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Cosa si può fare con l'energia del sole, ovvero quando e come usare i pannelli solari? 1/2

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Cosa si può fare con l'energia solare, quando e come usare i pannelli solari? Quanto sono importanti l'energia solare ed i pannelli solari?

Il sole rappresenta una enorme ed apparentemente inesauribile fonte di energia. Da sempre l’uomo ha cercato di controllare e di sfruttare l’energia prodotta dal sole, basti pensare che già nel III secolo A.C. Archimede bruciò una flotta di navi romane focalizzando su di esse i raggi del sole con degli specchi.L’energia solare (senza la quale, tra l’altro, non sarebbe possibile la vita sulla terra), nonostante la sua enorme potenzialità, è sempre stata considerata come alternativa alle fonti energetiche tradizionali poiché diffusa nell’atmosfera e quindi molto difficile da “catturare”.

Le altre risorse disponibili come ad esempio il legno, il carbone, il petrolio e i gas naturali sono sicuramente più facilmente gestibili dall’uomo per la produzione di energia. Solo da alcuni anni ci stiamo rendendo conto che le fonti tradizionali, proprio perché non rinnovabili, non basteranno al fabbisogno energetico del futuro e che perciò è necessario già da oggi investire nella ricerca mirata all’utilizzo di energie alternative, rinnovabili e “pulite” come appunto quella solare.

Attualmente questo tipo di energia viene sfruttata direttamente in due differenti modi: per la produzione di acqua calda tramite i cosiddetti collettori solari e per la produzione di energia elettrica mediante i pannelli fotovoltaici. Questi dispositivi sfruttano la proprietà delle giunzioni al silicio di tipo P-N di emettere elettroni (quindi energia elettrica) se colpiti dalle radiazioni luminose (fotoni). In questo articolo ci occuperemo del secondo tipo di sfruttamento dell’energia solare, quella che ci interessa più da vicino. A questo punto più di una persona si domanderà come mai i pannelli fotovoltaici che sono in grado di effettuare la conversione diretta dell’energia solare in energia elettrica non abbiano soppiantato le tradizionali centrali a combustione. La risposta è molto semplice. L'energia solare che colpisce la terra corrisponde a 1.000 watt per metro quadro nelle condizioni di massima insolazione; inoltre il rendimento dei migliori pannelli solari è inferiore al 20%. In parole povere, per ottenere un valore significativo di energia, paragonabile a quello generato da un piccola centrale tradizionale, bisognerebbe utilizzare una superficie molto estesa, di decine di migliaia di metri quadri.

E’ evidente, considerato il costo dei pannelli, che tale soluzione non è per il momento praticabile. Per non parlare poi dell’immagazzinamento dell’energia, necessario per sopperire ai periodi di scarsa o nulla insolazione. Non è quindi possibile, almeno per ora, utilizzare l’energia del sole per i grandi consumi industriali ma è invece possibile , e spesso conveniente l’impiego di essa per particolari applicazioni. I casi sono innumerevoli, dalla baita isolata alla calcolatrice, dal ponte ripetitore al camper, dal segnalatore marino all’orologio. Prima di procedere all’acquisto di un pannello solare è però opportuno conoscerne le modalità di funzionamento e la procedura per il corretto dimensionamento, in modo da evitare errori.

Schema di principio di un impianto ad energia solare.

La conversione fotovoltaica

L’effetto fotovoltaico venne osservato per la prima volta nel 1840 dal fisico Becquerel. Egli scoprì che una giunzione positivo-negativo (p-n) opportunamente realizzata era in grado di trasformare direttamente l’irraggiamento del sole (fotoni) in energia elettrica. In un secondo tempo fu la NASA (Ente Spaziale Americano) a finanziare la realizzazione del primo impianto fotovoltaico. Esso venne istallato a bordo del satellite Telsar per alimentare gli strumenti di bordo. Il successo ottenuto da questa prima sperimentazione nello spazio spinse gli scienziati a progettare degli impianti fotovoltaici adatti all’uso terrestre.

L’esperimento di maggior rilievo è stato realizzato negli Stati Uniti e precisamente per l’aeroporto di Phoenix che riceve energia esclusivamente da un impianto fotovoltaico composto da ben 15.000 celle solari. Terminata questa breve storia sulla nascita e sullo sviluppo del fenomeno fotovoltaico vediamo ora come esso funziona. Alla base di ogni impianto solare vi è la cosidetta “cella”. Essa è realizzata da un cristallo di materiale semiconduttore (tipicamente silicio) che viene opportunamente trattato e lavorato fino all’ottenimento di un “wafer” caratterizzato da una superficie superiore di tipo N e da una inferiore di tipo P. Quando i fotoni della luce “colpiscono” la cella causano la scissione di un legame elettronico con conseguente creazione di accumulo di cariche. La cella si trasforma così in un generatore elettrico caratterizzato da una propria tensione e da una propria corrente.

conversione-fotovoltaica

Gli impianti ad energia solare

Un impianto ad energia solare è generalmente formato da tre elementi: il pannello o modulo solare, la batteria e il regolatore di carica. Al primo elemento è affidata la trasformazione dell’energia solare in energia elettrica; fisicamente un pannello solare è composto da un insieme di “celle solari elementari” collegate in serie tra loro e incapsulate tra due lastre di vetro, il tutto unito da una cornice in alluminio.

Posteriormente al pannello troviamo i due morsetti “+” e “-” da cui prelevare energia. Attualmente sono disponibili pannelli di ogni forma e dimensione, adattabili praticamente a qualsiasi applicazione, caratterizzati da una specifica potenza, tensione e corrente. Tuttavia, quasi tutti i pannelli di una certa pezzatura, presentano una tensione di uscita compatibile con la ricarica diretta delle batterie a 12 volt: tipicamente questi pannelli forniscono una tensione compresa tra 15 e 18 volt.

Vedremo in seguito come scegliere il pannello in funzione del nostro fabbisogno di energia. Per ora limitiamoci alla descrizione delle differenze costruttive. Esistono cioè due tipi fondamentali di pannelli solari: quelli amorfi e quelli cristallini (mono o poli cristallini). I primi utilizzano un wafer di silicio più spesso ma trattato in maniera più semplice, la superficie sensibile è di colore marrone ed il rendimento è di circa il 7%; altra caratteristica molto importante dei pannelli amorfi è il funzionamento con qualsiasi tipo di luce. I pannelli cristallini utilizzano wafer di silicio più sottili e più puri, presentano una superficie di colore azzurro, sono caratterizzati da un rendimento molto più alto (attorno al 15-18%) ma funzionano bene quasi esclusivamente con la luce diretta del sole. Il secondo elemento del nostro impianto è rappresentato da una batteria a cui spetta il compito di immagazzinare e fornire successivamente la corrente al carico.

pannelli fotovoltaici utilizzo

Questa sorta di “serbatoio” è indispensabile in quanto l’energia elettrica erogata dal pannello non è costante nell’arco delle 24 ore. Infine, troviamo il regolatore di carica, termine con cui indichiamo una apparecchiatura elettronica che provvede ad aprire il circuito pannello-batteria quando quest’ultima risulta carica. Durante la realizzazione di un impianto ad energia solare è indispensabile interporre un diodo denominato “di blocco” tra il pannello e la batteria per evitare che quest’ultima si scarichi di notte o in assenza di luce attraverso la resistenza propria del pannello solare. Se l’impianto comprende più di un modulo e se questi sono collegati in serie tra loro, dovremo utilizzare in parallelo ad ogni singolo pannello un diodo di “bypass”, eviteremo così che l’avaria o l’oscuramento di un pannello pregiudichi il funzionamento dell’intero impianto.

I pannelli solari cristallini

Convertono direttamente l’energia solare in energia elettrica e si distinguono immediatamente per il colore azzurro della superficie sensibile. Le celle di silicio mono o policristallino sono collegate elettricamente tra di loro e incapsulate dapprima tra due fogli di E.V.A. (etilene vinil acetato) e successivamente racchiuse tra due lastre di vetro temperato con basso contenuto di ferro. Il tutto è trattenuto da una cornice in alluminio anodizzato. Posteriormente al pannello troviamo una scatola di derivazione stagna con all’interno i due morsetti, positivo e negativo, da cui prelevare la tensione per la carica della batteria.

Ogni pannello di questo tipo dovrebbe riportare posteriormente una targhetta con i dati nominali di potenza, tensione e corrente. Queste informazioni sono sempre riferite alla condizione di massima insolazione e sono quelle da utilizzare per il dimensionamento dell’impianto. Ad esempio, se prendiamo in esame i dati di targa del pannello policristallino Kyocera tipo LA361K48, troviamo sul retro le seguenti indicazioni: output = 48W, optimum voltage = 16,7V e optimum current = 2,88A. Questo pannello è adatto per la ricarica di batterie a 12 volt; di norma tutti i pannelli che indichiamo come adatti per sistemi a 12 volt devono essere in grado di fornire una tensione massima (intesa come condizione di massima insolazione) compresa tra 16 e 18 volt.

 

 

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