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Solare fotovoltaico

Watford (Londra), Lighthouse per Innovation Park, Studio Sheppard Robson, 2007. Particolare della copertura, (foto C. Filagrossi Ambrosino).
Watford (Londra), Lighthouse per Innovation Park, Studio Sheppard Robson, 2007. Particolare della copertura, (foto C. Filagrossi Ambrosino).

Definizione – Etimologia

Sistema attivo di conversione dell’energia solare in energia elettrica. La parola fotovoltaico deriva dal termine greco photos (“luce”) e dall’aggettivo voltaico (da Alessandro Volta, inventore della pila elettrica) che viene comunemente usato per indicare l’energia elettrica.

Storia

L’opportunità di trasformare la luce del sole in energia elettrica risale al 1839, quando lo scienziato francese Becquerel scoprì il principio fisico alla base del processo: la conversione fotovoltaica (celle fotovoltaiche). Ma è solo nel 1953 che Darryl Chapin e Calvin Fuller, studiando il silicio e le sue possibili applicazioni nell’elettronica, realizzarono la prima cella in grado di convertire in elettricità una quota di energia solare sufficiente ad alimentare i dispositivi elettrici di uso quotidiano.

Il primo importante acquirente di celle solari per uso terrestre fu l’industria petrolifera, che le impiegò in luoghi non serviti dalle linee elettriche. A cavallo tra gli anni ’70 e gli anni ’80, le celle solari furono deputate ad alimentare i satelliti artificiali e i dispositivi di segnalamento e smistamento del traffico ferroviario e diventarono la fonte energetica di elezione per le reti remote di telecomunicazione in tutto il mondo. Negli stessi anni, l’ingegnere svizzero Markus Real dimostrò la validità della generazione distribuita installando moduli solari da 3 kW su 333 tetti di Zurigo. Da allora l’installazione di impianti fotovoltaici per utenze domestiche ha conosciuto una sempre più rapida crescita in tutto il mondo.

Impianto fotovoltaico

Un impianto solare fotovoltaico è costituito dai seguenti componenti:

  • moduli: sono i pannelli che accolgono le celle fotovoltaiche (normalmente 36) disposte su quattro file parallele. Le celle, connesse in serie, sono assemblate tra uno strato superiore di vetro e uno strato inferiore di materiale plastico (Tedlar). Il tutto viene poi inglobato in una cornice di alluminio che ha il compito di conferire una maggiore resistenza meccanica all’elemento; sul lato posteriore del modulo è collegata una scatola di giunzione contenente i diodi di bypass e i contatti elettrici;
  • strutture di sostegno dei moduli: sono i sistemi che sorreggono i moduli realizzati in acciaio zincato o in alluminio e collegati alla superficie di installazione mediante opportuni ancoraggi. Alcune particolari strutture di sostegno (chiamate “inseguitori” o “tracker”) possono cambiare l’inclinazione e l’orientamento dei moduli garantendo così una maggiore efficienza dell’impianto;
  • inverter: dispositivo elettronico che consente la conversione della corrente da continua ad alternata;
  • sistema di controllo: dispositivo elettronico che, comunicando con l’inverter, consente di tenere sotto controllo il funzionamento dell’impianto e registrarne i dati principali;
  • misuratori di energia: apparati installati sulle linee elettriche che consentono il calcolo dell’energia prodotta e di quella immessa in rete;
  • quadri elettrici, cavi, sezionatori e scaricatori di tensione: sono atti alla distribuzione dell’energia elettrica.

Tipologie di impianto

Due sono le tipologie di impianto solare fotovoltaico: stand alone (isolato) o grid connected (connesso alla rete).

Il primo è generalmente più costoso poiché richiede un sistema di accumulo dell’energia. Costituisce una soluzione conveniente per: sistemi di pompaggio, generazione elettrica in siti remoti e isole, elettrificazione di siti archeologici, parchi e segnali stradali.

Il secondo, invece, è un impianto allacciato alla rete elettrica e funziona come produttore e utilizzatore di energia: quando l’impianto supera il fabbisogno energetico, l’eccesso viene ceduto alla società elettrica e immesso in rete. Si configura dunque come il sistema di più ampio utilizzo ed economicamente più conveniente.

Funzionamento

L’effetto fotovoltaico consiste nella conversione dell’energia solare in elettricità. Questo processo è possibile grazie a specifiche proprietà fisiche di alcuni particolari elementi, detti semiconduttori. L’elemento base della tecnologia fotovoltaica è la cella (v. Celle Fotovoltaiche), formata da materiale semiconduttore con uno spessore ridotto, alla quale vengono collegati i contatti elettrici. Con l’esposizione alla luce la cella produce energia elettrica a corrente continua che viene poi trasformata, dall’inverter, in corrente alternata per poter essere utilizzata nei normali impianti elettrici domestici.

Tecnologie dei moduli

I primi pannelli fotovoltaici erano in silicio monocristallino, la ricerca scientifica ha portato, però, alla creazione di celle in silicio policristallino, contraddistinto da più alti livelli di efficienza. La terza generazione di pannelli è invece nata dalla necessità di ottenere prodotti che garantissero un miglior adattamento all’architettura e che presentassero un ciclo di vita più sostenibile: nascono così i pannelli a film sottile in silicio amorfo, CIGS, CdTe e DSSC. Le ultimissime ricerche si stanno orientando verso la creazione di vernici fotovoltaiche, che escluderebbero l’utilizzo di materiali tossici e nocivi e aprirebbero nuovi scenari per l’impiego in edilizia.

Architettura Sostenibile

Oggi, a quasi trenta anni dalle prime installazioni, la sfida della tecnologia fotovoltaica in termini di sostenibilità e sicurezza è data dalla dismissione dei pannelli e del Bos (balance of system, ossia tutte le altre componenti di un impianto fotovoltaico) e soprattutto della messa a punto di processi innovativi in grado di assicurarne il riciclo o il riutilizzo.

La maggior parte delle tecnologie fotovoltaiche attualmente in commercio crea ancora impatti sull’ambiente e sulla salute umana, dovuti agli scarti di produzione dei componenti fotovoltaici e ai rifiuti in fase di dismissione. Il silicio, oltre ad essere un materiale estremamente energivoro (ingloba cioè gran quantità di energia in fase di produzione) presenta enormi difficoltà in fase di smaltimento. Anche i materiali semiconduttori utilizzati nelle celle di ultima generazione, pur essendo caratterizzati da minori impatti ambientali durante la produzione, hanno il loro tallone di Achille nella tossicità, per la salute umana e per l’ambiente, dei metalli pesanti (il cadmio, il molibdeno, l’indio ed il gallio) e dei sigillanti sintetizzati chimicamente (come l’EVA – Etilene Vinil-Acetato).

Ma l’aspetto maggiormente destinato a soddisfare le esigenze di architettura sostenibile deriva dalle nuove tecnologie di celle organiche, che hanno “portato una nuova speranza: materie prime non solo di grande disponibilità in natura, ma anche rinnovabili, addirittura biodegradabili…” (Filagrossi Ambrosino, 2010) e dunque favorito anche un miglior adeguamento degli impianti fotovoltaici all’organismo edilizio, prediligendo quelle soluzioni in cui i pannelli non costituiscono una mera giustapposizione agli elementi architettonici ma diventano essi stessi un elemento di progettazione. Le possibilità di applicazione in questo senso sono numerose: sostituzione di elementi di rivestimento o di elementi trasparenti (sia in copertura che in facciata), utilizzo come elementi schermanti quali pensiline, frangisole e pergolati, o ancora in elementi di illuminazione artificiale.

Bibliografia

Aste N., Il fotovoltaico in Architettura, Napoli, 2002; Ceccherini Neri L., Fotovoltaico in Architettura, Firenze, 2007; De Paoli O. e Ricupero M., Sistemi solari fotovoltaici e termici, Torino, 2006; Filagrossi Ambrosino C., Strumenti per la verifica della sostenibilità dei prodotti edilizi con materiali avanzati. Confronto tra i livelli di ecosostenibilità, biocompatibilità e convenienza del fotovoltaico a film sottile e di quello organico, Tesi di Dottorato, Università di Napoli “Federico II”, 2010; Pagliaro M., Palmisano G., Cirimina R., Il nuovo fotovoltaico, Palermo, 2008; Roaf S., Oxford eco-house – una casa per il terzo millennio, in Gangemi V. (a cura di), Emergenza Ambiente, Napoli, 2001.

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