FUNZIONAMENTO
Solare fotovoltaico
Il termine fotovoltaico (FV) significa la trasformazione di luce in energia elettrica. Lo stesso nome "fotovoltaico" esprime il significato di tale parola: "foto" deriva da "luce"e "voltaico" deriva da Alessandro Volta, inventore della batteria.
Le celle fotovoltaiche, di forma circolare, rettangolare o ottagonale, sono spesse da 0,3 a 0,5 mm.
In una fotocellula la luce irradia la cella e nei cristalli di silicio produce una tensione elettrica, che può essere prelevata dalla superficie attraverso degli elettrodi. Una cella standard (10x10cm), in caso di pieno irradiamento solare, fornisce una tensione di ca. 0,5V e una corrente di ca. 3A, pari ad una potenza di ca. 1,5W. Per aumentare la potenza le singole celle vengono assemblate a formare i cosiddetti moduli.
L'elemento principale delle celle fotovoltaiche è il silicio, che dopo l'ossigeno è l'elemento più diffuso sulla crosta terrestre. In natura non compare in forma pura, ma sotto forma di composto insieme ad altri elementi. Esistono tre metodi di produzione di celle FV, a seconda della tipologia di quest'ultime:
- celle monocristalline: da purissime barre di silicio vengono tagliati dei dischetti molto fini, successivamente lisciati mediante levigatura e trattamento con acido. La cella ha bisogno di una minore superficie per produrre 1 kW di potenza (7m2);
- celle amorfe: una piastra di vetro viene ricoperta da atomi di silicio attraverso spruzzamento catodico. Questo metodo produce 1 kW con 8 m2;
- celle policristalline: quest'ultimo metodo prende il nome di "drogaggio". Consiste nell'aggiunta programmata di impurità ai dischetti di silicio sotto forma di atomi estranei. Questo modello ha bisogno di ben 17 m2 per produrre 1 kW, ma ha una resa annuale superiore del 10% rispetto agli altri due, perché sfrutta meglio le giornate nuvolose, con basso irraggiamento.Il dischetto così trattato può già essere chiamato cella FV, dato che in questo stato possiede le proprietà di semiconduttore e in principio può già funzionare, in quanto alcuni semiconduttori, come il silicio appunto, possono produrre energia elettrica se irraggiati dalla luce solare.
Per raggiungere la potenza desiderata e per proteggere le celle dai fattori atmosferici (vento, neve, pioggia, ghiaccio, ecc.), esse vengono collegate elettricamente opportunamente in serie o in parallelo, inserite in un telaio metallico e protette da una lastra di vetro.
Esistono due tipi di sistemi fotovoltaici:
- grid connected: impianti senza accumulo e collegati alla rete elettrica, normalmente utilizzati per fornire energia a una rete elettrica già alimentata da generatori convenzionali servono ad immettervi altra energia;
- stand alone: impianti con accumulo, provvisti appunto di accumulatori per immagazzinare, durante il giorno e specialmente nelle ore di sole, l'energia elettrica da utilizzare poi durante la notte e quando il sole è coperto. Essi sono impiegati nelle "utenze isolate", cioè là dove gli utilizzatori non sono collegati alla rete e quindi, se la loro fonte di elettricità fosse quella solare, ne rimarrebbero senza proprio la notte, quando la luce è indispensabile. L'energia viene conservata in batterie (normalmente piombo-acido) ed un regolatore di carica (diodo) impedisce che la tensione di carica superi un certo valore per salvaguardare l'integrità degli accumulatori.
Solare termico
La tecnologia del solare termico consente di trasformare direttamente la radiazione solare in energia termica (calore). La radiazione solare incidente viene utilizzata per riscaldare un fluido (acqua o soluzioni di acqua e glicole etilenico) che circola nel collettore. L'acqua viene riscaldata dal sole e trasferita all'interno dell'accumulo o attraverso una pompa di circolazione (circolazione forzata) o sfruttando il principio del termosifone (circolazione naturale).
I collettori vengono montati generalmente sul tetto della casa se orientato a Sud e con inclinazione adeguata (generalmente pari alla latitudine del luogo, che, ad esempio in alta Italia è di 45°, oppure, più raramente, può essere regolabile per adeguarsi al diverso angolo del sole a seconda delle stagioni) oppure a terra.
I collettori solari possono essere di diversi tipi:
- Collettori sottovuoto.
Sono composti da tubi di vetro speciale sottovuoto ricoperti da uno strato altamente selettivo che trasforma la luce solare in calore. L'assorbitore di calore è di forma circolare ed è alloggiato all'interno della cavità sottovuoto dei tubi stessi; in questo modo il fluido termoconvettore evapora e, cedendo il suo calore all'estremità superiore del tubo, si condensa e ritorna in basso. Questa tipologia di collettori sottovuoto non conduce calore, essendo l'aria il migliore isolamento, per cui non si verificano perdite per convezione e conduzione e pertanto il loro rendimento è superiore. Richiedono inoltre una minore superficie espositiva rispetto alle altre tipologie di pannelli e sono capaci di trattenere il calore accumulato anche in condizioni atmosferiche molto rigide, garantendo prestazioni elevate e costanti durante l'anno; per questi motivi possono essere utilizzati anche in zone con un'insolazione medio-bassa o con condizioni climatiche particolarmente rigide durante l'inverno, come in alta montagna o nei paesi nordici;
- Collettori piani.
Sono composti da una cella/intelaiatura termicamente isolata (in legno incollato a tenuta di acqua o in alluminio), coperta da un vetro protettivo in grado di sopportare pioggia, grandine e temperature rigide, filtra i raggi solari e crea l'effetto serra per intrappolare il calore. All'interno della cella si trova l'assorbitore di calore vero e proprio, che è una lastra metallica scura, detta anche piastra captante, o corpo nero assorbente, sulla quale sono saldati i tubi all'interno dei quali circola un liquido termoconvettore (per esempio composto da acqua e glicole propilenico atossico).Questo liquido, riscaldato dal calore solare, sale alla cima del collettore e va nel serbatoio dove, tramite uno scambiatore, cede il calore all'acqua da riscaldare contenuta all'interno e da dove viene distribuita ai diversi punti di presa. A questo punto il liquido termoconvettore raffreddato scende ed il processo ricomincia da capo. I pannelli a piastra possono essere di due tipi: a superficie non selettiva dove l'assorbitore di calore è semplicemente verniciato in nero, (consigliata per le case abitate in brevi periodi), oppure a superficie selettiva dove l'assorbitore di calore è potenziato da un trattamento effettuato con un prodotto infrarosso che consente al pannello di trattenere maggiormente il calore del sole, riducendo al tempo stesso la riflessione (indicata per le case dove si risiede abitualmente o per un utilizzo di almeno 10 mesi all'anno e sono in grado di produrre acqua calda in qualunque mese dell'anno);
- Collettori monoblocco.
I collettori monoblocco, detti anche ad accumulo, sono di costruzione molto semplice rispetto alle precedenti categorie e sono prevalentemente composti da un serbatoio in acciaio inox che viene esposto direttamente al sole, solitamente sono asserviti da un collettore piano integrato. Il serbatoio, solitamente dipinto di nero, termicamente coibentato e coperto da una lastra di materiale trasparente termoisolante, può anche essere montato direttamente in una cavità del tetto in cui si trova uno specchio solare concavo che riflette la luce; vengono collegati direttamente alla rete dell'acqua fredda e calda senza l'ausilio di scambiatori di calore e pompe e possono essere collegati ad una caldaia a gas ausiliaria, che interviene automaticamente quando la temperatura scende al di sotto di quella richiesta. Rispetto alle precedenti tipologie hanno un costo più modesto, sono compatti, maneggevoli, occupano poco spazio e possono essere installati senza l'ausilio di tecnici specializzati. generalmente il loro uso è limitato alla sola produzione di acqua calda sanitaria e, inoltre, durante la notte o nei giorni con scarsi apporti solari possono raffreddarsi facilmente.
