggi delle varie generazioni.

Nei prossimi articoli entreremo nei dettagli di alcune nuove tecnologie che superano ulteriormente i pannelli classici di terza generazione, cercando di spiegare e commentare le soluzioni adottate. Inviteremo i lettori appassionati a riflettere sui vari temi per comprendere come il “ solare” sia una risorsa che ha enormi potenzialità specie in un paese come l’ italia e che, una volta capito come sfruttarla al meglio, garantirà all’ intero pianeta una perfetta autosufficienza energetica.

 

 

 

Fonti

 

 

 

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6 Responses to Pannelli solari e la loro evoluzione

  1. Antonio ha detto:

    Bellissimo articolo, ottimo lavoro.
    Non vedo l’ora di leggere il prossimo articolo

  2. Natalia ha detto:

    Molto interessante, complimenti

  3. Luca Casotto ha detto:

    Bell’articolo, scritto bene e in maniera chiara anche per chi, come me, non è del settore.
    Bel lavoro.

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