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Fonte: fotovoltaico

Il fotovoltaico produce energia elettrica dalla radiazione solare (fotoni: radiazione elettromagnetica).


Caratteristiche

Un impianto è composto di moduli fotovoltaici, i quali sfruttano l'effetto fotoelettrico per produrre energia elettrica.
Per ogni kW di energia prodotta, possono volerci da 8 a 20 m2 di pannelli solari, dipende da:

  • la tecnologia delle celle fotovoltaiche (silicio policristallino e monocristallino sono migliori del silicio amorfo che però è più economico);
  • la direzione in cui esse vengono montate (i tetti non sono tutti inclinati nella direzione migliore);
  • l'intensità della radiazione solare (più ci si avvicina all'equatore e maggiore è tale intensità).

Storia / scoperta

Fu Albert Einstein che nel 1905 spiegò teoricamente l'effetto fotoelettrico (osservato per la prima volta nel 1839 da A. Edmond Becquerel); che è alla base delle celle fotovoltaiche.

Potenza impianti

Impianti privati a uso familiare vengono realizzati con potenza di picco di 3 kWp (kilo watt picco: equivalenti al contatore standard della corrente elettrica); per produzioni di energia ad uso pubblico si è arrivati a potenze superiori ai 100 MW, ma richiedono superfici molto grandi dell'ordine del kilometro quadrato.

Possiamo fare un confronto delle superfici richieste in base al tipo di fonte energetica utilizzata. Calcoliamo la superficie richiesta per produrre la stessa quantità di energia di una centrale nucleare EPR da 1600 MW: 

Tipo di centrale Superficie
impegnata
Superficie
occupata
Rapporto
sup. occupata
Centrale nucleare EPR 0,2 Km2 0,2 Km2 1
Campo eolico 40,0 Km2 4,2 Km2 21
Campo fotovoltaico 7,8 Km2 7,8 Km2 39
Solare CCP 12,6 Km2 12,6 Km2 63

Come si può vedere, la superficie occupata da un impianto solare è notevolmente superiore (circa 40 volte), per questo si cerca di non sprecare i terreni agricoli (in Italia è vietato per legge dal 2012), ma di utilizzare terreni improduttivi o meglio i deserti.

Sono in progetto vari campi fotovoltaici nel deserto del Sahara, anche se ci sono vari problemi tecnici da risolvere e geopolitici.


Impianti: campo fotovoltaico

Classificazione e tipologia

Gli impianti fotovoltaici sono di due tipi:

  • grid connect : impianti connessi ad una rete di distribuzione esistente;
  • ad isola (stand alone) :  non sono connessi e sfruttano in loco l'energia elettrica prodotta.

L'impianto ad isola viene utilizzato in posti isolati dove non arriva la rete elettrica. Esso si compone generalmente di:

  • Campo fotovoltaico: composto da moduli fotovoltaici disposti opportunamente per raccogliere l'energia solare;
  • regolatore di carica: serve a stabilizzare l'energia;
  • batteria d'accumulo: costituita da una o più batterie ricaricabili per conservare l'energia, connesse opportunamente in serie o in parallelo;
  • inverter: che trasforma la corrente continua (di 12 o 24 V) in corrente alternata (di 110 o 230 V);

Gli impianti connessi (grid connect) si compongono di:

  • campo fotovoltaico: (come nell'impianto isolato);
  • inverter: (come nell'impianto isolato);
  • quadristica di protezione e controllo: situato tra l'inverter e la rete a cui è connesso l'impianto;

L'unico componente esterno visibile è il campo fotovoltaico, il resto è posto dentro a dei locali.
Oggi si cercano d'integrare sempre meglio i pannelli fotovoltaici con gli edifici, in modo da ridurre l'impatto estetico e sfruttare quanta più superficie possibile.  (BIPV: Sistemi fotovoltaici architettonicamente integrati). Le celle fotovoltaiche vengono integrate nelle tegole del tetto, oppure possono diventare un rivestimento della superficie dell'edificio.


Installazione nel deserto del Sahara

Ci sono progetti che hanno l'intenzione di produrre energia elettrica installando campi solari/eolici nel deserto del Sahara. I progetti conosciuti sono:

  • Desertec: (europeo) che mira a soddisfare il 15% del fabbisogno elettrico europeo con un capitale investito di 400 Miliardi di euro;
  • Sahara Solar Breeder Project: (giappone-algeria)  che mira a soddisfare il 50% del fabbisogno elettrico mondiale (in stato ancora di progetto). Mira a fabbricare i pannelli solari direttamente nel deserto (abbondante di silicio).

Bisogna tenere in considerazione i seguenti punti:

  • Estrarre silicio dal deserto è alquanto antieconomico in quanto è un processo che richiede grandi quantità di energia, difatti viene prodotto solo in Paesi che hanno tariffe elettriche basse;
  • i lunghi cavi elettrici dovrebbero essere raffreddati a basse temperature per evitare le dispersioni (oppure accettare un 10% di perdite dovuti al trasporto);
  • le tempeste di sabbia coprono le celle solari (si devono spolverare) e possono graffiare la superficie (rendendole opache e abbassandone il rendimento);
  • le celle solari oltre i 25 °C perdono 0,4% di efficienza per ogni grado in più, quindi a 45°C perdono 8% di efficienza, se però si pensa che nel deserto l'irraggiamento e le ore di sole, sono almeno il 50% in più il tutto risulta conveniente.
  • Instabilità politica dei Paesi africani.

Ricordo che l'energia elettrica prodotta nel mondo è il 41% di tutta l'energia utilizzata dall'uomo; quindi questi progetti per quanto grandiosi non eliminano la dipendenza dai combustibili fossili. L'investimento di 400 Miliardi di euro se diversamente investito (ricerca) potrebbe ottenere migliori risultati.


Rendimento

Risale al 1954 l'utilizzo della prima cella solare a silicio, la quale aveva un rendimento del 6% (oggi si arriva al 32% in laboratorio, mentre al 15% medio nell'installato).

Il problema delle attuali celle al silicio è che non sfruttano l'energia del sole che ricade nell'infrarosso (che é il 40% del totale), quindi resteranno sempre limitate. Una ricerca promettente vorrebbe mettere uno strato trasparente, sopra le celle al silicio, capace di generare energia dalla radiazione infrarossa. E' una buona idea, però, i rendimenti dello strato superiore sono ancora bassi.


Abbondanza

Tutta l'energia che l'uomo consuma equivale a soltanto 3 h di tutta l'energia del Sole che arriva sulla Terra; soltanto che tale energia è poco concentrata, e quindi bisogna utilizzare aree molto vaste.

L'energia è prodotta solo nelle ore diurne, che sono anche quelle in cui c'è maggiore richiesta. La quantità in eccesso prodotta può entrare nella rete di distribuzione nazionale (grid connected).

Nel 2015 la Cina è la prima al mondo per potenza installata (43 GW), l'anno prima era la Germania con 38 GW.

Dall'inizio del 2016, la potenza fotovoltaica installata nel mondo ha superato i 230 GW.


Costi

Per il suo sfruttamento sono necessari prodotti tecnologici costosi che la rendono poco conveniente, ma la larga diffusione che si è avuta in questi ultimi anni, ha permesso l'abbattimento dei costi (anche grazie ai contributi statali). I pannelli fotovoltaici non hanno bisogno di manutenzione (solo una spolverata), quindi il prezzo principale deriva dall'acquisto dei moduli che durano 25/30 anni.


Pro

  • Fonte inesauribile gratuita;
  • Nessun monopolio/oligopolio da parte di alcuni Paesi del mondo per la sua fornitura; questo elimina i problemi geopolitici delle altre fonti (guerre);
  • nessun inquinamento dell'aria ne effetto serra;
  • Manutenzione quasi assente;

Contro

  • Costi iniziali alti;
  • Superficie impegnata: consumo di grandi superfici terriere (energia a bassa intensità energetica per superficie);
  • Intermittenza: l'energia viene prodotta solo di giorno (la notte è vero che il consumo di energia diminuisce, ma non scende sotto il 50%);
  • Nuova infrastruttura: necessario costruire una rete elettrica intelligente (Smart grid) in grado di smaltire i flussi di energia intermittenti (la rete normale non supporta sbalzi di oltre il 15%);
  • Rendimento: le celle che rendono di più hanno costi alti e sono composte da materie prime non abbondanti;
  • Sostanze tossiche durante la produzione: la fabbricazione delle celle solari richiede il trattamento di sostanze tossiche e di altre che potrebbero diventare poco abbondanti in futuro (vedi: argento).
  • Durata delle celle è intorno ai 25 anni, però l'inverter ha una vita di 10 anni (ulteriori costi per la sua sostituzione), ed eventuali pile di accumulo hanno una vita ancora più breve e costi alti;
  • l'eccessivo calore ne abbassa il rendimento (vedi: deserto del Sahara);