Celle fotovoltaiche. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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I dispositivi per convertire direttamente la luce o l'energia solare in elettricità sono chiamati fotovoltaici (in inglese Fotovoltaico, dal greco foto - luce e il nome dell'unità di forza elettromotrice - volt). La conversione della luce solare in elettricità avviene nelle celle solari costituite da materiale semiconduttore come il silicio, che producono una corrente elettrica quando esposte alla luce solare.

Collegando le celle fotovoltaiche in moduli e questi, a loro volta, tra loro, è possibile costruire grandi stazioni fotovoltaiche. La più grande stazione di questo tipo fino ad oggi è l'installazione da 5 megawatt di Carrisa Plain nello stato americano della California. L'efficienza degli impianti fotovoltaici è attualmente pari a circa il 10%, ma le singole celle fotovoltaiche possono raggiungere efficienze del 20% o più.

storia

La storia delle celle fotovoltaiche risale al 1839, quando il fisico francese Edmond Becquerel scoprì l'effetto fotovoltaico. A ciò seguirono ulteriori scoperte:

• Nel 1958, piccole batterie fotovoltaiche (meno di 1 watt) alimentavano il trasmettitore radio del satellite spaziale americano Vanguard. In generale, la ricerca spaziale ha svolto un ruolo importante nello sviluppo delle celle solari.
• Durante la crisi petrolifera del 1973-74. Diversi paesi hanno lanciato programmi di celle fotovoltaiche, che hanno portato all’installazione e al collaudo di oltre 3100 sistemi fotovoltaici solo negli Stati Uniti. Molti di loro sono ancora in uso.

Mercato fotovoltaico

Lo stato attuale del mercato delle celle solari è caratterizzato da una crescita abbastanza stabile, circa il 20% annuo, ma i volumi di produzione di fotocellule rimangono piuttosto bassi. La produzione mondiale di moduli nel 1998 è stata di circa 125 MW, mentre il prezzo è sceso da 50 dollari per watt nel 1 a 1976 dollari per watt nel 5. Tuttavia, i kilowattora di elettricità generati dal sistema fotovoltaico, sono ancora 1-1999 volte più costosi dell’elettricità tradizionale ( a seconda della specifica ubicazione e del tipo di impianto). Pertanto, il mercato delle celle solari occupa ancora una piccola nicchia nell’economia globale. Ma continua a crescere costantemente in quei segmenti di mercato in cui le celle fotovoltaiche sono competitive, come i sistemi off-grid.

In molte regioni del mondo i progressi sono notevoli. Il governo giapponese sta investendo 250 milioni di dollari all'anno per aumentare la capacità produttiva da 40 MW (1997) a 190 MW (2000). I paesi europei stanno perseguendo i propri programmi, spinti dalla necessità di indipendenza energetica e da considerazioni ambientali. Questi programmi, insieme a questioni ambientali come il cambiamento climatico, possono accelerare significativamente lo sviluppo di questo settore. Shell Solar ha costruito il più grande impianto di produzione di celle solari in Germania con una capacità di produzione annua di 10 MW, che si prevede verrà aumentata a 25 MW. Il costo per la costruzione dell'impianto ammonta a 50 milioni di marchi tedeschi.

Vantaggi

Alta affidabilità

Le celle fotovoltaiche sono state sviluppate per l'uso nello spazio, dove le riparazioni sono troppo costose o impossibili. Fino ad ora, le celle solari sono state la fonte di energia per quasi tutti i satelliti in orbita terrestre, perché funzionano senza guasti e non richiedono quasi alcuna manutenzione.

Bassi costi di gestione

Le celle fotovoltaiche funzionano con combustibile gratuito: l'energia solare. A causa dell'assenza di parti in movimento, richiedono poca manutenzione. I sistemi fotovoltaici economici sono una fonte di energia elettrica ideale per le stazioni di comunicazione in montagna, le boe di navigazione in mare e altre applicazioni situate lontano dalle linee elettriche.

Ecologico

Poiché i sistemi fotovoltaici non bruciano combustibile e non hanno parti in movimento, sono silenziosi e puliti. Questa funzionalità è estremamente utile laddove le uniche alternative per luce ed alimentazione sono generatori diesel e lampade a cherosene.

Modularità

L'impianto fotovoltaico può essere personalizzato su qualsiasi dimensione. Il proprietario di un tale sistema può aumentarlo o diminuirlo se cambia il suo fabbisogno di elettricità. Con l’aumento del consumo energetico e delle capacità finanziarie, il proprietario della casa può aggiungere moduli ogni pochi anni. Gli agricoltori possono fornire acqua potabile al bestiame utilizzando sistemi di pompaggio mobili.

Bassi costi di costruzione

Gli impianti fotovoltaici sono solitamente posizionati vicino al consumatore, il che significa che le linee elettriche non devono essere tirate su lunghe distanze, come nel caso del collegamento alle linee elettriche. Inoltre non è necessario alcun trasformatore step-down. Meno cavi significano costi inferiori e tempi di installazione più brevi.

Il costo dell'energia elettrica generata da un impianto fotovoltaico

Molti piccoli impianti fotovoltaici che alimentano poche lampadine e un televisore sono molto più economici dell’alternativa di estendere la linea elettrica, sostituire e riciclare batterie usa e getta o utilizzare un generatore diesel. Il costo dell'elettricità prodotta in grandi impianti in grado di alimentare un edificio residenziale è espresso nel costo di un kWh. Dipende dal costo iniziale del sistema, dai termini del prestito (per pagare il costo iniziale), dal costo di gestione del sistema, dalla sua vita prevista e dall'efficienza complessiva.

A tassi di finanziamento tipici e durata di vita media, il costo dell’elettricità solare negli Stati Uniti nel 1998 era compreso tra 20 e 50 centesimi per kWh.

Zona impianto fotovoltaico

I moduli più comuni (silicio cristallino) producono 100-120 watt per metro quadrato (W/m2). Pertanto, un modulo di un metro quadrato produce elettricità sufficiente ad alimentare una lampadina da 100 watt. Se parliamo di scala industriale, una centrale fotovoltaica che occupi un terreno quadrato di circa 160 km di lato potrebbe fornire elettricità a tutti gli Stati Uniti. La soluzione migliore, però, è posizionare i moduli fotovoltaici sui tetti degli edifici o integrarli nelle pareti delle facciate.

Questa è un'opzione più economica, poiché consente di risparmiare materiali da costruzione.

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