Università degli Studi di Trento

Facoltà di Ingegneria

Corso di laurea in Ingegneria dei Materiali

 

 

Corso di Metallurgia dei metalli non ferrosi

 

CELLE FOTOVOLTAICHE

 

 

 

Prof. Diego Colombo

 

Studente: Simona di Dio

 

 

 

 

 

 

 

Anno accademico 2007-2008


Indice.. 1

INTRODUZIONE.. 3

La radiazione solare.. 5

Il percorso del sole e le componenti della radiazione solare.. 6

Energia solare e celle fotovoltaiche.. 7

Caratteristica elettrica di una cella fotovoltaica.. 11

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA.. 14

Coppie elettrone-lacuna.. 14

Drogaggio dei semiconduttori. 18

Giunzione p-n.. 19

TIPOLOGIE DI CELLE FOTOVOLTAICHE.. 22

Celle di silicio cristallino.. 24

Celle fotovoltaiche in silicio monocristallino.. 25

Silicio policristallino.. 26

Le celle a film sottili. 27

Silicio amorfo.. 29

Le celle microcristalline e microamorfe.. 32

Le celle CdTe (telluriuro di cadmio). 33

Le celle CIS (Copper Indium Selenide) al diseleniuro di rame e di indio.. 34

Celle ibride in cristallino /amorfo (HIT- Heterojunction with Intrinsic Thin layer)  35

PRODUZIONE CELLE FOTOVOLTAICHE.. 36

Processi di produzione celle in silicio monocristallino.. 36

Metodo Czochralski. 36

Tecnica Casting.. 38

Trattamento anti riflesso (ARC). 39

ALTRE APPLICAZIONI DEI SISTEMI FOTOVOLTAICI. 40

Sistemi isolanti (stand-alone). 40

Temi collegati alla rete (grid connected ). 41

Fotovoltaico e architettura.. 42

Fotovoltaico e illuminazione stradale.. 43

Fotovoltaico e regolamentazione del traffico.. 44

Fotovoltaico e rete elettrica.. 45

Fotovoltaico ed impianti di sollevamenti. 46

Fotovoltaico/Convenienza economica.. 47

SMALTIMENTO E RICICLAGGIO.. 50

BIBLIOGRAFIA.. 52

SITI INTERNET.. 52

 


 

 

INTRODUZIONE

La conversione diretta della radiazione luminosa in energia elettrica è stato sperimentato per la prima volta nel 1839 dal fisico Edmond Becquerel, verificando come l’intensità della corrente in una cella elettrolitica con elettrodi in platino aumentasse con l’esposizione diretta con il sole. Fu Hertz che in seguito, nel 1887 progettò un dispositivo che produceva lo stesso effetto di conduzione nel vuoto. Tali studi hanno mostrato le proprietà dei materiali semiconduttori, soprattutto per il silicio. Allo stato non eccitato il silicio non è un conduttore perché i suoi quattro elettroni più esterni all’atomo sono vincolati. Quando questi elettroni ricevono una certa quantità di energia come ad esempio quella dei fotoni della radiazione solare, essi sono in grado di abbandonare la banda di valenza per passare la banda di conduzione.

L’elettrone che si muove all’interno nel cristallo lascia quindi degli spazi vuoti dette “lacune”. È proprio in continuo susseguirsi di questi spostamenti che crea una corrente elettrica disordinata e di entità trascurabile.

Una corrente elettrica stabile e di piccola entità può essere ottenuta imponendo una differenza di potenziale (dovuto a campo elettrico) in materiali capaci di attivare questi movimenti. Trattando gli strati di silicio con altri elementi quali il fosforo e il boro (in grado di accentuarne la differenza di potenziale) può essere ottenuto un effetto maggiore e quindi di produrre una corrente elettrica più elevata.

 

L’effetto fotovoltaico si verifica quando un dispositivo formato da due strati congiunti e sovrapposti, costituiti da silicio drogato con atomi di fosforo (conduttore di tipo n cioè ha carica negativa) e da silicio drogato con atomi di boro (conduttore di tipo p cioè ha carica positiva) viene esposto direttamente all’incidenza della luce e quindi dei fotoni.

Nello specifico la corrente si crea in corrispondenza dell’area di giunzione, ed è tanto maggiore quanto più elevata è intensità della luce. (3)

 

L’effetto provoca la generazione di una corrente elettrica in seguito all’assorbimento di luce da parte di celle fotovoltaiche. Il materiale di base delle celle fotovoltaiche è silicio cristallino o amorfo. Mediante l’introduzione (drogaggio) di una piccola concentrazione di impurità diviene conduttore elettrico. A seconda della natura dell’impurità, il cristallo diventa conduttore di cariche negative (“n”), elettroni, oppure cariche positive (“p”), lacune. Il cristallo può essere reso sensibile a “n” drogandolo con fosforo e con boro per renderlo di tipo “p”. Il materiale di tipo “n” che è quello generalmente esposto alla radiazione solare, ha uno spessore dell’ordine dei μm, mentre quello di tipo “n” ha uno spessore di circa 200 μm.

Nella zona di contatto esiste un campo elettrico dovuto alla diversità dei due materiali. Quando un fotone della radiazione solare urta la regione della giunzione “p-n”, si produce una coppia elettrone-lacuna, e l’elettrone tende a migrare verso lo strato di silicio tipo “p”. Se gli strati “p” e “n” sono collegati con fili conduttori, la corrente elettrica prodotta può circolare in un circuito esterno di utilizzazione. Ogni cella irraggiata dalla luce solare, produce una tensione di 0,4 – 0,5 Volt. (5)

 

Figura 1: Rappresentazione effetto fotovoltaico

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LA FONTE DI ENERGIA: IL SOLE

 

La radiazione solare

 

 

Il sole è la fonte energetica più importante per la terra. La vita in tutte le sue forme, dipende dall’energia del sole, che rappresenta il punto di partenza per le catene chimiche e biologiche sul nostro pianeta e allo stesso tempo costituisce la forma energetica più pulita dal punto di vista ambientale.

Al centro del sole ha luogo un processo di fusione in cui due nuclei di idrogeno si fondono in un nucleo di elio. L’energia così irradiata nello spazio sotto forma di onde elettromagnetiche. La Terra si trova a una distanza dal sole di 143 milioni di km e quindi riceve solo una piccola frazione di tale energia.(2)

L’energia irradiata dal sole si propaga in modo simmetrico nello spazio fino a raggiungere l’atmosfera terrestre con una potenza di 1353 W/m2 per unità di superficie. Tale valore, detto costante solare, varia periodicamente nel corso dell’anno in funzione della diversa distanza tra il sole e la terra durante le stagioni, quindi rappresenta il valore medio della potenza specifica e oscilla entro un intervallo del ±3% (assume valori massimi nel periodo invernale e quello minimo in estate).

Malgrado ciò, il sole offre più energia in un quarto d’ora di quanta l’uomo ne usi in un anno.

In termini di cifre ogni anno il sole fornisce una quantità di energia pari 1.500 milioni di miliardi di chilowattora all’anno. Questa quantità di energia proveniente dal sole risulta pertanto 10.000 volte superiore all’attuale fabbisogno di tutto il pianeta.

Nella pratica impiantistica il valore di massima radiazione al suolo viene assunto pari a 1000W/ m2.

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Il percorso del sole e le componenti della radiazione solare

 

La quantità di energia solare incidente sulla fascia esterna dell’atmosfera terrestre nell’unità di tempo può considerarsi, in prima approssimazione, costante. Tale irraggiamento –o intensità di radiazione – riferita ad una superficie di area unitaria (perpendicolare alla radiazione stessa) viene detta costante solare. Il valore di tale costante subisce lievi oscillazioni dovute alla variazione dell’attività del sole, nonché alle differenze nella distanza tra la terra e il sole durante il seguirsi delle stagioni. Queste irregolarità, che incidono meno del 5%, nel valore della costante solare sono riscontrabili soprattutto nel campo UV.

Da diversi studi il valore medio della costante solare a pari a 1360W/m2.

Se l’irraggiamento solare è pari a 1000 W/m2 allora la capacità del sole di irradiare è data da una potenza P pari 1000 W su una superficie di un metro quadro. Quindi se il sole risplende  con una potenza di 1000W per un’ora, allora produce una energia di “1 kilowattora”.

ENERGIA=POTENZA*TEMPO

 

La quantità di energia solare disponibile sulla terra è molto variabile perché dipende da:

·       

località

 
latitudine geografica;

·        periodo dell’anno;

·        ora del giorno.

 

Infatti in base all’inclinazione del sole si hanno giornate più lunghe per esempio in estate; inoltre il sole raggiunge altezze maggiori nei mesi estivi rispetto a quelli invernali.

La radiazione solare che raggiunge la terra senza variazione di direzione (infatti parte della radiazione solare può essere riflessa, Erif, dalle diverse superfici o essere deviata, Edif, dalle nuvole) viene chiamata radiazione diretta Edir.

La sommatoria delle tre radiazioni (diretta, riflessa e deviata) si dice radiazione globale Eg.

Eg=Edir+Edif+Erif

 

Quando il sole è posizionato verticalmente rispetto al piano dell’orizzontale, la luce solare compie il percorso più breve possibile attraverso l’atmosfera, quindi si avrà una maggiore intensità della radiazione al suolo. Al contrario l’intensità sarà minore se il percorso è più lungo cioè avendo un angolazione minore della radiazione solare che colpisce la terra.

La nuvolosità e lo stato del cielo costituiscono il secondo fattore decisivo per determinare la disponibilità della radiazione solare. Quindi sia l’irraggiamento che la quota di radiazione diretta e diffusa variano molto a seconda del grado di nuvolosità. Le osservazioni condotte in un arco di tempo di diversi anni hanno mostrato che, alle altitudini caratteristiche del centro Italia, la quota di radiazioni diffusa rappresenta nel corso dell’anno il 30÷35%della radiazione globale.

Nei mesi invernali questa percentuale è maggiore.

Il parametro portante per la progettazione di un impianto solare è il valore medio annuale della radiazione solare globale su un piano orizzontale, che varia con la latitudine; per esempio nella provincia di Bolzano è apri a 1220 kWh/m2 mentre nella provincia di Trapani 1700 kWh/m2. Nell’arco dell’anno la radiazione solare globale è soggetta a considerevoli variazioni giornaliere dovute alla componente diretta.

Ai fini della progettazione oltre che considerare la radiazione solare globale viene spesso fornito il numero di giorni sereni, esprimibili tramite le ore di sole all’anno. In Italia questo valore varia tra 1300 e 1900 ore l’anno. (2)

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Energia solare e celle fotovoltaiche

 

La conversione della energia solare in energia elettrica avviene sfruttando l’effetto indotto da un flusso laminare che incide su di un materiale conduttore come il silicio quando quest’ultimo incorpora su un lato atomi di drogante di tipo p (boro) e sull’altro atomi di tipo n (fosforo).

Ogni fotone dotato di energia pari a

E= h*v

dove

v: rappresenta la frequenza

h: rappresenta la costante di Plank

è in grado di liberare nella zona di contatto tra la parte drogata e p e quella drogata n una coppia di elettrone-lacuna che, per effetto del campo elettrico tra i due strati drogati differentemente, genera una differenza di potenziale.

Pur considerando che la frequenza f e la lunghezza d’onda λ esiste la relazione

f = 1/ λ

nel caso della radiazione luminosa ci si riferisce ala lunghezza d’onda λ. I valori della lunghezza d’onda λ nel visibile sono riportati nella seguente immagine:

 

 

Figura 2: Particolare dello spettro del visibile (la lunghezza d’onda va da 400nm a 700nm)

 

nello specifico si riportano i valori delle lunghezze d’onda del visibile:

 

ROSSO

0,700÷0,645

μm

ARANCIO

0,645÷0,585

μm

GIALLO

0,585÷0,575

μm

VERDE

0,575÷0,490

μm

AZZURRO

0,490÷0,455

μm

INDACO

0,455÷0,425

μm

VIOLETTO

0,425÷0,400

μm

 

Tabella 1: Lunghezze d’onda dello spettro visibile

 

L’energia necessaria per liberare una coppia di elettrone-lacuna, utilizzando un semiconduttore come il silicio corrisponde ad una lunghezza d’onda massima, per la radiazione luminosa, di 1150 nm. La frazione eccedente questo limite, avente cioè λ maggiore e quindi energia insufficiente, corrisponde circa a il 25% dell’energia complessivamente contenuta nello spettro solare. Il rimanente 75% risulta quindi in grado di liberare coppie elettrone-lacuna. Al contrario al diminuire della lunghezza d’onda i fotoni hanno energia sempre maggiore che risulta quindi in eccesso a quella richiesta: tale energia viene perduta sotto forma di calore.

Con un semiconduttore al silicio la percentuale di energia solare che viene convertita in energia elettrica non supera il 44%, ma una tale valore nella pratica non viene raggiunto perché intervengono ulteriori fattori quali:

·             non tutti i fotoni incidenti sulla cella fotovoltaica penetrano all’interno, alcuni vengono riflessi ed altri intercettati dall’elettrodo di fronte;

·             alcune coppie elettrone-lacuna si ricombinano prima che queste possano essere dal campo elettrico interno alla giunzione (dipende dal grado di purezza);

·             parte dell’energia potenziale delle coppie elettrone-lacuna che vengono separate risulta inefficiente ai fini della conversione in energia elettrica viene persa;

·             dal circuito equivalente della cella (Fig.3) si nota l’esistenza della resistenza RS dovuta alla realizzazione contemporanea di un buon contatto e la minore oscurazione della superficie della cella esposta alla luce.

Figura 3: Circuito equivalente ad una cella fotovoltaica

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Caratteristica elettrica di una cella fotovoltaica

 

 

Nella figura sottostante è rappresentata la caratteristica elettrica di una cella fotovoltaica di silicio cristallino in cui si può notare l’andamento della tensione corrente della cella.

Figura 4: Curva tensione corrente di una cella fotovoltaica

 

Osservando questo diagramma possiamo fare alcune considerazioni.

·         L’area compresa tra l’ascissa e l’ordinata di un punto della curva e gli assi cartesiani rappresenta la potenza elettrica (I*V) erogata in corrispondenza di quei valori di corrente e tensione.

·         In corrispondenza del punto della caratteristica di ordinata IM e ascissa VM, ossia in corrispondenza del ginocchio della curva, si ha la massima potenza ottenibile. In tale punto si hanno le condizioni di lavoro ottimale.

·         Il rapporto tra il prodotto IM e VM e il prodotto tra ISC*VOC (rispettivamente corrente di corto circuito per tensione a vuoto) è chiamato fill factor o fattore di riempimento della cella. Il fill factor dà un’indicazione delle prestazioni della cella. Quest’ultimo nelle celle al silicio cristallino assume valori generalmente intorno a 0,75÷0,80. Il fill factor è anche un parametro di giudizio sul rendimento della cella: elevati valori di questi parametri sono anche indicatori di migliori prestazioni.

 

Come si può notare dal diagramma la corrente di corto circuito è di poco superiore alla corrente di massima potenza per cui non è necessario utilizzare un dispositivo elettromeccanico della corrente.

Nel diagramma seguente è rappresentata la caratteristica di una cella fotovoltaica in corrispondenza di valori diversi della radiazione solare che investe la cella.

Come si può vedere al variare dell’irraggiamento incidente sulla cella la tensione V varia di poco mentre la corrente I varia in maniera proporzionale alla radiazione.

 


Figura 5: Curva caratteristica in funzione della radiazione

 

Anche per bassi valori della radiazione solare la tensione a vuoto assume valori molto vicini a quelli di tensione massima per cui per evitare la presenza di tensione ai morsetti di un generatore fotovoltaico bisogna oscurarne totalmente la superficie captante.

Analizzando la figura che segue si può notare che le prestazioni di una cella sono influenzate anche dalla temperatura della cella.

Si evince infatti che all’aumentare della temperatura si ottiene una diminuzione della tensione a vuoto VOC in ragione di circa 2,3 mV/°C e, un aumento della corrente di corto circuito ISC pari allo 0,2 %.

Questa variazioni possono essere prese come riferimento nell'intervallo di temperatura 0÷60 °C.

Tenendo conto delle due influenze opposte che hanno l’irraggiamento e la temperatura sulle prestazioni di una cella possiamo concludere che la combinazione dei due fenomeni comporta una diminuzione della potenza massima del 6÷7% per ogni aumento di 10°C della temperatura delle celle.

 

Figura 6: Curva caratteristica in funzione della temperatura (diverse condizioni di illuminazione)

 

Per cui mentre la temperatura influenza la tensione, l'irraggiamento determina la corrente del dispositivo fotovoltaico.(4)

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PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA

 

 

 

Coppie elettrone-lacuna

 

Ogni atomo di silicio dispone di quattro elettroni nell’orbitale più esterno (elettroni di valenza), attraverso i quali forma quattro legami covalenti con altri quattro atomi di silicio. Il reticolo cristallino che ne deriva è molto stabile.

 

Figura 7: Particolare del reticolo cristallino del Silicio

 

Fornendo agli elettroni di valenza una certa quantità di energia sotto forma di luce o di calore essi sono in grado di saltare dalla banda di valenza alla banda conduzione, lasciando uno spazio vuoto nel reticolo cristallino detto lacuna.

 

Figura 8: Energy gap del semiconduttore

 

Il risultato di questo fenomeno (privo di una direzione privilegiata per il movimento delle cariche) è un flusso sia di elettroni che di lacune (in realtà la lacuna non si muove, ma viene occupata dall’elettrone più esterno di un atomo adiacente che a sua volta lascia una lacuna nello spazio da esso precedentemente occupato, come se la lacuna si fosse spostata).

In condizioni normali questo movimento disordinato di cariche di segno opposto è ostacolato da continui fenomeni di ricombinazione tra elettroni e lacune, ed ha come effetto la produzione di calore.

Per limitare nel cristallo di silicio i fenomeni di ricombinazione degli elettroni e per produrre un effetto utile dal punto di vista è necessaria la presenza di un campo elettrico che sia in grado di dare un orientamento preferenziale al movimento degli elettroni; un campo permanente si può ottenere sovrapponendo due strati di silicio “drogati” con altri elementi chimici. In particolare arricchendo uno dei due strati con atomi di fosforo, che hanno cinque elettroni di valenza, si determina un eccesso di elettroni debolmente legati all’atomo perché non coinvolti in legami valenza. Aggiungendo invece atomi di boro (con tre elettroni di valenza) si crea una zona con lacune in eccesso.

Se i due strati, appunto detti n (negativo) e p (positiva) vengono sovrapposti si ottiene una giunzione detta p-n che genera un movimento di elettroni verso la zona p, che all’equilibrio crea una situazione di neutralità.

Nella zona p si concentrano più elettroni e, nella regione di contatto dove è avvenuto il flusso, lo strato presenta una carica negativa; la zona n risulta invece, carica positivamente. In questa maniera si è ottenuto un campo magnetico di bassa entità, ma stabile all’interno del cristallo di materiale semiconduttore.

Quando una cella di silicio viene esposta al sole, gli elettroni di valenza, assorbendo fotoni, acquistano l’energia necessaria per saltare da una banda di conduzione e migrare nella zona n: parallelamente le lacune si muovono verso la zona p. Questo fenomeno è detto fotovoltaico.

 

 

Figura 9: Struttura di una cella fotovoltaica

 

La cella è caratterizzata dalla presenza, su entrambe le superfici posteriore ed anteriore, di contatti metallici con la funzione di accogliere il flusso di elettroni, e convogliarli all’estremità superiore della cella stessa, dove viene misurata la tensione. Se il circuito è aperto, ovvero la cella non è collegata ad alcun carico elettrico, quella che si misura è la tensione di circuito aperto (Vca): diversamente, se il circuito è chiuso può circolare la corrente I.

In alcuni casi gli elettroni non riescono a raggiungere i contatti metallici, e si dirigono direttamente verso la lacuna di segno opposto (fenomeno di ricombinazione).

Si definisce quindi distanza di diffusione il tratto che deve essere percorso all’interno del cristallino da un elettrone per potersi legare ad un atomo.

All’aumentare di questa distanza, aumenta la probabilità che le cariche che circolano liberamente nella banda di conduzione raggiungano i contatti metallici dando luogo ad un effetto utile.

Questa distanza dipende dalla composizione della cella. Per un semiconduttore drogato con un atomo diverso ogni 10 miliardi di atomi di silicio, tale grandezza è di circa 0.5 mm.

Nelle immediate vicinanze della giunzione, la probabilità che le cariche si mantengano separate e contribuiscano quindi ad incrementare il flusso di corrente elettrica è sufficientemente alta: al di fuori di questa area; la probabilità di successo diminuisce all’aumentare della distanza di tale zona.

 

Tornando al collegamento metallico del lato anteriore e posteriore della cella, bisogna precisare che mentre il contatto sul lato posteriore viene esteso a tutta la cella, quello sul lato frontale, esposto alla luce,viene disposto a forma di griglia o con delle sottile ramificazioni.

I fenomeni di riflessione vengono ridotti applicando sulla superficie anteriore un sottile strato di antiriflesso a base di nitruro di silicio o diossido di titanio.

La radiazione solare induce una separazione di cariche che va ad alimentare una determinata utenza. Fenomeni di ricombinazione, di riflessione e la presenza dei contatti metallici sulla superficie anteriore possono incidere negativamente sull’efficienza della cella. Inoltre buona parte della radiazione solare non può essere utilizzata ai fini dell’effetto fotovoltaico. Una parte di questa radiazione viene infine dissipata sotto forma di calore.(2)

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Drogaggio dei semiconduttori

Si definisce drogaggio di un semiconduttore l’introduzione all’interno del semiconduttore, appartenente al IV gruppo della tavola periodica, di atomi appartenenti al III o al V gruppo. Questo fa sì che si formino due strutture differenti da un lato una con un eccesso di elettroni e dall’altro una struttura con un difetto di elettroni. Ad esempio il silicio che è un semiconduttore appartenente al IV gruppo può essere drogato con sostanze del III gruppo, ossia trivalenti, oppure con sostanze pentavalenti, le prime definite accettatrici, le seconde donatrici. Il silicio possiede 14 elettroni, di cui 4 di valenza, e sono questi quelli che possono interagire con altri atomi di silicio. Drogando la struttura cristallina del silicio con l’introduzione controllata di atomi di fosforo (P) si libera un elettrone per ogni atomo di fosforo introdotto. L’elettrone che si è liberato dai legami può staccarsi facilmente dall’atomo a cui è debolmente legato e muoversi nel reticolo cristallino essendo disponibile alla conduzione. Si parla in questo caso di drogaggio di tipo n e di semiconduttore di tipo n.

Il semiconduttore può anche essere drogato da altri elementi, quali il boro (B), ed in questo caso si ottiene una lacuna per ogni atomo di boro introdotto nel reticolo cristallino. Anche la lacuna è libera di muoversi all’interno del reticolo cristallino essendo disponibile alla conduzione. In questo caso si parla di semiconduttore di tipo p.

 

 

 


Figura 10: Atomi di silicio drogato con fosforo e boro

 

 

 

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Giunzione p-n

Per creare una corrente, ossia un moto di elettroni occorre generare un campo elettrico interno alla cella. Il campo si può generare mediante degli opportuni trattamenti fisici e/o chimici che consentono di produrre un eccesso di lacune da un lato del semiconduttore e di elettroni dall’altro (vedi drogaggio dei semiconduttori). I due tipi di silicio neutri hanno cariche mobili, positive nel caso del semiconduttore di tipo p e negative nel caso del semiconduttore di tipo n.

 

 

Figura 11: Semiconduttori drogati prima della giunzione

 

 

 

 

Si parla di giunzione p-n per indicare l’insieme di due regioni di un semiconduttore una drogata di tipo n e l’altra di tipo p. Gli elettroni della zona n diffondono nella zona p e dunque il silicio tipo n si carica positivamente mentre quello di tipo p si carica negativamente e la regione intermedia che si crea viene detta zona di svuotamento.

 

 

Figura 12: Semiconduttori drogati dopo della giunzione

 

Si crea quindi all'equilibrio un campo elettrico interno al sistema che ha un’ampiezza di pochi micrometri. Il campo anche avendo uno spessore minimo (1 μm) possiede un'elevatissima intensità (10.000 V/cm). Esso tiene separate fortemente le zone rimaste con le cariche mobili n e p. La sua direzione è quella che va secondo la convezione dalla cariche positive a quelle negative. Investendo la giunzione p-n con una radiazione luminosa si ottengono delle coppie elettrone-lacuna sia nella zona n che in quella p.

 

 

Figura 13: Giunzione p-n

 

Gli elettroni in eccesso originati dall’assorbimento della luce sono separati dalle rispettive lacune per mezzo del campo elettrico, il quale spinge gli elettroni verso la zona n e le lacune verso la zona p. Questa concentrazione di cariche positive da una parte e di cariche negative dall'altra rappresenta una differenza di potenziale che genera una corrente elettrica. Il processo può così essere sintetizzato. L'elettrone presente nella zona p energizzato dall'energia dei fotoni riesce a saltare la giunzione attirando a se una lacuna delle zona n. Le due cariche si elidono sulla giunzione, un nuovo elettrone energizzato chiama a sé una nuova laguna creando un elettrone libero che fluisce dalla zona n alla zona p. Connettendo la giunzione p-n con un conduttore si ottiene nel circuito esterno un flusso di elettroni dallo strato n a potenziale maggiore allo strato p a potenziale minore. L’elettricità fluisce con regolarità sottoforma di corrente continua fino a quando la cella è investita dalla radiazione luminosa.

 

 

Figura 14: Schema di funzionamento di una cella foto fotovoltaica

 

 

Di seguito viene portato uno schema di bilancio energetico di una cella fotovoltaico:

 

 

100% irraggiamento solare

 - 3 %              fenomeni di riflessione e presenza dei contatti metallici

- 23%             fotoni troppo poco energetici

- 32%             fotoni troppo energetici

- 8,5%             fenomeni di ricombinazione

- 20%             gradiente elettrico all’interno della cella

- 0,5%             perdite termiche dovute alla resistenza di nei contatti

=13% energia elettrica utilizzabile

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


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TIPOLOGIE DI CELLE FOTOVOLTAICHE

 

Figura 15: Classificazione delle celle fotovoltaiche

 

 

 

 

 

La maggior parte delle celle fotovoltaiche attualmente in commercio è costituita da semiconduttori in silicio. Tale elemento è stato introdotto in questo ambito per la sua buona attitudine alla raffinazione, lavorazione e drogaggio. Inoltre, a differenza degli altri elementi conduttori, il silicio è abbondante nonché riciclabile dall’industria fotovoltaica.(1)

Figura 16: Produzione mondiale di celle fotovoltaiche per tipo in valore percentuale

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Celle di silicio cristallino

Il costituente principale di questo tipo di celle è il silicio che in natura si trova in forma di ossido di silicio.

Per ottenere il silicio in forma pura la sabbia deve essere fusa insieme a polvere di carbone. Mediante questo processo possibile ottenere silicio con un grado di purezza del 98%. Il silicio a questo punto viene ulteriormente raffinato mediante un processo chimico durante il quale il silicio viene dapprima ridotto, finemente macinato e quindi trattato in un forno con acido idrocloridrico.

Il prodotto di questo trattamento è un liquido a base di idrogeno e tricloro-silano (composto del silicio) avente una temperatura di ebollizione pari a 31°C.

Le impurità vengono separate dall’elemento attraverso un processo di distillazione per fasi successive. Quando il grado di purezza raggiunge il valore desiderato , il tricloro-silano viene ridotto a silicio in presenza di idrogeno ad una temperatura di 1000°C. Quindi il silicio può essere sottoposto a diversi trattamenti per creare per esempio celle in silicio monocrostallino o policristallino.(2)

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Celle fotovoltaiche in silicio monocristallino

Sono costituite dallo stesso materiale impiegato per la produzione della componentistica elettronica, per questo il prezzo di tale materia resta elevato .

Le celle in silicio monocristallino presentano il grado maggiore di purezza garantendo quindi le migliori prestazioni in termini di efficienza anche se a prezzo elevato.

I moduli in commercio hanno un’efficienza variabile tra il 14 e il 17% anche se le loro prospettive sembrano migliorare tali valori.

Si presentano come celle circolari o ottagonali con diametro di 10-12 cm e spessore di 0,2÷0,3 mm, di colore blu scuro uniforme. (3)

Figura 17: Modulo fotovoltaico monocristallino

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Silicio policristallino

 

 

Figura 18: Modulo fotovoltaico policristallino

 

Le celle sono ottenute dal riciclaggio del materiale scartato dalla produzione di componentistica elettronica, rifuso per ottenere una tessitura cristallina compatta. La struttura rimane però meno ordinata rispetto al silicio monocristallino circostanza che comporta una diminuzione dell’efficienza attestata tra l’11 e il 14%.

Le celle sono generalmente quadrate o ottagonali, con spessore e dimensione analoghi alle celle al silicio monocristallino, ma struttura policristallina conferisce loro un caratteristico color blu intenso cangiante (fig. ). Sia il costo (inferiore al monocristallino), che la gradevolezza estetica del color rende questo materiale più usato nell’integrazioni architettoniche.

Il mercato del policristallino si sta muovendo verso una progressiva differenziazione che specializzazione del presente materiale:

  • si possono personalizzare la forma e la dimensione dei moduli, per consentire l’adattamento a condizioni diverse di applicazione;
  • si possono realizzare moduli con copertura di vetro su entrambi i lati che consentono il passaggio parziale della luce, di grande impatto estetico soprattutto per la realizzazione dei lucernai;

sono comparse inoltre su mercato celle colorate con opportuni rivestimenti superficiali che riducono l’efficienza dei policristallini ma si presentano di grande impatto visivo.(3)

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Le celle a film sottili

 

 

 

Figura 19: Esempio di film sottili

 

 

Le celle a film sottile, a partire dagli anni 90, sono diventate una realtà di grande interesse nel campo del fotovoltaico.

Le celle sono formate da starti sottili di semiconduttori applicati ad un substrato di altro materiale (spesso vetro o ceramica). La deposizione dello strato sottile può avvenire tramite un processo di vaporizzazione, di spruzza mento catodico o tramite un bagno elettrolitico.

I semiconduttori più utilizzati sono silicio amorfo, diseleniuro di rame e di indio (CIS) e telluri uri di cadmio (CdTe).

A causa dell’elevata capacità di assorbire la radiazione solare da parte di queste sostanze, per le celle a film sottile è richiesto un impiego di materiale fotosensibile molto ridotto: tale strato, teoricamente, può arrivare ad avere uno spessore di 0.001 mm.

Gli aspetti che rendono questa tecnologia di particolare interesse in rapporto alle celle in silicio cristallino sono molteplici.

La temperatura di processo è compresa tra i 200°C e i 500°C; inoltre, il processo di produzione è automatizzato e consente un grande  risparmio di energia e di materiale.

Per quanto riguarda la forma delle celle, non esistono particolari vincoli poiché il substrato può essere facilmente sagomato. Diversamente, la porzione di cella elettrica attiva deve avere una forma quanto più possibile regolare (rettangolare) per agevolare l’interconnessione in serie di celle.

Mentre ogni singola cella in silicio cristallino è collegata elettricamente ad una cella adiacente mediante una interconnessione esterna, le celle in silicio amorfo sono collegate tra loro in modo strutturale.

Tra una cella e l’altra esiste un sottile interspazio trasparente impercettibile all’occhi umano. Per esigenze di architettoniche, le dimensioni di tale interspazio possono essere aumentate al fine di ottenere degli elementi strutturali semitrasparenti alla luce.

I contatti elettrici sul retro della cella consistono in una copertura metallica uniforme.

La superficie anteriore della cella è invece ricoperta da uno strato di ossidi di metallo altamente trasparenti (TCO Trasparent Conductive Oxide) come ad esempio l’ossido di zinco (ZnO), ossido di stagno (SnO2) e ossido di titanio e indio (ITO Indium Tn Oxide).

Le particolari caratteristiche della tecnolgia Thin Film sembrano molto adatte ad applicazioni spaziali. I pannelli solari costruiti con tecnologia Thin Film sono una valida alternativa ai pannelli in silicio, con il vantaggio di essere leggeri e flessibili. Ad esempio, nell'uso satellitare, i pannelli vengono arrotolati e stipati in luogo sicuro durante il lancio, per poi essere srotolati ed aperti, una volta giunti nello spazio.

 

 

 

Figura 20: Esempio di film sottili (Thin Film)

 

 

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Silicio amorfo

 

 

Figura 21: Modulo in silicio amorfo

 

Rappresenta l’elemento della tecnologia della cella fotovoltaica di nuova generazione, alternativa alla tecnica del silicio cristallino. Consiste nella deposizione di uno strato sottile di silicio cristallino (1-2µm) su superfici di altro materiale, ad esempio il vetro o supporti di plastica. In questo caso non si parla più di celle in quanto possono essere ricoperte di superfici anche consistenti in modo continuo.

L’efficienza di questa tecnologia è sensibilmente più bassa, dell’ordine del 5÷6,8% ed è soggetta a un decadimento consistente (-30%) che impone quindi un sovradimensionamento della superficie installata, in modo da consentire comunque in fase di esercizio la produzione di energia elettrica preventivata in sede di progetto.

Anche l’attendibilità di vita della superficie in silicio amorfo è sensibilmente ridotta rispetto al silicio cristallino, e corrisponde a circa 10 anni. Vi sono diversi fattori che rendono interessante i fronti di ricerca più promettenti:

  • risparmio di materiale pregiato: lo spessore di silicio necessario nella tecnologia amorfa è decisamente concorrenziale. Il procedimento di deposizione consente inoltre di riciclare il materiale di scarto della tecnologia cristallina;
  • costi finali sensibilmente ridotti: risparmiare materiale significa avere un prodotto finale economicamente competitivo;
  • soluzioni non ottenibili con la tecnologia cristallina: la deposizione del silicio può essere realizzata su materiali di diversa natura allo scopo di ottenere prodotti particolari, come superfici traslucide (deposizione su vetro), o moduli flessibili (deposizione su superfici polimeriche flessibili).

 

Il silicio amorfo è destinato a riservarsi delle nicchie particolari del mercato, per le quali queste applicazioni possono essere interessanti.

Per quanto riguarda le prospettive in campo architettonico, il silicio amorfo si è dimostrato particolarmente adatto per l’uso come materiale da rivestimento per coperture, grazie al colore scuro uniforme e alla facile realizzazione con questo materiale di vere e proprie tegole fotovoltaiche, con modalità di posa in opera analoghe alle tegole canadesi.

 

 

Figura 22: Moduli di tegole canadesi fotovoltaiche

 

Si possono quindi evidenziare ulteriori aspetti di questa tecnologia:

  • possibilità di sovrapporre diversi strati caratterizzati da assorbimento differenziato rispetto allo spettro solare, in grado di aumentare l’efficienza complessiva. Le superfici ottenute con questa metodologia hanno dato prova di rendimenti competitivi e durata nel tempo delle prestazioni;

rendimento indipendente dalle variazioni di temperatura. Al di là del decadimento prestazionale che si verifica nel primo mese di vita, le celle non subiscono variazioni sensibili dell’efficienza dovuto all’aumento delle temperature di esercizio. Per le applicazioni architettoniche di questa tecnologia non è quindi necessario prevedere la retroventilazione dei moduli, che possono quindi essere incollati direttamente sul supporto finale, con notevole facilità e risparmio della mano d’opera. (2)

 

 

Figura 23: Particolare tegole canadesi alle quali è possibile sostituire il silicio amorfo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Le celle microcristalline e microamorfe

Una soluzione promettente nel campo del fotovoltaico è data dalle celle a film sottili con silicio cristallino. Questa tecnologia consente di sfruttare i vantaggi derivati dall’impiego del silicio cristallino, e nel contempo la semplicità realizzativa che risiede alla base del processo di produzione delle celle a film sottili.

Ad oggi sono stati identificati due processi di produzione di queste celle:

  • film sottile di silicio ad alto grado di purezza depositato su un substrato di materiale non pregiato che avviene alle temperature di 900-100°C, e consente di ottenere una struttura macrocristallina simile a quella delle celle in silicio policristallino;
  • avviene alle basse temperature 200-500°C; consiste nel depositare uno strato sottile di silicio con struttura micro-cristallina su un substrato di vetro, metallo o plastica attraverso un procedimento del tutto analogo a quello impiegato per la produzione di silicio amorfo.

 

 

 

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Le celle CdTe (telluriuro di cadmio)

 

 

Figura 24: Rappresentazione cella CdTe

 

Il CdTe ha un “gap” di energia tra banda di conduzione e banda di valenza di circa 1,45 eV, è quindi un materiale particolarmente adatto ad assorbire la luce solare. Inoltre è un semiconduttore a gap diretto, il che significa, di fatto, che l’assorbimento è molto più efficiente di quanto non avvenga nel silicio.

Le celle di telluriuro di cadmio CdTe hanno un substrato in vetro e i contatti frontali sono realizzati tramite uno strato trasparente solitamente in ossido di indio e titanio (ITO). I processi produttivi impiegati in genere sono lo stampaggio, la deposizione galvanica e lo spruzzo. Nei processi sottovuoto, la deposizione dei due strati di CdS e CdTe avviene a circa 700°C. Attraverso un processo in atmosfera contenente cloro il doppio strato CdS/CdTe viene reso attivo. Lo strato CdS assorbe solo una piccola frazione della radiazione solare, lasciando che il resto penetri fino allo strato CdTe, come nel caso delle CIS, esiste un margine considerevole per la riduzione dei costi di produzione.

Un aspetto che potrebbe limitare l’affermarsi di questa tecnologia è la tossicità del cadmio allo stato gassoso. Il composto di cadmio e tellurio è molto stabile: il cadmio, invece si presenta in forma gassosa soltanto durante il processo di produzione delle celle ed è in questa fase che potrebbe manifestarsi delle criticità.

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Le celle CIS (Copper Indium Selenide) al diseleniuro di rame e di indio

Il materiale semiconduttore delle celle CIS è il diseleniuro di rame e indio. In alternativa si ha CIS anche con gallio (CIGS) e/o zolfo. Inizialmente, attraverso un processo catodico, la superficie posteriore del vetro che funge da substrato viene ricoperta da un sottile strato di molibdeno che svolge la funzione dei contatti.

Lo strato p viene prodotto in questa stessa fase attraverso un processo di vaporizzazione sottovuoto del rame, dell’indio e del selenio ad una temperatura di 500°C. I contatti frontali sono realizzati in ossido di zinco drogato con alluminio (ZnO:Al), trasparente alla radiazione solare.

Diversamente dalle celle in silicio amorfo, le celle CIS non subiscono alcun degrado a seguito dell’esposizione alla luce solare, ma sono sensibili al calore e all’umidità; per questo è necessario che siano ben sigillati.

Se confrontate con le altre celle a film sottili, le CIS hanno efficienza più alta; inoltre sfruttando adeguatamente le economie di scala derivanti da una produzione in serie, si dovrebbero raggiungere costi di produzione inferiori a quelli delle celle in silicio cristallino.

Infine, il pericolo derivante dall’impiego di selenio può essere trascurato in virtù del modesto contenuto di questo elemento nelle celle CIS.

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Celle ibride in cristallino /amorfo (HIT- Heterojunction with Intrinsic Thin layer)

 

Figura 25: Esempio di cella HIT: costituita da un sottile wafer di silicio monocristallino circondato da un film di silicio amorfo ultrasottile

 

Costituiscono una delle frontiere più recenti e promettenti della ricerca nel settore. Sono realizzate mediante  la deposizione  di uno strato di silicio amorfo su un substrato di silicio mono cristallino ad alto rendimento.

Principale caratteristica di queste celle è rappresentata dalla sezione perfettamente simmetrica che consente la generazione di corrente attraverso l’esposizione di entrambi i lati della cella. Questo, aggiunto alla necessità di spessori minori e alla minore sensibilità alle alte temperature rispetto alle tecnologie cristalline, rende particolarmente promettente questa nuova tecnologia. La sua efficienza di conversione è superiore al 17%, fattori tra i più elevati reperibili nel mercato.

La possibilità di captazione sui due lati della cella apre inoltre ottime prospettive nelle applicazioni architettoniche, ossia in tutte quelle condizioni non ottimali in cui possa essere particolarmente conveniente sfruttare delle componenti di riflessione dal contesto.

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PRODUZIONE CELLE FOTOVOLTAICHE

 

Processi di produzione celle in silicio monocristallino

 

 Metodo Czochralski

È il processo maggiormente utilizzato per produrre celle di silicio monocristallino destinate alle applicazioni più comuni.

Questo processo prevede la fusione dei cristalli di silicio, opportunamente orientati, ad un temperatura di 1420°C: una volta estratto dal bagno di fusione (all’interno di un crogiolo di grafite), il silicio viene sotto  sposto a raffreddamento controllato (al fine di ottenere la formazione di unico cristallo) ed assume una forma cilindrica. I cilindri così ottenuti hanno un diametro di 30 cm e sono lunghi diversi metri.

Figura 26: Processo Czochralski

 

 

 

Prima di essere tagliati a fette sottili (wafer), con spessori pari a 0,3mm, vengono ulteriormente sagomati al fine di ottenere delle celle di forma quadrata. A questo punto si passa al drogaggio dei wafer: viene dapprima realizzato lo strato p (drogaggio con boro), quindi lo strato n mediante la diffusione di atomi di fosforo ad una temperatura compresa tra 800-1000°C.

Dopo aver apposto i contatto sulla superficie del wafer, e fissato le connessioni elettriche, la cella viene tratta superficialmente con uno strato di anti-riflesso (ARC).

Il processo detto “float - zone” è invece un processo di lavorazione che consente di ottenere silicio con gradi di purezza superiore, e celle fotovoltaiche più efficienti (incremento del 1,2%). Tuttavia questo procedimento è costoso.

Il silicio, avvolto in una bobine, viene fuso dal basso verso l’alto mediante un campo ad alta frequenza. A partire dai nuclei di silicio posti all’estremità superiore della barra viene prodotto silicio monocristallino puro, attraverso un processo di raffreddamento. Le impurità, in questo caso, si separano depositandosi nel bagno di fusione.

 

 

Figura 27: Lingotto silicio cristallino

 

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Tecnica Casting

La tecnica del casting è quella maggiormente utilizzata. Il silicio impuro è riscaldato fino alla temperatura di 1500°C, quindi, viene raffreddato fino ad una temperatura circa di 800°C. In questo modo vengono realizzati dei blocchi di silicio con dimensione di 40x40 cm e spessore di 30 cm. I blocchi vengono suddivisi in lingotti e successivamente, in wafer aventi spessore di 0,3 mm. Anche in questo caso parte del silicio viene perso durante la fase di taglio. Al termine del processo di drogaggio vengono inseriti sulla superficie posteriore della cella i contatti. Le connessioni elettriche sono, quindi fissate sulla superficie anteriore, a sua volta trattata con un processo antiriflesso ARC.

 

 

 

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Trattamento anti riflesso (ARC)

I trattamenti antiriflesso sono impiegato allo scopo di ridurre quanto più è possibile la frazione di radiazione solare riflessa verso l’esterno e, di conseguenza non utilizzabile ai fini dell’effetto fotovoltaico. A seguito del trattamento ARC, cambia il colore delle celle: da grigie diventano blu tendenti al nero a seconda del tipo di silicio (policristallino o monocristallino). È comunque possibile variare ulteriormente il colore delle celle: attualmente si producono di colore verdi, dorate, marroni e color porpora. Senza il trattamento ARC, per perdite per riflessione possono raggiungere anche il 30% della radiazione incidente.

 

 

Figura 28: Celle colorate antiriflesso

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ALTRE APPLICAZIONI DEI SISTEMI FOTOVOLTAICI

 

Sistemi isolanti (stand-alone)

Si tratta di sistemi non collegati alla rete elettrica. Si utilizzano normalmente per la elettrificazione di utenze con modesti consumi d’energia che non rendono conveniente il costo dell’allacciamento, per esempio segnaletiche luminose stradali, ovvero per utenze difficilmente collegabili alla rete perché ubicate in aree poco accessibili come case isolate, di campagna e baite. In questi sistemi è necessario immagazzinare l’energia elettrica prodotta dall’impianto nelle ore diurne attraverso batterie di accumulatori per garantire la continuità dell’erogazione anche nei momenti in cui, per mancanza di insolazione, non può essere prodotta dal generatore fotovoltaico.

 

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Temi collegati alla rete (grid connected )

Questo sistema si utilizza nelle usuali utenze domestiche in modo tale che nelle ore di insolazione venga prodotta energia per soddisfare i propri fabbisogni energetici, mentre quella in eccesso viene immessa in rete; nelle ore d’insolazione scarsa o nulla l’utenza attinge dalla rete l’energia necessaria per coprire i propri bisogni; un sistema ben dimensionato consente di ridurre a zero il costo della bolletta.

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Fotovoltaico e architettura

La scelta del tipo di silicio dipende dalle zone interessate e dalle esigenze tecniche ed architettoniche. A richiesta può effettuarsi lo studio e l’installazione di celle ibride in cristallino/amorfo (HIT, Heterojunction with Intrinsic Thinlayer).

I vantaggi dei moduli fotovoltaici integrati in un edificio sono molteplici: non richiedono spazio addizionale; possono essere omessi elementi convenzionali dell'edificio quali intonaci di finitura, vetrate e tegole; l’inserimento di elementi fotovoltaici ben progettato architettonicamente migliora l'aspetto estetico dell'edificio e lo rende pregevole; contribuiscono, inoltre, al risparmio energetico ed alla difesa dell’ambiente.

Per le costruzioni esistenti vi è l’installazione di sistemi fotovoltaici a tetto o su terrazze.

Per l’arredo urbano le soluzioni da installare su pensiline per autovetture, su coperture per parcheggi, su percorsi pedonali coperti.

Infine sono state sviluppate soluzioni per ragguardevoli impianti fotovoltaici ad elevata produzione di energia da installare in appositi terreni o grandi superfici in modo da fornire o produrre corrente elettrica.

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Fotovoltaico e illuminazione stradale

Moduli fotovoltaici per illuminazione di strade, viali e giardini. Per la caratteristica dell’impianto, il modulo fotovoltaico trasforma la radiazione solare in energia elettrica che viene accumulata, durante il giorno, in una batteria che nelle ore notturne e nelle giornate grigie accenderà il lampione. Naturalmente, in maniera assolutamente autonoma, il lampione si accenderà quando l’illuminazione esterna sarà molto bassa e si spegnerà all’alba. È possibile regolare la carica della batteria in modo da garantire la massima produzione ed accumulazione dell’energia prodotta dal modulo fotovoltaico per permettere una razionale gestione dei periodi di accensione e spegnimento del lampione. In base alle esigenze del committente ed al grado di illuminamento che si desidera ottenere, verranno dimensionati gli accumulatori ed i moduli fotovoltaici. È anche possibile proporre un impianto collegato alla rete elettrica ed il tal caso, non necessita di batteria, poiché la produzione di energia elettrica durante il giorno viene ceduta alla rete, mentre la notte verrà riacquisita mediante apposito inverter. Tale sistema riduce, se ben dimensionato, pressoché a zero il costo della bolletta.

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Fotovoltaico e regolamentazione del traffico

Oltre alla illuminazione stradale vengono progettati segnalazioni semaforiche dotate di moduli fotovoltaici che consentono di abbattere i costi energetici. Ogni pannello di segnaletica verticale può essere reso molto più visibile durante la notte con l’utilizzo di moduli fotovoltaici. Un segnalatore tipo barriera, per esempio, è basato sulla ricarica di una batteria long - life; un sensore crepuscolare posto all’interno del dispositivo provvede all’accensione automatica del led. Le segnalazioni luminose con ottiche lampeggianti sono possibili con sistemi elettronici programmabili. È possibile anche intervenire sulla programmazione del consumo energetico in maniera tale da consentire un eccellente lampeggio durante le ore diurne (con elevati margini di sicurezza stradale) e una buona resa durante la notte. Sono studiati anche sistemi di regolamentazione della carica dell’accumulatore salvaguardandone il funzionamento e contrastando l’eccessiva ricarica, nelle giornate ad alta irradiazione solare e, viceversa, impedendone la scarica completa al di sotto di una determinata soglia, nelle ore notturne.

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Fotovoltaico e rete elettrica

Ad eccezione dei sistemi fotovoltaici stand alone, gli altri devono essere connessi alla rete in maniera opportuna con appositi inverters che convertono la corrente continua generata dalle celle solari in corrente alternata con la quale vengono alimentate le apparecchiature. In maniera completamente automatica l’inverter gestisce il flusso di corrente dalle celle verso la rete e, viceversa, dalla rete verso l’apparecchio utilizzatore a seconda che ci sia un surplus o una carenza di energia fotovoltaica.

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Fotovoltaico ed impianti di sollevamenti

Tale applicazione è valida per qualunque sistema di pompaggio che, come noto, a dei costi di gestione notevolissimi con particolare riguardo al consumo di corrente elettrica. Per le attività agricole è possibile prevedere delle soluzioni, per esempio, per i sistemi di irrigazione a goccia. Risulta possibile, pertanto, abbinare il risparmio energetico conseguibile con l’impiego di energia rinnovabile fotovoltaica con il risparmio idrico determinato da un razionale impiego dell’irrigazione pioggia. Peraltro è realizzabile la fornitura dell’energia agli impianti irrigui ottimizzando anche il consumo d’acqua, poiché esiste una correlazione tra la radiazione solare e la funzionalità della pianta; in altri termini il consumo idrico delle piante è fortemente influenzato dalla radiazione solare, così come l’energia prodotta dai pannelli solari. Dimensionando opportunamente l’impianto risulta possibile eliminare gli accumulatori e distribuire l’acqua (e quindi utilizzando energia) in maniera inferiore nelle giornate corte invernali ed incrementando l’erogazione nelle assolate giornate estive.

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Fotovoltaico/Convenienza economica

L’impiego di sistemi fotovoltaici integrati nell’edilizia è ormai una scelta di distinzione, risparmio ed abbattimento di inquinamento. È importante studiare e realizzare soluzioni solari esteticamente accettabili e con elevato grado di affidabilità ai fini della resa energetica. È possibile installare impianti fotovoltaici sovra tetto e complanari al rivestimento su coperture inclinate, a tetto-luce (impianto parzialmente trasparente), sovra solaio a sviluppo completo o parziale su coperture piane, a sviluppo completo o parziale su coperture curve, a sviluppo completo o parziale su facciate verticali o inclinate, direttamente su pannelli di rivestimento verticali o inclinati, su frangisole, lucernari, balaustre, fioriere, pensiline, padiglioni, coperture parcheggi, impianti di illuminazione o segnalazione, barriere antirumore.

L’impianto fotovoltaico, indipendentemente dalla sua collocazione sull’edificio, è costituito da un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che captano e trasformano l’inesauribile energia solare in energia elettrica. Indipendentemente dal suo utilizzo o dalla taglia di potenza, può essere isolato (stand alone) o connesso alla rete Enel (grid connected). È indispensabile per l’ottimale riuscita di un impianto fotovoltaico uno studio preventivo (presenza o meno di ombre, vegetazione, costruzioni, alture, nebbia, foschia, nevosità, ventosità). È necessario valutare scrupolosamente le potenziali superfici per la collocazione dei pannelli per l’orientamento ottimale verso il sole. È essenziale calcolare la resa energetica dell’impianto in funzione della localizzazione geografica del sito per garantire una stima corretta della produzione elettrica annua. È importante calibrare le varie componenti dell’impianto per evitare che un malfunzionamento di una parte dei pannelli, comprometta il funzionamento dell’intero sistema. Dalle precedenti considerazioni può dedursi l’estrema importanza di una accurata progettazione e di una esecuzione a regola d’arte dell’impianto e quindi la certezza di un sicuro e longevo investimento. Il costo di un impianto fotovoltaico dipende dal contesto in cui viene realizzato (condizioni locali, normative, irraggiamento, aree disponibili); pertanto oscilla in atto, fra i sei e gli otto mila euro per ogni kWp di potenza installata.

Tenendo conto dell’imminente emanazione del Decreto che fisserà le nuove tariffe incentivanti, in base alle anticipazioni divulgate, è necessario realizzare l’impianto secondo precise direttive per poter beneficiare degli incentivi. Il costo dell’investimento può essere recuperato nel giro di 7-10 anni in funzione dei contributi derivanti dalle tariffe incentivanti o da finanziamenti in conto capitale e/o da detrazioni fiscali ai sensi della finanziaria 2007.

Dal punto di vista strettamente economico, considerando i flussi di cassa annuali e ponendo l’investimento completo al tempo t = 0, è possibile valutare l’orizzonte temporale per comprendere la opportunità di spendere per un impianto fotovoltaico. Per decidere di effettuare o meno un investimento è necessario considerare le spese e gli incassi nel corso degli anni di riferimento. Poiché queste quantità avvengono in tempi diversi, per poterle confrontare è necessario usare un criterio di attualizzazione ad un certo istante sia dei ricavi che delle spese che si susseguono negli anni. Uno dei metodi comunemente usati è quello noto col nome di Valore Attuale Netto (VAN). Il Valore Attuale Netto è la somma algebrica dei costi e dei ricavi nel corso degli anni ed è così definito:

dove:

I è l’investimento iniziale

Rk = è la somma dei ricavi nell’anno

Ck è la somma dei costi nell’anno

VR è il valore residuo nel periodo considerato

Il periodo considerato nel calcolo può fissarsi in venti anni; ovviamente, durando l’impianto molti anni, il residuo al netto delle spese di manutenzione, deve considerarsi puro guadagno. Si consideri, come esempio, un impianto di un kWp di potenza che produca in un anno al sud Italia 1900 kWh. Si ipotizzi che l’impianto sia ammesso al nuovo conto energia che per impianti integrati, conceda ad esempio 0,42 €/kWh per venti anni. Si ipotizzi ancora che tale impianto costi € 7.000,00 mentre i costi annui di esercizio e manutenzione ammontino a € 70,00. Il costo medio dell’energia acquistata dal Gestore sia di 0,18 €/kWh. Mentre il contributo statale per 20 anni non può essere aggiornato, tutte le altre voci devono essere aggiornate secondo l’inflazione, che si assume pari al 2,5% annuo. In questo al ventesimo anno l’interesse composto vale:

(1+i)n = 1,64.

Pertanto il valore dell’investimento è:

I = 1,64 * 7.000 = 11.480 €

Il ricavo dovuto alla produzione di energia è:

R1 = 0,42 * 1900 = 798 €/anno

Il risparmio per il non acquisto dell’energia prodotta e consumata:

R2 = 0,18 * 1900 = 342 €/anno

Il costo per la manutenzione:

C = 1,64 * 70 = 115 €/anno

Il valore del VAN a 20 anni è:

VAN20 =5.498 €

Avendo considerato nullo il valore residuo dell’impianto. Mentre il VAN a 10 anni vale:

VAN10 = 542 €

Da cui si evince che, in questo esempio, l’investimento si recupera in 10 anni.

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SMALTIMENTO E RICICLAGGIO

Il genere , tutte le tecnologie utilizzate nei processi produttivi di moduli fotovoltaici implicano alcune ricadute ambientali che solo adeguati provvedimenti tecnici riescono a mitigare.

Una grande varietà di materiali, che risultano potenzialmente tossici e pericolosi, sono usati nell’industria fotovoltaica quali ad esempio rame, gallio, indio, selenio, cadmio e tellurio.

È evidente che il rilascio nell’ambiente di questi materiali è un evento prevedibile solo come risultato di un guasto o di un funzionamento anomalo della linea di produzione e che comunque aggiunge un rischio limitato per la salute pubblica. Lo stesso rischio che  l’ambiente e l’uomo corre negli stabilimenti chimici dove sono utilizzate analoghe miscele tossiche o esplosive. La sostenibilità ambientale dell’utilizzo del fotovoltaico deve essere valutata non solo per le indubbie peculiarità non inquinanti ma anche sulla eco-compatibilità dello smaltimento a fine vita utile.

Questo problema si inserisce in uno ben più ampio che riguarda da un lato il riciclo e lo smaltimento di tutti i metalli che fanno parte della tecnologia fotovoltaica e dall’altro in un bilancio ambientale che vede, per esempio, il mercurio delle lampade fluorescenti valutato complessivamente in un modo positivo.

Per il fotovoltaico, è questo un problema che risulta ancora aperto e non esistono ancora oggi metodi standardizzati espressamente pensati per i moduli fotovoltaici; la complessità per il fotovoltaico deriva dal fatto che il modulo è formato da moltissimi elementi ci cui solo alcuni si presentano distinti e separabili con facilità. Mentre da un lato i volumi di produzione di moduli fotovoltaici ed il conseguente uso di materiali potenzialmente difficili da smaltire risultano ancora ridotti, dall’altro la nuove tecnologie che troveranno in futuro un mercato sempre maggiore hanno un contenuto di metalli più accentuato.

Per citare solo un esempio d difficoltà, ricordiamo le indagini compiute dagli Stati Uniti in merito alla presenza di cadmio nelle celle CdTe in relazione alla sua tossicità.

L’indagine ha preso in considerazione tutto il percorso di vita delle celle CdTe a partire dai rischi di rilascio durante il processo produttivo a quelli durante la vita (es. incendio) nonché il recupero e lo smaltimento alla fine della stessa. Per esempio, i test mirati a evidenziare la pericolosità potenziale del prodotto CdTe in caso di decomposizione e successivo rilascio nell’atmosfera a seguito di incendio hanno fornito risultati confortanti constatando che vetro e substrato di materia attiva (Cd) si fondono prima della decomposizione della cella riducendo al minimo i rischi di rilascio. Occorro comunque ricordare che i rischi derivanti dall’incendio risultano comunque ben più importanti di quelli che riguardano il rilascio.

In conclusione si mostra una tabella riassuntiva riguardo alla ricadute ambientai nell’utilizzo dell’energia solare fotovoltaica.

 

POTENZIALI RICADUTE AMBIENTALI

SOLUZIONI MIGLIORATIVE

 

 

Rilascio di elementi e sostanze tossiche o pericolose

- Adozione di tutte le precauzioni previste dalla

per la salute personale durante il processo di fabbricazione

vigente in materia di salute personale

delle celle o durante la vita del sistema

- Ricerca di nuove soluzioni tecnologiche costruttive

 

che mitighino i rischi potenziali

 

 

Occupazione del terreno e disturbo all'ecosistema nelle

- Scelta ecologica delle aree di posa con possibilità

arre di terreno occupate dagli impianti

 di ricostruzione all'ecosistema locale

 

- Uso polifunzionale del fotovoltaico: occupazione

 

 di superfici marginali (tetti, facciate, terrazzi, ecc.)

 

 

Impatto visivo con disturbo dell'armonia naturale

- Integrazione architettonica del fotovoltaico

 

 in edifici, arredo urbano, ecc

 

- Rafforzamento del concetto di generazione distribuita

Tabella  2: Principali ricadute ambientali del fotovoltaico e soluzioni migliorative

 

 

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BIBLIOGRAFIA

 

  1. Groppi F., Zuccaro C. (2002) – Impianti solari fotovoltaici, Editoriale Delfino
  2. Ises Italia e Fondazione IDIS-Città della scienza (2004) – Fotovoltaico, guida per progettisti e installatori, ISES Italia
  3. Magrini A., Ena D. (2002) - Tecnologie solari attive e passive, pannelli fotovoltaici e applicazioni integrate in edilizia, EPC Libri ed.

 

 

SITI INTERNET

4. www.ingegneriadelsole.it

5. www.miniwatt.it

6.www.fotovoltaico-eolico.com

7.www.archimedenergy.it

8. www.energymed.it

9.www.uni-solar.com

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