Energia solare

L'energia solare è  prodotta nel Sole per effetto di reazioni nucleari e trasmessa alla Terra sotto forma di radiazione elettromagnetica. Oltre ad essere l'energia rinnovabile più importante, permettendo l'esistenza della vita sulla Terra, ha delle caratteristiche che la rendono fondamentale per numerose applicazioni

1) è la forma di energia più costante, soprattutto riguardo l'energia fotovoltaica, in quanto anche con le nuvole i pannelli fotovoltaici forniscono energia, anche se in proporzioni ridotte, cioè dal 5% al 20% della potenza massima, in funzione del grado di nuvolosità;

2) mediante opportune macchine termiche, può essere convertita in energia meccanica e quindi in energia elettrica; o nel caso di un impianto fotovoltaico si ha direttamente l'energia elettrica.

3) l'intensa radiazione solare, concentrata su una superficie ridotta, induce fenomeni di fotoscissione delle molecole e permettento un migliore smaltimento dei rifiuti organici ed una loro eventuale trasformazione in idrocarburi.

Il Sole è un'inesauribile fonte di energia disponibile ovunque a costo zero: la tecnologia fotovoltaica è indicata per produrre elettricità in zone isolate, mediante la realizzazione di piccoli impianti.


L'impianto fotovoltaico

L' impianto fotovoltaico è un impianto di produzione di energia elettrica che utilizza direttamente l'energia irradiata dal sole. Il suo componente principale  è un pannello composto da celle di silicio.  Il silicio è un semiconduttore. Una volta che i fotoni del raggio luminoso proveniente dal sole colpiscono gli elettroni del silicio questi cominciano a "muoversi" generando una corrente elettrica, quella che chiamiamo nel linguaggio quotidiano "energia elettrica" o "elettricità". La carica elettrica può essere immagazzinata in batterie (accumulatori) la corrente può essere immessa nelle rete elettrica o direttamente utilizzata.


                                       figura 1                  


Una cella fotovoltaica, detta anche fotopila o batteria solare, è costituita essenzialmente da due sottili strati di materiali semiconduttori di cui uno è di tipo n (tende a raccogliere elettroni), l'altro di tipo p (tende a raccogliere cariche positive). La cella è completata da un rivestimento antiriflesso e da due contatti elettrici, uno superiore ed uno inferiore.


                              figura 2                

Questo dispositivo è  in grado di trasformare per effetto fotoelettrico direttamente l'energia delle radiazioni luminose in energia elettrica. Nella zona di contatto (giunzione) tra i due semiconduttori esiste un campo elettrico, dovuto alla diversa natura dei due materiali: quando la zona di contatto è colpita da luce solare, cioè da fotoni, vengono emessi elettroni che il campo elettrico sospinge nello strato n; per ogni elettrone che si libera, si forma contemporaneamente una carica positiva che, sempre a causa del campo elettrico, viene sospinta nello strato p. Collegando con un circuito esterno i due strati, si avrà una corrente elettrica continua, tra n e p. Il rendimento massimo teorico della trasformazione di energia solare in energia elettrica è del 32%. Le celle fotovoltaiche attualmente disponibili in silicio amorfo hanno un rendimento del 10% [INFN di Bari] circa, ma sono allo esistono celle avanzate con rendimenti molto maggiori. Infatti i semiconduttori diversi dal silicio come l'arseniuro di gallio o il solfuro di selenio che in laboratorio hanno permesso performance del 20% o come il telloruro di cadmio o il diseleniuro di indio e rame. Abbinando insieme più celle fotovoltaiche si ottiene un modulo o pannello fotovoltaico, che può fornire elettricità, per esempio, a piccole utenze domestiche isolate. Abbinando un elevato numero di moduli, si possono realizzare centrali solari fotovoltaiche.

                                   
  
                                                            
    figura  3 Distribuzione del mercato dei moduli fotovoltaici a film sottile

Una cella fotovoltaica di dimensioni 10x10 cm si comporta come una minuscola batteria, e nelle condizioni di soleggiamento tipiche dell' Italia, alla temperatura di 25°c fornisce una corrente di 3A, con una tensione di 0,5V e una potenza pari a 1,5-1,7 Watt di picco.
L' energia elettrica prodotta sarà proporzionale all' energia solare incidente, che  varia nel corso della giornata, a variare delle stagioni, e a variare delle condizioni atmosferiche.

Collegando elettricamente in serie più celle fotovoltaiche si ottengono i moduli fotovoltaici. Quelli in nostro possesso possiedono una tensione nominale di ....12 V.
Le celle al silicio sono le più diffuse e hanno un rendimento effettivo del 12-14%

I pannelli solari termici

Il principio di funzionamento dei pannelli solari è molto semplice: si usa l'energia dei raggi solari per scaldare un fluido (di solito acqua). I pannelli sono costituiti da una lastra annerita in modo tale da assorbire i raggi del sole e isolata termicamente sul retro. Il fluido scorre in tubi posti sopra la lastra assorbendo il calore dei raggi. Sopra tubi e lastra sono posti schermi trasparenti di plastica o vetro che proteggono il pannello. Se l'impianto è usato per produrre acqua calda a fini domestici il fluido che circola nei tubi è semplicemente acqua. In tal caso vi è anche un serbatoio di accumulo che fa "da camera di compensazione" tra l'acqua calda prodotta e l'acqua calda richiesta in un dato istante. Quando i pannelli sono usati invece per il riscaldamento di ambienti è presente uno scambiatore di calore e il fluido che circola nei tubi può non essere acqua. Nello scambiatore di calore il fluido scaldato dai pannelli cede il suo calore all'aria che circolando, di solito per convezione naturale, distribuisce il calore nei vari ambienti.
Spesso ai pannelli si affianca una resistenza elettrica posta nello scambiatore di calore o nel serbatoio d'accumulo per garantire in ogni caso la presenza di acqua calda o il riscaldamento degli ambienti. Di norma i pannelli utilizzati per la produzione di acqua calda per una famiglia di 4 persone hanno una superficie di 4-6 m2.