Energia Solare

Introduzione

L’energia solare rappresenta una delle fonti rinnovabili più promettenti e in continua espansione a livello globale. Questa energia, intrinsecamente pulita e inesauribile, deriva direttamente dal sole, una stella che funge da gigantesca centrale nucleare. Attraverso processi di fusione nucleare, il sole rilascia enormi quantità di energia sotto forma di luce e calore, parte della quale raggiunge la Terra, offrendoci l’opportunità di sfruttarla per produrre elettricità e calore.

Da dove deriva l’energia solare.

L’energia solare deriva dalla fusione nucleare che si verifica nel nucleo del sole, dove l’idrogeno si combina per formare elio, rilasciando in questo processo enormi quantità di energia. Questa energia viaggia attraverso lo spazio fino a noi sotto forma di radiazione solare. La quantità di energia solare che raggiunge l’atmosfera terrestre è di circa 1.366 watt per metro quadrato (W/m²), un valore noto come costante solare. Tuttavia, l’energia effettivamente disponibile sulla superficie terrestre è minore a causa dell’assorbimento e della riflessione da parte dell’atmosfera. In media, circa il 70% della radiazione solare penetra fino alla superficie, offrendo un’intensità che può variare da circa 100 a oltre 1000 W/m² a seconda delle condizioni atmosferiche, dell’angolazione dei raggi solari e della latitudine.

Sfruttamento dell’energia solare.

L’energia solare può essere sfruttata principalmente in due modi: per produrre calore (termico) e per generare elettricità (fotovoltaico).

Produzione di calore

• Bassa Temperatura (l’acqua può raggiungere temperature da 45°C a 80°C): Viene utilizzata principalmente per il riscaldamento dell’acqua sanitaria e per il riscaldamento degli ambienti. Questo avviene attraverso i collettori solari termici, che assorbono la radiazione solare trasformandola in calore, poi trasferito all’acqua o a un altro fluido termovettore.
• Alta Temperatura (temperatura superiore ai 400°C): Si sfrutta mediante la concentrazione della radiazione solare, utilizzando specchi o lenti, per produrre vapore ad alta pressione che può essere utilizzato per azionare turbine e generatori in centrali termosolari. Questa tecnologia permette di raggiungere temperature molto elevate, utili per la produzione di energia elettrica su larga scala.

Fotovoltaico

Il principio di funzionamento dei pannelli fotovoltaici si basa sull’effetto fotovoltaico, per cui la luce solare che colpisce alcuni materiali semiconduttori, come il silicio, genera una differenza di potenziale elettrico capace di mettere in movimento gli elettroni, producendo così corrente elettrica. Questa tecnologia permette di convertire direttamente l’energia solare in energia elettrica.

Effetto fotovoltaico: Alla base dei pannelli fotovoltaici c’è l’effetto fotovoltaico, scoperto da Antoine-César Becquerel nel 1839. Quando la luce colpisce un materiale semiconduttore (come il silicio), essa può trasferire energia agli elettroni del materiale, consentendo loro di muoversi liberamente e generare una corrente elettrica. Immaginate che ogni volta che la luce del sole colpisce qualcosa, possa trasformarsi in energia elettrica, un po’ come quando mettete le mani sotto al sole e sentite il calore, ma invece di calore otterrete energia per accendere luci, caricare il vostro smartphone o far funzionare la TV. Questo, in sostanza, è quello che succede con l’effetto fotovoltaico, ed è proprio il principio alla base dei pannelli solari che vedete sui tetti delle case o nei campi solari.

Per capire l’effetto fotovoltaico, dobbiamo fare un piccolo viaggio nel mondo dell’atomo, l’unità base di tutto ciò che ci circonda. Dentro ogni atomo c’è un nucleo, attorno al quale girano gli elettroni, un po’ come i pianeti girano attorno al Sole. I materiali usati nei pannelli solari, come il silicio, hanno una struttura speciale che permette agli elettroni di muoversi liberamente quando vengono colpiti dalla luce solare.

Quando la luce del sole, che come abbiamo detto è fatta di piccole particelle chiamate fotoni, colpisce il pannello solare, fornisce energia agli elettroni del silicio, “spingendoli” fuori dalle loro orbite attorno al nucleo. Questo movimento crea una corrente elettrica.

Ora, per raccogliere questa corrente e utilizzarla, i pannelli sono dotati di contatti elettrici su entrambi i lati, creando un circuito.

Impieghi del fotovoltaico

I pannelli fotovoltaici trovano applicazione sia in piccole installazioni residenziali sia in grandi centrali fotovoltaiche. Nel contesto delle centrali, i pannelli sono disposti su vaste aree e collegati tra loro per produrre elettricità su larga scala, che viene poi immessa nella rete elettrica.

Funzionamento di un pannello solare

Un pannello solare termico trasforma la radiazione solare in calore, che viene poi utilizzato per riscaldare un fluido. Questi pannelli sono composti da un assorbitore che cattura l’energia solare, un fluido termovettore che trasporta il calore, e un isolante che riduce le perdite di calore. Il calore generato può essere utilizzato per il riscaldamento domestico, la produzione di acqua calda sanitaria o in processi industriali.

I pannelli fotovoltaici, invece, convertono la luce solare direttamente in elettricità grazie all’effetto fotovoltaico. Sono costituiti da celle fotovoltaiche, tipicamente in silicio, che generano corrente elettrica quando esposte alla luce solare. L’elettricità prodotta è di tipo continuo e viene quindi convertita in corrente alternata tramite un inverter per poter essere utilizzata nelle reti elettriche domestiche o immesse nella rete elettrica nazionale.

Differenze tra pannello solare e fotovoltaico

La principale differenza tra i pannelli solari termici e i pannelli fotovoltaici risiede nel modo in cui sfruttano l’energia solare. I pannelli solari termici catturano il calore del sole per riscaldare un fluido, mentre i pannelli fotovoltaici trasformano la luce solare direttamente in elettricità. Entrambi contribuiscono a ridurre la dipendenza dai combustibili fossili, ma hanno applicazioni e tecnologie sottostanti diverse.

Rendimento dei pannelli solari e fotovoltaici

Il rendimento di un pannello solare indica la percentuale di energia solare che può essere convertita in calore (per i pannelli termici) o in elettricità (per i pannelli fotovoltaici).

• Pannelli Solari Termici: Il rendimento può variare notevolmente, ma si aggira tipicamente intorno al 70-80% per la conversione della radiazione solare in calore.
• Pannelli Fotovoltaici: L’efficienza media dei pannelli fotovoltaici si colloca tra il 15% e il 20%, con alcuni modelli ad alta efficienza che superano il 22%. Questo significa che un quinto dell’energia solare ricevuta viene convertita in elettricità.

Centrali solari vs centrali fotovoltaiche

Le centrali solari si distinguono principalmente in due categorie: termosolari e fotovoltaiche.

• Centrali Termosolari: Utilizzano specchi o lenti per concentrare la radiazione solare su un punto o una linea, riscaldando un fluido fino a generare vapore. Questo vapore aziona turbine che producono elettricità. Sono caratterizzate dalla possibilità di immagazzinare il calore, consentendo la produzione di energia anche di notte o in condizioni di scarsa insolazione.
• Centrali Fotovoltaiche: Sono composte da un insieme di pannelli fotovoltaici che convertono direttamente la luce solare in elettricità. Sono più semplici da installare rispetto alle centrali termosolari e possono essere realizzate in varie dimensioni, da piccole installazioni su tetti fino a grandi impianti al suolo.