Energia Solare: Guida Completa ai Pannelli Solari
Conosci il funzionamento dei pannelli solari e il processo di generazione di elettricità dall'energia solare? Scopri tutto ciò che c'è da sapere sui pannelli solari e sull'energia solare.
L'energia solare rappresenta una fonte alternativa importante rispetto ai combustibili fossili. Attualmente, la tecnologia è in continua evoluzione, e i pannelli solari possiedono un notevole potenziale da esplorare.
1. Come funziona un pannello solare?
I pannelli solari convertono direttamente la luce solare in elettricità attraverso un processo noto come effetto fotovoltaico. Per comprendere come la luce solare contribuisce alla generazione di elettricità, è utile esaminare più da vicino la struttura di un pannello solare.
I pannelli solari sono generalmente costituiti da silicio
Un pannello solare è solitamente realizzato in silicio, dove ogni atomo di silicio possiede quattro elettroni nel suo guscio esterno (vedi Figura 1 e riquadro informativo).
Poiché il silicio ha otto elettroni nel suo guscio esterno, gli atomi circostanti condividono gli elettroni tra di loro, permettendo a ciascun atomo di raggiungere il numero ideale di otto elettroni nel guscio esterno.
Quando gli atomi di silicio condividono gli elettroni, formano un reticolo cristallino che, di per sé, non è ideale per la conduzione elettrica.
Il silicio è addizionato con altre sostanze
Per migliorare la conducibilità elettrica del silicio, vengono aggiunte altre sostanze che modificano la sua composizione elettronica, un processo noto come doping. Nei pannelli solari, il silicio è frequentemente addizionato con boro e fosforo.
Ogni pannello solare è quindi costituito da due strati di silicio dopato, permettendo così agli elettroni di muoversi liberamente tra i due strati.
Vengono creati un lato p e un lato n
Quando uno strato di silicio è addizionato con boro, si crea una carenza di elettroni, noto come drogaggio positivo (p-doping), generando spazi vuoti chiamati lacune.
Al contrario, nello strato addizionato con fosforo si verifica un eccesso di elettroni, definito drogaggio negativo. Gli elettroni in eccesso sono quindi pronti a muoversi facilmente in risposta a condizioni favorevoli.
Il lato n (drogato con fosforo) presenta un surplus di elettroni, mentre il lato p (drogato con boro) ha un deficit, creando una naturale spinta per il movimento degli elettroni dal lato n verso il lato p, in cerca di riempire gli spazi vuoti.
Otteniamo un pannello solare bilanciato
Quando gli elettroni si muovono tra i due lati, il lato n acquisisce una carica positiva mentre il lato p accumula una carica negativa. Questo avviene poiché uno strato perde elettroni, mentre l'altro ne guadagna di più.
Con l'accumulo di elettroni sul lato p, si forma una barriera isolante tra i due lati, limitando ulteriormente il movimento di elettroni e stabilendo un equilibrio nel pannello solare. È questa configurazione bilanciata che ci consente di catturare l'energia della luce solare.
Gli elettroni vengono rilasciati quando la luce solare colpisce
La luce solare è composta da fotoni, i quali possono rimuovere elettroni dalla barriera quando colpiscono il pannello solare.
Quando un elettrone viene liberato, si crea anche uno spazio vuoto nel pannello. Entrambi, l'elettrone e il sito libero, possono muoversi liberamente, ma la tensione tra gli strati di silicio spinge l'elettrone verso il lato n e il sito libero verso il lato p.
Gli elettroni passano attraverso un circuito elettrico
Una volta che un elettrone si trova sul lato n e c'è uno spazio libero sul lato p, se il pannello solare è collegato a un circuito, l'elettrone si muoverà attraverso il circuito per tornare al lato p.
Questo movimento avviene perché la differenza di tensione tra i due strati impedisce agli elettroni di tornare indietro. Spinto dalla necessità di riempire lo spazio libero, l'elettrone percorre il circuito, generando così elettricità.
2. Energia solare termica e collettori solari
La produzione di energia solare non si limita ai pannelli solari. Esiste un altro metodo, l'energia solare termica, che sfrutta il calore del sole per generare elettricità.
I collettori solari catturano il calore
I collettori solari sono una forma di tecnologia utilizzata per generare energia utilizzando il calore del sole. Questi dispositivi catturano la radiazione solare e la convertono in calore, che viene quindi utilizzato per scaldare l'acqua o per produrre vapore e, successivamente, elettricità.
Due sistemi principali per raccogliere l'energia solare termica
Ci sono principalmente due sistemi per raccogliere l'energia solare termica:
- Collettori solari piani: Questi assorbono la luce solare e la convertono in calore, generalmente utilizzati per riscaldare l'acqua.
- Impianti a concentrazione: Utilizzano specchi o lenti per concentrare la luce solare su una piccola area, generando calore sufficiente per produrre vapore, che a sua volta aziona turbine per generare elettricità.
I collettori solari piani sono più comuni per uso residenziale, mentre gli impianti a concentrazione sono utilizzati principalmente in applicazioni commerciali e industriali.
3. Cosa impedisce la produzione di energia solare?
Nonostante i notevoli progressi nella tecnologia dei pannelli solari, ci sono alcuni fattori che possono ostacolare la produzione di energia solare.
Ostacoli all'installazione dei pannelli solari
La necessità di un'area ampia e aperta per installare i pannelli solari è un fattore limitante. La disponibilità di spazio può essere un problema, specialmente in ambienti urbani. Inoltre, l'orientamento e l'inclinazione dei pannelli possono influire sull'efficienza di cattura della luce solare.
Condizioni atmosferiche
La presenza di nuvole o inquinamento atmosferico può ridurre l'intensità della luce solare che raggiunge i pannelli solari, influenzando così la loro produzione di elettricità. Inoltre, la neve e il ghiaccio possono coprire i pannelli, riducendo ulteriormente la loro capacità di generare energia.
Costo dei pannelli solari
Il costo iniziale per l'installazione dei pannelli solari può essere elevato, sebbene i costi stiano diminuendo con il tempo. Le sovvenzioni e le politiche incentivanti possono contribuire a rendere l'installazione più accessibile per molti consumatori.
Richieste di manutenzione
I pannelli solari richiedono una certa manutenzione per garantire che funzionino in modo ottimale. Rimuovere polvere e detriti dai pannelli è fondamentale per mantenere l'efficienza energetica.
4. Il futuro dell'energia solare
Il futuro dell'energia solare appare promettente, con un aumento della capacità di generazione solare in tutto il mondo. Le innovazioni tecnologiche, come i pannelli solari più efficienti e l'integrazione con sistemi di accumulo energetico, stanno rendendo l'energia solare sempre più accessibile e conveniente.
Con il crescente interesse per le energie rinnovabili e la necessità di ridurre le emissioni di carbonio, l'energia solare giocherà un ruolo cruciale nella transizione verso un futuro energetico sostenibile.
Fonti
Agenzia internazionale per l'energia / [Ted-Ed] YouTube / The National Geographic / [SciToons] YouTube / The Technology Council / HowStuffWorks.com 1/ Union of Concerned Scientists 1, 2
