Energia Solare: Cos’è, Come Funziona e Come si Produce

energia solare con pannelli fotovoltaici

L’energia solare è una concetto che abbiamo inseguito negli ultimi anni, se non altro per cercare di trovare un modo migliore per affrontare il problema dell’approvvigionamento energetico mondiale senza danneggiare l’ambiente.

Per chi ne sa davvero poco su questa fonte di energia, è fondamentalmente quella che si ottiene dal sole e che si può convertire in energia che possiamo utilizzare, e cioè in elettricità o energia termica per il riscaldamento o il raffreddamento degli ambienti.

L’energia solare è semplicemente l’energia che proviene dal sole. La stella madre del nostro sistema solare è una potente fonte di energia. Senza di essa, non sarebbe mai esistita nessuna forma di vita sulla Terra.

È una fonte rinnovabile, siamo tutti liberi di usufruirne, è ampiamente disponibile e pulita. Attualmente è già utilizzata per soddisfare la richiesta energetica di abitazioni e uffici, ma ha anche diversi altri scopi, come riscaldare l’acqua calda sanitaria che noi tutti utilizziamo per lavarci o alimentare la rete elettrica di piccoli paesi.

Come funziona l’energia solare?

Andiamo ora a dare un’occhiata più da vicino e osserviamo come funziona l’energia solare e, in particolare, vediamo cosa sono i pannelli solari e come possono aiutarci a raggiungere i nostri obiettivi quando si tratta di utilizzare l’energia solare in modo efficiente.

Essendo una delle tecnologie rinnovabili più pulite e sicure, è ora che anche il grande pubblico riconosca l’efficacia di questo tipo di soluzione.

pannelli fotovoltaici

L’energia utile si deriva tramite la conversione dell’energia proveniente dal sole. Ci sono tre modalità principali con cui si può effettuare questa trasformazione:

Solare fotovoltaico:

  • I processi fotovoltaici avvengono con i pannelli fotovoltaici, che prendono la luce solare e la trasformano in energia elettrica. Il componente elementare del generatore è la cella fotovoltaica in cui avviene la conversione della radiazione solare in corrente elettrica. Essa è costituita da una sottile fetta di materiale semiconduttore, generalmente silicio. Ne parleremo più dettagliatamente nel seguito.
  • I pannelli solari sono prevalentemente realizzati con materiali che sono noti per avere la proprietà di convertire naturalmente la luce solare in energia elettrica. Questi materiali sono conosciuti in ambito scientifico con il nome di semiconduttori. Quando la luce solare colpisce questi semiconduttori, essi rilasciano degli elettroni liberi di muoversi, che sono incanalati attraverso il dispositivo e producono una corrente elettrica.
  • I dispositivi fotovoltaici vivono un costate sviluppo tecnologico in questo periodo poiché alcune frequenza d’onda della luce solare, tra cui i raggi UV e gli infrarossi, non possono essere convertite da questi dispositivi. Questo fatto può essere problematico quando il sole non splende e di conseguenza UV e infrarossi sono i principali raggi che arrivano fino alla superficie terrestre.

Solare termico:

  • L’energia che viene creata dal sole viene commutata in energia che può essere utilizzata per riscaldare o raffreddare i dispositivi che vengono alimentati.  Ci sono processi che possono aiutare in quasi ogni contesto che si possa immaginare, dagli edifici commerciali, alle abitazioni, ma anche per il riscaldamento delle piscine.
  • L’elemento fondamentale per la conversione energetica è questa volta il collettore solare.  E’ molto diverso da un pannello solare, poiché il suo scopo non è convertire l’energia del sole in energia elettrica ma piuttosto riscaldare un fluido che passa all’interno delle sue tubazioni. Un collettore è principalmente formato per l’appunto da un fluido termovettore che sta all’interno dei tubi, una copertura trasparente che permette ai raggi solari di attraversarla, una piastra assorbente che li cattura e un isolante per evitare che le componenti più delicate del collettore si surriscaldino troppo.
  • Il motivo principale per cui i dispositivi di riscaldamento e raffreddamento solare sono necessari è perché abbiamo bisogno di ridurre la nostra dipendenza dal gas naturale e dagli altri combustibili fossili. Gli impianti di riscaldamento come le caldaie tradizionali utilizzano per lo più gas naturale o metano per essere alimentate. Gli impianti di condizionamento sono un grosso problema, perché i condizionatori utilizzano moltissima energia elettrica per raffreddare gli ambienti, e questa viene spesso prodotta con combustibili fossili.
  • Anche nel settore termico la tecnologia è in continua evoluzione ed adattamento. I progressi fatti in questo settore della scienza sono significativi e non passa giorno che non si facciano scoperte su come utilizzare al meglio questo tipo di energia.

Solare termodinamico:

  • Gli impianti solari a concentrazione, solitamente indicati come CSP (Concentrated Solar Power) , sono una delle tecnologie più recenti per lo sfruttamento dell’energia solare. La tecnologia CSP non è ancora del tutto matura, ma ha il suo punto di forza nella possibilità di erogare energia elettrica in modo indipendente dalla risorsa.
  • Sono impianti usati per produrre elettricità fornendo calore ad alta temperatura ad un impianto basato su un ciclo termodinamico. Il processo viene denominato “conversione indiretta dell’energia solare” in contrapposizione alla trasformazione diretta in elettricità dell’energia solare (impianti fotovoltaici).
  • Gli specchi sono gli elementi principali di un impianto CSP; essi concentrano tutta l’energia solare su un singolo punto per far funzionare tutto il sistema più efficacemente. Senza gli specchi, i sistemi CSP non avrebbero ragione di esistere. Per questo gli impianti possono essere a concentrazione puntiforme (sfruttano uno specchio paraboloide per incanalare tutti i raggi nel centro della parabola), a torre centrale (degli specchi posizionati a terra indirizzano i raggi solari su un punto posizionato sulla sommità di una torre apposita) e a parabole lineari (sono formati da tubi a parabola, cioè senza copertura superiore, che scaldano un fluido contenuto all’interno delle tubazioni).
  • L’energia accumulata dal fluido viene poi fatta espandere in turbine a vapore che fanno in modo che l’energia elettrica possa essere prodotta e immagazzinata. Questo rende i sistemi CSP diversi rispetto agli altri tipi di sfruttamento dell’energia solare perché il sistema di archiviazione di energia è molto più avanzato di quelli presenti nelle altre tipologie attualmente in uso. Entro il 2020 si prevede che ci saranno oltre 5000 progetti di impianti a concentrazione in tutto il mondo, già in fase di esercizio o in fase di costruzione.

Come funzionano i pannelli solari?

pannelli solari in abitazione

Ora che abbiamo esaminato tutti i diversi tipi di conversione da energia solare ad energia utile, come funzionano e quali sono le componenti base per la trasformazione, andiamo a vedere uno dei dispositivi più comuni che vengono utilizzati per ottenere energia dal sole: i pannelli solari.

  • In breve, l’energia proveniente dal sole, che può essere descritta come una quantità specifica di energia, composta da più particelle chiamate fotoni, passa attraverso i semiconduttori, che a loro volta creano l’elettricità e la sviluppano in modo che essa possa essere utilizzata efficacemente.
  • I pannelli solari riescono a sfruttare diversi tipi di radiazione solare e non solo quella proveniente dal sole, ma anche la luce riflessa dai tetti delle case, dalla neve e dal ghiaccio, che prende il nome di albedo.
  • Come già citato in precedenza i pannelli solari, sono composti da una certa quantità di celle solari. Una cella da sola non può fare molto, ma un gruppo di celle può contribuire a creare abbastanza energia per alimentare i più diversi dispositivi. Le celle solari sono piccoli dischi, composte da materiali semiconduttori, tra cui il più conosciuto è il silicio. Le celle solari sono in grado di produrre energia solo quando vengono colpite dalla radiazione solare. All’interno di queste strutture si viene a creare un campo elettrico  che si oppone alla diffusione di cariche elettriche libere. Questo campo elettrico dà alla cella la struttura detta “a diodo”, in cui il passaggio della corrente, costituita da portatori di carica liberi, per esempio elettroni, è ostacolato in una direzione e facilitato in quella opposta.
  • I pannelli fotovoltaici sono venduti con una garanzia dell’80% delle prestazioni iniziali dopo 25 anni. Sono stati sviluppati come tecnologia aerospaziale (alimentazione satelliti) e per applicazioni di sicurezza (segnalazioni luminose), dove l’affidabilità rappresenta una delle priorità. I test sono condotti esponendo i moduli a cicli termici (da –40 a +80°C), esposizione ad umidità e prove elettriche. Il tasso di degrado dell’efficienza è valutato fra 0,5% e 1% all’anno.
  • Come detto i pannelli solari sono il modo principale che ha una stazione spaziale, insieme a varie altre tecnologie astronomiche, per ottenere l’elettricità di cui hanno bisogno gli astronauti. Una curiosità: a volte, i pannelli solari nello spazio vengono danneggiati da piccoli meteoriti, o altre elementi detti “spazzatura spaziale”; questo richiede agli astronauti di uscire dall’abitacolo in cui si trovano e fare le riparazioni adeguate in caso di necessità.

Come verificare il rendimento di un pannello fotovoltaico

pannelli fotovoltaici specifiche

Una cosa interessante da fare per verificare l’effettivo rendimento di un pannello fotovoltaico è il bilancio energetico di una singola cella perché descrive la percentuale di energia solare incidente che non viene convertita in energia elettrica. A titolo di esempio, considerata uguale al 100% l‘energia solare incidente, si hanno le seguenti perdite tipiche:

  • Del 20% per mantenere in posizione il campo elettrico nella regione di transizione della cella;
  • Dell’ 8.5% nelle ricombinazioni dei portatori di carica libera (elettroni che non seguono il verso della corrente);
  • Del 23% per i fotoni con lunghezza d‘onda elevata, con insufficiente energia per liberare elettroni;
  • Del 3% per perdite di riflessione ed ombreggiamento dei contatti posti tra l’ambiente e la cella (ad esempio il vetro di protezione);
  • Dello 0.5% per perdite elettriche di conduzione (dovute alle resistenze del circuito);
  • Del 45% per i fotoni con piccola lunghezza d’onda che vengono assorbiti, ma il cui 32% è energia in eccesso (produzione di calore);

Alla fine, in questo esempio, solo il 13% restante dell’energia solare viene assorbito e trasformato in energia elettrica, ciò vuol dire che i rendimenti dei pannelli solari sono attualmente troppo bassi per risultare competitivi con le tradizionali forme di produzione di energia.

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