Come funziona un Pannello Solare?

La tecnologia alla base del funzionamento di un pannello solare permette di convertire l’energia del sole in elettricità. Sebbene si fondi su principi fisici relativamente semplici, in realtà prevede alcuni passaggi piuttosto delicati. Già durante la prima metà del diciannovesimo secolo, più precisamente nel 1839, lo scienziato francese Bequerel, aveva notato che alcuni materiali generavano delle piccole scintille quando erano colpiti dalla luce del sole. L’attività di ricerca svolta negli anni immediatamente successivi a questa scoperta ha dimostrato l’esistenza del cosiddetto “effetto fotovoltaico”. Questa particolare proprietà insita in alcuni materiali non solo ha potuto essere scoperta e dimostrata, ma sono anche stati individuati dei modi in cui potesse essere sfruttata. In origine, il materiale con cui si fabbricavano le prime celle solari era il selenio. Verso la metà del Novecento, in America fu rivisitata la tecnologia sostituendo il silicio al selenio. Gli scienziati americani, infatti, avevano scoperto che quest’ultimo era un materiale che garantiva migliori performance. Oggi assistiamo ad un frequente impiego della tecnologia fotovoltaica, soprattutto in abitazioni ed edifici, allo scopo di coprire il fabbisogno energetico e di raggiungere un certo livello di autonomia energetica. Ma come funziona un pannello solare? In che modo converte l’energia del Sole in elettricità?

Un pannello solare è un insieme di celle fotovoltaiche. La luce del sole è formata da piccolissime particelle, chiamate fotoni; i fotoni colpiscono gli elettroni liberi sulla superficie della cella e li agitano, portandoli a generare un flusso di energia elettrica. Le celle fotovoltaiche sono costituite da due strati di silicio, un materiale semiconduttore appartenente al gruppo dei semimetalli, che viene usato di frequente per la produzione di apparecchi e circuiti elettronici. La cella fotovoltaica opera grazie alla formazione di un campo elettrico. Il suo funzionamento può essere semplificato con l’esempio del campo magnetico. Quando si avvicinano tra loro due magneti – uno con polo positivo e uno con polo negativo – questi tenderanno ad attrarsi tra di loro, creando per l’appunto un campo magnetico. Lo stesso si verifica nel caso del campo elettrico generato nella cella fotovoltaica, in cui sono presenti due elementi con cariche opposte. Queste ultime vengono generate dai produttori di pannelli solari, che effettuano un particolare processo chimico definito “drogaggio del silicio”, in cui si aggiungono atomi di elementi diversi ai due strati del materiale semiconduttore. In questo modo, infatti, si modifica la sua stabilità elettronica. Nello specifico, al silicio che compone lo strato sottostante è aggiunto del boro, che lo carica positivamente; allo strato superiore, invece, si aggiunge del fosforo, che gli fornisce una carica negativa.

Quando gli elettroni liberi tra i due strati vengono colpiti dai fotoni, si agitano e sono spinti dal campo verso alcune piastre metalliche poste alle estremità della cella. A loro volta, queste piastre indirizzano il flusso di elettroni nei cavi elettrici.

Il progresso tecnologico in questo settore si è intensificato nel corso degli ultimi anni, dando vita a celle fotovoltaiche estremamente sottili (circa 1/100 dello spessore di un comune capello), flessibili e leggere (circa un quarto di grammo). Queste celle altamente tecnologiche vengono oggi impiegate in molti settori e non è da escludere che il loro uso cresca esponenzialmente nel corso dei prossimi anni.

Per comprendere in modo completo come funziona un pannello solare è d’obbligo fare riferimento alla differenza tra corrente continua e corrente alternata. Nel primo caso si tratta di elettricità che si muove seguendo un flusso caratterizzato da intensità e direzione costanti nel tempo. In altri termini, gli elettroni presenti all’interno del circuito circolano sempre nella stessa direzione. Nel secondo caso invece, la corrente elettrica è caratterizzata da una costante inversione della polarità elettrica. Il polo positivo, quindi, diventa negativo (e viceversa) rispettando un’alternanza che si verifica con frequenze precise (solitamente 50 o 60 Hz). Va precisato che questa inversione di polarità non si verifica in modo improvviso, bensì avviene progressivamente seguendo un preciso andamento, definito sinusoidale. All’inizio del processo, i pannelli solari generano elettricità in corrente continua. Se quest’ultima può essere impiegata in circuiti elettrici di semplice natura, la corrente alternata è quella presente in tutti i nostri edifici (in Europa nella rete elettrica scorre elettricità in corrente alternata a 50Hz). Come si può, di conseguenza, trasformare l’energia in corrente continua prodotta dal pannello in corrente alternata, utile per alimentare i circuiti di edifici e abitazioni? La risposta risiede nell’inverter.

Quando si descrive il funzionamento di un impianto a energia solare non si può, infatti, omettere l’inverter fotovoltaico. Il flusso di elettroni in corrente continua che ha origine sulle piastre metalliche della cella fotovoltaica viene incanalato verso l’inverter solare, che trasforma la corrente continua in alternata. Si tratta del vero e proprio fulcro delle operazioni dell’impianto fotovoltaico. Il compito dell’inverter non si riduce soltanto a questo: protegge da eventuali guasti a terra e permette di visualizzare alcuni dati di sistema come la tensione presente sui circuiti elettrici ed i livelli di produzione dell’impianto in tempo reale. Dagli inizi dell’industria fotovoltaica fino ad oggi si è assistito ad una diffusione su larga scala degli inverter centralizzati e modulari. Nel corso degli ultimi anni sono stati introdotti sul mercato dei micro-inverter, definiti ottimizzatori, molto utili in situazioni particolari come presenza di ombra o sporcizia su alcune parti dell’impianto. Nella maggior parte dei casi, però, il loro impiego si rivela superfluo, in quanto anche gli inverter tradizionali sono ormai programmati per suddividere l’impianto in più zone, ottimizzandone di conseguenza il rendimento.

Come opera, nel complesso, un impianto fotovoltaico?

Se nei paragrafi precedenti è stato spiegato come funziona un pannello solare ed il lavoro svolto da alcune parti fondamentali dell’impianto, ora è opportuno riassumere il processo effettuato dall’intero sistema. La luce solare giunge sulla superficie del pannello fotovoltaico, che la converte in energia a corrente continua. Il flusso di elettricità si muove in direzione dell’inverter, che si occupa della trasformazione della corrente da continua ad alternata, preparandola ad essere immessa nei circuiti elettrici dell’edificio. Il lavoro svolto dall’impianto fotovoltaico diventa sempre più sicuro e sofisticato, soprattutto grazie al progresso tecnologico e ad una attività di ricerca e sviluppo costante all’interno del settore. Alcune criticità, si sa, non si possono controllare completamente, ma esistono ugualmente delle strategie per superarle. Come si può, per esempio, soddisfare il proprio fabbisogno energetico quando l’impianto non produce sufficiente energia a causa delle intemperie o durante la notte? Si può utilizzare l’elettricità non prodotta direttamente dai pannelli? La soluzione a questi due problemi ci viene fornita dallo scambio sul posto e dal sistema di accumulo fotovoltaico. Nel primo caso, l’edificio dotato di impianto fotovoltaico rimane connesso alla rete elettrica pubblica. Infatti, l’energia prodotta in eccesso durante la giornata viene immessa nella rete pubblica. Al contrario, si potrà prelevare elettricità nel caso in cui l’impianto generi un apporto energetico inferiore a quello necessario a coprire la richiesta di energia. Il sistema dello scambio sul posto è regolamentato dal Gestore dei Servizi Energetici (GSE), che stabilisce le varie quotazioni di mercato dell’elettricità immessa e prelevata dalla rete pubblica. Nel secondo caso, invece, nell’edificio viene installato un sistema di accumulo fotovoltaico. Questo funziona come una grande batteria, che si ricarica con l’energia prodotta in eccesso dall’impianto. Quando necessario, infatti, il sistema di accumulo rilascerà parte dell’energia immagazzinata per soddisfare il fabbisogno energetico dell’edificio in cui è installato. Se il primo caso prevede il mantenimento del collegamento con la rete pubblica, il secondo permette di raggiungere un ottimo livello di autonomia energetica, senza dover dipendere – totalmente o parzialmente – dalla rete elettrica pubblica, ma restandone comunque allacciati.

Capire come funziona un pannello solare permette di essere più consapevoli del vantaggio di cui si può beneficiare installando un impianto fotovoltaico sul tetto di abitazioni ed edifici. In quanto rinnovabile, l’energia solare si può sfruttare senza dover ricorrere all’impiego di combustibili fossili nocivi per la nostra atmosfera. Nelle regioni italiane in cui il sole è una presenza costante nel corso dell’anno questa fonte energetica green può essere sfruttata più facilmente che in altri Paesi del mondo. La lunga aspettativa di vita degli impianti fotovoltaici odierni permette di recuperare l’investimento iniziale in un tempo relativamente breve per poi poter sfruttare ancora per lungo tempo le potenzialità dell’impianto fotovoltaico.