Pannello fotovoltaico

Definizione

Il pannello (o modulo) fotovoltaico è un dispositivo che consente la conversione diretta della radiazione solare in energia elettrica, sfruttando l’effetto fotoelettrico ed è l’elemento base dell’impianto fotovoltaico.

Generalità

Tradizionalmente veniva ottenuto dalla connessione elettrica in serie di più celle fotovoltaiche. Spesso le celle erano nel numero di 36 in modo da dare luogo a una differenza di potenziale di 18 V. Più recentemente i moduli sono aumentati di dimensione e le loro prestazioni in termini di differenza di potenziale e potenza di picco sono fortemente differenziate a seconda del modello e del produttore.
Le celle sono sigillate in un foglio EVA (acetato viniletilenico) e assemblate fra uno strato superiore di vetro e uno strato inferiore di materiale plastico (ad esempio Tedlar). L’insieme viene spesso racchiuso in una cornice di alluminio.
I pannelli prevalentemente utilizzati oggi sono in silicio monocristallino ovvero in silicio policristallino. I primi sono caratterizzati da una maggiore efficienza di conversione (14-17%) con un’ottima stabilità nel tempo. I secondi presentano un’efficienza leggermente inferiore (11-14%) con una buona garanzia di stabilità nel tempo.
I maggiori svantaggi di queste due tecnologie vanno attribuiti a una significativa sensibilità delle prestazioni alla temperature di equilibrio cui si porta il pannello con una riduzione che può essere dello 0,5%/K rispetto al valore alla temperatura nominale, di solito di 0°C o di 20°C. In una giornata estiva con forte insolazione la temperatura di equilibrio può superare facilmente i 60°C con una riduzione complessiva dell’efficienza anche oltre il 30% rispetto al valore nominale. Inoltre l’impiego di silicio non è trascurabile dal momento che anche con le migliori tecnologie lo spessore del wafer non scende sotto i 150 ηm. La loro fabbricazione è costosa dal punto di vista energetico.
Una tecnologia alternativa, ben nota, ma suscettibile di rilevanti miglioramenti è quella del film sottile, realizzato con silicio amorfo, ovvero con materiali alternativi come il telleriuro di cadmio (CdTe) e diseleniuro di rame ed indio (CIS). Gli spessori possono scendere sotto il ηm, quindi con un impiego di materiale incomparabilmente minore e con costi energetici corrispondentemente assai più bassi. L’effetto di temperatura comporta una minore riduzione nell’efficienza (0,2%/K). Per ora questa tecnologia presenta efficienze di conversione minori (5-8%). Inoltre la stabilità nel tempo è decisamente inferiore. I costi sono generalmente più bassi per unità di superficie, ma sostanzialmente equivalenti a quelli del silicio mono e policristallino per Wp (watt di picco).
L’analisi del costo energetico di produzione di un pannello fotovoltaico lo valuta a circa 235 kWhel/m² per il silicio monocristallino, scendendo a 60 kWhel/m² per il silicio amorfo con stime di riduzione ad appena 14 kWhel/m² per film sottile prodotto su larga scala. Ne risulta un pay back energetico che a seconda della località di installazione può oscillare nel peggiore dei casi da 1 a 2 anni, ma che può diminuire notevolmente con le nuove tecnologie.
Il collegamento di più pannelli fotovoltaici permette di realizzare l’impianto fotovoltaico.
Può capitare che il pannello fotovoltaico risulti parzialmente in ombra. Le celle corrispondenti non sono attive e costituiscono una resistenza elettrica nei confronti delle celle illuminate in serie con esse. Ne può derivare un innalzamento di temperatura che può portare anche al danneggiamento delle celle stesse. Per questo sul pannello sono previsti svariati diodi di by pass che consentono di incanalare la corrente elettrica generata, evitando che passi attraverso celle non funzionanti. Mentre i moduli di silicio mono e policristallino sono molto sensibili all’effetto di ombreggiamento, il film sottile lo è molto meno.

L’impiego nell’edilizia

Nell’impiego del fotovoltaico nell’edilizia è molto importante l’integrazione dei pannelli nella struttura dell’edificio. Questa viene facilitata sia dalla possibile colorazione diversa dal grigio scuro del monocristallino e dal blu scuro del policristallino (anche se colorazioni diverse da queste comportano una certa perdita di efficienza). Inoltre i moduli di silicio amorfo possono essere realizzati come strutture semitrasparenti, creando con un raggio laser una serie di linee ultrasottili che lasciano passare anche oltre il 10% della radiazione luminosa. Il film sottile consente inoltre la realizzazione di superfici attive curve.
Gli sviluppi più significativi del pannello fotovoltaico riguardano da un lato le modalità costruttive, dall’altro l’impiego congiunto dell’effetto elettrico e termico (cogenerazione fotovoltaica).
Dal punto di vista delle modalità costruttive uno degli sviluppi più interessanti è il film sottile in cui le celle individuali sono delimitate tramite laser e poi collegate in serie attraverso un sottile strato di ossido trasparente conduttivo (TCO). Possono essere utilizzate tecnologie produttive di deposizione chimica di vapori favorite da plasma, già impiegate nella realizzazione di schermi a cristalli liquidi. La recente realizzazione di polimeri semiconduttori su film sottile dello spessore di appena 0,1 ηm, lascia intravedere la possibile produzione di moduli fotovoltaici con l’impiego di stampanti derivate dalle ben note getto di inchiostro con velocità di produzione superiore a 1 m/s.
La cogenerazione fotovoltaica parte dalla constatazione che, se l’efficienza di trasformazione in energia elettrica della radiazione solare è dell’ordine del 15%, questo significa che l’85% si ritrova come effetto termico. Tale effetto termico può essere sfruttato con produzione di calore a bassa temperatura (30-35°C, riscaldamento a pavimento radiante o preriscaldamento dell’acqua sanitaria) con benefici effetti sull’efficienza del modulo, dato che ne verrebbe abbassata la temperatura di equilibrio. Il raffreddamento può essere ottenuto con il passaggio di aria al di sotto delle celle o fra le celle e una lastra di vetro. Si può realizzare anche con sistemi a liquido, incollando il modulo fotovoltaico su di una piastra metallica canalizzata tramite una resina isolante elettrica con un’ottima conduttività termica. Una stessa superficie riesce in tal modo a fornire un doppio servizio, caratteristica apprezzabile nell’ambiente urbano, dove è ridotto lo spazio a disposizione, con una riduzione anche dei costi di installazione
La fig. 4 mostra 3 diversi moduli fotovoltaici cogenerativi a liquido durante un test di prova, uno privo di vetro e gli altri due con una schermatura anteriore vetrata.
Lo sviluppo di tecniche di raffreddamento del pannello fotovoltaico possono consentire anche la realizzazione di sistemi fotovoltaici a concentrazione, nei quali l’elemento attivo, che è anche il più costoso, riesce a trasformare un’eguale frazione della radiazione incidente anche quando questa sia doppia o tripla rispetto al sistema privo di concentrazione. Il raffreddamento risulta, però, indispensabile, dal momento che la concentrazione aumenta notevolmente l’effetto termico sulle celle.