Tutto ciò che dovresti sapere sui pannelli solari e sull'energia solare

Sai come funziona un pannello solare e come si ottiene elettricità dall'energia solare? Ecco ciò che devi sapere sull'energia solare e sui pannelli solari.

L'utilizzo dell'energia solare costituisce un'importante fonte di energia alternativa rispetto alle fonti energetiche fossili. Al momento, tuttavia, la tecnologia è in continuo miglioramento e probabilmente c'è tanto potenziale quando si parla di pannelli solari oggi.

1. Come funziona un pannello solare?

I pannelli solari utilizzano direttamente la luce solare per creare elettricità. Questo avviene attraverso quello che viene chiamato effetto fotovoltaico. Per spiegare in che modo la luce solare contribuisce alla creazione di elettricità, dobbiamo prima entrare più nel dettaglio su come viene costruita un pannello.

I pannelli solari sono generalmente costituiti da silicio

Una pannello solare di solito è costituito da silicio e ogni atomo di silicio ha quattro elettroni nel guscio più esterno (vedi Figura 1 e riquadro informativo).

Poiché il silicio, come tutti gli altri atomi, ha otto elettroni nel suo nucleo più esterno, gli atomi vicini condividono gli elettroni tra di loro. In questo modo, tutti gli atomi ottengono otto elettroni nel nucleo più esterno.

 

Quando gli atomi di silicio condividono gli elettroni, si dice che gli atomi sono collegati tra loro in un reticolo cristallino. Questo reticolo cristallino non è adatto a condurre l'elettricità.

Il silicio è addizionato con altre sostanze

Per fare in modo che il silicio conduca meglio l'elettricità, vengono aggiunte altre sostanze che modificano la composizione elettronica nella sostanza. Questo si chiama doping. Nei pannelli solari, il silicio è solitamente addizionato con boro e fosforo.

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Una pannello solare deve quindi essere costituita da due strati di silicio addizionato, in modo che gli elettroni possano spostarsi da un luogo all'altro.

Vengono creati un lato p e un lato n

Quando uno strato viene addizionato con boro, si verifica una mancanza di elettroni in questo strato. Questo è chiamato drogaggio positivo (p-doping) e significa che ci sono posizioni libere di elettroni (spesso chiamate lacune) in questo strato.

Il contrario accade nello strato a cui viene aggiunto il fosforo. Qui c'è un eccesso di elettroni, che si chiama drogaggio negativo. Gli elettroni rimasti nello strato saranno facilmente in grado di spostarsi in altri luoghi quando se ne presenterà l'opportunità.

Poiché il lato n (che è stato addizionato con fosforo) ha un eccesso di elettroni e il lato p (che è stato addizionato con boro) ha un deficit di elettroni, gli elettroni si sposteranno dal lato n al lato p. Questo accade perché gli elettroni vogliono sempre riempire uno spazio elettronico vuoto.

Otteniamo un pannello solare bilanciato

Quando gli elettroni si spostano da un lato all'altro, il lato n riceverà una carica positiva e il lato p riceverà una carica negativa. Ciò accade perché uno strato perde elettroni, mentre l'altro ne guadagna di più.

Quando gli elettroni sciolti prendono posto sul lato p, alla fine si formerà uno strato isolante, una barriera, tra il lato addizionato n e quello p.

La barriera alla fine impedirà a più elettroni di muoversi tra i lati e si verificherà un equilibrio nel pannello solare. È il pannello solare bilanciato che utilizziamo per catturare l'energia della luce solare.

Gli elettroni vengono rilasciati quando la luce solare colpisce

La luce solare è chiamata fotoni di luce nel linguaggio tecnico. Questi fotoni leggeri possono rimuovere gli elettroni nella barriera quando colpiscono il pannello solare.

Quando viene rilasciato un elettrone, si verifica anche una posizione di elettrone libero nel pannello solare. Sia l'elettrone che lo spazio possono muoversi liberamente, ma la tensione tra gli strati di silicio fa sì che l'elettrone rilasciato si sposti verso il lato n e lo spazio libero verso il lato p.

Gli elettroni passano attraverso un circuito elettrico

Ora c'è un elettrone in più sul lato n e uno spazio libero sul lato p. Se il pannello solare è collegato a un circuito, l'elettrone si muoverà attraverso il circuito e tornerà al lato p, dove c'è un sito di elettroni liberi.

L'elettrone fa questo perché la differenza di tensione tra gli strati significa che gli elettroni non possono tornare indietro nel modo in cui sono venuti. Poiché l'elettrone fa comunque di tutto per riempire uno spazio libero, prende la deviazione attraverso il circuito connesso. Quando gli elettroni si muovono attraverso il circuito, viene generata elettricità.

2. Solare termico e collettori solari

Proprio come i pannelli solari, i collettori solari sfruttano l'energia dei raggi del sole che colpiscono la nostra terra. Ma invece di trasformare l'energia solare in elettricità, piccoli collettori solari convertono l'energia in calore.

Quindi non possiamo usare piccoli collettori solari per produrre elettricità per la casa o ricaricare il cellulare, ma possiamo usarli per riscaldare acqua e abitazioni.

I grandi sistemi di collettori solari possono, tuttavia, essere utilizzati per produrre elettricità. Ciò avviene indirettamente, poiché il calore del sole viene utilizzato per riscaldare il liquido, che può quindi essere utilizzato per produrre elettricità.

Collettori solari attivi e passivi

Spesso si fa una distinzione tra collettori solari attivi e passivi. I collettori solari attivi devono assorbire e raccogliere l'energia solare e spesso richiedono uno sforzo da parte di noi umani. Un sistema passivo, invece, è un sistema che utilizza direttamente il calore della luce solare senza ausili tecnici.

Se l'aria nella tua casa è riscaldata durante il giorno perché il sole entra dalle finestre, la tua casa è un esempio di collettore solare passivo. Di norma, non è sui collettori solari passivi che ci concentriamo quando guardiamo al futuro dell'energia solare come utile fonte di energia rinnovabile, perché il calore non può essere immagazzinato né trasportato ulteriormente.

Collettori solari attivi

Un esempio di collettori solari attivi è un collettore solare piano. Un collettore solare piatto è un tipo di serra che riscalda l'acqua per una casa (vedi Figura 3). Il collettore solare piatto è spesso dipinto di nero, il che significa che assorbe il calore in modo molto efficiente.

All'interno del collettore solare c'è un tubo sottile che si avvolge. All'interno di questo tubo circola un mezzo riscaldante che viene riscaldato mentre si muove attraverso il tubo. Questo mezzo può essere acqua, una miscela di acqua e glicole o aria.

Dopo essere stato riscaldato nel suo percorso attraverso il collettore solare, il mezzo di riscaldamento continua ad accumulare calore. Questo è spesso un serbatoio o un contenitore pieno d'acqua, che viene spesso chiamato serbatoio di accumulo. Dopo che il calore del collettore solare è stato trasferito all'accumulatore di calore, il calore viene ulteriormente distribuito all'impianto di riscaldamento dell'edificio, se necessario, come acqua per il lavandino, per i radiatori o come riscaldamento a pavimento.

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Altri tipi di collettori solari

Un esempio di un altro tipo di collettore solare è un collettore solare concentrico. Consiste in una serie di specchi che riflettono i raggi del sole verso una torre in un certo punto centrale.

In questa torre possono essere presenti varie miscele speciali che assorbono e trattengono facilmente il calore prodotto dalla riflessione di tutti gli specchi. Questa miscela speciale può, ad esempio, essere costituita da acqua, sodio o sale fuso.

Un altro esempio di collettore solare concentrico è una piastra parabolica che dirige i raggi del sole verso un punto specifico. Qui può esserci del cibo, che può essere riscaldato con l'aiuto dei raggi del sole.

3. Cosa ostacola la produzione di energia solare?

Il fatto di poter utilizzare i raggi del sole sia direttamente che indirettamente rende l'energia solare una risorsa enorme. Considerando che la terra riceve oltre 10.000 volte più energia di quella utilizzata dalla popolazione del pianeta, si potrebbe forse pensare che l'energia solare esistesse ovunque. Perché non è così?

Ecco alcuni dei motivi per cui l'energia solare non è ancora diffusa:

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