Come funziona un pannello fotovoltaico?

Pannello fotovoltaico

Il funzionamento dei pannelli fotovoltaici si basa su una tecnologia apparentemente semplice, che converte l’energia solare in elettricità. L’idea è nata addirittura nel diciannovesimo secolo, più precisamente nel 1839, quando lo scienziato francese Edmond Becquerel ha scoperto che alcuni materiali producevano scintille elettriche se colpite dalla luce solare. Le ricerche effettuate in seguito, hanno dimostrato che questa proprietà insita in alcuni materiali, chiamata “effetto fotovoltaico”, poteva essere sfruttata. Le prime celle fotovoltaiche erano composte da selenio e sono state create verso la fine dell’800.

 

Negli anni 50 del novecento, alcuni scienziati americani hanno rivisitato la tecnologia usando il silicio al posto del selenio, in quanto lo ritenevano un elemento più performante. Oggi i pannelli solari vengono installati sui tetti delle abitazioni e su moltissimi altri edifici e possono essere usati per soddisfare il fabbisogno energetico in molte altre occasioni.

 

Ma di preciso, come funziona un pannello fotovoltaico? Come riesce a produrre elettricità direttamente dall’energia solare?

Un pannello fotovoltaico è costituito da unità più piccole, chiamate celle fotovoltaiche. Se posto in termini semplici, i fotoni, o particelle di luce, trasferiscono la loro energia agli elettroni liberi presenti sulla cella composta da silicio che, a loro volta, si “agitano” e producono il flusso di elettricità. Ogni cella è formata da due strati di silicio, un materiale semiconduttore appartenente alla categoria dei semimetalli, che viene impiegato intensivamente anche nella microelettronica. Per funzionare, una cella fotovoltaica deve stabilire un campo elettrico. Così come avviene per un campo magnetico, in cui sono presenti due poli opposti, anche nel caso del campo elettrico si assiste alla presenza di due cariche opposte separate tra loro. Per creare questo campo, chi produce pannelli fotovoltaici dà vita ad un processo chiamato “drogaggio del silicio”, che prevede l’aggiunta di atomi di un preciso elemento ai semiconduttori con lo scopo di alterare la loro stabilità elettronica. Nello specifico, allo stato di silicio soprastante viene aggiunto del fosforo, al fine di caricarlo negativamente; allo strato sottostante, invece, viene aggiunto del boro, che gli permette di assumere una carica positiva. Nel momento in cui un fotone colpisce un elettrone libero tra i due strati, il campo elettrico lo spinge verso delle piastre metalliche presenti sui lati della cella che lo trasferiscono all’interno dei cavi elettrici.

Di recente, i ricercatori hanno prodotto celle ultrafine e flessibili che possiedono uno spessore di 1,3 micron (all’incirca 1/100 dello spessore di un capello umano). Queste celle fotovoltaiche pesano addirittura venti volte in meno di un comune foglio di carta da ufficio. Leggerezza e flessibilità rendono queste celle perfette per il settore dell’architettura, per quello aerospaziale e, addirittura, per essere inserite nell’elettronica “wearable”.

Al fine di capire come funziona un pannello fotovoltaico è necessario anche precisare come l’energia elettrica da lui prodotta possa essere utilizzata. I pannelli solari, infatti, generano elettricità in corrente continua. Il flusso degli elettroni in corrente continua avviene in un’unica direzione all’interno del circuito. Un esempio semplice può essere quello di una lampadina alimentata da una batteria: gli elettroni si muovono partendo dal polo negativo in direzione della lampadina e, dopo averla alimentata, ritornano verso il polo positivo. Al contrario, in caso di corrente alternata (quella presente nei circuiti elettrici dei nostri edifici), gli elettroni si muovono cambiando periodicamente la loro direzione, un po’ come avviene per i pistoni presenti nel motore di una macchina. I generatori creano corrente alternata quando una bobina è in prossimità di un magnete e possono essere alimentati da diverse fonti energetiche (combustibili fossili, energia idroelettrica, nucleare, eolica o solare).

 

Come si può, quindi, trasformare in corrente alternata l’elettricità in corrente continua prodotta dai pannelli fotovoltaici? La risposta è una soltanto: usando un inverter.

Quando si spiega come funziona un pannello fotovoltaico è praticamente obbligatorio far riferimento all’inverter. Un inverter solare cattura l’energia in corrente continua prodotta dal sistema fotovoltaico e la trasforma in elettricità in corrente alternata; se si dovesse paragonare questo strumento ad una parte del corpo, sarebbe certamente il cervello. Oltre alla conversione dell’energia elettrica, infatti, questi strumenti proteggono da guasti a terra e forniscono statistiche di sistema, tra cui la tensione e la corrente presente sui circuiti CA e CC ed i dati relativi alla produzione di energia e al punto di massima potenza. Gli inverter centralizzati e modulari hanno dominato l’industria fotovoltaica fin dal principio. Sono stati introdotti poi dei micro-inverter, detti ottimizzatori. Come afferma il termine stesso, infatti, ottimizzano l’attività di ogni singolo pannello e non più dell’intero sistema, permettendo a ciascuno di essi di funzionare al suo massimo potenziale. Questa configurazione può risultare utile, ma solo in determinate situazioni, come nel caso di un ombreggiamento che non è possibile evitare o di zone di sporcizia critiche per i pannelli; altrimenti sarebbe del tutto superflua, in quanto gli inverter tradizionali hanno comunque al loro interno la possibilità di separare l’impianto fotovoltaico in più zone di lavoro e seguirne il punto di massimo rendimento

 

Come lavora il sistema fotovoltaico nella sua totalità?

Se per comprendere come funziona un pannello fotovoltaico sono state analizzate nello specifico le operazioni effettuate dalle varie componenti, ora passiamo a descrivere il completo funzionamento di un sistema fotovoltaico. Ecco un esempio del processo: in primo luogo, la luce del sole colpisce il pannello solare presente sul tetto di un’abitazione. Il pannello converte l’energia in elettricità in corrente continua, che scorre in direzione dell’inverter, che la trasforma in corrente alternata, energia che può essere usata per alimentare le varie componenti presenti all’interno della casa o dell’edificio. Con il passare del tempo, questo sistema sta diventando sempre più sicuro e sofisticato.

 

Cosa succede, però, quando non si utilizza l’energia prodotta dai pannelli? O come si può coprire il fabbisogno energetico durante la notte quando i moduli non stanno producendo elettricità?

 

Per far fronte a questi naturali problemi, esistono due possibili soluzioni, entrambe molto valide. La prima è quella individuabile nello scambio sul posto. Se durante il giorno un sistema fotovoltaico produce più energia di quella necessaria a coprire il fabbisogno energetico, l’eccesso verrà immesso nella rete pubblica per essere utilizzata altrove. Chi immette energia nella rete riceverà credito che andrà a compensare il prelievo di energia dalla rete pubblica durante la notte quando i pannelli solari non stanno producendo. Una seconda soluzione è data dall’installazione di un sistema di accumulo fotovoltaico. Il sistema di accumulo consente di immagazzinare l’eccesso di energia elettrica prodotta dal sistema. Questa energia conservata potrà essere sfruttata per coprire il fabbisogno energetico nel corso della notte o nelle giornate in cui a causa delle condizioni atmosferiche i pannelli fotovoltaici non producono una quantità di energia sufficiente.

Si è appena analizzato come funziona un pannello fotovoltaico e come questo possa essere un vantaggio consistente per coprire il fabbisogno energetico di abitazioni, uffici ed edifici pubblici. Il solare è un’energia rinnovabile e green facilmente sfruttabile soprattutto in un territorio come quello italiano, in cui la presenza del sole nel corso dell’anno è piuttosto consistente.

 

Grazie al progresso tecnologico, inoltre, si stanno producendo moduli sempre più resistenti ed efficienti. La variabilità insita nel solare è facilmente prevedibile e gestibile, consentendo a chi decide di installare un impianto fotovoltaico di trarre tutti i benefici dal suo investimento.