Come funzionano i pannelli solari: l’energia rinnovabile spiegata a tutti

Chi non amerebbe l’idea di produrre la propria energia e di non dipendere da un sistema nazionale? Già solo il pensiero di non dover pagare la bolletta della luce ogni mese fa apprezzare l’idea di installarli.

Il mondo della tecnologia ha progettato un dispositivo che rende possibile tutto questo: il pannello solare! L’indipendenza energetica e il mantenimento dell’ambiente libero dall’inquinamento non sono solo un sogno lontano nella realtà odierna. Possiamo produrre la nostra energia elettrica in modo semplice ed efficiente utilizzando pannelli solari di ultima generazione.

Essere in grado di comprendere i principi di funzionamento di questi dispositivi potrebbe un giorno essere una delle abilità più preziose che possiedi. Immaginiamo un disastro naturale globale che devasta il mondo e cambia tutto. Non c’è industria, non c’è carburante, l’economia mondiale è nel caos totale e sono rimasti solo pochi sopravvissuti.

Dopo l’impatto iniziale, vorrai ricostruire il mondo, ma senza energia le cose possono essere esponenzialmente più difficili. Se sai come costruire un pannello solare e come immagazzinare e utilizzare l’energia risultante, sarai in grado di avere elettricità e utilizzare la tecnologia a tuo vantaggio.

Oggi porteremo alla vostra attenzione i meccanismi che sono al lavoro all’interno di un tale dispositivo. Vediamo qual è la definizione effettiva di questo fantastico dispositivo.

Pannelli solari: definizione e nozioni di base

Il nome scientifico di questi dispositivi è fotovoltaico e in pratica significa luce in elettricità. In realtà questa è la definizione più semplice che chiunque possa offrire: i pannelli solari sono dispositivi che convertono la luce in elettricità. Di solito sono chiamati solari perché la nostra fonte di luce principale e più potente è il Sole, ma non è l’unica fonte di luce a cui questi pannelli possono reagire.

Il principio di base è semplice: l’energia luminosa del Sole (o dei fotoni) viene utilizzata da questi moduli solari per creare energia attraverso l’effetto fotovoltaico che è un fenomeno che implica sia reazioni fisiche che chimiche.

Per dimostrare quanto sia efficiente e avanzata la tecnologia solare di oggi, dovresti sapere che la NASA utilizza il fotovoltaico sui suoi veicoli spaziali per assicurarsi che abbiano sempre la potenza necessaria per dispiegare le missioni per cui sono inviati nello spazio. L’unico problema con questi dispositivi è che devono sempre essere puntati verso il Sole per ricevere la massima luce possibile.

Questo è uno dei requisiti assoluti di un pannello solare: l’esposizione alla luce. Se il dispositivo non riceve luce diretta, la sua efficienza è inferiore ecco perché, quando si parla di impianti domestici, il posizionamento è estremamente importante. Inoltre, quando si tratta di abitazioni, i dispositivi solari sono classificati in tre categorie principali:

1. pannelli solari per l’acqua calda: questi sistemi utilizzano l’energia solare per riscaldare l’acqua richiesta in casa;
2. collettori solari termici: questo è un dispositivo utilizzato per catturare la radiazione solare da lunghezze d’onda infrarosse o ultraviolette che viene convertita in elettricità;
3. fotovoltaico: sono i pannelli collegati elettricamente e montati su una struttura di supporto.

Ora che sappiamo cos’è un dispositivo fotovoltaico, è tempo di vedere come funziona

La scienza è abbastanza semplice: quando le particelle di luce oi fotoni colpiscono una cella solare, separano gli elettroni dai loro atomi creando così un flusso di elettricità. E ora abbiamo introdotto un nuovo elemento nelle discussioni: la cella solare o la cella fotovoltaica. Queste sono piccole unità che messe insieme in una disposizione speciale, formano un pannello solare. Quindi, in conclusione, un pannello solare è un gruppo di celle solari organizzate.

Come funzionano le celle solari: nozioni di base e struttura

In poche parole, una cella solare è composta da due pezzi di materiale semiconduttore posti uno sull’altro. Il materiale semiconduttore più utilizzato in questa cura è il silicio per la sua proprietà di avere proprietà sia metalliche che isolanti elettriche. Il silicio è combinato con altri materiali per creare le cariche necessarie in modo da poter creare la corrente elettrica. Questo è fondamentalmente il motivo per cui una cella solare è un sandwich, perché deve creare un campo elettrico.

Perché ciò avvenga, ogni pezzo della cella deve avere cariche opposte separate, motivo per cui il silicio viene mescolato con altri materiali. I produttori usano il fosforo per gli strati superiori per aggiungere elettroni extra e creare una carica negativa (tipo n) e il boro per lo strato inferiore per ridurre il numero di elettroni e creare una carica positiva (tipo p). Quando vengono messi in un sandwich, i due pezzi di silicio, caricati in modo diverso, creano una giunzione attraverso la quale gli elettroni possono muoversi.

Tutto questo crea un campo elettrico tra gli strati di silicio e quando un fotone colpisce una di queste celle, una piccola parte della sua energia viene catturata nella cella, liberando gli elettroni mentre il campo elettrico lo spinge attraverso la giunzione, verso piastre conduttive metalliche posto a lato delle celle solari. Tutti questi elettroni vengono raccolti e inviati attraverso fili per alimentare i tuoi elettrodomestici.

La migliore analogia con tutta questa spiegazione è un gioco di biliardo: la palla bianca è un fotone e tutte le altre palle sono atomi in attesa di essere colpiti. Quando la pallina bianca colpisce un’altra pallina, gli elettroni si mettono in movimento e vengono trasferiti attraverso dei fili (i tubi sotto il tavolo) fino a raggiungere il loro obiettivo.

Le proprietà speciali del silicio utilizzate per le celle solari

Cosa rende il silicio un materiale così speciale? In forma cristallina, il silicio ha alcune proprietà speciali dovute alla sua speciale struttura di 14 elettroni. Questi elettroni sono disposti in tre gusci, due dei quali sono completi. È perché il suo guscio esterno è incompleto, un atomo di silicio cercherà sempre di legarsi con i 4 atomi più vicini. Questa è la proprietà che in realtà forma la forma cristallina che è così importante per i dispositivi fotovoltaici.

Poiché il silicio nella sua forma cristallina pura non è un buon conduttore elettrico, i produttori aggiungono altri materiali alla miscela (come spiegato sopra). Abbiamo già specificato che il fosforo è uno degli altri elementi aggiunti ed ecco perché: il fosforo ha 5 elettroni nel guscio esterno e poiché si lega ancora con 4 dei suoi atomi di silicio vicini, ne ha ancora uno rimasto. Ciò significa aggiungere una carica negativa al silicio utilizzato per le celle solari: avere elettroni in più con cui giocare.

Quando l’energia (come luce o calore) viene aggiunta al materiale, alcuni elettroni si libereranno perché non c’è un forte legame che li tenga in posizione. Quando lasciano i loro posti, rimane un buco nella struttura e se ne vanno girovagando, cercando un nuovo buco. Questo è ciò che effettivamente forma una corrente elettrica.

Un altro elemento aggiunto nella miscela è il boro e questo ha solo 3 elettroni lasciando così dei buchi nella struttura. Questo aiuta a caricare positivamente il silicio. Il processo di addizione del silicone cristallino puro con altri elementi è chiamato drogaggio e viene utilizzato per creare conduttori molto migliori.

Anatomia di una cella solare

Abbiamo già specificato che i due pezzi di silicio devono essere accostati, e disposti in una struttura a sandwich, in modo da poter formare un campo elettrico. Vediamo cosa significa e perché ne abbiamo bisogno. Quando i due pezzi di silicio (tipo n e tipo p) entrano in contatto, tutti gli elettroni liberi nel lato di tipo n vorranno andare nei buchi liberi nella parte di tipo p. Potresti pensare che non si possa formare un campo elettrico se gli elettroni da un lato vengono trasferiti nel buco nell’altro lato, e avresti ragione. Tuttavia, alla giunzione tra i due pezzi di silicio, si forma una barriera e diventa difficile per gli elettroni viaggiare dall’altra parte.

Quando si raggiunge un equilibrio, c’è un campo elettrico tra i due pezzi di silicio della cella solare. Questo campo ha anche una direzione: dal lato P al lato N e mai invertire. Ciò consente agli elettroni liberi sul lato P di spostarsi sul lato N, il che significa che avremo elettroni su un lato e buchi sull’altro lato.

Un fotone con energia sufficiente dovrebbe distruggere esattamente un elettrone e questo significa un’altra lacuna sul lato P. Questo porta alla creazione di un percorso, e possiamo usarlo aggiungendo elementi esterni alla cella per condurre questo flusso di elettroni sul lato P dove saranno uniti ai loro buchi. Questo è in realtà ciò che fornisce la corrente elettrica e il campo causa la tensione. Questo è ciò di cui abbiamo bisogno per avere energia per i nostri elettrodomestici: corrente e tensione.

Altri elementi necessari per la cella solare

Finora abbiamo discusso solo delle parti più importanti di una cella solare: le parti a base di silicio e le loro azioni. Tuttavia, per ricevere energia da una cella fotovoltaica e assicurarci che funzioni alla sua massima capacità, avremo bisogno di alcuni elementi in più:

• piastre di metallo: sono attaccate al lato di ogni cella per creare il percorso per la corrente;
• rivestimento antiriflesso: il silicio a volte è così lucido che i fotoni rimbalzano direttamente su di esso, senza avere la possibilità di liberare un elettrone. Ciò significa meno efficienza per la cella, motivo per cui viene applicato un rivestimento.

Queste sono le cose principali da sapere sulle celle solari. Con le informazioni qui sotto potresti produrre le tue celle solari nel caso in cui la situazione lo richieda. Questo è anche un divertente progetto fai-da-te che può aiutarti a ridurre le bollette elettriche.

Come funzionano i pannelli solari: efficienza e processo

I pannelli solari o moduli fotovoltaici non sono altro che una serie di singole celle solari collegate tra loro per raggiungere un certo livello di corrente e tensione. Dato che una singola cella non può produrre energia sufficiente per alimentare un consumatore esigente, i moduli fotovoltaici sono la soluzione perfetta.

Le celle solari devono essere protette dalle intemperie per produrre energia in modo efficace e dato che i moduli fotovoltaici sono installati all’esterno, è necessario aggiungere una copertura in vetro protettivo. Quindi, per riassumere, un pannello solare è un insieme di celle solari, organizzate e collegate tra loro e posizionate su un robusto telaio, ricoperto da una lastra di vetro.

Efficienza dei moduli fotovoltaici

Ora che abbiamo imparato cosa li fa funzionare, vediamo come questi moduli fotovoltaici possono aiutarci a risparmiare i soldi che paghiamo per l’elettricità. Non sarebbe divertente poter consumare quanto ti serve senza pensare a quanto dovrai pagare?

Vedi anche: Fonti di energie alternative per le case

Sarai sorpreso di sapere che l’efficienza non è del 100%, in realtà non è nemmeno vicina. Ad esempio, nel 2012, l’efficienza dei moduli fotovoltaici, destinati all’uso domestico, era compresa tra il 12 e il 18%. Tuttavia, i numeri sono cambiati da allora e grazie a materiali innovativi, l’efficienza è riuscita a superare il 50% nel 2015 per i moduli fotovoltaici commerciali. Tuttavia, la maggior parte dei moduli fotovoltaici oggi sul mercato non presentano un’efficienza superiore al 20%.

Ciò non significa che i pannelli non svolgano correttamente il loro lavoro; significa solo che solo il 20% dell’intera quantità di energia solare che colpisce il tuo pannello verrà raccolta e utilizzata per creare elettricità. Ecco perché il posizionamento è molto importante per i pannelli solari. Quindi, perché solo il 20% (o meno), perché non assorbire l’intera energia? Ebbene forse in futuro potremo utilizzare l’energia luminosa al 100% ma per ora siamo limitati dalla luce stessa.

Sappiamo tutti che la luce non è uniforme e che è composta da lunghezze d’onda separate (i colori che vediamo nell’arcobaleno o quando mettiamo un raggio di luce attraverso un prisma). Ciò significa in realtà che diverse lunghezze d’onda avranno diversi livelli di energia. Dato che ci vuole un certo livello di energia per liberare un elettrone, alcuni fotoni passeranno attraverso la cella solare senza avere un impatto su di essa. Tutto ciò ha portato scienziati e produttori a capire che solo determinate lunghezze d’onda possono effettivamente essere efficienti nel liberare quegli elettroni.

La quantità di energia necessaria è espressa in un’unità chiamata elettronvolt (eV) e dipende dal materiale utilizzato per creare la cella. Ad esempio, la quantità di energia richiesta per il silicio cristallino è 1,1 eV. Questo è chiamato in termini scientifici, l’energia del gap di banda per il materiale specifico.

Ora, se un fotone è troppo potente, perdiamo la potenza extra, motivo per cui è necessario stabilire questo gap di banda. Altre perdite si verificano con il trasporto di elettroni verso la destinazione target a causa del fatto che il silicio è un semiconduttore. Per ridurre al minimo queste perdite, i produttori hanno iniziato a utilizzare griglie metalliche per ridurre la distanza che gli elettroni devono percorrere.

Orientamento dei moduli fotovoltaici

Come accennato in precedenza, i pannelli devono essere orientati verso il sole per produrre la massima quantità di energia di cui sono capaci. Inoltre, l’angolo di inclinazione è estremamente importante, motivo per cui il tetto di casa potrebbe non essere sempre la risposta giusta. I moduli fotovoltaici devono essere sempre orientati verso sud e l’angolo di inclinazione deve essere uguale alla latitudine della vostra zona (per quanto possibile).

PV come funziona

I moduli possono essere utilizzati anche per massimizzare l’energia in base all’ora del giorno: più energia al mattino o al pomeriggio. Assicurati che non ci siano ombre attorno ai pannelli poiché anche una cella ombreggiata può modificare l’efficienza dell’intero modulo.

Decidere la taglia giusta

Un modulo più grande produrrà sicuramente più energia di uno più piccolo dato che incorpora più celle solari. Tuttavia, un modulo più grande occuperà più spazio sul tetto o nel giardino e sarà più difficile da mantenere. Inoltre, se non stai utilizzando tutta l’energia che il tuo modulo è in grado di produrre, la sprecherai e questo non è qualcosa che desideri.

Quindi, come assicurarti di avere energia tutto l’anno con tutta l’imprevedibilità del tempo e tutto il resto? Ebbene la risposta non è molto difficile. Devi solo fare alcuni calcoli:

• Progetta per il mese peggiore: guarda i dati meteorologici pubblicati negli ultimi anni e controlla quanta luce solare ha avuto la peggiore falena. Dovresti progettare il tuo sistema in base a questi dati se desideri un flusso di energia costante ed efficiente;
• Calcola le tue necessità: metti insieme le bollette elettriche degli ultimi anni e calcola una media mensile. Questa è l’energia minima che devi ottenere con i pannelli solari durante il peggior mese dell’anno (dal clima).
• Un piccolo trucco: per raggiungere un certo livello di tensione, puoi cablare alcuni moduli in serie.

Giorni senza sole

Sappiamo tutti che ci sono giorni in cui il sole non splende o brilla troppo poco per produrre energia sufficiente per l’intera casa. Questo è in realtà il problema principale quando si tratta di essere completamente indipendenti a livello energetico: non si sa mai quando una giornata piovosa può rovinare tutto a te e alla tua famiglia.

Generatore portatile

Tuttavia, la situazione non è completamente disperata poiché ci sono modi per risolvere anche questo problema:

• Batterie per immagazzinare energia: è necessario utilizzare un tipo speciale chiamato batterie a ciclo profondo. Queste sono in grado di scaricare una minore quantità di energia e mantenere comunque una lunga vita. Hanno bisogno di una manutenzione speciale e non dureranno per tutta la vita: devi sostituirli ogni pochi anni. Inoltre, se vuoi che durino più a lungo, avrai bisogno di un controller di carica in modo da non sovraccaricarli.
• Generatori di backup: per quando il tuo reddito energetico è basso. Ciò significa che dovrai effettivamente acquisire il generatore e il carburante necessario e assicurarti che possa sostenere l’intera famiglia per almeno alcuni giorni.
• Collegati alla rete elettrica: in questo modo quando hai troppa energia puoi venderla al sistema nazionale e quando la tua è troppo bassa puoi acquistarla. Per questo avrai bisogno di attrezzature speciali e dovrai firmare un contratto con il fornitore nazionale.

Le leggi locali possono variare da regione a regione, quindi assicurati di ottenere le informazioni giuste prima di iniziare ad acquistare le attrezzature.

Nutrire i tuoi elettrodomestici

Ora che hai risolto il problema con lo stoccaggio e i giorni senza luce solare, devi risolverne un altro. La corrente elettrica prodotta dal tuo fotovoltaico è diretta e i tuoi elettrodomestici non sono fatti per essere alimentati con essa. Dovrai acquistare un inverter e tutte le apparecchiature necessarie per installarlo per utilizzare l’energia solare per alimentare la tua casa.