Tipologie di batterie solari: confronto delle strutture e consigli per la scelta dei pannelli

L'energia alternativa si sta sviluppando al massimo in Europa, dimostrando con i risultati la sua promettente prospettiva. Emergono nuovi tipi di pannelli solari e la loro efficienza aumenta.

Per voler alimentare un edificio industriale o un'abitazione con l'energia solare, è necessario prima conoscere le differenze tra le apparecchiature e capire quali pannelli solari sono adatti alle condizioni climatiche di una determinata regione.

La aiuteremo a comprendere questo argomento. Nell'articolo viene illustrato il principio di funzionamento dei convertitori fotovoltaici e viene fornita una panoramica dei diversi tipi di pannelli solari, con le loro caratteristiche, vantaggi e svantaggi. Dopo aver letto il materiale, potrà fare la scelta giusta per realizzare un impianto solare efficiente.

Principio di funzionamento dei pannelli solari

La stragrande maggioranza dei pannelli solari sono, in senso fisico, convertitori fotovoltaici. L'effetto di generazione elettrica si verifica in corrispondenza della giunzione p-n del semiconduttore.

Sono proprio le lastre di silicio a costituire la base del costo dei pannelli solari, ma se si intende utilizzarli come fonte di energia elettrica 24 ore su 24, sarà necessario acquistare anche costose batterie di accumulo.

Il pannello è composto da due lastre di silicio con proprietà diverse. Sotto l'azione della luce, in una si crea una carenza di elettroni, nell'altra un eccesso. Ogni lastra ha strisce di rame per la raccolta di corrente, che vengono collegate ai convertitori di tensione.

Un pannello solare industriale è composto da numerose celle fotovoltaiche laminate, fissate tra loro e montate su un substrato flessibile o rigido.

L'efficienza dell'apparecchiatura dipende in gran parte dalla purezza del silicio e dall'orientamento dei suoi cristalli. Proprio questi parametri gli ingegneri cercano di migliorare negli ultimi decenni. Il problema principale è l'alto costo dei processi alla base della purificazione del silicio e dell'allineamento dei cristalli in una direzione su tutto il pannello.

Ogni anno le massime efficienze dei vari pannelli solari aumentano, perché vengono investiti miliardi di dollari nella ricerca di nuovi materiali fotovoltaici (+)

I semiconduttori dei convertitori fotovoltaici possono essere realizzati non solo in silicio, ma anche con altri materiali – il principio di funzionamento della batteria non cambia.

Tipi di convertitori fotovoltaici

I pannelli solari industriali vengono classificati in base alle loro caratteristiche costruttive e al tipo di strato fotovoltaico attivo.

Si distinguono i seguenti tipi di batterie per tipo di dispositivo:

• pannelli flessibili;
• moduli rigidi.

I pannelli flessibili a film sottile stanno gradualmente conquistando una nicchia sempre più ampia sul mercato grazie alla loro versatilità di installazione, poiché possono essere installati sulla maggior parte delle superfici con diverse forme architettoniche.

Le prestazioni reali dei pannelli solari sono generalmente inferiori a quelle indicate nelle istruzioni. Pertanto, prima di installarli a casa, sarebbe opportuno vedere di persona un progetto simile già realizzato.

In base al tipo di strato fotovoltaico attivo, i pannelli solari si suddividono nelle seguenti varietà:

1. Al silicio: monocristallini, policristallini, amorfi.
2. Al tellururo di cadmio.
3. A base di seleniuro di rame-indio-gallio.
4. Polimerici.
5. Organici.
6. A base di arseniuro di gallio.
7. Combinati e multistrato.

Non tutti i tipi di pannelli solari interessano il grande consumatore, ma solo i primi due sottotipi cristallini.

Sebbene alcuni altri tipi di pannelli abbiano un'efficienza maggiore, a causa dell'elevato costo non hanno avuto una diffusione capillare.

Le celle fotovoltaiche in silicio sono piuttosto sensibili al calore. La temperatura di base per la misurazione della generazione elettrica è di 25°C. Con un aumento di un grado, l'efficienza dei pannelli si riduce dello 0,45-0,5%.

Successivamente, verranno analizzati in dettaglio i pannelli solari che presentano il maggiore interesse per i consumatori.

Caratteristiche dei pannelli a base di silicio

Il silicio per i pannelli solari è prodotto da polvere di quarzo – cristalli di quarzo macinati. Ricchissimi giacimenti di materia prima si trovano nella Siberia Occidentale e negli Urali Medi, quindi le prospettive di questo settore dell'energia solare sono praticamente illimitate.

Ancora oggi, i pannelli in silicio cristallino e amorfo occupano già più dell'80% del mercato. Pertanto, vale la pena esaminarli più in dettaglio.

Pannelli in silicio monocristallino

Le moderne celle in silicio monocristallino (mono-Si) presentano un colore blu scuro uniforme su tutta la superficie. Per la loro produzione viene utilizzato il silicio più puro. Tra tutte le celle in silicio, quelle monocristalline hanno il prezzo più alto, ma offrono anche la migliore efficienza.

I grandi pannelli solari monocristallini con meccanismi di rotazione si integrano perfettamente nei paesaggi desertici. Lì si creano le condizioni per la massima produttività.

L'elevato costo di produzione è dovuto alla difficoltà di orientare tutti i cristalli di silicio in una sola direzione. A causa di queste proprietà fisiche dello strato attivo, la massima efficienza si ottiene solo quando i raggi solari incidono perpendicolarmente sulla superficie della cella.

Le batterie monocristalline richiedono apparecchiature aggiuntive che le ruotano automaticamente durante il giorno, in modo che il piano dei pannelli sia il più perpendicolare possibile ai raggi solari.

Gli strati di silicio con cristalli orientati unidirezionalmente vengono tagliati da un lingotto cilindrico di metallo, quindi i moduli fotovoltaici finiti hanno la forma di un quadrato con angoli arrotondati.

Tra i vantaggi delle batterie in silicio monocristallino si annoverano:

1. Alta efficienza con un valore del 17-25%.
2. Compattezza – minore superficie di installazione per unità di potenza, rispetto ai pannelli in silicio policristallino.
3. Durata – viene garantita un'efficienza sufficiente nella generazione di elettricità fino a 25 anni.

Gli svantaggi di queste batterie sono solo due:

1. Costo elevato e lungo periodo di ammortamento.
2. Sensibilità allo sporco. La polvere diffonde la luce, quindi l'efficienza dei pannelli solari che ne sono coperti diminuisce drasticamente.

A causa della necessità di luce solare diretta, i pannelli solari monocristallini vengono installati principalmente in aree aperte o in altura. Più la località è vicina all'equatore e più giorni di sole ci sono, tanto più è preferibile l'installazione di questo tipo di elementi fotovoltaici.

Pannelli solari policristallini

I pannelli in silicio policristallino (multi-Si) presentano un colore blu di intensità irregolare a causa della diversa orientazione dei cristalli. La purezza del silicio utilizzato nella loro produzione è leggermente inferiore rispetto a quella dei pannelli monocristallini.

La diversa orientazione dei cristalli garantisce un'elevata efficienza in condizioni di luce diffusa – 12-18%. È inferiore rispetto a quella dei cristalli monodirezionali, ma in condizioni di cielo nuvoloso questi pannelli risultano più efficienti.

L'eterogeneità del materiale comporta anche una riduzione del costo di produzione del silicio. Il metallo purificato per i pannelli solari policristallini viene colato in forme senza particolari accorgimenti.

In produzione vengono utilizzate tecniche speciali per la formazione dei cristalli, ma la loro orientazione non viene controllata. Dopo il raffreddamento, il silicio viene tagliato a strati e lavorato secondo un algoritmo specifico.

I pannelli policristallini non richiedono un orientamento costante verso il sole, pertanto vengono spesso installati sui tetti di case ed edifici industriali.

Durante il giorno, con una leggera nuvolosità, i vantaggi dei pannelli solari in silicio amorfo non sono evidenti; i loro pregi si rivelano solo con nubi dense o all'ombra (+)

Tra i vantaggi dei pannelli solari con cristalli multidirezionali ricordiamo:

1. Elevata efficienza in condizioni di luce diffusa.
2. Possibilità di installazione fissa sui tetti degli edifici.
3. Costo inferiore rispetto ai pannelli monocristallini.
4. Durata di esercizio – la diminuzione dell'efficienza dopo 20 anni di utilizzo è solo del 15-20%.

Anche i pannelli policristallini presentano degli svantaggi:

1. Efficienza ridotta con un valore del 12-18%.
2. Ingombro relativo – è necessario più spazio per l'installazione per unità di potenza rispetto ai pannelli monocristallini.

I pannelli solari policristallini stanno conquistando una quota di mercato sempre maggiore tra le altre batterie al silicio. Ciò è dovuto alle ampie possibilità di riduzione dei costi di produzione. L'efficienza di questi pannelli aumenta ogni anno, avvicinandosi rapidamente al 20% nei prodotti di massa.

Pannelli solari in silicio amorfo

Il meccanismo di produzione dei pannelli solari in silicio amorfo è fondamentalmente diverso dalla fabbricazione di celle fotovoltaiche cristalline. Qui non si utilizza un non-metallo puro, ma il suo idruro, i cui vapori caldi vengono depositati su un substrato.

Come risultato di questa tecnologia, non si formano cristalli classici e i costi di produzione diminuiscono drasticamente.

Le fotocellule in silicio amorfo depositato possono essere fissate sia su un supporto polimerico flessibile, sia su un foglio di vetro rigido.

Attualmente esistono già tre generazioni di pannelli in silicio amorfo, in ciascuna delle quali l'efficienza aumenta notevolmente. Se i primi moduli fotovoltaici avevano un'efficienza del 4-5%, ora sul mercato sono ampiamente venduti modelli di seconda generazione con un'efficienza dell'8-9%.

I pannelli amorfi più recenti hanno un'efficienza fino al 12% e stanno già iniziando ad apparire in vendita, ma sono ancora piuttosto costosi.

Grazie alle peculiarità di questa tecnologia produttiva, è possibile creare uno strato di silicio sia su un substrato rigido che su uno flessibile. Per questo motivo, i moduli in silicio amorfo sono ampiamente utilizzati nei moduli solari flessibili a film sottile. Tuttavia, le varianti con substrato elastico hanno un costo molto più elevato.

La struttura fisico-chimica del silicio amorfo consente di assorbire al massimo i fotoni della luce diffusa debole per generare elettricità. Pertanto, tali pannelli sono adatti per l'uso nelle regioni settentrionali con grandi aree libere.

L'efficienza delle batterie a base di silicio amorfo non diminuisce nemmeno ad alta temperatura, sebbene in questo parametro siano inferiori ai pannelli in arseniuro di gallio.

A parità di costo dell'apparecchiatura, i pannelli solari in idruro di silicio mostrano una maggiore produttività rispetto alle loro controparti mono e policristalline (+).

Riassumendo, si possono elencare i seguenti vantaggi dei pannelli solari amorfi:

1. Versatilità – possibilità di realizzare pannelli flessibili e sottili, installazione di batterie su qualsiasi forma architettonica.
2. Alta efficienza in condizioni di luce diffusa.
3. Funzionamento stabile a temperature elevate.
4. Semplicità e affidabilità della struttura. Questi pannelli praticamente non si rompono.
5. Mantenimento della funzionalità in condizioni difficili – minore calo di produttività in caso di impolveramento della superficie rispetto alle controparti cristalline.

La durata di vita di tali elementi fotovoltaici, a partire dalla seconda generazione, è di 20-25 anni con una diminuzione di potenza del 15-20%. Tra gli svantaggi dei pannelli in silicio amorfo si può annoverare solo la necessità di aree più ampie per installare apparecchiature della potenza richiesta.

Panoramica dei dispositivi senza silicio

Alcuni pannelli solari realizzati con metalli rari e costosi hanno un'efficienza superiore al 30%. Sono molto più costosi delle loro controparti al silicio, ma hanno comunque conquistato una nicchia commerciale ad alta tecnologia grazie alle loro caratteristiche speciali.

Pannelli solari in metalli rari

Esistono diversi tipi di pannelli solari in metalli rari, e non tutti hanno un'efficienza superiore a quella dei moduli in silicio monocristallino.

Tuttavia, la capacità di lavorare in condizioni estreme consente ai produttori di tali pannelli solari di produrre prodotti competitivi e di condurre ulteriori ricerche.

I pannelli di tellururo di cadmio sono attivamente utilizzati per il rivestimento di edifici nei paesi equatoriali e arabi, dove la loro superficie si riscalda fino a 70-80 gradi durante il giorno.

Le principali leghe utilizzate per la fabbricazione di celle fotovoltaiche sono il tellururo di cadmio (CdTe), il seleniuro di indio-rame-gallio (CIGS) e il seleniuro di indio-rame (CIS).

Il cadmio è un metallo tossico, mentre l'indio, il gallio e il tellurio sono piuttosto rari e costosi, quindi la produzione di massa di pannelli solari basati su di essi è teoricamente impossibile.

Il rendimento di tali pannelli è compreso tra il 25 e il 35%, anche se in casi eccezionali può arrivare al 40%. In precedenza venivano utilizzati principalmente nel settore spaziale, ma ora è emersa una nuova e promettente direzione.

Grazie al funzionamento stabile delle celle fotovoltaiche realizzate con metalli rari a temperature di 130-150°C, vengono utilizzate in centrali solari termiche. I raggi del sole provenienti da decine o centinaia di specchi vengono concentrati su un piccolo pannello, che contemporaneamente genera elettricità e trasferisce energia termica a uno scambiatore di calore ad acqua.

Il riscaldamento dell'acqua produce vapore che fa girare una turbina e genera elettricità. In questo modo, l'energia solare viene convertita in energia elettrica attraverso due percorsi simultanei con la massima efficienza.

Analoghi polimerici e organici

I moduli fotovoltaici basati su composti organici e polimerici sono stati sviluppati solo nell'ultimo decennio, ma i ricercatori hanno già ottenuto risultati significativi. Il maggiore progresso è dimostrato dall'azienda europea Heliatek, che ha già dotato diversi grattacieli di pannelli solari organici.

Lo spessore della sua struttura a pellicola in rotolo di tipo HeliaFilm è di solo 1 mm.

Nella produzione di pannelli polimerici vengono utilizzati sostanze come fullereni di carbonio, ftalocianina di rame, polifenilene e altri. Il rendimento di tali celle fotovoltaiche raggiunge già il 14-15% e il costo di produzione è molto inferiore rispetto ai pannelli solari cristallini.

La questione del periodo di degradazione dello strato attivo organico è molto critica. Al momento non è possibile confermare in modo affidabile il livello del suo rendimento dopo diversi anni di funzionamento.

I vantaggi dei pannelli solari organici sono:

• possibilità di smaltimento ecologico;
• basso costo di produzione;
• struttura flessibile.

Tra gli svantaggi di tali celle fotovoltaiche si possono annoverare il rendimento relativamente basso e la mancanza di informazioni affidabili sulla durata del funzionamento stabile dei pannelli. È possibile che tra 5-10 anni tutti gli svantaggi delle celle solari organiche scompariranno e diventeranno seri concorrenti delle lastre di silicio.

Quale pannello solare scegliere?

La scelta dei pannelli solari per case di campagna a latitudini 45-60° non è difficile. Qui conviene considerare solo due opzioni: pannelli policristallini e monocristallini al silicio.

In caso di spazio limitato, è meglio preferire modelli più efficienti con orientamento unidirezionale dei cristalli; se lo spazio è illimitato, si consiglia di acquistare batterie policristalline.

Non conviene basarsi sulle previsioni delle società di analisi dello sviluppo del mercato dei pannelli solari, poiché i migliori modelli potrebbero non essere ancora stati inventati.

È meglio scegliere il produttore specifico, la potenza richiesta e le attrezzature aggiuntive con la partecipazione dei responsabili delle aziende che vendono e installano tali apparecchiature. Bisogna sapere che la qualità e il prezzo dei moduli fotovoltaici dei maggiori produttori differiscono poco.

Bisogna considerare che ordinando un kit di attrezzature "chiavi in mano", il costo dei pannelli solari stessi rappresenterà solo il 30-40% dell'importo totale. I tempi di ammortamento di tali progetti sono di 5-10 anni e dipendono dal livello di consumo energetico e dalla possibilità di vendere l'elettricità in eccesso alla rete cittadina.

Alcuni artigiani preferiscono assemblare i pannelli solari da soli. Sul nostro sito ci sono articoli con descrizioni dettagliate della tecnologia di produzione di tali pannelli, del loro collegamento e della realizzazione di sistemi solari termici.

Vi consigliamo di consultare:

1. Come realizzare un pannello solare fai-da-te: istruzioni per il montaggio autonomo
2. Sistemi di riscaldamento solare: analisi delle tecnologie per l'installazione del riscaldamento basato su sistemi solari
3. Schema di collegamento dei pannelli solari: al controller, alla batteria e ai sistemi serviti.

Conclusioni e video utili sull'argomento

I video presentati mostrano il funzionamento di vari pannelli solari in condizioni reali. Aiuteranno inoltre a comprendere le questioni relative alla scelta delle apparecchiature accessorie.

Regole per la scelta dei pannelli solari e delle apparecchiature accessorie:

Tipi di pannelli solari:

Test del pannello monocristallino e policristallino:

Per le abitazioni e i piccoli impianti industriali, al momento non esiste una reale alternativa ai pannelli in silicio cristallino. Ma il ritmo di sviluppo di nuovi tipi di pannelli solari fa sperare che presto l'energia solare diventi la principale fonte di elettricità in molte case di campagna.

A tutti gli interessati alla scelta e all'uso di pannelli solari, proponiamo di lasciare commenti, porre domande e partecipare alle discussioni. Il modulo di contatto si trova nel blocco inferiore.