Tecnologia

Il funzionamento dei pannelli solari

Il funzionamento dei pannelli solari

Elia Magrinelli

Gennaio 17th, 2016

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Il nostro pianeta viene colpito da moltissima energia che proviene dal Sole: circa 173 TW (Tera Watts), ovvero un’energia superiore di ben 10000 volte rispetto al fabbisogno energetico mondiale. Potremmo mai riuscire a ricavare tutta l’energia elettrica dall’energia solare? Per poter rispondere è necessario comprendere come e con quale efficienza i nostri pannelli solari convertono l’energia del Sole in energia elettrica, come viene mostrato in questo video di Ted-ed.

I pannelli solari sono fatti da un’insieme di celle fotovoltaiche. Le più comuni celle sono composte da silicio (Si), un semiconduttore nonché il secondo elemento più diffuso nel nostro pianeta. In una cellula fotovoltaica, i cristalli di Si sono contenuti tra due strati di materiale conduttore. All’interno dei cristalli di Si, ogni atomo è collegato ad un’altro da 4 legami forti, i quali mantengono gli elettroni in spazi abbastanza definiti impedendo il passaggio di corrente, al contrario dei legami metallici nei quali gli elettroni sono liberi di muoversi.

Tuttavia, in una cellula fotovoltaica sono utilizzati due strati di cristalli di Si con proprietà diverse. Un primo strato di Si, di tipo N, ha un numero di elettroni in eccesso e viene ottenuto incorporando nel cristallo degli elementi chimici con una maggior quantità di elettroni di valenza rispetto al Si, come il fosforo (P). Il secondo tipo di cristalli, di tipo P, ha elettroni in difetto, in quanto incorpora elementi chimici con un minor numero di elettroni di valenza rispetto al Si, come il boro (B). Questi due strati di Si sono disposti ai due estremi della cellula fotovoltaica, ciascuno a contatto con uno strato di materiale conduttore. Alla congiunzione tra gli strati N e P gli elettroni possono passare da una parte all’altra, creando cariche negative nello strato N e positive nello strato P.

Quando la luce colpisce la cellula fotovoltaica con abbastanza energia, può arrivare a dislocare un elettrone nello strato N dal suo orbitale il quale, respinto dalla carica negativa presente nello strato N, tenderà ad entrare nel materiale conduttore all’esterno, dove potrà spostarsi liberamente. Qui può viaggiare fino all’esterno del circuito dove possono svolgere lavoro elettrico, come dare energia ad una lampadina, per poi rientrare nella cella fotovoltaica nel conduttore adiacente allo strato P e quindi rientrare nel cristallo di Si. Una singola cellula fotovoltaica è in grado di generare un potenziale di 0,5V, pertanto per ottenere più potenziale elettrico si possono collegare in serie un gruppo di cellule fotovoltaiche. 12 cellule fotovoltaiche sono in gradi di caricare un cellulare. Nelle cellule fotovoltaiche tutto quello che si muove sono gli elettroni, pertanto l’usura di questi apparecchi è molto bassa e gli permette di funzionare anche per decenni.

Quali sono quindi i limiti nell’utilizzo di questa tecnologia? Indubbiamente esistono anche interessi di tipo politico ed economico che complicano l’utilizzo di questa tecnologia. Concentrandoci però sulle questioni puramente tecniche della questione c’è il fatto che l’energia solare è indubbiamente distribuita in modo diseguale sul nostro pianeta. Inoltre, l’energia solare non è costante, in quanto è molto meno disponibile durante le giornate nuvolose e durante la notte. Pertanto, per poter fare affidamento esclusivamente su quest’energia è necessaria la presenza di una rete in grado di distribuire l’energia dai posti più soleggiati a quelli meno, nonché in grado di immagazzinare l’energia in eccesso. Un’ulteriore sfida è quella dell’efficienza delle cellule fotovoltaiche: se la luce viene riflessa al posto di essere assorbita, oppure se gli elettroni dislocati rientrano nel loro posto al posto di entrare nel materiale conduttore si verifica una perdita di energia. Le cellule più efficienti al momento sono in grado di convertire il 46% dell’energia solare in elettricità, quelle più diffuse in commercio hanno invece un’efficienza tra il 15 e 20%.

Nonostante questi limiti, anche oggi sarebbe già possibile ottenere l’energia necessaria per l’intero pianeta solamente tramite cellule fotovoltaiche, previa la disponibilità di fondi sufficienti per costruire l’infrastruttura ed uno spazio adeguato. Stime indicano che sarebbe necessaria una superficie di cellule fotovoltaiche tra i 16000 – 160000 km^2. Certo si tratta di una superficie vasta, ma è molto più piccole di molte zone desertiche: il solo deserto del Sahara è pari a 4828032 km^2. Nel frattempo le cellule fotovoltaiche sono sempre più efficienti ed economiche e cominciano a competere con l’energia elettrica della rete. Innovazioni come piattaforme solari galleggianti potrebbero inoltre modificare ulteriormente il panorama dell’energia solare. Lasciando da parte questi grandi progetti, in molti paesi in via di sviluppo la maggior parte della popolazione non possiede un collegamento all’elettricità della rete elettrica. Molti di questi paesi sono anche molto soleggiati ed è proprio qui che le cellule fotovoltaiche stanno avendo una grande diffusione ed un’importante alternativa alle centrali al Kerosene.

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