Pannelli solari e pannelli fotovoltaici

L' energia solare è un tipo di energia alternativa ottenuta mediante sfruttamento delle onde luminose irraggiate dal Sole che riscalda il nostro pianeta. I raggi solari vengono raccolti da appositi dispositivi, i collettori solari, che rendono possibile la trasformazione dell' energia solare in energia termica (i cosiddetti pannelli solari) o in energia elettrica ( pannelli fotovoltaici). Spesso pannelli solari e pannelli fotovoltaici vengono considerati sinonimi, ma questa assimilazione semantica è propriamente e tecnicamente errata, in quanto si tratta di collettori che, pur funzionando grazie alla stessa fonte energetica, differiscono per utilizzo, funzionalità e costi.

I pannelli solari

Il pannello solare sostanzialmente ha il compito di accumulare l 'energia solare e immagazzinarla in serbatoi specifici per poi utilizzarla ai fini di riscaldamento. Il dispositivo è formato da una piastra (il vero e proprio pannello), uno scambiatore, un serbatoio. Il pannello è a sua volta costituito da due parti: una lastra di vetro trasparente che, sfruttando l' effetto serra, fa passare i raggi solari che la colpiscono mentre impedisce la fuoriuscita di quelli già raccolti, e un assorbitore di metallo (rame o acciaio), ovviamente posizionato sotto la lastra trasparente, che grazie alla capacità di conduzione termica assimila l'energia termica dei raggi solari.

Inoltre, nella parte posteriore della piastra è inserito uno strato isolante che serve a limitare la dispersione del calore assorbito. Dal pannello si diparte un sistema di canali e tubi per il ricircolo dell' acqua che lo collegano al serbatoio. In questi canali non circola propriamente acqua, ma una miscela di acqua e liquido antigelo atossico (che serve a evitare il congelamento nelle stagioni più fredde) che, scorrendo attraverso la serpentina di collegamento, arriva al serbatoio trasferendo, tramite uno scambiatore, all' acqua domestica ivi contenuta – erogata dalle utenze - l' energia immagazzinata sotto forma di calore. Esistono due differenti tecnologie di circolazione dell' acqua in un collettore solare, gli impianti a circolazione naturale e quelli a circolazione forzata.

Circolazione naturale: In tali impianti, il serbatoio dell' acqua viene posizionato ad un altezza maggiore rispetto al pannello solare: in questo modo, il fluido può circolare senza forzature, sfruttando la convezione e la proprietà di aumentare di volume dopo essere stato riscaldato e permettendo una certa economicità nei costi. Tuttavia, spesso il serbatoio viene installato all' esterno dell' abitazione, e questo comporta maggiore dissipazione del calore immagazzinato e quindi rapidità nel raffreddamento dell' acqua.
Circolazione forzata : Avviene in dispositivi che si avvalgono di un sistema additivo di pompe necessarie per far circolare l' acqua dal collettore al serbatoio, dal momento che l' accumulatore d' acqua è posto ad un altezza minore rispetto al pannello solare. Il sistema di pompaggio (che comporta un costo assente invece negli impianti a circolazione naturale) entra in funzione solo nel caso in cui la temperatura del fluido riscaldato dai raggi solari sia superiore alla temperatura dell' acqua del serbatoio, condizione constatabile grazie a specifici sensori che operano il confronto tra le due temperature. Un impianto di tal genere non impone vincoli per l' ubicazione del serbatoio, che può essere posizionato al' interno dell' abitazione, permettendo un rendimento maggiore rispetto alla circuitazione naturale.

Inoltre, i pannelli solari si possono suddividere in alcune tipologie costruttive in base alla lastra che accoglie le radiazioni: pannelli a superficie vetrata selettiva (l'assorbitore viene trattato con un prodotto che limita la riflessione e trattiene con più facilità il calore), pannelli a superficie vetrata non selettiva (la superficie dell' assorbitore non è trattata, così da comportare un rendimento inferiore rispetto ai precedenti), pannelli a superficie non vetrata (poco costosi, adatti a un uso stagionale per la mancanza del pannello di vetro isolante), pannelli sottovuoto (tubi di vetro a pressione molto ridotta per evitare la cessione di calore verso l' esterno). Esistono inoltre pannelli con serbatoio integrato, nei quali l' energia solare arriva a riscaldare direttamente l' acqua immagazzinata, e pannelli vetrati ad aria calda, nelle cui tubature non circola acqua ma aria.

Utilizzi e vantaggi dei pannelli solari

Come già detto, i pannelli solari vengono utilizzati come metodo alternativo di riscaldamento nelle abitazioni o in alcuni impianti (ad esempio, piscine). In base al rendimento di un collettore solare, esso può fungere da unica fonte di riscaldamento oppure da fonte integrativa ai sistemi di riscaldamento tradizionali. Quest' ultimo caso si verifica, ad esempio, quando i pannelli non hanno superficie vetrata e possono essere utilizzati solo stagionalmente, oppure nel caso di pannelli con serbatoio integrato. Alcuni impianti solari vengono utilizzati per produrre anche energia elettrica tramite l' installazione di turbine e meccanismi termoelettrici, che però richiedono grandi spazi per costruire le centrali e, conseguentemente, alti costi, per cui cono largamente più diffusi i pannelli solari per le abitazioni, ad uso domestico. Bisogna considerare inoltre il fatto che la fonte energetica (i raggi solari) non concede una disponibilità continua ma intermittente, per cui i pannelli solari raccolgono minore quantità di calore nelle giornate nuvolose, mentre nelle giornate temporalesche o piovose non possono entrare in funzionamento.

Gli indubbi benefici risiedono a livello ecologico: infatti, differentemente dai combustibili fossili, come le altre fonte di energia alternativa, l' energia termica viene ottenuta senza emissione di anidride carbonica e sostanze inquinanti, e quindi senza possibilità di disastri ambientali. Inoltre i pannelli solari richiedono una manutenzione minima (serve assistenza solo per controllare periodicamente le superfici e la batteria dell' accumulatore)

Pannelli fotovoltaici

I pannelli fotovoltaici, chiamati propriamente 'moduli fotovoltaici', sono dispositivi in grado di convertire l' energia solare direttamente in energia elettrica, sfruttando l' effetto fotovoltaico. Un pannello fotovoltaico è formato da un supporto che regge le celle fotovoltaiche, circuiti elettrici di convogliamento e accumulatori di carica elettrica. Le celle fotovoltaiche sono realizzate da una lamina semi-conduttrice in silicio, le cui dimensioni variano dai 4 ai 6 pollici, e collegate tra di loro da giunture metalliche. La superficie di supporto è formata da un materiale isolante (vetro temperato o tedlar).

Tra il supporto e le celle, vengono frapposti strati di acetato di vinile che fungono da collante per le cellule e nello stesso tempo forniscono una protezione meccanica da eventuali danneggiamenti esterni. Infine, le terminazioni elettriche fuoriuscenti dalla parte posteriore delle celle vengono raggruppate in una morsettiera e il tutto viene poi incapsulato e fissato in una struttura di alluminio. Quando un raggio solare investe la superficie di una cella fotovoltaica esso cede parte della sua energia agli elettroni più esterni presenti nel materiale investito, i quali diventano liberi di allontanarsi dalla cella (effetto fotovoltaico, o fotoelettrico) creando delle cosiddette 'lacune' e vengono fatti convogliare in circuiti elettrici grazie alla formazione di un campo elettromagnetico tra la zona in cui mancano elettroni e quella in cui ve ne sono in eccesso, generando dunque elettricità (che, ricordiamo, consiste nel flusso di elettroni in movimento). Il fatto che le celle siano in silicio (semi-conduttore) permette un migliore funzionamento dell' effetto fotovoltaico, poiché non vi è una grande né piccola differenza tra l' energia naturale dei fotoni dei raggi solari e l' energia dei raggi solari necessaria per far 'saltar fuori' gli elettroni di un materiale semi-conduttore. Oltre al vero e proprio pannello fotovoltaico, l' impianto fotovoltaico è costituito da un diodo raddrizzatore, che serve per far passare l' elettricità solo in un senso, un accumulatore, che conserva la corrente anche quando non vi è il sole (specialmente di notte), e un dispositivo inverter, che trasforma la bassa tensione dell' accumulatore (circa 12 Volt) in tensione utilizzabile, ad esempio, in un' abitazione (in genere 220 Volt).

La tecnologia di realizzazione dei moduli di silicio (ovvero l' insieme delle varie celle fotovoltaiche) più usata e quella 'a film sottile', per cui gli atomi di silicio vengono posizionati in maniera amorfa, disorganizzata. I moduli 'cristallini', viceversa, sono formati da silicio cristallino, ovvero disposto secondo un' organizzazione spaziale e molto costosi per la complessità del processo di fabbricazione. I pannelli in silicio amorfo richiedono una realizzazione meno costosa e impiegante un minor quantitativo di silicio e di energia.

Le dimensioni dei moduli fotovoltaici in genere non superano i 3 metri quadri, nemmeno per i grandi impianti che i sfruttano per produrre energia elettrica. Infatti, bisogna considerare che un pannello fotovoltaico può subire danni di funzionamento anche a causa dell' infficienza di una singola cella. Il rendimento, infine, dipende da molteplici fattori, come il tipo di materiale utilizzato, l' esposizione solare, l' orientamento del pannello, l' angolazione con cui i raggi solari colpiscono le celle, la composizione dello spettro di luce. Per questo, se si intende acquistare un pannello fotovoltaico per la propria abitazione è necessario considerare costi eventualmente alti e informarsi in modo adeguato anche in base alla zona climatica in cui si abita.

Altri utilizzi

Inizialmente diffusi nella versione da installare sui tetti o sulle superfici piane, i collettori solari si sono evoluti in molti impianti ed applicazioni varie, in modo da renderne più flessibile l' impiego. Ad esempio, esistono lampioni solari, che funzionano senza ricevere l' alimentazione elettrica dalla rete urbana, gazebo solari (cioè gazebo il cui tetto è formato da pannelli che permettono di riscaldare l' ambiente del giardino), i semafori solari, i cartelli segnaletici solari (soprattutto quelli disposti in zone difficilmente raggiungibili dall' alimentazione usuale).