Come funziona un pannello fotovoltaico?

Durante la mia vita mi sono avvicinato e ho “toccato” diversi campi… dall’astrofisca alla chimica, dalla fisica alla programmazione informatica. Una volta preso il diploma ho scelto di prendere Scienza dei Materiali all’università. Inizialmente è stata una vera folgorazione… tutte le materie che più amo racchiuse in un unico corso di laurea. Pensavo di aver visto tutto, di essere appassionato di tutte le materie in egual modo, fino a quando, il terzo anno, non ho incontrato la materia che ha cambiato la mia vita… la Domotica.

Purtroppo non mi occupo di domotica in ambito lavorativo per ora (infatti mi occupo di biomateriali e elettronica), ma in effetti fin dal primo giorno ho capito che quel corso di laurea avrebbe cambiato la mia vita. Forse sarà stata la bravura del professore… sinceramente non un “mostro” (nel senso buono del termine) come altri, ma con una facilità di spiegazione che ho incontrato poche volte nella vita. Era talmente facile seguire il suo corso che molto lo snobbavano, non capendo le opportunità che ci stava aprendo.
Così per me non è stato… sono stato catturato dalla domotica, tanto che il mio sogno è poter lavorare per una azienda che si occupa di questo.

DOMOTICA

Ma cosa è la domotica?

Citando Wikipedia… “La domotica è la scienza interdisciplinare che si occupa dello studio delle tecnologie atte a migliorare la qualità della vita nella casa e più in generale negli ambienti antropizzati.” In poche parole è la tecnologia che si applica alle case ed, in generale, agli edifici, siano essi residenziali, industriali o di altro genere, come per esempio gli ospedali.

Purtroppo la domotica in molti campi è considerata un bene di lusso dalla maggior parte delle persone, una cosa che semplifica la vita ma neanche tanto… in fondo, molti mi hanno detto, che mi importa di poter alzare le tapparelle con un telecomando quando posso farlo tirando una cinghia???
In realtà la domotica si occupa di tante altre cose, come si può vedere dallo schema che riporto qui sotto.

SCHEMA DOMOTICA

In effetti però non ho scritto questo articolo per parlare della domotica in generale, ma per spiegare il funzionamento di uno dei pochi strumenti che questa scienza ci ha fornito che stanno entrando con forza nella vita quotidiana… i Pannelli Fotovoltaici.

Innanzitutto bisogna distinguere i Pannelli Fotovoltaici (PF) dai Pannelli Solari Termici (PST). Infatti i PST sono solo dei riscaldatori attaccati ad un boiler che permette di avere acqua calda senza lo spreco di corrente elettrica o gas.

Ben diverso invece il discorso per i Pannelli Fotovoltaici. Tutti sappiamo bene cosa fa in pratica un PF: Converte la luce del sole in corrente elettrica. Quello però che in tanti (spero) si chiedono è: come funziona? Qual è il principio secondo il quale si può convertire energia solare in elettricità? E che principio fisico si sfrutta?

Ecco… queste sono le domande alle quali vorrei rispondere in questo articolo, naturalmente senza entrare in boriosi discorsi di fisica avanzata o ingegneria. Vediamo nel modo più semplice possibile quindi innanzitutto come funziona a grandi linee il principio fotovoltaico, e in seguito come questo viene sfruttato negli impianti domestici.

Centrale Fotovoltaica

Centrale Fotovoltaica

L’effetto fotovoltaico fu osservato per la prima volta nel 1839 dal fisico francese Becquerel, che non riuscì però a dare una spiegazione plausibile a tale fenomeno. La prima spiegazione di questo tipo fu data, per l’effetto fotoelettrico (molto simile al principio che sfruttano i pannelli solari), niente po’ po’ di meno che da Albert Einstein nel 1905, il quale ricevette il premio Nobel nel 1921 proprio per questa teoria.

Per poter capire in modo semplice il principio fotovoltaico facciamo un passo indietro… e parliamo di tre elementi chimici naturali: il silicio, il fosforo e il boro.
Il silicio (Si) è l’elemento chimico solido preponderante sulla superficie terrestre, ne è per esempio composta la sabbia. Ha la particolarità di avere quattro elettroni esterni, che si muovono nel momento in cui si deve generare una corrente.
Invece il fosforo (P) e il boro (B) hanno, esternamente, rispettivamente 5 e 3 elettroni.
Per generare effetto fotoelettrico ci serve del silicio particolare, solitamente denominato “drogato”, cioè con alcuni atomi di silicio sostituiti con degli atomi di fosforo (drogaggio di tipo n) o con atomi di boro (tipo p).

Drogaggio n con fosforo e p con boro.

Drogaggio n con fosforo e p con boro.

Quando accade questo si genera quindi, come abbiamo già detto, un silicio drogato.
Il silicio drogato n (negativo) avrà quindi un elettrone in più (derivante dal fosforo), che sarà libero di muoversi liberamente (poichè il silicio si lega con 4 legami), mentre il silicio drogato p (positivo) avrà un elettrone in meno, che si schematizza con la mancanza di un elettrone.
Questo elettrone mancante in fisica viene denominato “buca” o “lacuna”.

Una volta che si hanno quindi due strati di silicio con drogaggio opposto, per creare un pannello solare basterà attaccarli insieme. Una volta accostati, infatti, nella zona di contatto tra i due tipi di silicio, gli elettroni in più contenuti nel Si-n andranno a posizionarsi nelle buche del Si-p.
Questo genererà un campo elettrico, che farà fermare il processo, poichè si opporrà al moto degli elettroni che cercheranno di andare verso le lacune.

Giunzione p-n con conseguente generazione del campo elettrico.

Giunzione p-n con conseguente generazione del campo elettrico.

Verrà quindi a formarsi una cosiddetta giunzione p-n, che è alla base dei pannelli solari.

Dopo questa breve (e spero chiara) spiegazione, possiamo capire veramente come funziona un pannello solare.
In pratica, come si può vedere nella figura che trovate sotto, i fotoni di cui è composta la luce “caricheranno” (cioè daranno energia) agli elettroni per poter oltrepassare la giunzione p-n e andare a ricombinarsi con le lacune. Questo genera la corrente, una volta che sono stati collegati il Si-n con il Si-p. Quindi, come si può vedere, una volta compreso il funzionamento di una giunzione p-n risulta immediato capire come si possa convertire energia solare (fotoni) in corrente (passaggio di elettroni o buche a seconda dei punti di vista).

Giunzione p-n illuminata.

Giunzione p-n illuminata.

Questo effetto viene chiamato, per l’appunto, effetto fotoelettrico.

Ma come viene usata poi questa corrente nelle nostre case?
Come si può vedere dallo schema sottostante, lo schema che si segue è molto semplice.

Come viene sfruttato il pannello solare nelle nostre case.

Come viene sfruttato il pannello solare nelle nostre case.

Innanzitutto si collega il pannello ad uno strumento che serve a convertire la corrente che esce dal pannello (che è continua) in quella ci casa (220V e 50Hz). A questo viene connesso il famoso Contatore di Gestione del Conto Energia, che calcola la differenza tra l’energia prodotta dal pannello, quella consumata per le utenze domestiche e quella presa dalla rete.
In questo modo il contatore si calcola, praticamente, la differenza tra la corrente prodotta (esclusa quella usata direttamente in casa) e quella presa dalla rete elettrica.
Da qui nasce il costo in bollette che si andrà a pagare.

Con questo finisce il mio articolo… ci sarebbe molto altro di cui parlare sui pannelli solari, ma per non voler entrare in pallosi discorsi tecnici evito.
Spero che l’articolo sia stato comprensibile e di semplice lettura. Purtroppo non è mai facile trattare di argomenti così complessi.
Sicuramente tornerò a parlare di domotica in seguito, magari proprio parlando del solare termico, che ho volutamente trascurato.

Buona giornata a tutti,

MMarans.

PS: Per qualsiasi domanda o delucidazione sono sempre a disposizione.

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Pubblicato il 7 gennaio 2013, in Uncategorized con tag , , , , , . Aggiungi il permalink ai segnalibri. 9 commenti.

  1. Primo!!!
    Però, sorry, ora ho da fare, a dopo!!
    Ma mi interessa!!

  2. FigliodellaTerra

    Ecco qualcosa che ho capito!! 😀

    Grazie MMarans!!!! 😀

  3. Ciao *_*
    L’ho letto tutto d’un fiato *_*
    Se già pensavo che tu fossi un genio, figurarsi dopo aver letto tutto *_*
    Uff, se ti avessi come prof non avrei insufficienze ç__ç
    Notte 🙂

    • Spezzo una lancia a favore dei tuoi Professori… un conto è fare divulgazione, come cerco di fare io, un conto è insegnare e valutare…
      Non ti piacerei come professore… te lo assicuro.

  4. Salve.. è un argomento veramente interessante spiegato così.. Grazie. Vorrei chiederle se potrebbe parlarmi nella stessa maniera dell’inverter per i pannelli fotovoltaici. Dovrei portarlo all’esame di stato e non so nulla, non avendo un prof di elettro. Grazie mille

  5. Salve,sono Gianni. Vorrei sapere, ma da ogni pannello,esce già la 220 v continua,o occorrono più pannelli?

  6. Un articolo davvero interessante. L’argomento è spiegato in modo chiaro e comprensibile.
    Il settore fotovoltaico si sta diffondendo sempre di più.

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