Sistema solare fotovoltaico
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Come funziona il sistema solare fotovoltaico?

La grande grandezza dell’energia termica del Sole lo rende una fonte di energia molto attraente. Questa energia può essere convertita direttamente in elettricità in corrente continua e in energia termica. L’energia solare è una fonte di energia rinnovabile pulita, abbondante e inesauribile disponibile sulla terra. I pannelli solari o i sistemi solari fotovoltaici con pannelli (pannelli SPV) sono disposti sui tetti o nelle fattorie solari in modo tale che la radiazione solare cada sui pannelli solari fotovoltaici per facilitare una reazione che converte la radiazione luminosa del sole in elettricità.

L’energia solare può essere usata per alimentare un singolo edificio o può essere usata su scala industriale. Quando è usata su piccola scala, l’elettricità extra può essere immagazzinata in una batteria o immessa nella rete elettrica. L’energia solare è illimitata e l’unico limite è la nostra capacità di convertirla in elettricità in modo redditizio. Piccoli pannelli solari fotovoltaici alimentano calcolatrici, giocattoli e cabine telefoniche.

Definizione di sistema solare fotovoltaico

Un sistema solare fotovoltaico converte l’energia solare in energia elettrica proprio come una batteria converte l’energia chimica in energia elettrica o un motore automobilistico converte l’energia chimica in energia meccanica o un motore elettrico (in un veicolo elettrico, EV) converte l’energia elettrica in energia meccanica. Una cella SPV converte l’energia solare in energia elettrica. Una cella solare non produce elettricità usando il calore del sole, ma i raggi di luce incidente interagiscono con i materiali semiconduttori per produrre elettricità.

L’elettricità può essere definita come il flusso di elettroni. Come fanno i sistemi solari fotovoltaici a creare questo flusso? In generale, è necessario fornire energia per spostare gli elettroni dal nucleo degli atomi. Gli elettroni di valenza (cioè quelli nel guscio esterno dell’atomo) hanno i livelli di energia più alti degli elettroni che sono ancora legati ai loro atomi genitori, (poiché sono lontani dal nucleo, rispetto agli elettroni nel guscio interno). Per rimuovere completamente un elettrone dall’atomo è necessaria un’energia supplementare, quindi gli elettroni liberi hanno livelli energetici più alti degli elettroni di valenza.

Fig1. Energy band diagram

La figura qui sopra raffigura un diagramma a bande di energia, che mostra due livelli di energia, una banda di valenza e una banda di conduzione. Gli elettroni di valenza si trovano nella banda di valenza e gli elettroni liberi nella banda di conduzione superiore. Nei semiconduttori, c’è una lacuna tra le bande di valenza e di conduzione. Quindi è necessario fornire energia affinché gli elettroni di valenza vadano nella banda di conduzione. Ciò significa che si deve fornire energia per rimuovere gli elettroni di valenza dai loro atomi genitori per diventare elettroni liberi.

Cosa sono i sistemi solari fotovoltaici?

Quando il silicio puro si trova alla temperatura di 0 K (0 gradi Kelvin è – 273°C), tutte le posizioni nei gusci elettronici esterni sono occupate, a causa dei legami covalenti tra gli atomi e non ci sono elettroni liberi. Quindi la banda di valenza è completamente piena e la banda di conduzione è completamente vuota. Anche se gli elettroni di valenza hanno l’energia più alta, richiedono la minore energia per essere rimossi dall’atomo (energia di ionizzazione). Questo può essere illustrato con un esempio di un atomo di piombo. Qui l’energia di ionizzazione (di un atomo gassoso) di rimozione del primo elettrone è 716 kJ/mol e quella richiesta per il secondo elettrone è 1450 kJ/mol. I valori equivalenti per Si sono 786 e 1577 kJ/mol.

Ogni elettrone che si sposta verso la banda di conduzione lascia un posto libero(chiamato buco) nel legame di valenza. Questo processo è chiamato generazione di coppia elettrone-hole. Un buco in un cristallo di silicio può, come un elettrone libero, muoversi nel cristallo. Il modo in cui il buco si muove è il seguente: Un elettrone da un legame vicino a un buco può facilmente saltare nel buco, lasciandosi dietro un legame incompleto, cioè un nuovo buco. Questo accade velocemente e frequentemente: gli elettroni dei legami vicini cambiano posizione con i buchi, inviando buchi in modo casuale ed erratico in tutto il solido; più alta è la temperatura del materiale, più gli elettroni e i buchi sono agitati e più si muovono.

La generazione di elettroni e buchi da parte della luce è il processo centrale nell’effetto fotovoltaico complessivo, ma non produce di per sé una corrente. Se non ci fosse un altro meccanismo coinvolto in una cella solare, gli elettroni e i buchi generati dalla luce vagherebbero nel cristallo in modo casuale per un certo tempo e poi perderebbero la loro energia termicamente tornando alle posizioni di valenza. Per sfruttare gli elettroni e i buchi per produrre una forza elettrica e una corrente, è necessario un altro meccanismo – una barriera “potenziale” incorporata. Una cella fotovoltaica ha due sottili wafer di silicio uniti insieme e attaccati a fili di metallo.

Durante la fabbricazione dei lingotti, il silicio viene pre-drogato prima del taglio e della spedizione. Il doping non è altro che l’aggiunta di impurità nel wafer di silicio cristallino per renderlo elettricamente conduttivo. Il silicio ha 4 elettroni nel guscio esterno. Questi materiali di drogaggio positivo (p-type) sono invariabilmente il boro, che ha 3 elettroni (trivalente) è chiamato portatore positivo (Accettore) Dopante. L’agente di drogaggio negativo (di tipo n) è il fosforo, che ha 5 elettroni (pentavalente) è chiamato l’agente di drogaggioa portatore negativo (donatore)

Una cella fotovoltaica contiene uno strato barriera che è costituito da cariche elettriche opposte che si fronteggiano su entrambi i lati di una linea di demarcazione. Questa barriera di potenziale separa selettivamente gli elettroni e i buchi generati dalla luce, inviando più elettroni a un lato della cella e più buchi all’altro. Così separati, gli elettroni e i buchi hanno meno probabilità di ricongiungersi e di perdere la loro energia elettrica. Questa separazione di carica crea una differenza di tensione tra le due estremità della cella, che può essere utilizzata per guidare una corrente elettrica in un circuito esterno.

Quando una cella fotovoltaica è esposta alla luce del sole, i fasci di energia luminosa conosciuti come fotoni possono far uscire alcuni degli elettroni dallo strato P inferiore dalle loro orbite attraverso il campo elettrico istituito alla giunzione P-N e nello strato N. Lo strato N, con il suo surplus di elettroni, sviluppa un flusso di un eccesso di elettroni, che produce una forza elettrica per spingere via gli elettroni supplementari. Questi elettroni in eccesso, a loro volta, sono spinti nel filo metallico verso lo strato P inferiore, che ha perso alcuni dei suoi elettroni. Così la corrente elettrica continuerà a scorrere fino a quando i raggi del sole saranno incidenti sui pannelli.

Il sistema solare fotovoltaico può essere solo leggermente efficiente dal punto di vista energetico

Le celle del sistema solare fotovoltaico di oggi convertono solo circa il 10-14% dell’energia radiante in energia elettrica. Le centrali a combustibile fossile, invece, convertono dal 30-40 per cento dell’energia chimica del loro combustibile in energia elettrica. L’ efficienza di conversione delle fonti di energia elettrochimiche è molto più alta, fino al 90-95%.

Cos'è l'efficienza di conversione del sistema solare fotovoltaico?

Efficienza di un dispositivo = Energia utile in uscita / Energia in entrata

Nel caso del sistema solare fotovoltaico l’efficienza è di circa il 15%, il che significa che se abbiamo una superficie di cella di 1m2 per ogni 100 W/m2 di radiazione incidente, solo 15 W sarebbero consegnati al circuito.

Efficienza della cella SPV = 15 W/m2/ 100 W/m2 = 15 %.

Nel caso delle batterie al piombo-acido possiamo distinguere due tipi di efficienza, l’efficienza coulombiana (o Ah o ampere-ora) e l’efficienza energetica (o Wh o watt ora). Durante un processo di carica che converte l’energia elettrica in energia chimica, l’efficienza Ah è circa il 90% e l’efficienza energetica è circa il 75%.

Principio di funzionamento del sistema solare fotovoltaico

Fabbricazione di celle per sistemi solari fotovoltaici

La materia prima è il secondo quarzo più abbondantemente disponibile (sabbia). Il quarzo è un minerale ampiamente distribuito. Ha molte varietà che consistono principalmente di silice o biossido di silicio (SiO2) con piccole frazioni di impurità come litio, sodio, potassio e titanio.
Il processo di fabbricazione di una cella solare da un wafer di silicio coinvolge tre tipi di industrie
a.) Industrie che producono celle solari dal quarzo
b.) Industrie che producono wafer di silicio da quarzo e
c.) Industrie che producono celle solari da wafer di silicio

Come sono fatti i wafer di silicio nel sistema solare fotovoltaico?

Come primo passo, il silicio puro viene prodotto per riduzione e purificazione del biossido di silicio impuro nel quarzo. Processo Czochralski (Cz): L’industria fotovoltaica utilizza attualmente due percorsi primari per la conversione di materie prime di polisilicio in wafer finiti: il percorso monocristallino utilizzando il processo Czochralski (Cz), e il percorso multicristallino utilizzando il processo di solidificazione direzionale (DS). Le differenze principali tra questi due approcci riguardano il modo in cui il polisilicio viene fuso, come viene formato in un lingotto, la dimensione del lingotto e come i lingotti vengono modellati in mattoni per il taglio dei wafer

  • Processo Czochralski (Cz): Il metodo Cz crea un lingotto cilindrico, e questo è seguito da passi multipli di segatura a nastro e a filo per produrre wafer. Per un tipico crogiolo di 24 pollici di diametro caricato con una carica iniziale di circa 180 kg, sono necessarie circa 35 ore per fondere il polisilicio in un crogiolo Cz, immergere il cristallo del seme nella massa fusa ed estrarre il collo, la spalla, il corpo e il cono finale. Il risultato è un lingotto cilindrico Cz con una massa di 150-200 kg. Per lasciare i metalli e altri contaminanti, è necessario lasciare 2-4 kg di rottami nel crogiolo.
  • Processo di solidificazione direzionale (DS): I wafer multicristallini DS sono fabbricati da lingotti più corti ma molto più larghi e pesanti – circa 800 kg – che assumono una forma cubica quando il polisilicio viene fuso in un crogiolo di quarzo. Dopo che il polisilicio è fuso, il processo DS è indotto creando un gradiente di temperatura in cui la superficie inferiore del crogiolo è raffreddata ad una certa velocità. Come per i lingotti Cz, le sezioni di lingotti DS prodotte durante il ritaglio e la squadratura possono essere rifuse per le generazioni successive di lingotti. Nel caso dei lingotti DS, tuttavia, la sezione più alta di solito non viene riciclata a causa dell’alta concentrazione di impurità.

Poiché il processo inizia con un crogiolo di fusione a forma di cubo, i lingotti e i wafer DS sono naturalmente di forma quadrata, rendendo facile la creazione di celle a base multicristallina che possono occupare essenzialmente l’intera area di un modulo completo. Sono necessarie circa 76 ore per produrre un tipico lingotto di silicio DS, che viene segato in 36 mattoni da un taglio 6 x 6. Un tipico mattone finito ha una sezione trasversale quadrata di 156,75 mm x 156,75 mm (246 cm2 di superficie) e un’altezza di 286 mm, che produce 1.040 wafer per mattone quando lo spessore del wafer è di 180 µm e c’è una perdita di kerf di 95 µm per wafer. Così, vengono prodotti 35.000-40.000 wafer per lingotto DS.

Bibliografia
1. https://sinovoltaics.com/solar-basics/solar-cell-production-from-silicon-wafer-to-cell/
2. Principi e metodi di base del fotovoltaico NTIS USA 1982 https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc1060377/
3. http://www.madehow.com/Volume-1/Solar-Cell.html#:~:text=To%20make%20solar%20cells%2C%20the,carbon%20dioxide%20and%20molten%20silicon.
4. Woodhouse, Michael. Brittany Smith, Ashwin Ramdas e Robert Margolis. 2019. Costi di produzione del modulo fotovoltaico in silicio cristallino e prezzi sostenibili: 1H 2018 Benchmark e Roadmap di riduzione dei costi. Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory. https://www.nrel.gov/docs/fy19osti/72134.pdf. pp. 15 e seguenti

Diversi tipi di sistemi solari fotovoltaici

Mentre i prezzi dei combustibili fossili continuano a salire e gli standard di emissione continuano a diventare più severi in tutto il mondo, la domanda di energie rinnovabili come l’energia solare e la generazione eolica e le soluzioni di stoccaggio dell’energia continueranno a crescere.

Il termine solare si riferisce al sole. Le batterie solari sono quelle che vengono utilizzate per immagazzinare l’energia convertita dall’irradiazione solare o dall’energia luminosa in elettricità utilizzando celle solari (chiamate anche celle solari fotovoltaiche, o celle PV) attraverso gli effetti fotovoltaici. Non implicano reazioni chimiche come nelle batterie. La cella fotovoltaica è composta da materiale semiconduttore, che combina alcune proprietà dei metalli e alcune proprietà degli isolanti, il che la rende capace di convertire la luce in elettricità.

Quando la luce viene assorbita da un semiconduttore, i fotoni della luce possono trasferire la loro energia agli elettroni, generando un flusso di elettroni. Cos’è la corrente elettrica? È il flusso di elettroni. Questa corrente scorre fuori dal semiconduttore verso i cavi di uscita. Questi cavi sono collegati alla batteria o alle reti attraverso alcuni circuiti elettronici e inverter per controllare e generare corrente alternata.

Metodi di utilizzo della potenza del sistema solare fotovoltaico

Sistema SPV autonomo (o Off-Grid):

Qui l’energia solare è usata per una singola casa o un’unità industriale o una piccola comunità. La potenza prodotta dai pannelli solari viene inviata alla batteria tramite un controllore elettronico e le batterie immagazzinano l’energia. La corrente continua della batteria è invertita in corrente alternata; i carichi elettrici traggono la loro elettricità da queste batterie. Normalmente, un sistema solare su tetto da 1 kW richiede 10 mq. metri di zona senza ombra. Il dimensionamento effettivo, tuttavia, dipende da fattori locali di radiazione solare e dalle condizioni meteorologiche, dall’efficienza del modulo solare, dalla forma del tetto ecc.

Fig 2. Un semplice sistema solare fuori griglia
Fig 2. Un semplice sistema solare fuori griglia

Sistema solare fotovoltaico collegato alla rete (o sistema collegato alla rete)

In un sistema legato alla rete (o Grid-tied system), i pannelli SPV saranno collegati alle linee pubbliche di distribuzione dell’energia attraverso un controller e un contatore di energia. Qui
non si usano batterie.
L’elettricità viene usata prima per alimentare le necessità elettriche immediate della casa. Quando queste esigenze sono soddisfatte, l’elettricità supplementare viene inviata alla rete attraverso il contatore di energia. Con una griglia collegare il sistema di energia solare quando la casa richiede più potere di quello che i pannelli solari stanno producendo poi l’equilibrio di elettricità richiesto è fornito dalla griglia di utilità.

Così, per esempio, se il carico elettrico della casa consuma 20 ampere di corrente e l’energia solare può generare solo 12 ampere, allora 8 ampere saranno prelevati dalla rete. Ovviamente, di notte tutti i bisogni elettrici sono forniti dalla rete perché con un sistema di connessione alla rete non si immagazzina l’energia generata durante il giorno.

Uno svantaggio di questo tipo di sistema è che quando la corrente va via, anche il sistema va via. Questo è per ragioni di sicurezza, perché i guardalinee che lavorano sulle linee elettriche devono sapere che non c’è nessuna fonte che alimenta la rete. Gli inverter collegati alla rete devono disconnettersi automaticamente quando non percepiscono la rete. Questo significa che non si può fornire energia durante un’interruzione o un’emergenza e non si può immagazzinare energia per un uso successivo. Inoltre non puoi controllare quando usi l’energia del tuo sistema, come ad esempio durante i momenti di picco della domanda.

Sistema solare fotovoltaico interattivo o legato alla rete (ibrido)

C’è ancora un altro sistema in cui possiamo fornire al sistema di rete. Possiamo guadagnare o recuperare l’energia fornita da noi ogni volta che è necessario.

Sistema solare fotovoltaico senza stoccaggio di batterie - Grid interactive o Grid-tied (ibrido)

Questi sistemi SPV generano elettricità solare e alimentano i carichi interni e il sistema di distribuzione locale. Questo tipo di componenti del sistema SPV è (a) pannello SPV e (b) Inverter. Il sistema collegato alla rete è simile a un normale sistema alimentato elettricamente, tranne che una parte o tutta l’elettricità proviene dal sole. Lo svantaggio di questi sistemi senza accumulo di batterie è che non hanno un’alimentazione durante le interruzioni di corrente.

Vantaggi sistema solare fotovoltaico legato alla rete (ibrido) senza accumulo di batterie

È il sistema meno costoso con una manutenzione trascurabile
Se il sistema produce più energia del bisogno interno, allora l’energia extra viene scambiata con la rete elettrica
I sistemi diretti alla rete hanno una maggiore efficienza perché le batterie non sono coinvolte.
Una tensione più alta significa una dimensione del filo più piccola.
Il costo approssimativo dei sistemi solari su tetto collegati alla rete per l’anno fiscale 2018-19 varia da Rs. 53 per watt – Rs. 60 per watt.

Schema del sistema solare fotovoltaico Fig 3. Solare legato alla rete senza batteria
Fig 3. Solare legato alla rete senza batteria
Fig 4. Grid tied solar with battery storage
Fig 4. Grid tied solar with battery storage

Sistema solare fotovoltaico interattivo o legato alla rete (ibrido) con stoccaggio a batteria

Questo tipo di sistema solare fotovoltaico è collegato alla rete e può qualificarsi per gli incentivi statali, mentre abbassa anche la bolletta. Allo stesso tempo, se c’è un’interruzione di corrente questo sistema ha una potenza di riserva. I sistemi a batteria collegati alla rete forniscono energia durante un’interruzione e l’energia può essere immagazzinata per l’uso in caso di emergenza. I carichi essenziali come l’illuminazione e gli elettrodomestici hanno anche un’alimentazione di riserva quando manca la corrente. Si può anche usare l’energia durante le ore di punta della domanda perché l’energia è stata immagazzinata nella banca della batteria per un uso successivo.

I principali svantaggi di questo sistema solare fotovoltaico sono che il costo è più alto dei sistemi di base collegati alla rete ed è meno efficiente. Ci sono anche componenti aggiunti. L’aggiunta delle batterie richiede anche un regolatore di carica per proteggerle. Ci deve essere anche un sottopannello che contiene i carichi importanti di cui si vuole fare il backup. Non tutti i carichi che la casa usa sulla rete sono sostenuti dal sistema. Carichi importanti che sono necessari quando c’è un’interruzione di corrente. Sono isolati in un sottopannello di riserva.

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