Applicazione di fotocellule solari. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Le celle solari fotovoltaiche rappresentano un'alternativa fattibile, tecnicamente ed economicamente valida, ai combustibili fossili in numerose applicazioni. Una cella solare può convertire direttamente la radiazione solare in elettricità senza l’uso di alcun meccanismo in movimento. Grazie a ciò, la durata dei generatori solari è piuttosto lunga. I sistemi fotovoltaici si sono affermati fin dall'inizio dell'applicazione industriale delle celle fotovoltaiche. Ad esempio, le celle solari sono state la principale fonte di energia per i satelliti in orbita terrestre sin dagli anni ’1960.

Nelle aree remote, le celle fotovoltaiche alimentano i sistemi di alimentazione off-grid sin dagli anni ’1970. Negli anni ’1980, i produttori di beni di consumo di massa iniziarono a integrare le celle fotovoltaiche in molti dispositivi, dagli orologi alle calcolatrici fino alle apparecchiature musicali. Negli anni '1990, le società di servizi pubblici iniziarono a utilizzare le celle fotovoltaiche per soddisfare le esigenze dei piccoli utenti.

I sistemi di pompaggio alimentati da celle solari fotovoltaiche sono efficienti ed economici per quasi tutte le applicazioni di pompaggio dell'acqua. Le società elettriche statunitensi hanno scoperto che è più economico utilizzare pompe per l’acqua alimentate a energia solare piuttosto che mantenere le linee di distribuzione elettrica che portano a pompe remote. Alcune utilities offrono gruppi di pompaggio fotovoltaici per soddisfare le richieste dei clienti.

Altri usi dei sistemi fotovoltaici nelle zone rurali includono la ricarica e l'illuminazione di recinzioni elettriche; fornire circolazione dell'acqua, ventilazione, luce e aria condizionata nelle serre e nelle strutture idroponiche.

I moduli fotovoltaici hanno fornito elettricità al pallone Breitling Orbiter 3 durante il suo volo senza scalo intorno al mondo. Per tre settimane, nel marzo 1999, tutte le apparecchiature a bordo del pallone furono alimentate da 20 moduli sospesi sotto la cesta. Ogni modulo è stato inclinato per fornire corrente uniforme durante la guida e caricare cinque batterie per i dispositivi di navigazione, alimentare il sistema di comunicazione satellitare, fornire illuminazione e riscaldamento dell'acqua. Tutti i moduli hanno funzionato perfettamente durante l'intero viaggio.

Le celle fotovoltaiche vengono utilizzate con successo per elettrificare i villaggi. Attualmente, due miliardi di persone nel mondo vivono senza elettricità. La maggior parte di essi si trova nei paesi in via di sviluppo, dove il 75% della popolazione non ha accesso all’elettricità. I villaggi remoti spesso non sono collegati alla rete.

Coloro che non hanno accesso all'elettricità dalla rete spesso utilizzano combustibili fossili: cherosene, diesel. Ci sono una serie di problemi legati al suo utilizzo:

• Le importazioni di combustibili fossili riducono l’offerta di valuta convertibile del paese;
• il trasporto del carburante è ostacolato dalla mancanza di infrastrutture normali;
• la manutenzione e la riparazione del generatore sono problematiche a causa della mancanza di pezzi di ricambio;
• il generatore inquina l'ambiente con lo scarico e crea molto rumore.

L’illuminazione elettrica tramite celle fotovoltaiche è più efficiente delle lampade a cherosene e l’installazione di un sistema fotovoltaico solitamente costa meno dell’estensione della rete elettrica. Inoltre, molti paesi in via di sviluppo si trovano in regioni con elevati livelli di radiazione solare, il che significa che dispongono di un’abbondante fonte di energia gratuita tutto l’anno. La produzione di “elettricità solare” è semplice e affidabile, come dimostrato dall’esperienza di gestione di decine di migliaia di impianti fotovoltaici in tutto il mondo.

Nei prossimi decenni una parte significativa della popolazione mondiale acquisirà familiarità con gli impianti fotovoltaici. Grazie ad essi scomparirà la tradizionale necessità di costruire centrali elettriche e sistemi di distribuzione grandi e costosi. Con la diminuzione del costo delle celle fotovoltaiche e il miglioramento della tecnologia, si apriranno diversi mercati potenzialmente enormi per le celle fotovoltaiche. Ad esempio, le fotocellule integrate nei materiali da costruzione forniranno ventilazione e illuminazione alle case. I prodotti di consumo, dagli utensili manuali alle automobili, trarranno vantaggio dall'uso di componenti contenenti componenti fotovoltaici. Le utility saranno anche in grado di trovare nuovi modi per utilizzare le celle solari per soddisfare le esigenze pubbliche.

L'Unione Europea si è posta l'obiettivo di raddoppiare la quota di energia rinnovabile entro il 2010. Una componente importante è la produzione di 1 milione di impianti fotovoltaici (500000 sistemi su tetto ed esportazione di 500000 sistemi rurali) con una capacità installata totale di 1 GW. BP Amoco (uno dei leader mondiali nella vendita di prodotti petroliferi) utilizzerà l'energia solare in 200 delle sue nuove stazioni di servizio in Gran Bretagna, Australia, Germania, Austria, Svizzera, Paesi Bassi, Giappone, Portogallo, Spagna, Francia e Stati Uniti . Il programma da 50 milioni di dollari comprende 400 pannelli solari con una capacità totale di 3,5 MW e una riduzione delle emissioni di anidride carbonica di 3500 tonnellate all'anno.

Grazie a questo progetto, BP Amoco diventerà uno dei maggiori consumatori mondiali di elettricità solare, nonché uno dei maggiori produttori di celle e moduli solari. I pannelli solari genereranno più elettricità di quella necessaria per le luci e le pompe dell'acqua, quindi il sistema sarà collegato alla rete. Durante il giorno, l'elettricità in eccesso verrà fornita alla rete e di notte la mancanza di energia verrà reintegrata da essa. Secondo le previsioni del presidente della BP Solar, il mercato globale delle celle solari dovrebbe raggiungere i 2010 MW entro il 1000 e i 2050 milioni di MW entro il 5.

Le celle fotovoltaiche producono elettricità ad una velocità che varia a seconda del livello di radiazione solare. Le celle fotovoltaiche sono combinate in moduli che costituiscono il componente principale dei sistemi fotovoltaici. I moduli sono progettati per tensioni diverse, fino a diverse centinaia di volt. Ciò si ottiene collegando fotocellule e moduli in serie. Gli inverter devono essere utilizzati per alimentare apparecchi elettrici CA.

L'efficienza delle fotocellule è calcolata come il rapporto percentuale tra l'energia fornita alla fotocellula e l'elettricità fornita al consumatore. C'è una differenza tra efficacia teorica, di laboratorio e pratica. È importante conoscere la differenza tra loro e per gli utenti di fotocellule, ovviamente, conta solo l'efficienza pratica.

Efficienza pratica delle fotocellule di serie:

• silicio monocristallino: 16 - 17%;
• silicio policristallino: 14 - 15%;
• silicio amorfo: 8 - 9%.

Gli impianti fotovoltaici si dividono generalmente in:

1. Sistemi autonomi costituiti solo da pannelli fotovoltaici. Possono includere anche regolatori e batterie.
2. I sistemi ibridi sono una combinazione di celle fotovoltaiche e mezzi aggiuntivi per generare elettricità, come l’energia eolica, il diesel o il gas naturale. Tali sistemi utilizzano spesso batterie e regolatori più piccoli.
3. I sistemi connessi alla rete sono in realtà piccole centrali elettriche che forniscono elettricità alla rete pubblica.

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