Pannelli fotovoltaici: cosa sono e come funzionano

Si parla sempre più spesso dell’installazione di pannelli fotovoltaici per la produzione di energia elettrica. Non solo su grande scala, con grandi impianti capaci di coprire ettari di territorio di pannelli solari, ma anche per uso domestico. Sempre più famiglie, infatti, installano questa soluzione sul tetto di casa per risparmiare sulla componente elettrica e diventare pressoché autonomi nella produzione di energia.

Ma cosa sono i pannelli fotovoltaici e, soprattutto, come funzionano? Per quanto siano diventati diffusi soltanto negli ultimi anni, la tecnologia di produzione dell’energia sfruttando il sole esiste ormai da diversi decenni.

È utile inoltre ricordare come quella solare sia una fonte rinnovabile, quindi perfettamente compatibile con gli obiettivi per ridurre l’emissione di CO2 e altri inquinanti dovuti proprio alla produzione di energia con altri sistemi. Di seguito, qualche utile consiglio.

Pannelli fotovoltaici: cosa sono

Con il termine pannello fotovoltaico, oppure più semplicemente pannello solare, si identifica un complesso dispositivo capace di trasformare la luce del sole in energia elettrica. Si tratta quindi di una soluzione optoelettronica, ovvero capace di generare energia proprio sfruttando l’irradiazione solare.

I pannelli fotovoltaici sono composti da diversi elementi, tutti necessari per assicurare il loro funzionamento. In linea semplifica, in un classico pannello si trovano:

• Celle fotovoltaiche: sono l’elemento base di ogni pannello, che ne conserva decine, e sono il vero e proprio elemento capace di trasformare la luce solare in energia;
• Moduli: le singole celle fotovoltaiche producono livelli ridotti di energia e così, per provvedere alle necessità tipiche dell’uomo, vengono fra di loro unite in moduli. Le celle vengono affiancate e unite in superficie da una cablatura a griglia, quindi protette da un livello superiore in vetro temperato oppure tedlar.

Così come già anticipato, questa struttura è un’esemplificazione, per identificare le componenti principali di ogni singolo pannello fotovoltaico. In realtà, per la produzione di celle e moduli, si realizza una struttura ben più complessa, fatta di diverse laminature di materiali diversi. In ogni caso, la componente maggiormente presente all’interno dei pannelli fotovoltaici è il silicio.

Storia in pillole del fotovoltaico

Così come già accennato, per quanto la diffusione sia divenuta più capillare in tempi recenti, quella del fotovoltaico non è affatto una storia recente. L’intuizione arrivò agli inizio del 1800, quando Alexandre Edmond Becquerel notò un lieve flusso elettrico generato da alcuni metalli esposti al sole. Venne così scovato l'”effetto fotovoltaico”.

Qualche anno più tardi, nel 1883, Charles Fritz realizzò il primo pannello fotovoltaico, unendo uno strato di selenio a una pellicola d’oro. L’efficienza era molto bassa, minore del 2%, ma fu la conferma della possibilità di produrre energia catturando la luce solare.

È però negli anni ’50 e ’60 del Novecento che la ricerca fece dei passi da gigante, anche grazie alle scoperte di qualche decennio prima di Albert Einstein, sull’effetto fotoelettrico. I primi moduli fotovoltaici commerciali arrivarono sul mercato nel 1963, grazie all’azienda giapponese Sharp.

Come si produce l’energia dal sole

In molti si chiederanno come sia possibile che un dispositivo fisso, senza nessuna componente in movimento come nel caso di turbine e rotori, possa produrre energia. Il merito è della composizione atomica di alcuni materiali, anche se il processo è davvero di difficile comprensione.

Per semplificare al massimo, si può dire che alcuni minerali – come appunto il silicio – sono sensibili all’irradiazione solare. Colpiti dalla luce del sole, i loro atomi vedono una movimentazione degli elettroni che, proprio poiché sollecitati, producono un flusso di corrente continua.

A molti non sarà sfuggito come, per le attività umane, si utilizzi più corrente elettrica alternata anziché continua. È proprio per questa ragione che il pannello solare deve essere collegato a un inverter, un dispositivo ovvero capace di convertire proprio la corrente continua in alternata.

Tipologia di pannelli fotovoltaici

Non tutti i pannelli fotovoltaici sono però uguali, anche perché la tecnologia evolve velocemente, modificando anche l’efficienza delle varie soluzioni presenti e future presenti sul mercato. Ma quali sono le principali tecnologie oggi disponibili?

Monocristallini

Sono i pannelli più performanti disponibili sul mercato, poiché in grado di raggiungere un’efficienza prossima al 20%. In altre parole, questi moduli sono in grado di convertire il 20% della luce ricevuta in energia elettrica.

Si tratta però della soluzione più costosa sul mercato perché, per ottenere questa elevata performance, si ricorre a un processo molto laborioso che prevede di ricavare ogni singola cella da un singolo cristallo di silicio.

Policristallini

I pannelli fotovoltaici policristallini sono invece i più diffusi sul mercato, poiché mantengono una buona efficienza – attorno al 16% – a un prezzo inferiore.

La differenza rispetto ai monocristallini non è però solo in termini di produzione di energia elettrica, ma anche di produzione. Anziché un cristallo di silicio puro, vengono realizzati con una colata di silicio fuso. Questo riduce notevolmente i tempi di produzione e, di conseguenza, anche i costi.

Altre tecnologie

Vi sono poi altre tipologie di pannello fotovoltaico, meno diffuse, ma oggi sempre più interessanti sia per i progressi sul fronte dell’efficienza che per la varietà di dimensioni. Fra le più interessanti, si citano:

• Moduli a film sottile: vengono realizzati depositando un sottile strato di materiali semiconduttori su una lastra di vetro, per i pannelli rigidi, oppure di plastica per quelli flessibili. Ciò garantisce una grande versatilità, sia di produzione che nelle applicazioni: si possono usare pannelli curvati, ad esempio;
• Moduli flessibili: grazie a tecnologie proprietarie come l’eterogiunzione o l’impiego di silicio microsferico, è possibile ottenere pannelli completamente flessibili. Questa soluzione è sempre più d’interesse per integrare sistemi fotovoltaici in device di utilizzo quotidiano, come smartphone del futuro.

Accumulo, costi e rendimento

Quando si parla di pannelli fotovoltaici, soprattutto a livello domestico, la discussione non può però prescindere da alcuni fattori. Il sistema d’accumulo, per conservare l’energia generata, nonché i costi e il rendimento.

L’importanza dei sistemi d’accumulo

Quando si pensa al fotovoltaico per produrre autonomamente energia e alimentare la propria casa, spesso un’evidenza sfugge ai più: il sole non è presente 24 ore su 24. Se i pannelli solari non vengono colpiti dai raggi solari, come ad esempio di notte, la produzione di energia sarà pari a zero. E durante le giornate di cattivo tempo, come in caso di un cielo particolarmente nuvoloso, l’energia che se ne ricava è molto ridotta.

È per questo che ogni impianto fotovoltaico deve essere abbinato a un sistema d’accumulo. Si tratta, in buona sostanza, di batterie che permettono di accumulare l’energia prodotta e usarla a propria discrezione, anche di notte oppure nelle giornate di brutto tempo. Quello del sistema d’accumulo è un investimento importante quando si pensa al fotovoltaico.

Le ultime tecnologie si focalizzano su batterie al litio, poiché molto efficienti nel conservare e fornire energia, che vengono solitamente installate in un’area sicura dell’abitazione – come uno scantinato coperto o un box apposito. Questo perché le batterie al litio sono molto delicate, non devono essere esposte agli agenti esterni e, seppur in casi rarissimi, potrebbero rappresentare un rischio per gli incendi.

Costi e rendimento

Ma quanto costa installare un impianto fotovoltaico domestico? Le tariffe variano da operatore a operatore e, soprattutto, dall’eventuale disponibilità di bonus statali. In linea generale, i prezzi di mercato parlano di 2500-3000 euro per kW installato, esclusi eventuali benefit. Di conseguenza, per una comune necessità di 3 kW, ci si assesta sui 9.000 euro. Il prezzo comprende i pannelli fotovoltaici, la posa sul tetto, l’adeguamento del sistema elettrico e, nella maggior parte dei casi, l’installazione dei sistemi di storage.

E per quanto riguarda il rendimento, ovvero la capacità effettiva di produrre energia? Molto dipende da dove ci si trova, dal numero di giornate assolate medie del luogo di residenza, dalla presenza di polveri o inquinamento che potrebbero sporcare i pannelli sul tetto rendendoli meno efficienti. Semplificando, un calcolo approssimativo si può ottenere dividendo la superficie e la potenza per mille, moltiplicando poi il risultato per 100 per ricavare il rendimento percentuale.