RELAZIONE SUL FOTOVOLTAICO E PROCESSI DI PRODUZIONE
La Radiazione Solare
La radiazione solare è l'energia elettromagnetica emessa dai processi di fusione dell'idrogeno contenuto nel sole. La densità di potenza, detta costante solare, raccolta fuori dall'atmosfera su una superficie perpendicolare ai raggi solari è di circa 1300 W/mq, variabile durante l'anno del +/- 3 %, a causa dell'ellitticità dell'orbita terrestre. Il valore massimo misurato sulla superficie terrestre, invece, è di circa 1000 W/mq, in condizioni ottimali di: giornata serena, cielo terso, sole a mezzogiorno, ecc.

La Radiazione Diretta - Diffusa - Riflessa
La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre si distingue in diretta, diffusa, riflessa.
Mentre la radiazione diretta colpisce una qualsiasi superficie, con un unico e ben definito angolo d'incidenza, quella diffusa incide su tale superficie con vari angoli. Occorre ricordare che quando la radiazione diretta non può colpire una superficie a causa della presenza di un ostacolo, l'aria ombreggiata non si trova completamente oscurata, grazie al contributo della radiazione diffusa.
Questa osservazione ha rilevanza tecnica specie per i dispositivi fotovoltaici che possono operare anche in presenza di sola radiazione diffusa (vedi pannelli al silicio amorfo).
Una superficie inclinata, può ricevere inoltre, la radiazione riflessa dal terreno o da specchi d'acqua o da altre superfici orizzontali.

Le proporzioni di radiazione riflessa, diffusa e diretta ricevuta da una superficie dipendono dalle condizioni meteorologiche:
A) in una giornata nuvolosa la radiazione è pressoché totalmente diffusa
B) in giornata secca e serena predomina la componente diretta (circa 90% della radiazione totale)
C) inclinazione della superficie rispetto al piano orizzontale
D) una superficie orizzontale riceve la massima radiazione diffusa e la minima riflessa.
E) la componente riflessa aumenta al crescere dell'inclinazione dalla presenza di superfici riflettenti
F) il contributo maggiore alla riflessione è dato da superfici chiare
G) la radiazione riflessa aumenta in inverno per effetto della neve
H) diminuisce in estate, per l'effetto degli assorbimenti dei colori scuri quali: l'erba o il terreno.

L'efficienza delle celle solari
Negli impianti ad energia solare la superficie di captazione è quasi sempre inclinata rispetto al piano orizzontale per aumentare l'energia captabile. E' perciò indispensabile passare dalla radiazione incidente su una superficie orizzontale, che è il dato solitamente conosciuto, ad una valutazione della radiazione incidente su una superficie inclinata.
La radiazione solare su una superficie inclinata può essere determinata mediante metodi di calcolo; il più noto dei quali è quello di Liu e Jordan.

Di tutta l'energia che investe la cella solare sotto forma di radiazione luminosa, solo una parte viene convertita in energia elettrica disponibile ai suoi morsetti.
L'efficienza di conversione per celle commerciali al silicio monocristallino è in genere compresa tra il 9% ed il 16% mentre realizzazioni di laboratorio hanno raggiunto valori del 24,8 %.

I motivi di tale bassa efficienza sono molteplici e possono essere raggruppati in quattro categorie di cause:
A) Riflessione: non tutti i fotoni che incidono sulla cella penetrano al suo interno, dato che in parte vengono riflessi dalla superficie della cella ed in parte incidono sulla griglia metallica dei contatti.
B) Fotoni troppo o poco energetici: per rompere il legame tra elettrone e nucleo è necessaria una certa energia e non tutti i fotoni incidenti possiedono energia sufficiente. D'altra parte alcuni fotoni troppo energetici generano coppie elettrone-lacuna, dissipando in calore l'energia eccedente quella necessaria a staccare l'elettrone dal nucleo. L'efficienza di generazione di coppie elettrone-lacuna dipende quindi dalle caratteristiche della luce incidente; più precisamente dipende dalle condizioni atmosferiche e dall'altezza del sole sull'orizzonte, parametri che influenzano lo spettro solare al livello del suolo. Di tutto lo spettro solare al livello del suolo, quindi, solo una parte risulta utile per la conversione fotovoltaica.
C) Ricombinazione: non tutte le coppie elettrone-lacuna generate vengono raccolte dal campo elettrico di giunzione e inviate al carico esterno, dato che nel percorso dal punto di generazione verso la giunzione possono incontrare cariche di segno opposto e quindi ricombinarsi.
E) Resistenze parassite: le cariche generate e raccolte nella zona di svuotamento devono essere inviate all'esterno; l'operazione di raccolta viene effettuata dai contatti metallici, posti sul fronte e sul retro della cella, anche se durante la fabbricazione viene effettuato un processo di lega tra silicio e alluminio dei contatti, resta una certa resistenza all'interfaccia, che provoca una dissipazione che riduce la potenza trasferita al carico.

Infine, l'efficienza è ulteriormente diminuita, nel caso di celle al silicio policristallino, per la resistenza che gli elettroni incontrano ai confini tra un grano e l'altro e, ancor più, nel caso di celle al silicio amorfo, per la resistenza dovuta all'orientamento casuale dei singoli atomi.

 

 

 
 
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