Fotovoltaico (PV) è un termine che copre la conversione della luce in energia elettrica utilizzando materiali semiconduttori che mostrano l’effetto fotovoltaico, un fenomeno studiato in fisica, fotochimica ed elettrochimica.

Un tipico sistema fotovoltaico impiega pannelli solari, ciascuno comprendente un numero di celle solari, che generano energia elettrica. Le installazioni fotovoltaiche possono essere montate a terra, montate sul tetto o montate a parete. Il supporto può essere riparato o utilizzare un inseguitore solare per seguire il sole attraverso il cielo.

Il solare fotovoltaico ha vantaggi specifici come fonte di energia: una volta installato, il suo funzionamento non genera inquinamento e nessuna emissione di gas serra, mostra una semplice scalabilità rispetto ai bisogni energetici e il silicio ha una grande disponibilità nella crosta terrestre.

I sistemi fotovoltaici hanno il principale svantaggio che l’uscita di potenza funziona meglio con la luce solare diretta, quindi circa il 10-25% viene perso se non viene utilizzato un sistema di tracciamento. Polvere, nuvole e altri ostacoli nell’atmosfera riducono anche la potenza. Un altro aspetto importante è la concentrazione della produzione nelle ore corrispondenti all’insolazione principale, che di solito non corrispondono ai picchi della domanda nei cicli di attività umana. A meno che gli attuali modelli sociali di consumo e reti elettriche non si adattino a questo scenario, l’elettricità deve ancora essere immagazzinata per un uso successivo o compensata da altre fonti di energia, solitamente idrocarburi.

Gli impianti fotovoltaici sono stati a lungo utilizzati in applicazioni specializzate e gli impianti fotovoltaici standalone e connessi alla rete sono in uso dagli anni ’90. Furono prima prodotti in serie nel 2000, quando gli ambientalisti tedeschi e l’organizzazione Eurosolar ottennero un finanziamento governativo per un programma di diecimila tetti.

I progressi tecnologici e l’aumento della scala di produzione hanno in ogni caso ridotto i costi, aumentato l’affidabilità e aumentato l’efficienza degli impianti fotovoltaici. La misurazione netta e gli incentivi finanziari, come le tariffe preferenziali per l’energia prodotta da energia solare, hanno supportato l’installazione di impianti solari fotovoltaici in molti paesi. Più di 100 paesi ora usano il solare fotovoltaico.

Dopo l’energia idroelettrica e il vento, il fotovoltaico è la terza fonte di energia rinnovabile in termini di capacità globale. Alla fine del 2016, la capacità fotovoltaica installata a livello mondiale è aumentata a oltre 300 gigawatt (GW), coprendo circa il 2% della domanda globale di elettricità. La Cina, seguita dal Giappone e dagli Stati Uniti, è il mercato in più rapida crescita, mentre la Germania rimane il maggior produttore mondiale, con il solare fotovoltaico che fornisce il sette percento del consumo annuale nazionale di elettricità. Con la tecnologia attuale (dal 2013), il fotovoltaico recupera l’energia necessaria per produrli in 1,5 anni nell’Europa meridionale e 2,5 anni nel Nord Europa.

rinnovabilità
A seconda del tipo di cella fotovoltaica considerata, la natura rinnovabile di questa energia è in parte discutibile, perché la produzione di pannelli fotovoltaici richiede energia la cui origine è attualmente essenzialmente non rinnovabile. In effetti, i paesi che producono quasi tutti i pannelli fotovoltaici installati nel mondo (Cina, Stati Uniti, Giappone, India), tutti hanno equilibri energetici dominati in maniera massiccia da energie non rinnovabili; ad esempio, la Cina, che produce l’80% dei pannelli installati in Europa 3, ricava l’86% della sua energia da fonti non rinnovabili.

Tuttavia, il tasso di rendimento energetico dei sistemi fotovoltaici è migliorato grazie ai successivi progressi tecnologici. A seconda delle tecnologie, un sistema fotovoltaico produce tra 20 e 40 volte più energia durante tutto il suo funzionamento (equivalente primario) di quanto è stato usato per produrlo 5.

Nozioni di base tecniche
Per la conversione di energia, viene utilizzato l’effetto fotoelettrico delle celle solari, che sono collegate ai cosiddetti moduli solari. L’elettricità generata può essere utilizzata direttamente, immagazzinata in accumulatori o immessa nelle reti elettriche. Prima di essere alimentati in CA – le griglie generate sono convertite in corrente continua di un inverter. Il sistema di moduli solari e gli altri componenti (inverter, linea elettrica) si chiama sistema fotovoltaico o generatore solare.

Produzione e resa nominali
La potenza nominale dei sistemi fotovoltaici è spesso indicata nella notazione W p (Watt Peak) o kW p e si riferisce alle prestazioni in condizioni di prova che corrispondono approssimativamente alla radiazione solare massima in Germania. Le condizioni di test servono a standardizzare e confrontare diversi moduli solari. I valori elettrici dei componenti sono riportati in schede tecniche. Viene misurato alla temperatura del modulo di 25 ° C, all’irraggiamento di 1000 W / m² e ad una massa d’aria (AM abbreviata) di 1,5. Queste condizioni di test standard (in genere abbreviato STC, condizioni di test standard) sono state impostate come standard internazionali. Se queste condizioni non possono essere soddisfatte durante il test, la potenza nominale deve essere determinata dal calcolo delle condizioni di prova fornite.

Per confronto: l’intensità della radiazione del sole nello spazio vicino alla terra (costante solare) è in media 1367 W / m². (Sul terreno, circa il 75% di questa energia arriva con tempo sereno.)

Decisivo per il dimensionamento e l’ammortamento di un impianto fotovoltaico è, oltre alla potenza di picco, soprattutto la resa annua, ovvero la quantità di energia elettrica generata. L’energia della radiazione fluttua giornalmente, stagionalmente e in condizioni meteorologiche. In Germania, ad esempio, un impianto solare in Germania può avere un rendimento fino a dieci volte in dicembre rispetto a dicembre. I dati di feed-in aggiornati quotidianamente con alta risoluzione temporale sono liberamente accessibili per gli anni dal 2011 su Internet.

La resa per anno è misurata in wattora (Wh) o kilowattora (kWh). La posizione e l’orientamento dei moduli e l’ombreggiatura hanno un’influenza significativa sulla resa, con inclinazioni del tetto di 30-40 ° e orientamento verso sud che fornisce la massima resa in Europa centrale. Alla massima altezza del sole (mezzogiorno) orientato, dovrebbe essere in Germania in una installazione fissa (senza tracciamento) l’inclinazione ottimale a sud del paese di circa 32 °, essere a nord di circa 37 gradi. In pratica, si consiglia un angolo di inclinazione leggermente più alto, da allora due volte al giorno (al mattino e al pomeriggio) e due volte all’anno (a maggio e luglio), il sistema è perfettamente allineato. Nei sistemi di spazio aperto, pertanto, tali allineamenti vengono solitamente scelti. Sebbene l’altitudine solare media distribuita durante l’anno e quindi la pendenza teoricamente ottimale possa essere calcolata esattamente per ogni latitudine, la radiazione effettiva è lungo una latitudine diversa a causa di fattori diversi, per lo più dipendenti dal terreno (ad esempio ombreggiamento o condizioni meteorologiche locali speciali). Dal momento che l’efficacia dipendente dalla pianta rispetto all’angolo di incidenza è diversa, l’orientamento ottimale deve essere determinato in ciascun caso in relazione al sito e alla pianta. In queste indagini energetiche, viene determinata la radiazione globale basata sulla posizione, che oltre alla radiazione solare diretta include anche la radiazione diffusa incidente sulla dispersione (ad es. Nuvole) o la riflessione (ad es. Muri di case vicine o terreno).

La resa specifica è definita come watt-ora per uscita nominale installata (Wh / W p o kWh / kW p) per periodo e consente un facile confronto di sistemi di dimensioni diverse. In Germania, con un sistema installato in modo abbastanza ottimamente allineato per area di modulo di 1 kWp, ci si può aspettare un rendimento annuo di circa 1.000 kWh, per cui i valori oscillano tra circa 900 kWh nel nord della Germania e 1150 kWh nel sud della Germania.

Sistemi di montaggio per tetti

Tetto con impianto fotovoltaico per elettricità e collettori solari per la produzione di acqua calda
I sistemi di montaggio distinguono tra sistemi da tetto e sistemi integrati nel tetto. In un sistema di tetto per tetti inclinati, l’impianto fotovoltaico è montato sul tetto mediante un telaio di montaggio. Questo tipo di installazione viene scelto più spesso perché è più semplice da implementare per i tetti esistenti.

In un sistema integrato nel tetto, un sistema fotovoltaico è integrato nel rivestimento del tetto e assume le sue funzioni come la sigillatura del tetto e la protezione dagli agenti atmosferici. Vantaggiosi in tali sistemi sono l’aspetto visivamente accattivante e il risparmio di una copertura del tetto, in modo che i costi di assemblaggio più elevati possano spesso essere compensati.

L’installazione su tetto è adatta per tetti in tegole e tetti in lamiera, tetti in ardesia o fogli ondulati. Se il passo del tetto è troppo superficiale, i ganci speciali possono compensare in parte questo. L’installazione di un sistema sul tetto è di solito più semplice ed economica rispetto a un sistema integrato. Un sistema sul tetto garantisce anche un’adeguata ventilazione dei moduli solari. I materiali di fissaggio devono essere resistenti alle intemperie.

Il sistema sul tetto è adatto per ristrutturazioni di tetti e nuovi edifici, ma non è possibile su tutti i tetti. I tetti di tegole non consentono il montaggio nel tetto, tetti di lamiera o tetti di bitume. Anche la forma del tetto è decisiva. L’installazione nel tetto è adatta solo per tetti a falda sufficientemente grandi con orientamento favorevole alla pista del sole. In generale, i sistemi a tetto richiedono angoli di inclinazione maggiori rispetto ai sistemi montati sul tetto per consentire un sufficiente drenaggio dell’acqua piovana. I sistemi a tetto si formano con il tetto rimanente su una superficie chiusa e sono quindi attraenti dal punto di vista estetico. Inoltre, un sistema sul tetto ha una maggiore stabilità meccanica contro i carichi di neve e vento. Tuttavia, il raffreddamento dei moduli è meno efficiente del sistema sul tetto, che riduce la potenza e produce un po ‘. Una temperatura superiore di 1 ° C riduce l’uscita del modulo di ca. 0,5%.

Efficienza
L’efficienza elettrica (detta anche efficienza di conversione) è un fattore che contribuisce alla scelta di un sistema fotovoltaico. Tuttavia, i pannelli solari più efficienti sono in genere i più costosi e potrebbero non essere disponibili in commercio. Pertanto, la selezione è guidata anche dall’efficienza dei costi e da altri fattori.

L’efficienza elettrica di una cella fotovoltaica è una proprietà fisica che rappresenta la quantità di energia elettrica che una cella può produrre per una determinata insolazione. L’espressione di base per la massima efficienza di una cella fotovoltaica è data dal rapporto tra la potenza di uscita e l’energia solare incidente (area dei flussi di radiazione)

L’efficienza viene misurata in condizioni di laboratorio ideali e rappresenta la massima efficienza raggiungibile del materiale fotovoltaico. L’efficienza effettiva è influenzata dall’uscita Tensione, corrente, temperatura di giunzione, intensità luminosa e spettro.

Il tipo più efficiente di cella solare fino ad oggi è una cella solare a concentratore multi-giunzione con un’efficienza del 46,0% prodotta da Fraunhofer ISE nel dicembre 2014. Le massime efficienze raggiunte senza concentrazione includono un materiale di Sharp Corporation al 35,8% utilizzando un triplo proprietario – tecnologia di produzione a giunzione nel 2009 e Boeing Spectrolab (40,7% anche con un design a triplo strato). La società statunitense SunPower produce celle con un’efficienza del 21,5%, ben al di sopra della media del mercato del 12-18%.

Produzione
Nel complesso, il processo di produzione della creazione di energia solare fotovoltaica è semplice in quanto non richiede il completamento di molte parti complesse o in movimento. A causa della natura solida dei sistemi fotovoltaici, spesso hanno una durata relativamente lunga, ovunque da 10 a 30 anni. Per aumentare la produzione di energia elettrica di un impianto fotovoltaico, il produttore deve semplicemente aggiungere più componenti fotovoltaici e per questo motivo le economie di scala sono importanti per i produttori in quanto i costi diminuiscono con l’aumento della produzione.

Mentre ci sono molti tipi di sistemi fotovoltaici noti per essere efficaci, il fotovoltaico al silicio cristallino rappresentava circa il 90% della produzione mondiale di PV nel 2013. La produzione di sistemi fotovoltaici al silicio ha diversi passaggi. Innanzitutto, il polisilicio viene elaborato dal quarzo estratto fino a renderlo molto puro (grado semiconduttore). Questo viene fuso quando piccole quantità di boro, un elemento del gruppo III, vengono aggiunte per formare un semiconduttore di tipo p ricco di fori di elettroni. Usando tipicamente un cristallo di semi, un lingotto di questa soluzione viene cresciuto dal liquido policristallino. Il lingotto può anche essere fuso in uno stampo. Le fette di questo materiale semiconduttore vengono tagliate dal materiale sfuso con seghe a filo e quindi passano attraverso l’incisione superficiale prima di essere pulite. Successivamente, i wafer sono posti in un forno di deposizione da vapore di fosforo che deposita uno strato molto sottile di fosforo, un elemento di gruppo V, che crea una superficie semiconduttrice di tipo n. Per ridurre le perdite di energia, un rivestimento antiriflesso viene aggiunto alla superficie, insieme ai contatti elettrici. Dopo aver terminato la cella, le celle sono collegate tramite circuito elettrico in base all’applicazione specifica e preparate per la spedizione e l’installazione.

Il fotovoltaico al silicio cristallino è solo un tipo di fotovoltaico, e mentre rappresentano la maggior parte delle celle solari prodotte attualmente ci sono molte nuove e promettenti tecnologie che hanno il potenziale per essere scalate per soddisfare il fabbisogno energetico futuro.

Un’altra tecnologia più recente, PV a film sottile, viene prodotta depositando strati semiconduttori sul substrato nel vuoto. Il substrato è spesso di vetro o acciaio inossidabile e questi strati semiconduttori sono fatti di molti tipi di materiali tra cui tellururo di cadmio (CdTe), diseleniuro indio di rame (CIS), diseleniuro di indio e gallio di rame (CIGS) e silicio amorfo (a-Si ). Dopo essere stati depositati sul substrato, gli strati semiconduttori sono separati e collegati mediante circuito elettrico mediante incisione laser. Il fotovoltaico a film sottile ora rappresenta circa il 20% della produzione complessiva di fotovoltaico a causa del ridotto fabbisogno di materiali e del costo per la produzione di moduli costituiti da film sottili rispetto ai wafer a base di silicio.

Altre tecnologie fotovoltaiche emergenti includono il fotovoltaico organico, a coloranti sensibilizzati, a punti quantici e la perovskite. Gli OPV rientrano nella categoria di produzione del film sottile e generalmente operano intorno al 12% di efficienza inferiore al 12-21% tipico dei PV basati sul silicio. Poiché il fotovoltaico organico richiede purezza molto elevata e sono relativamente reattivi, devono essere incapsulati, il che aumenta notevolmente i costi di produzione e significa che non sono fattibili su larga scala. I PV sensibilizzati ai coloranti sono simili in termini di efficienza agli OPV, ma sono notevolmente più facili da produrre. Tuttavia, questi impianti fotovoltaici sensibili alla tintura presentano problemi di stoccaggio perché l’elettrolita liquido è tossico e può potenzialmente permeare la plastica utilizzata nella cella. Le celle solari a punti quantici sono DSSC sensibilizzati a punti quantici e vengono elaborate in soluzione, il che significa che sono potenzialmente scalabili, ma attualmente raggiungono il picco del 12% di efficienza. Le celle solari di Perovskite sono un convertitore di energia solare molto efficiente e hanno eccellenti proprietà optoelettriche per scopi fotovoltaici, ma sono costose e difficili da produrre.

applicazioni

Sistemi fotovoltaici
Un impianto fotovoltaico, o impianto solare fotovoltaico, è un sistema di alimentazione progettato per fornire energia solare utilizzabile tramite il fotovoltaico. Consiste in una disposizione di diversi componenti, tra cui pannelli solari per assorbire e convertire direttamente la luce solare in energia elettrica, un inverter solare per cambiare la corrente elettrica da CC a CA, nonché il montaggio, il cablaggio e altri accessori elettrici. Gli impianti fotovoltaici spaziano da piccoli sistemi montati sul tetto o integrati nell’edificio, con capacità da poche a diverse decine di kilowatt, a grandi centrali elettriche di centinaia di megawatt. Oggigiorno, la maggior parte dei sistemi fotovoltaici è collegata alla rete, mentre i sistemi stand-alone rappresentano solo una piccola parte del mercato.

Tetti e costruzione di sistemi integrati
Gli array fotovoltaici sono spesso associati agli edifici: integrati in essi, montati su di essi o montati nelle vicinanze sul terreno. I sistemi fotovoltaici su tetto vengono spesso montati su edifici esistenti, solitamente montati sulla struttura del tetto esistente o sui muri esistenti. In alternativa, un array può essere posizionato separatamente dall’edificio ma collegato via cavo per alimentare l’edificio. Il fotovoltaico integrato nell’edificio (BIPV) viene sempre più incorporato nel tetto o nelle pareti di nuovi edifici domestici e industriali come fonte principale o ausiliaria di energia elettrica. A volte vengono utilizzate anche tegole con celle fotovoltaiche integrate. A condizione che ci sia uno spazio aperto in cui l’aria può circolare, i pannelli solari montati sul tetto possono fornire un effetto di raffreddamento passivo sugli edifici durante il giorno e anche mantenere il calore accumulato durante la notte. Tipicamente, i sistemi per tetti residenziali hanno una capacità ridotta di circa 5-10 kW, mentre i sistemi di tetti commerciali spesso ammontano a diverse centinaia di kilowatt. Sebbene i sistemi da tetto siano molto più piccoli delle centrali elettriche montate su cavalletto, rappresentano la maggior parte della capacità installata a livello mondiale.

Fotovoltaico concentratore
Concentrator photovoltaics (CPV) è una tecnologia fotovoltaica che, contrariamente ai convenzionali sistemi PV a piastra piatta, utilizza lenti e specchi curvi per focalizzare la luce solare su celle solari MJ (small-junction) piccole ma altamente efficienti. Inoltre, i sistemi CPV utilizzano spesso inseguitori solari e talvolta un sistema di raffreddamento per aumentare ulteriormente la loro efficienza. La ricerca e lo sviluppo in corso stanno rapidamente migliorando la loro competitività nel segmento delle utility scale e nelle aree di alta insolazione solare.

Collettore solare ibrido termico fotovoltaico
Il collettore solare termico ibrido fotovoltaico (PVT) è un sistema che converte la radiazione solare in energia termica ed elettrica. Questi sistemi combinano una cella fotovoltaica solare, che converte la luce solare in elettricità, con un collettore solare termico, che cattura l’energia residua e rimuove il calore disperso dal modulo fotovoltaico. La cattura di elettricità e calore consente a questi dispositivi di avere una maggiore energia e quindi di essere più efficienti dal punto di vista energetico rispetto al solare fotovoltaico o al solare termico da soli.

Centrali elettriche
Molte fattorie solari su scala industriale sono state costruite in tutto il mondo. A partire dal 2015, la Solar Star da 579 megawatt (MWAC) è la più grande centrale fotovoltaica del mondo, seguita dalla Desert Sunlight Solar Farm e dalla Topaz Solar Farm, entrambe con una capacità di 550 MWAC, costruita dalla società statunitense First Solar, utilizzando i moduli CdTe, una tecnologia fotovoltaica a film sottile. Tutte e tre le centrali elettriche si trovano nel deserto californiano. Molte fattorie solari in tutto il mondo sono integrate con l’agricoltura e alcune utilizzano sistemi di tracciamento solare innovativi che seguono il percorso quotidiano del sole attraverso il cielo per generare più elettricità rispetto ai sistemi fissi convenzionali. Non ci sono costi o emissioni di carburante durante il funzionamento delle centrali elettriche.

Elettrificazione rurale
I paesi in via di sviluppo in cui molti villaggi sono spesso a più di cinque chilometri dalla rete elettrica usano sempre più il fotovoltaico. In località remote in India, un programma di illuminazione rurale ha fornito illuminazione a LED ad energia solare per sostituire le lampade a cherosene. Le lampade ad energia solare sono state vendute a circa il costo di alcuni mesi di fornitura di cherosene. Cuba sta lavorando per fornire energia solare per le aree fuori dalla rete. Le applicazioni più complesse di utilizzo di energia solare fuori rete includono stampanti 3D. Le stampanti RepRap 3D sono state alimentate a energia solare con tecnologia fotovoltaica, che consente la produzione distribuita per lo sviluppo sostenibile. Si tratta di aree in cui i costi e i benefici sociali offrono un’ottima opportunità per passare al solare, anche se la mancanza di redditività ha relegato tali sforzi agli sforzi umanitari. Tuttavia, nel 1995 i progetti di elettrificazione rurale solare erano stati giudicati difficili da sostenere a causa di economia sfavorevole, mancanza di supporto tecnico e un retaggio di ulteriori motivi del trasferimento tecnologico da nord a sud.

Sistemi autonomi
Fino a un decennio fa, il fotovoltaico veniva usato frequentemente per alimentare calcolatrici e dispositivi di novità. I miglioramenti nei circuiti integrati e nei display a cristalli liquidi a bassa potenza consentono di alimentare tali dispositivi per diversi anni tra un cambio batteria e l’altro, rendendo meno frequente l’utilizzo del fotovoltaico. Al contrario, i dispositivi fissi remoti alimentati ad energia solare hanno visto un crescente utilizzo recentemente in luoghi in cui i costi di connessione significativi rendono la rete elettrica proibitiva. Tali applicazioni comprendono lampade solari, pompe dell’acqua, parchimetri, telefoni di emergenza, compattatori di rifiuti, segnali stradali temporanei, stazioni di ricarica e postazioni e segnali di protezione a distanza.

Floatovoltaics
Nel maggio 2008, la Far Niente Winery di Oakville, in California, ha aperto la strada al primo sistema “floatovoltaico” al mondo installando 994 pannelli solari fotovoltaici su 130 pontoni e facendoli galleggiare nello stagno di irrigazione della cantina. Il sistema flottante genera circa 477 kW di picco di potenza e, quando combinato con una serie di celle situate adiacenti allo stagno, è in grado di compensare completamente il consumo di elettricità della cantina. Il principale vantaggio di un impianto fotovoltaico è che evita la necessità di sacrificare un’area di terreno preziosa che potrebbe essere utilizzata per un altro scopo. Nel caso della Far Niente Winery, il sistema fluttuante risparmiava tre quarti di un acro che sarebbe stato necessario per un sistema terrestre. Quella terra può invece essere utilizzata per l’agricoltura. Un altro vantaggio di un impianto fotovoltaico è che i pannelli sono mantenuti a una temperatura inferiore rispetto a quelli che si troverebbero sulla terraferma, portando a una maggiore efficienza nella conversione dell’energia solare. I pannelli galleggianti riducono anche la quantità di acqua persa per evaporazione e inibiscono la crescita delle alghe.

Nel trasporto
Il fotovoltaico è stato tradizionalmente utilizzato per l’energia elettrica nello spazio. Il fotovoltaico viene utilizzato raramente per fornire potenza motrice nelle applicazioni di trasporto, ma viene sempre più utilizzato per fornire energia ausiliaria a imbarcazioni e automobili. Alcune automobili sono dotate di climatizzazione ad energia solare per limitare le temperature interne nelle giornate più calde. Un veicolo solare autonomo avrebbe potenza e utilità limitate, ma un veicolo elettrico a carica solare consente l’uso dell’energia solare per il trasporto. Sono state dimostrate auto, barche e aeroplani a energia solare, con la più pratica e probabile che siano auto solari. L’aereo solare svizzero Solar Impulse 2 ha realizzato il volo ininterrotto più lungo della storia e prevede di realizzare la prima circumnavigazione aerea del mondo a energia solare nel 2015.

Telecomunicazione e segnalazione
L’energia solare fotovoltaica è ideale per applicazioni di telecomunicazione come centralini telefonici locali, trasmissioni radio e TV, microonde e altre forme di collegamenti di comunicazione elettronica. Questo perché, nella maggior parte delle applicazioni di telecomunicazione, le batterie di accumulo sono già in uso e l’impianto elettrico è sostanzialmente DC. Nei terreni collinosi e montuosi, i segnali radio e TV potrebbero non arrivare mentre vengono bloccati o riflessi a causa del terreno ondulato. In queste posizioni, i trasmettitori a bassa potenza (LPT) sono installati per ricevere e ritrasmettere il segnale per la popolazione locale.

Applicazioni di veicoli spaziali
I pannelli solari su veicoli spaziali sono solitamente l’unica fonte di energia per far funzionare i sensori, riscaldamento e raffreddamento attivi e comunicazioni. Una batteria memorizza questa energia per l’uso quando i pannelli solari sono in ombra. In alcuni, il potere è anche usato per la propulsione propulsione elettrica-veicolo spaziale. I veicoli spaziali sono stati una delle prime applicazioni del fotovoltaico, a partire dalle celle solari in silicio utilizzate sul satellite Vanguard 1, lanciate dagli Stati Uniti nel 1958. Da allora, l’energia solare è stata utilizzata in missioni che vanno dalla sonda MESSENGER a Mercury, fino a lontano nel sistema solare come la sonda Juno a Giove. Il più grande sistema di energia solare trasportato nello spazio è il sistema elettrico della Stazione Spaziale Internazionale. Per aumentare la potenza generata per chilogrammo, i pannelli solari tipici di veicoli spaziali utilizzano celle solari multigonutriere rettangolari ad alto costo, ad alta efficienza e a chiusura ravvicinata fatte di arseniuro di gallio (GaAs) e altri materiali semiconduttori.

Sistemi di alimentazione speciali
Il fotovoltaico può anche essere incorporato come dispositivi di conversione di energia per oggetti a temperature elevate e con emissività radiative preferibili come i combustori eterogenei.

vantaggi
I 122 PW di luce solare che raggiungono la superficie terrestre sono abbondanti, quasi 10.000 volte di più dei 13 TW equivalenti di potenza media consumata nel 2005 dagli esseri umani. Questa abbondanza porta a suggerire che non passerà molto tempo prima che l’energia solare diventerà la principale fonte di energia del mondo. Inoltre, la generazione di energia solare ha la più alta densità di potenza (media globale di 170 W / m2) tra le energie rinnovabili.

L’energia solare è senza inquinamento durante l’uso, il che le consente di ridurre l’inquinamento quando viene sostituito da altre fonti di energia. Ad esempio, il MIT ha stimato che 52.000 persone all’anno muoiono prematuramente negli Stati Uniti a causa dell’inquinamento da centrali a carbone e tutti tranne uno di questi decessi potrebbero essere impediti dall’uso del fotovoltaico per sostituire il carbone. La produzione di rifiuti e le emissioni sono gestibili utilizzando i controlli antinquinamento esistenti. Le tecnologie di riciclaggio di fine uso sono in fase di sviluppo e vengono elaborate politiche che incoraggiano il riciclaggio da parte dei produttori.

Gli impianti fotovoltaici possono funzionare per 100 anni o anche di più con poca manutenzione o intervento dopo il loro allestimento iniziale, quindi dopo il costo iniziale capitale della costruzione di qualsiasi impianto solare, i costi operativi sono estremamente bassi rispetto alle tecnologie energetiche esistenti.

L’elettricità solare collegata alla rete può essere utilizzata localmente, riducendo così le perdite di trasmissione / distribuzione (le perdite di trasmissione negli Stati Uniti sono state di circa il 7,2% nel 1995).

Rispetto alle fonti di energia fossile e nucleari, sono stati investiti pochissimo denaro per la ricerca nello sviluppo delle celle solari, quindi c’è un notevole margine di miglioramento. Tuttavia, le celle solari sperimentali ad alta efficienza hanno già un’efficienza superiore al 40% nel caso di celle fotovoltaiche a concentrazione e l’efficienza aumenta rapidamente mentre i costi di produzione di massa stanno rapidamente calando.

In alcuni stati degli Stati Uniti, gran parte dell’investimento in un sistema montato a casa può andare perso se il proprietario di casa si sposta e l’acquirente apporta meno valore al sistema rispetto al venditore. La città di Berkeley ha sviluppato un metodo di finanziamento innovativo per rimuovere questa limitazione, aggiungendo una valutazione fiscale che viene trasferita con la casa per pagare i pannelli solari. Ora noto come PACE, Property Assessed Clean Energy, 30 stati degli USA hanno duplicato questa soluzione.

Ci sono prove, almeno in California, che la presenza di un sistema solare montato in casa può effettivamente aumentare il valore di una casa. Secondo un articolo pubblicato nell’aprile 2011 dal Laboratorio nazionale Ernest Orlando Lawrence Berkeley dal titolo An Analysis of the Effects of Residential Fotovoltaic Energy Systems sui prezzi delle vendite domestiche in California:

La ricerca trova una forte evidenza che le case con sistemi fotovoltaici in California sono state vendute come premium rispetto a case comparabili senza sistemi fotovoltaici. Più specificamente, le stime per i premi PV medi vanno da circa $ 3,9 a $ 6,4 per Watt installato (DC) tra un gran numero di specifiche del modello differenti, con la maggior parte dei modelli che si sta avvicinando a circa $ 5,5 / watt. Tale valore corrisponde a un premio di circa $ 17.000 per un sistema fotovoltaico relativamente nuovo da 3.100 watt (la dimensione media dei sistemi fotovoltaici nello studio).
limitazioni

Inquinamento ed energia nella produzione
Il fotovoltaico è stato un metodo ben noto per generare elettricità pulita e priva di emissioni. Gli impianti fotovoltaici sono spesso costituiti da moduli fotovoltaici e inverter (che cambiano da CC a CA). I moduli fotovoltaici sono costituiti principalmente da celle fotovoltaiche, che non ha alcuna differenza fondamentale nel materiale per la produzione di chip per computer. Il processo di produzione di celle fotovoltaiche (chip informatici) è ad alta intensità energetica e comporta sostanze chimiche tossiche altamente tossiche e ambientali. Ci sono pochi impianti di produzione fotovoltaica in tutto il mondo che producono moduli fotovoltaici con energia prodotta da PV. Questa misura riduce notevolmente l’impronta di carbonio durante il processo di produzione. La gestione delle sostanze chimiche utilizzate nel processo di produzione è soggetta alle leggi e ai regolamenti locali delle fabbriche.

Impatto sulla rete elettrica
Con i crescenti livelli dei sistemi fotovoltaici sul tetto, il flusso di energia diventa bidirezionale. Quando c’è più generazione locale che consumo, l’elettricità viene esportata nella rete. Tuttavia, la rete elettrica tradizionalmente non è progettata per gestire il trasferimento di energia a 2 vie. Pertanto, potrebbero verificarsi alcuni problemi tecnici. Ad esempio, nel Queensland in Australia, ci sono più del 30% di famiglie con fotovoltaico sul tetto entro la fine del 2017. La famosa curva antropomorfa 2020 della California appare molto spesso per molte comunità dal 2015 in poi. Un problema di sovratensione potrebbe venire fuori dal flusso di elettricità da queste case fotovoltaiche verso la rete. Esistono soluzioni per gestire il problema della sovratensione, come la regolazione del fattore di potenza dell’inverter fotovoltaico, nuove apparecchiature di controllo della tensione e dell’energia a livello del distributore di elettricità, conduttore dei cavi elettrici, gestione del lato di domanda, ecc. Spesso ci sono limitazioni e costi relativi a queste soluzioni.

Implicazione sulla gestione della bolletta elettrica e sugli investimenti energetici
Non esiste un punto d’argento nell’elettricità o nella domanda di energia e nella gestione delle bollette, perché i clienti (siti) hanno situazioni specifiche diverse, ad es. diverse esigenze di comfort / convenienza, diverse tariffe elettriche o diversi modelli di utilizzo. La tariffa dell’elettricità può avere alcuni elementi, come l’accesso giornaliero e la carica di misura, la carica energetica (basata su kWh, MWh) o la carica di picco (ad esempio un prezzo per il massimo consumo energetico di 30 minuti in un mese). Il fotovoltaico è un’opzione promettente per ridurre la carica energetica quando il prezzo dell’elettricità è ragionevolmente alto e in continuo aumento, come in Australia e in Germania. Tuttavia, per i siti con una tariffa di picco della domanda, il fotovoltaico potrebbe essere meno attraente se le richieste massime si verificano soprattutto nel tardo pomeriggio fino a prima serata, ad esempio nelle comunità residenziali. Nel complesso, gli investimenti energetici sono in gran parte una decisione economica ed è meglio prendere decisioni di investimento basate sulla valutazione sistematica delle opzioni in termini di miglioramento operativo, efficienza energetica, generazione in loco e stoccaggio di energia.