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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.

Una centrale fotovoltaica è un impianto su larga scala progettato per convertire la luce solare in energia elettrica attraverso l’uso di pannelli fotovoltaici. È composta da diversi componenti chiave che lavorano insieme per catturare l’energia solare, convertirla in elettricità e trasmetterla alla rete elettrica. Ecco come è strutturata:

Il cuore di una centrale fotovoltaica è costituito dai pannelli fotovoltaici, che sono moduli contenenti celle fotovoltaiche. Queste celle sono realizzate principalmente in silicio e hanno la funzione di convertire la luce solare in corrente elettrica continua (DC) attraverso l’effetto fotovoltaico.

La quantità di energia prodotta da una singola cella fotovoltaica dipende da vari fattori, tra cui il materiale di cui è fatta (solitamente silicio), la sua efficienza, la dimensione della cella e le condizioni di illuminazione. Una cella fotovoltaica tipica può produrre circa 0,5 Volt di tensione elettrica. La potenza in watt (W) di una cella viene calcolata moltiplicando la tensione (in volt) per la corrente (in ampere) che la cella può fornire. Tuttavia, la quantità di corrente prodotta dalla cella dipende dalla sua area (le dimensioni) e dall’intensità della luce solare che la colpisce. Ad esempio, una singola cella fotovoltaica di dimensioni standard (circa 156 mm di lato per le celle in silicio cristallino) può produrre circa 2-4 Watt sotto condizioni di illuminazione standard (circa 1000 watt per metro quadrato, condizioni test standard per pannelli solari).

Pannelli e moduli fotovoltaici

Un pannello fotovoltaico, composto da più celle collegate in serie e/o parallelo, può aumentare significativamente la tensione e la corrente totale disponibili. Ad esempio, un modulo fotovoltaico tipico può avere tra 60 e 72 celle in silicio cristallino, producendo dai 200 ai 400 Watt di potenza sotto le stesse condizioni standard di illuminazione.

Stringhe di pannelli fotovoltaici

Le stringhe di pannelli fotovoltaici consistono in una serie di pannelli collegati in serie per aumentare ulteriormente la tensione totale. Collegando diverse stringhe in parallelo, si può incrementare la corrente complessiva. Un campo fotovoltaico può avere diverse stringhe di pannelli in base alla capacità energetica desiderata.

Campo fotovoltaico

Un campo fotovoltaico, o parco solare, è composto da molte stringhe di pannelli fotovoltaici collegate insieme. L’energia totale prodotta da un campo fotovoltaico dipende dalla quantità di pannelli installati, dalla loro efficienza e dalle condizioni ambientali (come l’intensità della luce solare, l’orientamento dei pannelli e la temperatura). Ad esempio, un campo fotovoltaico che copre un’area di 1 ettaro (circa 10.000 metri quadrati) potrebbe facilmente ospitare una potenza installata di 1 megawatt (MW), assumendo che ogni metro quadrato di pannello produca circa 100 watt e l’efficienza dell’installazione e l’orientamento dei pannelli siano ottimali.

Inverter

La corrente continua (DC) prodotta dai pannelli fotovoltaici non può essere utilizzata direttamente dalla maggior parte degli apparecchi domestici o immessa nella rete elettrica, che opera in corrente alternata (AC). Per questo motivo, è necessario convertire la DC in AC, e questa operazione viene svolta dagli inverter. Una centrale fotovoltaica può avere un grande inverter centrale o diversi inverter più piccoli distribuiti nell’impianto.

Sistemi di montaggio

I pannelli fotovoltaici sono installati su sistemi di montaggio che possono essere fissi o dotati di meccanismi di tracciamento solare. I sistemi fissi tengono i pannelli in una posizione costante, mentre i sistemi di tracciamento permettono ai pannelli di muoversi seguendo il percorso del sole nel cielo, aumentando così l’efficienza dell’impianto.

Stazione di Trasformazione e Connessione alla Rete

Dopo la conversione in corrente alternata, l’elettricità viene solitamente inviata a una stazione di trasformazione dove la tensione viene aumentata per adattarla ai livelli richiesti dalla rete elettrica. Da qui, l’energia prodotta può essere distribuita e utilizzata dai consumatori.

Sistema di monitoraggio e controllo

Una centrale fotovoltaica è dotata di un sistema di monitoraggio e controllo che permette di gestire l’impianto in modo efficiente, monitorare le prestazioni, diagnosticare eventuali guasti e ottimizzare la produzione di energia. Questi sistemi possono spesso essere controllati a distanza.

Una centrale solare a torre, nota anche come centrale termosolare a concentrazione (CSP, Concentrated Solar Power), funziona sfruttando la luce solare concentrata per produrre calore ad alta temperatura, che viene poi utilizzato per generare elettricità attraverso un ciclo termico convenzionale. Vediamo nel dettaglio come funziona, includendo le temperature coinvolte, le potenziali quantità di watt prodotti e le dimensioni tipiche di tali impianti.

Principio di Funzionamento

1. Raccolta della luce solare: La centrale utilizza un campo di specchi orientabili, detti eliostati, che riflettono e concentrano la luce solare verso un ricevitore situato sulla cima di una torre centrale. Gli eliostati sono controllati da sistemi computerizzati per seguire il movimento del sole e massimizzare l’efficienza della riflessione durante il giorno.
2. Conversione in calore: Il ricevitore sulla torre assorbe la radiazione solare concentrata, trasformandola in calore. Questo calore è utilizzato per riscaldare un fluido termovettore (che può essere sale fuso, aria, acqua o vapore) a temperature molto elevate, tipicamente tra 400°C e 1000°C.
3. Produzione di elettricità: Il fluido termovettore ad alta temperatura trasporta il calore verso un generatore di vapore, dove il calore viene utilizzato per produrre vapore ad alta pressione. Il vapore aziona poi una turbina collegata a un generatore, producendo elettricità. Dopo che il vapore ha rilasciato il suo calore, viene condensato in acqua e riportato al generatore di vapore, completando il ciclo.
4. Stoccaggio del calore: Uno dei vantaggi delle centrali solari a torre è la possibilità di immagazzinare il calore in eccesso, tipicamente utilizzando sali fusi, per produrre elettricità anche di notte o in condizioni di nuvolosità.

Dimensioni e Potenziale di Produzione

• Dimensioni del campo di eliostati: Un impianto può coprire da poche decine fino a centinaia di ettari, con migliaia di eliostati disposti in maniera tale da massimizzare la concentrazione della luce solare sulla torre.
• Altezza della torre: Le torri possono raggiungere altezze dai 100 ai 200 metri, per ottimizzare la ricezione della luce solare concentrata da parte del ricevitore.
• Potenza prodotta: La potenza di una centrale solare a torre può variare considerevolmente in base alle sue dimensioni e alla tecnologia impiegata. Gli impianti più piccoli possono produrre poche decine di megawatt (MW), mentre gli impianti più grandi possono superare i 100 MW. Ad esempio, un impianto da 100 MW può generare abbastanza elettricità per soddisfare il fabbisogno energetico di circa 75.000 abitazioni.

Esempio Specifico

Prendiamo come esempio un impianto solare a torre da 100 MW:

• La temperatura del fluido termovettore nel ricevitore può superare i 500°C.
• L’area occupata dal campo di eliostati può essere superiore a 1 km², a seconda della specifica configurazione e dell’efficienza degli eliostati.
• L’energia prodotta dipenderà dall’irraggiamento solare della zona, dall’efficienza della conversione termica e dalla capacità di stoccaggio del calore, ma un impianto da 100 MW è teoricamente capace di produrre oltre 200 gigawattora (GWh) di elettricità all’anno, assumendo un buon numero di ore di pieno sole.

Le centrali solari a torre rappresentano una soluzione promettente per la produzione di energia rinnovabile su larga scala, combinando tecnologie avanzate per il tracciamento solare, la conversione termica e lo stoccaggio di energia, al fine di fornire una fonte di elettricità pulita e affid

abile, capace di operare anche durante le ore notturne o in condizioni di scarsa insolazione grazie ai sistemi di accumulo termico.

Sfide e Vantaggi

Sfide

• Costi iniziali: L’investimento iniziale per la costruzione di una centrale solare a torre può essere significativo, a causa della complessità tecnologica e dell’estensione del campo di eliostati.
• Impatto ambientale: Anche se rappresentano una fonte di energia rinnovabile, queste centrali richiedono grandi estensioni di terra, potendo avere un impatto sull’habitat locale e sulla biodiversità.
• Manutenzione: La manutenzione dei migliaia di eliostati e la gestione di un impianto di tale complessità tecnologica possono presentare sfide operative.

Una centrale solare a specchi parabolici è un tipo di centrale termosolare che utilizza specchi parabolici per concentrare la luce solare su un tubo ricevitore collocato al fuoco della parabola. All’interno del tubo scorre un fluido termovettore che viene riscaldato fino a temperature elevate. Vediamo come funziona, considerando le temperature coinvolte, le potenziali quantità di watt prodotti e le dimensioni tipiche di tali impianti.

Principio di funzionamento

1. Concentrazione della luce solare: Gli specchi parabolici concentrano la luce solare su un tubo ricevitore posizionato lungo il fuoco della parabola. Gli specchi sono orientabili per seguire il movimento del sole durante la giornata e massimizzare l’efficienza della concentrazione solare.
2. Riscaldamento del fluido termovettore: Il fluido termovettore (che può essere olio termico, sale fuso, o un altro fluido ad alta capacità termica) scorre all’interno del tubo ricevitore e assorbe il calore concentrato dalla riflessione solare. Questo processo aumenta la temperatura del fluido fino a circa 400°C-600°C, a volte anche più in impianti ad alta efficienza.
3. Generazione di elettricità: Il fluido termovettore riscaldato viene quindi pompato verso un generatore di vapore, dove il suo calore viene utilizzato per produrre vapore ad alta pressione. Il vapore, a sua volta, aziona una turbina collegata a un generatore elettrico, producendo energia elettrica. Come nelle centrali solari a torre, anche qui il vapore condensato viene riciclato nel sistema.
4. Stoccaggio del calore: Un vantaggio significativo delle centrali a specchi parabolici è la possibilità di immagazzinare il calore in eccesso, ad esempio in serbatoi di sali fusi, consentendo la produzione di energia anche durante le ore senza sole.

Dimensioni e potenziale di produzione

• Dimensioni dell’impianto: La lunghezza di un singolo collettore parabolico può variare da alcuni metri fino a oltre 100 metri, con un campo di collezione che può estendersi per centinaia di metri quadrati, a seconda della capacità dell’impianto.
• Potenza prodotta: Gli impianti variano significativamente in termini di potenza, da piccoli impianti di pochi megawatt (MW) a grandi centrali di centinaia di MW. Un impianto medio di 50 MW può produrre abbastanza elettricità per soddisfare il fabbisogno di circa 20.000 case.

Esempio specifico

Considerando un impianto CSP a specchi parabolici da 50 MW:

• La temperatura del fluido termovettore può raggiungere i 400°C-600°C.
• Un campo di specchi parabolici potrebbe coprire un’area di diverse decine di ettari.
• Tale impianto potrebbe generare oltre 100 GWh (gigawattora) di elettricità all’anno, a seconda dell’irraggiamento solare della località, dell’efficienza del sistema e della capacità di stoccaggio del calore.

Vantaggi

• Produzione di energia pulita: Similmente ad altre tecnologie CSP, gli impianti a specchi parabolici producono energia elettrica senza emissioni inquinanti.
• Possibilità di stoccaggio: La capacità di stoccare il calore permette la generazione di elettricità anche di notte o in condizioni di cielo nuvoloso, superando uno dei limiti principali delle fonti rinnovabili: l’intermittenza.
• Efficienza energetica: Gli impianti CSP con collettori parabolici sono particolarmente efficienti in zone con elevata irradiazione solare diretta.

Attualmente, l’energia solare contribuisce significativamente al mix energetico globale, alimentando abitazioni, industrie e infrastrutture. La capacità installata di energia solare fotovoltaica continua a crescere a ritmi sostenuti, grazie ai progressi tecnologici e alla riduzione dei costi di produzione dei pannelli fotovoltaici.

Benefici dell’energia solare

L’energia solare, essendo rinnovabile e pulita, riduce la dipendenza dai combustibili fossili, contribuisce alla lotta contro il cambiamento climatico e promuove lo sviluppo sostenibile. Inoltre, l’energia solare può essere prodotta localmente, riducendo così le perdite di trasmissione e distribuzione e aumentando la sicurezza energetica dei paesi.

Possibili Sviluppi e Problemi

I futuri sviluppi potrebbero includere l’incremento dell’efficienza dei pannelli, lo sviluppo di nuovi materiali fotovoltaici e l’integrazione con altre tecnologie, come lo storage di energia. Tra i problemi, vi è il fatto che la produzione di energia solare è intermittente e dipende dalle condizioni meteorologiche. Inoltre, i pannelli fotovoltaici hanno una vita utile limitata e al termine della loro vita possono rappresentare un problema di smaltimento, anche se sono in corso ricerche per migliorare il riciclaggio dei materiali.