STEP 04

Il principio di funzionamento della cella fotovoltaica

Una cella solare o cella fotovoltaica è un dispositivo elettrico/elettronico a stato solido (semiconduttore) che converte l'energia della luce solare incidente in elettricità tramite l'effetto fotovoltaico. Si tratta di una tipologia di cellula fotoelettrica, le cui caratteristiche elettriche, cioè corrente, tensione e resistenza possono variare quando è esposta alla luce. Rappresenta l'elemento costitutivo dei moduli fotovoltaici, anche noti come pannelli solari o fotovoltaici.                                                                      

La versione più diffusa di cella fotovoltaica è quella in materiale cristallino ed è costituita da una lamina di materiale semiconduttore, il più diffuso dei quali è il silicio, che si presenta in genere di colore nero o blu e con dimensioni variabili da 4 a 6 pollici.

Una cella solare è di fatto un generatore di corrente tramite effetto fotovoltaico che trasduce in energia elettrica l'energia solare incidente.  La corrente elettrica nasce dallo spostamento degli elettroni. Per provocare questo spostamento, i fotoni vanno ad eccitare gli elettroni periferici di alcuni atomi di elementi semiconduttori. In pratica, una cellula fotovoltaica riceve la luce solare e la trasforma in elettricità per via di un semiconduttore inizialmente debole, può aumentare in virtù di alcuni fattori: temperatura, luminosità, presenza di impurità ecc... Il silicio utilizzato nelle cellule dei pannelli fotovoltaici è un semiconduttore: l’esposizione alla luce lo rende conduttore di elettricità. Varie cellule costituiscono un modulo fotovoltaico che produce corrente continua, poi trasformata in corrente alternata, da un ondulatore. I moduli possono essere utilizzati in piccoli impianti o in grandi centrali.

Un buon modello matematico per l'analisi del funzionamento della cella fotovoltaica è l'equazione del diodo ideale di Shockley. Partendo dal circuito equivalente mostrato di fianco si ha che la corrente che scorre sul carico vale:

il circuito equivalente di una cella fotovoltaica

dove:

·         I è l'intensità di corrente che scorre sul carico;

·         V0 è la differenza di potenziale tra i due terminali del diodo, ovvero quella a vuoto (con I nulla);

·         Is è l'intensità di corrente prodotta dal generatore, ed è proporzionale all'intensità della radiazione incidente sulla cella;

·         I0 è la intensità di corrente di saturazione, un fattore direttamente proporzionale alla superficie della giunzione p-n;

·         q è la carica elementare dell'elettrone;

·         k è la costante di Boltzmann;

·         T è la temperatura assoluta sulla superficie di giunzione tra le zone p ed n;

·         è il coefficiente di emissione, anch'esso dipendente dal processo di fabbricazione ed è compreso generalmente tra 1 e 2 (fattore di idealità del diodo);

·         Rp è la resistenza parallela del modello.

La maggior parte delle celle solari in commercio producono una tensione di circa 0,6 V e vengono messe in serie per ottenere tensioni più alte. La pratica di classificare i prodotti in commercio in 12, 18 o 24 V non deriva dalla tensione al suo punto di massima efficienza, ma dalla possibilità di collegarvi una batteria ricaricabile con analoga tensione nominale.

Se le celle del pannello sono collegate in serie, come si fa normalmente per ottenere una tensione in uscita più alta, non si ha il controllo delle singole celle, perché la corrente è uguale per tutte. La cella in ombra viene quindi attraversata da una corrente più forte di quella che genererebbe da sola e fa da strozzatura per l'intero sistema scaldandosi e potenzialmente danneggiandosi, oltre a disperdere energia. Ne deriva l'importanza che il pannello sia illuminato senza celle in zone d'ombra, ovvero che le celle abbiano esposizione solare simile. Tuttavia, tanto più è grande il pannello, tanto più è probabile e ampia la differenza di esposizione e di corrente che la singola cella è in grado di produrre, a meno dell'utilizzo di inseguitori solari.

referenze:

• https://it.wikipedia.org/wiki/Cella_solare
• https://anteritalia.org/cose-lenergia-solare-e-fotovoltaica-e-come-funziona/#:~:text=Per%20provocare%20questo%20spostamento%2C%20i,elementi%20semiconduttori%2C%20prevalentemente%20il%20silicio.