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Il fotovoltaico (FV) è un metodo per generare energia elettrica convertendo la radiazione solare in corrente continua utilizzando semiconduttori che presentano l'effetto fotovoltaico. La generazione di energia fotovoltaica impiega pannelli solari composti da un certo numero di celle contenenti un materiale fotovoltaico. I materiali attualmente utilizzati per il fotovoltaico includono silicio monocristallino , silicio policristallino, silicio amorfo, tellururo di cadmio e seleniuro/solfuro di rame e indio.

A causa della crescente domanda di fonti di energia rinnovabile , la produzione di celle solari e array fotovoltaici ha compiuto notevoli progressi negli ultimi anni. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} Questo articolo esplora i componenti di un sistema fotovoltaico, ne descrive il ruolo e l'importanza e funge da guida iniziale per coloro che desiderano investire in un sistema fotovoltaico.

Ogni giorno, in tutto il mondo, il sole irradia sulla Terra energia più che sufficiente per alimentare il pianeta. L'energia contenuta nei fotoni solari può essere convertita in energia elettrica. Questo processo è chiamato effetto fotovoltaico . Pertanto, maggiore è il numero di pannelli fotovoltaici utilizzati per raccogliere energia, migliore sarà il risultato. Infatti, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (USDOE) ha riportato più volte che se il 9% del deserto del Mojave fosse ricoperto di pannelli solari, si potrebbe alimentare regolarmente l'intero territorio statunitense. Allo stesso modo, se si ricoprisse l'1% dell'Africa subsahariana con pannelli solari, si potrebbe alimentare il mondo per sempre.

La prima cella fotovoltaica fu costruita da Charles Fritts, che nel 1883 realizzò una cella di 30 cm in selenio e oro. ^{[ 4 ]} La moderna tecnologia fotovoltaica al silicio fu scoperta nel 1954 dai ricercatori dei Bell Labs, che svilupparono accidentalmente la giunzione pn che consente ai dispositivi fotovoltaici di produrre elettricità utile. ^{[ 5 ]} Nel 1958, la NASA iniziò a utilizzare il fotovoltaico come sistema di alimentazione di riserva per i suoi satelliti. ^{[ 4 ]} La prima residenza alimentata a energia solare fu costruita presso l'Università del Delaware nel 1973 e il primo progetto fotovoltaico su scala megawatt fu installato in California nel 1984. ^{[ 4 ]}

Fin dai primi pannelli solari disponibili in commercio negli anni '60, la tecnologia fotovoltaica (FV) ha continuato a essere esplorata e sviluppata in tutto il mondo (Pratt & Schaeffer 51). Il costante sviluppo di questa tecnologia ha portato a un livello di efficienza sempre maggiore e a pannelli fotovoltaici più accessibili che mai, sebbene inizialmente ancora costosi. Oggi, l'umanità continua a cercare nuovi modi per rendere la tecnologia fotovoltaica un'opzione praticabile per tutti in tutto il mondo. Poiché la maggior parte di noi non studia questa tecnologia a livello atomico, possiamo contribuire in altri modi: acquisendo una comprensione e diffondendo tale comprensione del fotovoltaico, nonché aiutando gli altri ad accedere ai sistemi solari o fotovoltaici.

Nel 2010, il fotovoltaico generava elettricità in più di 100 paesi e, pur rappresentando ancora una piccola frazione dei 4,8 TW di capacità totale di generazione di energia globale da tutte le fonti, è la tecnologia di generazione di energia in più rapida crescita al mondo. Tra il 2004 e il 2009, la capacità fotovoltaica connessa alla rete è aumentata a un tasso medio annuo del 60%, raggiungendo circa 21 GW. ^{[ 6 ]} Tali installazioni possono essere montate a terra (e talvolta integrate con l'agricoltura e il pascolo) ^{[ 7 ]} o costruite nel tetto o nelle pareti di un edificio, note come fotovoltaico integrato nell'edificio o BIPV in breve. ^{[ 8 ]} Il fotovoltaico off-grid rappresenta ulteriori 3-4 GW. ^{[ 6 ]} Grazie ai progressi tecnologici e all'aumento della scala e della sofisticazione produttiva, il costo del fotovoltaico è diminuito costantemente da quando sono state prodotte le prime celle solari. ^{[ 9 ]} Il net metering e gli incentivi finanziari, come le tariffe di immissione preferenziali (ad esempio ^{[ 10 ]} ) per l'elettricità prodotta da energia solare, hanno sostenuto le installazioni fotovoltaiche in molti paesi.

La tecnologia fotovoltaica offre numerosi vantaggi unici rispetto alle tecnologie convenzionali di generazione di energia. I sistemi fotovoltaici possono essere progettati per una varietà di applicazioni e requisiti operativi e possono essere utilizzati sia per la generazione di energia centralizzata che distribuita. I sistemi fotovoltaici non hanno parti in movimento, sono modulari, facilmente espandibili e, in alcuni casi, persino trasportabili. La luce solare è gratuita e il funzionamento dei sistemi fotovoltaici non produce rumore o inquinamento. I pannelli solari non necessitano nemmeno della luce solare diretta per generare elettricità. ^{[ 11 ]} I pannelli fotovoltaici non richiedono l'uso di combustibili fossili come carbone, petrolio o gas naturale nel processo di produzione di energia. Al contrario, le fonti di combustibile convenzionali hanno creato una serie di problemi ambientali, vale a dire il riscaldamento globale, le piogge acide, lo smog, l'inquinamento idrico, il rapido riempimento delle discariche, la distruzione degli habitat a causa delle fuoriuscite di petrolio e la perdita di risorse naturali (Solar Energy International 2004). I moduli fotovoltaici utilizzano il silicio come componente principale. Le celle di silicio prodotte da una tonnellata di sabbia producono tanta elettricità quanto la combustione di 500.000 tonnellate di carbone (Solar Energy International 2004). I sistemi fotovoltaici ben progettati e installati correttamente richiedono una manutenzione minima e hanno una lunga durata. Se sottoposti a una corretta manutenzione ^{[ 12 ]} (puliti e protetti), i pannelli fotovoltaici possono durare fino a trent'anni o più. Altri componenti del sistema, come la batteria, hanno una durata molto più breve e potrebbero dover essere sostituiti dopo diversi anni di utilizzo.

Solar Energy International (2004) indica che ci sono molti altri vantaggi da considerare quando si sceglie la tecnologia fotovoltaica:

• Affidabilità : anche nelle condizioni più estreme, i sistemi fotovoltaici mantengono la fornitura di energia elettrica. Al contrario, le tecnologie convenzionali spesso non riescono a fornire energia nei momenti più critici.
• Durata : In generale, i moduli hanno una garanzia dell'80% della loro potenza nominale per 20 anni o più. Pertanto, nel peggiore dei casi, si prevede una diminuzione delle prestazioni dell'1% all'anno. Diversi studi hanno mostrato un degrado ancora inferiore, intorno allo 0,2% all'anno. I moduli fotovoltaici producono più energia durante la loro vita utile di quanta ne serva per produrli. ^{[ 13 ]}
• Bassi costi di manutenzione : gli impianti fotovoltaici non richiedono ispezioni o manutenzioni frequenti. Il trasporto dei materiali può risultare costoso, ma in genere i costi sono inferiori rispetto a quelli degli impianti convenzionali.
• Nessun costo del carburante : non essendoci una fonte di carburante, non sono necessarie spese per l'acquisto, lo stoccaggio o il trasporto del combustibile.
• Riduzione dell'inquinamento acustico : gli impianti fotovoltaici funzionano in modo silenzioso e con movimenti minimi.
• Modularità del fotovoltaico : a differenza dei sistemi convenzionali, è possibile aggiungere moduli agli impianti fotovoltaici per aumentarne la potenza disponibile.
• Sicurezza : gli impianti fotovoltaici non richiedono l'uso di combustibili e sono molto sicuri se progettati e installati correttamente.
• Indipendenza : gli impianti fotovoltaici possono funzionare indipendentemente dalla rete elettrica. Questo rappresenta un grande vantaggio per le comunità rurali nei paesi privi di infrastrutture di base.
• Decentralizzazione della rete elettrica : le centrali elettriche decentralizzate di piccola scala riducono la possibilità di interruzioni di corrente, che sono spesso frequenti sulla rete elettrica. Vedi: Generazione distribuita
• Prestazioni in alta quota : Quando si utilizza l'energia solare, la potenza erogata è ottimizzata alle altitudini più elevate. Questo è un grande vantaggio per le comunità isolate in alta quota, dove i generatori diesel devono essere depotenziati a causa della perdita di efficienza e di potenza erogata.

Compensando la necessità di energia convenzionale, l'energia solare distribuita offre vantaggi misurabili dal punto di vista della rete, tra cui: ^{[ 14 ]}

• Prezzi più bassi sul mercato elettrico convenzionale a causa della riduzione della domanda di picco.
• Un'utile copertura contro i prezzi derivante dall'utilizzo di un combustibile gratuito e rinnovabile anziché di combustibili fossili a prezzo variabile.
• Costi evitati per la realizzazione di nuove infrastrutture di trasmissione e distribuzione necessarie a gestire la fornitura di energia elettrica dalle centrali elettriche centralizzate;
• Riduzione della necessità di costruire, gestire e manutenere centrali di generazione di gas naturale.
• Riduzione delle interruzioni di corrente grazie a un sistema di alimentazione elettrica distribuito e più affidabile.
• Riduzione dei costi futuri per la mitigazione dell'impatto ambientale del carbone, del gas naturale, del nucleare e di altre fonti di generazione.
• Maggiori entrate fiscali associate alla creazione di posti di lavoro locali, che sono più elevate per l'energia solare rispetto alla produzione di energia convenzionale. Si veda questo esempio di generazione di entrate per il governo canadese attraverso il sostegno alla produzione di fotovoltaico. ^{[ 15 ]}

L'energia solare è una fonte di energia pressoché inesauribile, ma ciò non significa necessariamente che il fotovoltaico lo sia altrettanto. I sistemi fotovoltaici sono:

• Bisogna pagare tutto all'inizio . I prezzi dei moduli, i generatori, sono diminuiti del 20-40% ogni anno negli ultimi 7 anni. Quella che una volta era una tecnologia costosa e sovvenzionata (1995-2009) ora è accessibile ed economicamente vantaggiosa anche nelle regioni soleggiate degli Stati Uniti e dell'Europa meridionale (2012). L'impennata dei prezzi dell'energia ha anche reso i pannelli solari più convenienti, poiché il loro periodo di ammortamento si è ridotto. In media, le famiglie del Regno Unito vedono i pannelli solari ripagarsi da soli 2,5 anni prima in seguito all'implementazione del tetto massimo di prezzo di Ofgem dell'aprile 2022, ^{[ 16 ]} che ha visto il costo dell'energia aumentare del 54% per la maggior parte delle famiglie. ^{[ 17 ]} I componenti del sistema sono costosi da sostituire. Il costo di un tipico impianto fotovoltaico negli Stati Uniti è compreso tra 2 e 6 dollari per Wp ^{[ 18 ].} Alimentare una tipica casa statunitense con un impianto da 5 kW costa quindi tra 10.000 e 30.000 dollari. Per le case più efficienti e quelle con carichi elettrici più modesti (ad esempio, pochi LED ad alta efficienza) i costi sono considerevolmente inferiori. Una recente carenza di silicio di grado solare ha interrotto la riduzione dei costi, durata decenni, dovuta all'aumento della capacità produttiva. La tendenza alla diminuzione dei costi si sta ripristinando con l'entrata in funzione di un maggior numero di impianti di produzione di silicio ^W di grado solare . Inoltre, con l'avvio di una produzione su larga scala che sfrutta la simbiosi industriale, il fotovoltaico solare è destinato a diventare competitivo in termini di costi con l'elettricità fornita dalla rete . ^{[ 19 ]}
• Alta tecnologia - La creazione richiede manodopera specializzata, sebbene il funzionamento e la manutenzione delle celle fotovoltaiche siano relativamente semplici. Attualmente non esistono metodi efficaci che consentano alle persone di realizzare i propri impianti fotovoltaici con materiali locali. La natura altamente tecnologica offre un grande vantaggio in termini di scalabilità produttiva con le tecnologie attuali.
• Alcuni materiali utilizzati nei pannelli fotovoltaici sono tossici . Ad esempio, il cadmio presente nelle celle solari al tellururo di cadmio. Molti autori sostengono che all'interno del pannello stesso il cadmio sia al sicuro dall'inquinamento ambientale, ma ciò richiede un attento trattamento a fine vita.
• Intermittente - Le celle solari producono elettricità solo quando splende il sole e non tollerano l'ombreggiamento, quindi sono una fonte di energia incostante per i dispositivi che richiedono molta potenza. Di notte o in caso di maltempo, sono necessarie batterie di accumulo o una fonte di alimentazione secondaria. (D'altra parte, i pannelli solari sono ottimi per bilanciare il carico perché il massimo consumo di elettricità e la massima produzione di energia solare si verificano entrambi nelle giornate calde e soleggiate.)

Ci sono due svantaggi spesso addotti dagli ambientalisti riguardo al fotovoltaico ad alta tecnologia:

• Inquinamento da produzione - I combustibili fossili sono ampiamente utilizzati per l'estrazione, la produzione e il trasporto dei pannelli fotovoltaici. Questi processi comportano a loro volta fonti di inquinamento . Ciò vale praticamente per qualsiasi prodotto realizzato oggi. Fortunatamente, l' analisi del ciclo di vita di un impianto fotovoltaico si traduce in un impatto ambientale positivo, poiché può compensare la produzione di energia da combustibili fossili nel corso della sua vita utile di oltre 25 anni.
• Costo energetico elevato - Richiedono molta energia per essere prodotte. In passato si sosteneva addirittura che la loro produzione richiedesse più energia di quanta ne consumassero. Questo è semplicemente sbagliato. ^{[ 20 ]} In questo articolo gli autori dimostrano chiaramente che i tre tipi di materiali fotovoltaici (PV), che costituiscono la maggior parte del mercato solare attivo: celle solari in silicio monocristallino, policristallino e amorfo, si ripagano in termini di energia in pochi anni (1-5 anni) . Generano quindi energia sufficiente nel corso della loro vita utile per riprodursi molte volte (6-31 riproduzioni) a seconda del tipo di materiale, del bilanciamento del sistema e della posizione geografica del sistema.
• I sistemi di accumulo di energia a batteria, integrati con l'energia solare, sono un esempio di microrete. L'energia può essere immagazzinata durante il giorno e utilizzata di notte.

Nel dimensionamento degli impianti fotovoltaici off-grid, la capacità della batteria deve tenere conto delle perdite di efficienza reali. I valori nominali in wattora dichiarati rappresentano l'energia immagazzinata, non la potenza utilizzabile dopo le perdite di conversione dell'inverter (in genere 10-15%). I calcoli basati sul carico aiutano a determinare la capacità appropriata. Un calcolatore portatile per centrali elettriche può semplificare questa stima per impianti off-grid di piccole dimensioni e per sistemi di emergenza.

Dall'installazione di un impianto fotovoltaico

Questa pagina fornisce una guida su come installare un impianto fotovoltaico.

Qui troverete informazioni su come condurre un'analisi del sito per determinarne la posizione ottimale e su come dimensionarlo correttamente.

Più avanti, troverai un elenco dei componenti necessari per costruire il sistema (tra cui cella , pannello o modulo , array , batteria a ciclo profondo , regolatore di carica , regolatore di tensione , sezionatore di bassa tensione , inverter , carico , contatore , protezione da sovracorrente e generatore ).

Infine, vengono forniteinformazioni su come procedere con il cablaggio .

Attenzione : prima di pensare all'installazione di qualsiasi tipo di impianto fotovoltaico, è consigliabile ottimizzare l'efficienza energetica della propria abitazione .

Da impianti fotovoltaici solari termici

Lo scopo dei sistemi ibridi fotovoltaici termici (PVT) è quello di produrre calore ed elettricità in un'area più piccola rispetto a quella necessaria per utilizzare separatamente un pannello fotovoltaico e un sistema solare termico . L'attuale configurazione dei sistemi PVT prevede l'incollaggio di un pannello solare a un sistema solare termico. L'obiettivo dei sistemi PVT è quello di utilizzare il sistema solare termico per raffreddare le celle fotovoltaiche e ottimizzarne le prestazioni, poiché le celle solari si degradano a temperature superiori a 25°C. Ciò implica, tuttavia, che l'efficienza termica del sistema PVT è significativamente inferiore rispetto a quella di un sistema solare termico puro (efficienza massima del 50% rispetto a oltre il 70%).

Esistono soluzioni molto più convenienti rispetto all'installazione di impianti fotovoltaici nelle abitazioni. Ad esempio, investire in impianti solari per la produzione di acqua calda e nell'efficienza energetica, e possibilmente anche in crediti di carbonio, ha un impatto molto maggiore sulla riduzione dell'impronta ecologica. ^{[ verifica necessaria ]}

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• Pratt, Doug e John Schaeffer. Solar Living Source Book. Decima edizione. NV: Chelsea Green Publishing Company, 1999.