Fotovoltaico a concentrazione – Il rapporto di concentrazione e le caratteristiche della radiazione solare


Con questo articolo iniziamo a trattare l’argomento del fotovoltaico a concentrazione, una tecnologia emergente con forti potenzialità di sviluppo.

Il principio su cui si basa la tecnologia del solare fotovoltaico a concentrazione, detto anche CPV (Concentration Photo-Voltaic), consiste nel focalizzare la radiazione solare su celle fotovoltaiche di dimensioni significativamente inferiori a quelle convenzionali, conseguendo vantaggi in termini di efficienza e di costi.

Radiazione Solare

Radiazione Solare

Il parametro che caratterizza l’intensità della concentrazione di un dispositivo di questo genere è il rapporto di concentrazione, espresso normalmente in numero di soli (indicati con X). Una superficie A colpita dalla radiazione solare può convogliare le radiazioni verso una superficie più piccola a tramite un dispositivo ottico: l’energia elettrica ricavabile è equivalente a quella della superficie più grande e il rapporto di concentrazione è definito appunto come A/a. Generalmente, quando il rapporto di concentrazione supera i 300X si parla di alta concentrazione.

È noto che non tutta la radiazione luminosa prodotta dal sole raggiunge la superficie terrestre: parte di essa viene riflessa nello spazio e parte viene diffusa in tutte le direzioni, producendo il caratteristico colore azzurro del cielo. La parte che raggiunge la superficie terrestre rappresenta circa il 55% del totale.

L’energia raccolta da un sistema fotovoltaico è direttamente proporzionale alla radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre, espressa in W/m2. Essa si distingue in diretta, diffusa e riflessa (o albedo): mentre la radiazione diretta colpisce una qualsiasi superficie con un unico e ben definito angolo di incidenza, quella diffusa incide su di essa con vari angoli. Quando la radiazione diretta non può colpire una superficie a causa della presenza di un ostacolo, l’area ombreggiata non si trova mai completamente oscurata, grazie al contributo della componente diffusa: questa osservazione ha rilevanza tecnica nel caso di quei dispositivi fotovoltaici che possono operare anche in presenza di sola radiazione diffusa, come i pannelli a film sottile. Una superficie inclinata può ricevere, inoltre, la radiazione riflessa da terreno, specchi (compresa l’acqua) o altre superfici orizzontali.

Le proporzioni di radiazione riflessa, diffusa e diretta ricevuta da una superficie dipendono:

  • dalle condizioni meteorologiche: in una giornata nuvolosa la radiazione è pressoché totalmente diffusa; in una giornata serena con clima secco, viceversa, predomina la componente diretta, che può arrivare fino al 90% della radiazione totale
  • dall’inclinazione della superficie rispetto al piano orizzontale: una superficie orizzontale riceve infatti la massima radiazione diffusa e la minima riflessa e la componente riflessa aumenta al crescere dell’inclinazione
  • dalla presenza di superfici riflettenti: il contributo maggiore alla riflessione è dato dalle superfici chiare, infatti la radiazione riflessa aumenta in inverno, per effetto della presenza di neve, e diminuisce in estate, per effetto di assorbimento di colori scuri quali quello dell’erba o dei terreno.

L’intensità della radiazione solare incidente su una superficie al suolo è influenzata dall’angolo di inclinazione della radiazione stessa. La posizione ottimale, in pratica, si ha quando la superficie è orientata a sud con angolo di inclinazione pari alla latitudine del sito. Al variare della località, inoltre, varia il rapporto fra la radiazione solare diffusa e quella totale, poiché all’aumentare dell’inclinazione della superficie di captazione diminuisce la componente diffusa e aumenta la componente riflessa. Per le località italiane, tuttavia, deviazioni di una decina di gradi rispetto all’inclinazione ottimale causano variazioni di energia raccolta dell’ordine di pochi punti percentuali. Nel nostro Paese la quantità di radiazione solare è influenzata, oltre che da questi fattori, anche dalla presenza del Mediterraneo e dell’arco alpino.

Un parametro importante per individuare se un sito presenta buone caratteristiche di irradiazione solare è il DNI (Direct Normal Irradiation), ovvero il valor medio diurno della radiazione solare diretta al suolo sul piano ortogonale alla direzione dei raggi solari.

Direct Normal Irradiation

Direct Normal Irradiation

Oltre alle caratteristiche della radiazione solare, un fattore che influenza direttamente il rendimento delle celle fotovoltaiche è l’estensione dello spettro solare.

Solar spectrum and bulk silicon absorption spectrum

Solar spectrum and bulk silicon absorption spectrum (Courtesy: Energy Research Centre of the Netherlands) electroiq.com

Come è noto, infatti, soltanto i fotoni caratterizzati da opportuni valori di frequenza danno luogo all’effetto fotovoltaico, dipendentemente dal gap energetico della cella fotovoltaica, una caratteristica intrinseca del materiale di cui essa è costituita. Le celle fotovoltaiche usualmente utilizzate per i sistemi fotovoltaici piani sono a base di silicio, il quale è sensibile al colore blu, molto sensibile al verde e al giallo e poco al rosso, mentre è completamente insensibile all’infrarosso. In pratica soltanto le lunghezze d’onda comprese fra 0,55 e 0,75 micron vengono catturate con efficienza quantistica superiore al 90%, e ciò fa sì che quasi la metà dell’energia associata allo spettro di radiazione solare non venga convertita in energia elettrica.

In conclusione, possiamo affermare che negli ultimi anni la ricerca nel settore fotovoltaico si è spinta verso soluzioni atte a massimizzare la raccolta della radiazione solare incidente. Questo obiettivo può essere raggiunto attraverso diverse soluzioni, tra le quali:

  • sviluppo di celle fotovoltaiche sensibili alla componente diffusa (es. tecnologie thin-film) e/o alle diverse componenti dello spettro solare (es. celle a multigiunzione)
  • studio di sistemi di concentrazione, che permettono soprattutto di sfruttare la componente riflessa
  • ottimizzazione dei sistemi di tracking o inseguimento solare, in grado di orientare i pannelli in maniera da massimizzare la superficie di aptazione della radiazione solare.

Nei prossimi post parleremo delle principali tipologie dei sistemi CPV e delle relative soluzioni tecnologiche adottate per massimizzare la raccolta della radiazione solare.

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