Come funzionano i pannelli fotovoltaici? Il funzionamento dei pannelli e delle celle

Grazie ai pannelli fotovoltaici si può produrre la propria energia e in questo articolo vi spiegheremo come. Per scrivere questo articolo molto tecnico abbiamo chiesto l'aiuto di Giacomo, nostro collega ed insegnante di fisica, che riesce a spiegare argomenti complessi in maniera molto semplice, una capacità utile quando si vuole spiegare il funzionamento dei pannelli fotovoltaici!

I pannelli fotovoltaici generano elettricità dall'energia solare. In questa pagina ti daremo ulteriori informazioni su come sfruttare l’energia solare, il funzionamento delle celle fotovoltaiche e dei pannelli fotovoltaici, e la durata degli stessi. Interessante vero? Continua a leggere.

L'energia fornita dai pannelli fotovoltaici viene prodotta a partire dalla luce del sole. Al centro del sole avviene la fusione nucleare. Quattro atomi di idrogeno si fondono insieme ad altissima pressione e temperatura in un atomo di elio. Tutta la luce è composta da radiazione elettromagnetica e fotoni e saranno proprio i fotoni ad attivare il processo fotovoltaico.

L’energia solare nasce come radiazione elettromagnetica con diverse lunghezze d'onda nel suo viaggio verso la terra. Parte di questa radiazione è dannosa per la vita sulla terra, ma la maggior parte di essa viene assorbita dalla nostra atmosfera e dal campo magnetico attorno al pianete. Il resto della radiazione raggiunge la terra come luce (visibile e invisibile: come i raggi UV) e come calore (come la radiazione infrarossa). La quantità di energia che raggiunge la terra è circa 9000 volte superiore al consumo di tutte le persone che abitano il pianeta sommate insieme. Secondo recenti calcoli, il sole ha ancora abbastanza massa per 1,75 miliardi di anni, il che rende il sole una fonte di energia sostenibile.

Da sapere: quasi tutte le forme di energia rinnovabile provengono dall'energia solare. La radiazione solare causa anche il vento, permette alla biomassa di crescere ed è responsabile dell'evaporazione e del trasporto dell’acqua (che rende possibili centrali idroelettriche).

Le celle fotovoltaiche convertono la luce solare in corrente continua. Per capire come lo fanno è necessario conoscere il funzionamento degli elettroni. Gli elettroni sono particelle elementari caricate negativamente, che possono essere intrappolate in un atomo o possono muoversi liberamente. Le celle fotovoltaiche sono costituite da due sottili strati di silicio. Aggiungendo una piccola quantità di altri elementi al silicio, uno strato avrà un eccesso di elettroni, mentre l'altro ne avrà troppo poco. Gli elettroni vorrebbero spostarsi dallo strato con l'eccedenza allo strato con la scarsità, ma non hanno abbastanza energia per muoversi. Quando la luce del sole cade sul pannello, l'energia della luce viene assorbita dagli elettroni in eccesso, rendendoli liberi. Questi elettroni liberi fluiscono verso lo strato di silicio con carenza di elettroni.

Un pannello fotovoltaico è un prodotto abbastanza semplice. Un pannello è costituito da un certo numero di strati, ognuno dei quali ha una propria funzione.

Tutti gli strati di un pannello fotovoltaico sono saldamente tenuti insieme da un telaio in alluminio (1). Il telaio rende anche più facile installare i pannelli fotovoltaici sul tetto. La parte superiore di un pannello fotovoltaico è composta da un vetro di sicurezza (2). Questa piastra protegge le celle fotovoltaiche (5), che convertono la luce in corrente continua, dalle influenze meteorologiche, come la grandine e la neve, e dalle alte temperature. Alla lastra di vetro viene applicato anche un rivestimento antiriflesso e anti sporco. Questo rivestimento assicura che la maggior quantità di luce solare raggiunga le celle fotovoltaiche e, quando piove, che la maggior parte dello sporco venga lavata via dai pannelli fotovoltaici: questo significa che non è necessario lavare spesso i pannelli visto che si lavano da soli! Direttamente sopra e sotto le celle fotovoltaiche c'è uno strato di plastica (3) che assicura che le celle fotovoltaiche rimangano asciutte. Gli strati di plastica sono laminati insieme in modo che siano ben compatti. Funzionano anche come una sorta di cuscino per proteggere le celle fotovoltaiche dagli urti.

Linee sottili color argento (4) corrono su ogni cella solare. Queste linee sono chiamate dita e barre del bus. Trasportano la corrente continua generata nelle celle fotovoltaiche fino al punto di attacco con il resto del sistema. Su alcuni tipi di pannelli fotovoltaici sono visibili anche linee bianche più larghe, si tratta della piastra posteriore. Deve esserci uno spazio tra le celle fotovoltaiche in modo che possano espandersi quando si surriscaldano. Se la piastra posteriore è nera, queste strisce sono meno visibili. La piastra posteriore nera assorbe più calore rispetto ad una piastra blu, rendendo il pannello leggermente meno efficiente. La piastra posteriore (6) in plastica o vetro fornisce una finitura pulita e robusta sul retro del pannello fotovoltaico. Questa piastra protegge le celle fotovoltaiche dalle alte temperature, dall'umidità ed isola i pannelli.

Esistono diversi tipi di pannelli fotovoltaici: pannelli fotovoltaici policristallini, monocristallini, film sottile e ibridi. Le prime due tecnologie sono le più diffuse, vediamo quali sono le differenze.

È possibile distinguere un pannello monocristallino da un pannello policristallino in base al loro colore, i pannelli policristallini sono blu, mentre i pannelli monocristallini sono neri. La differenza tra i due pannelli fotovoltaici risiede nel processo di produzione delle celle fotovoltaiche. Durante il processo di produzione, il silicio nelle celle fotovoltaiche forma dei cristalli. Nel policristallino i cristalli di silicio sono rivolti verso più direzioni così che riescano ad assorbire la luce proveniente da diverse angolazioni. Nel caso dei pannelli fotovoltaici monocristallini, i cristalli sono tutti nella stessa direzione e di conseguenza producono meglio con l'irradiazione diretta.

Ad oggi la durata dei pannelli fotovoltaici è di circa 25 anni. Ovviamente vuoi che i tuoi pannelli fotovoltaici funzionino correttamente durante questo periodo, in modo che la produzione e l'efficienza promessa in fase di progettazione e di preventivo siano effettivamente raggiunte. Poiché non ci sono parti mobili nei pannelli fotovoltaici, questi sono quasi esenti da manutenzione e raramente capita che si rompano.
La capacità dei pannelli fotovoltaici di generare energia diminuisce leggermente durante la vita dei pannelli. I produttori offrono sempre una garanzia sulla potenza dei pannelli ovvero garantiscono che dopo 25 anni dall’installazione i pannelli avranno ancora almeno l'80% della capacità originale di potenza. Su alcuni pannelli i produttori applicano una garanzia di performance fino all’83% nei 25 anni.

Da sapere: la garanzia sulla potenza riguarda la potenza minima che un pannello fotovoltaico può ancora fornire dopo 25 anni. In pratica la potenza può essere molto più alta. Ad esempio, un rilievo su un impianto fotovoltaico installato in Germania mostra che i pannelli hanno perso solo il 3,9% della capacità in 36 anni!