Modul fotovoltaic

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

În ingineria energetică, un panou fotovoltaic este un dispozitiv optoelectronic , compus din module fotovoltaice , la rândul lor alcătuite din celule fotovoltaice , capabile să transforme energia solară în electricitate prin intermediul unui efect fotovoltaic , utilizat de obicei ca generator

Istorie

Principalele etape ale tehnologiei fotovoltaice: [1]

Compoziţie

Celula fotovoltaică

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Celula solară .
O celulă fotovoltaică din siliciu policristalin

Celula fotovoltaică , sau celula solară , este elementul de bază în construcția unui modul fotovoltaic. Este un dispozitiv electric care convertește energia luminii direct în electricitate prin efectul fotovoltaic . Panourile fotovoltaice obișnuite pe piață sunt formate din 48, 60, 72 sau până la 96 de celule fiecare.

Formulare

Modulele mono sau poli-cristaline din siliciu reprezintă majoritatea pieței; sunt tehnologii similare constructiv și necesită ca fiecare celulă fotovoltaică să fie conectată la suprafață cu o rețea de material conductor care canalizează electronii . Fiecare celulă este conectată la celelalte prin benzi metalice, astfel încât să formeze circuite adecvate în serie și în paralel . Nevoia de siliciu foarte pur prin proceduri de purificare a oxidului de siliciu natural (SiO 2 , silice ) crește costul celulei fotovoltaice.

Un strat subțire de acetat de vinil (adesea indicat prin abrevierea EVA ) este plasat pe o suprafață de sprijin din spate, realizată în general dintr-un material izolant cu expansiune termică redusă, cum ar fi sticla călită sau un polimer precum tedlar , matricea modulelor preconectate de mijloacele panglicilor menționate mai sus, un al doilea strat de acetat și un material transparent care acționează ca o protecție mecanică frontală pentru celulele fotovoltaice, în general sticlă călită. După procesul de turnare sub presiune , care transformă EVA în simplu lipici inert, terminațiile electrice ale panglicilor sunt închise într-un bloc terminal etanș fixat în general pe suprafața suportului spate, iar rezultatul obținut este fixat pe un cadru din aluminiu , care va fi util.fixarea panoului la structurile de susținere proiectate să-l susțină și să-l orienteze corespunzător spre soare.

Construirea modulului fotovoltaic din siliciu

Modulul fotovoltaic din siliciu este alcătuit din mai multe straturi de materii prime numite laminat și materiale accesorii pentru al face utilizabil

Laminat

Stratificarea stratificatului

Laminatul este preparat cu următoarele materiale:

  • Sticlă (modulele construite în Italia utilizează de obicei sticlă de 4 mm grosime)
  • Etilen vinil acetat - EVA
  • Celule mono sau policristaline
  • EVA (compus elastic utilizat în modulele fotovoltaice pentru protejarea celulelor fotovoltaice)
  • Sticlă sau foaie din spate (coperta inferioară)

Sticla este utilizată ca bază pe care se întinde o foaie subțire de EVA. Deasupra EVA sunt poziționate celulele orientate cu fața fotosensibilă în jos, se întinde o altă foaie de EVA și apoi o foaie de material plastic izolant ( PET sau similar) sau o altă foaie de sticlă. Sticla are un conținut scăzut de fier pentru a asigura o transparență mai mare la lumina soarelui și este temperată. Un pahar de acest tip permite să treacă aproximativ 91,5% din iradierea primită.

Totul este trimis la laminator sau cuptor. Aceasta este o mașină în care, după ce a creat vidul în câteva minute, o placă, pusă în contact, este încălzită la 145 ° C timp de aproximativ zece minute, pentru a favoriza polimerizarea EVA. După acest timp, produsul finit este extras și trimis la prelucrarea ulterioară, după ce a atins caracteristicile cerute de instalarea sa. Dacă laminarea se face corect, laminatul este capabil să reziste elementelor timp de cel puțin 25/30 de ani. Toate procesele ulterioare au scopul principal de a face utilizarea sa mai confortabilă și practică, crescând de fapt ușor rezistența sa în timp.

Implementare

Tehnologii de fabricație

Celulă solară din siliciu monocristalin

Dintre numeroasele materiale care pot fi utilizate pentru construirea modulelor fotovoltaice, siliciul este de departe cel mai utilizat. Siliciul este obținut în napolitane care sunt apoi unite pentru a forma un modul fotovoltaic.
Tipurile de construcție ale celor mai comune celule fotovoltaice sunt:

  • Siliciul monocristalin : celulele au o eficiență de ordinul 18-21%. Ele tind să fie scumpe, deoarece sunt tăiate din bare cilindrice, este dificil să se formeze suprafețe mari fără a pierde material sau spațiu.
  • Siliciul policristalin : celule mai ieftine, dar mai puțin eficiente (15-17%), al căror avantaj constă în ușurința cu care este posibilă tăierea lor în forme potrivite pentru a fi unite în module.
  • Siliciul amorf depus prin faza de vapori : celulele au o eficiență scăzută (8%), dar sunt mult mai ieftine de produs (motiv pentru care în 2016 aproape toate panourile de uz casnic sunt încă de acest tip). Siliciul amorf (Si-a) are o distanță de bandă mai mare decât siliciu cristalin (Si-c) ( 1,7 eV împotriva 1.1 eV ): aceasta înseamnă că este mai eficient în absorbția părții vizibile a spectrului soarelui, dar mai puțin eficient în colectarea părții infraroșii. Deoarece siliciul nanocristalin (cu domenii cristaline de dimensiuni nanometrice) are aproximativ același spațiu de bandă ca Si-c, cele două materiale pot fi combinate pentru a crea o celulă stratificată, în care stratul superior al Si-a absoarbe lumina vizibilă și părăsește infraroșul. o parte a spectrului către celula de siliciu nanocristalină inferioară.
  • CIS : Celulele se bazează pe straturi de calcogenură (de exemplu Cu (InxGa1-x) (SexS1-x) 2). Au o eficiență de până la 15%, dar costul lor este încă foarte mare.
  • Celule fotoelectrochimice : Aceste celule, fabricate pentru prima dată în 1991, au fost inițial concepute pentru a imita procesul de fotosinteză . Acest tip de celulă permite o utilizare mai flexibilă a materialelor și tehnologia de fabricație pare a fi foarte rentabilă. Cu toate acestea, coloranții utilizați în aceste celule suferă de probleme de degradare atunci când sunt expuși la căldură sau lumină ultravioletă. În ciuda acestei probleme, aceasta este o tehnologie emergentă cu un impact comercial așteptat în decurs de aproximativ un deceniu.
  • Celula fotovoltaică hibridă : combină avantajele semiconductorilor organici și diferitelor tipuri de semiconductori anorganici.
  • Celulă fotovoltaică de concentrare : combină tehnologiile de mai sus cu lentile solare de concentrare care sporesc semnificativ eficiența. Ele reprezintă noua generație promițătoare de panouri încă în curs de dezvoltare [3] .

Module cristaline

  • Siliciul monocristalin , în care fiecare celulă este realizată pornind de la o plachetă a cărei structură cristalină este omogenă (monocristal), dopată corespunzător pentru a forma o joncțiune pn ;
  • Siliciul policristalin , în care placheta de mai sus nu este omogenă din punct de vedere structural, ci este organizată în boabe comandate local.

Module de film subțire

Modulele fotovoltaice cu film subțire sunt realizate prin depunerea materialului semiconductor pe un suport asemănător sticlei, pentru ca panourile rigide să fie utilizate în aer liber; sau plastic, în cazul panourilor flexibile pentru utilizări mai puțin convenționale.

Modulul de film subțire este realizat într-un mod monolitic și nu necesită asamblarea mai multor celule, ca în cazul panourilor de siliciu cristaline, în plus, cantitatea de material semiconductor prezentă în panou este considerabil mai mică decât panourile realizate cu celule standard, reducând costurile de producție, pe de altă parte, materialul depus are o deficiență ridicată și, în consecință, panourile cu film subțire vor avea o performanță mai mică decât echivalenții lor monocristalini.

Modulele cu film subțire sunt împărțite în diverse categorii în funcție de materialele semiconductoare depuse pe acesta, dintre cele mai frecvente pe care le găsim:

  • Siliciul amorf , în care atomii de siliciu sunt depuși chimic în forma amorfă sau dezorganizată structural, se formează pe suprafața de susținere. Această tehnologie folosește cantități foarte mici de siliciu (grosimi de ordinul micronilor ). Modulele de siliciu amorf prezintă, în general, o eficiență mai puțin constantă decât alte tehnologii în ceea ce privește valorile nominale, în ciuda garanțiilor în concordanță cu piața. Cele mai interesante date se referă la EROEI , care oferă valori foarte ridicate (în unele cazuri chiar ajungând la 9), care certifică economia acestei tehnologii.
  • Telurură de cadmiu (CdTe): acestea sunt cele mai ieftine panouri cu peliculă subțire cu cea mai mică performanță termodinamică. În mai 2011, Consiliul Europei a confirmat că nu există interzicerea producției sau instalării acestor panouri, pentru a îndeplini obiectivele stabilite în ceea ce privește energia regenerabilă și eficiența energetică; în același timp, având în vedere toxicitatea documentată, a adăugat cadmiu pe lista materialelor interzise în producția electrică sau electronică. Interzicerea utilizării în producția de celule fotovoltaice începe din 2013 (modificarea Directivei: Directiva privind restricționarea substanțelor periculoase din 24 noiembrie 2010).
  • Sulfura de cadmiu microcristalină (CdS), care are costuri de producție foarte mici, deoarece tehnologia utilizată pentru producția sa nu necesită atingerea temperaturilor foarte ridicate necesare topirii și purificării siliciului. Este aplicat pe un suport metalic prin acoperire prin pulverizare , adică este literalmente pulverizat ca o vopsea. Printre dezavantajele legate de producerea acestui tip de celule fotovoltaice se numără toxicitatea cadmiului și eficiența scăzută a dispozitivului.
  • Arsenidul de galiu (GaAs), un aliaj binar cu proprietăți semiconductive, capabil să asigure randamente foarte mari, datorită proprietății de a avea un decalaj direct (spre deosebire de siliciu). Este utilizat în principal pentru aplicații militare sau științifice avansate (cum ar fi misiuni automate de explorare planetară sau fotodetectori deosebit de sensibili). Cu toate acestea, costul prohibitiv al materialului monocristalin din care sunt fabricate celulele, l-a destinat unei utilizări de nișă.
  • Diselenidă de cupru de indiu (CIS), cu opacitate cuprinsă între 100% și 70% obținută prin găurile realizate direct în film.
  • Diselenidă de indiu de cupru de galiu (CIGS)

Variante proprietare

  • Heterojuncție , literalmente joncțiune între diferite substanțe, în care un strat de siliciu cristalin este utilizat ca suprafață de susținere a unuia sau mai multor straturi amorfe sau cristaline, fiecare dintre acestea fiind optimizat pentru o sub-bandă de radiație specifică. Eficiența celulei este îmbunătățită datorită ingineriei band-gap .
  • Siliciul micro- sferic, în care se folosește siliciu policristalin redus în sfere cu un diametru de aproximativ 0,75 mm cușcat într-un substrat de aluminiu .

Dintre tehnologiile menționate, doar amorful și microsfericul permit îndoirea modulului: în cazul amorfului nu există o structură cristalină a materialului care să împiedice îndoirea acestuia, în cazul microsfericului nu este celula ( sferă) care se flexează, dar grila de fagure pe care este așezată.

Date tehnice

Performanță și reveniri

Ca primă aproximare, puterea electrică generată de un modul poate fi derivată din următoarea formulă:

unde este:

  • este iradierea solară perpendiculară pe direcția razelor solare exprimată în Watt / m ^ 2
  • este unghiul de înclinare a modulului față de radiația solară incidentă;
  • este suprafața în m ^ 2 a modulului;
  • este un factor de randament.

În general, prin urmare, performanțele pe unitate de suprafață a modulelor fotovoltaice sunt susceptibile chiar de variații substanțiale bazate pe:

  • performanța materialelor;
  • procentul de toleranță de fabricație în raport cu valorile plăcii;
  • la iradierea la care sunt expuse celulele sale;
  • unghiul sau incidența cu care radiația solară ajunge la suprafața sa;
  • la temperatura de funcționare a materialelor, care tind să „obosească” în medii fierbinți;
  • compoziția spectrului soarelui;
  • la banda spectrală a radiației solare absorbite (evaluată din răspunsul spectral ): celulele pot converti doar o bandă de frecvență a spectrului soarelui în electricitate.

Randamentul sau eficiența unui modul fotovoltaic este definit ca raportul exprimat ca procent între energia captată și transformată în raport cu energia totală incidentă pe suprafața modulului și este, prin urmare, un parametru de calitate sau de performanță al modulului în sine; prin urmare, este proporțional cu raportul dintre wații furnizați și suprafața ocupată, alte condiții fiind egale. La fel ca în toate sistemele de conversie a energiei, eficiența modulului fotovoltaic este întotdeauna mai mică decât unitatea (sau 100%) din cauza pierderilor inevitabile în sistemul real.

Eficiența are în mod evident efecte asupra dimensiunilor fizice ale sistemului fotovoltaic: cu cât este mai mare eficiența, cu atât este mai mică suprafața necesară a panoului fotovoltaic pentru a atinge un anumit nivel de putere electrică. În plus, din motive de construcție, performanța modulelor fotovoltaice este în general mai mică sau egală cu performanța celei mai slabe celule a acestora.

În special, îmbunătățirea eficienței unui modul fotovoltaic poate fi obținută printr-un proces de purificare din ce în ce mai puternic al materialului semiconductor utilizat (cu cât este mai pur, cu atât radiația solară captată și convertită este mai mare) sau prin utilizarea combinată a mai multor materiale semiconductoare care absorb cât mai mult din spectrul posibil al radiației solare incidente. Cu toate acestea, cu cât eficiența este mai mare, cu atât costurile tind să fie mai mari, cu cât procesul de fabricație a celulelor devine mai sofisticat și mai sofisticat.

La nivel de plantă, eficiența celulei depinde, de asemenea, de temperatura celulei în sine. Datele de mai jos se referă la o temperatură a celulei de 25 ° C; pentru celulele Si cristaline, o pierdere de eficiență de aproximativ 0,45% poate fi luată în considerare pentru fiecare grad centigrad de creștere a temperaturii; o celulă Si monocristalină, la o temperatură de 70 ° C, are o pierdere de producție de aproximativ 25%; această temperatură poate fi atinsă în condiții de bună insolație. Celulele de joncțiune multiple (de exemplu GaAs, InGaAs, Ge) au pierderi mult mai mici (0,05% / ° C). Unii colectoare de concentrare pentru uz terestru, derivate din sectorul aerospațial (Boeing - Spectrolab, CESI) și cu joncțiuni multiple, exploatează caracteristici de acest tip și au randamente nominale care depășesc chiar 40% [4] ; Valorile tipice găsite în produsele comerciale comune pe bază de silice sunt în jur:

Prin urmare, rezultă că pentru aceeași producție de electricitate necesară, suprafața ocupată de un câmp fotovoltaic amorf va fi mai mult decât dublă în comparație cu un câmp fotovoltaic cristalin echivalent.

Datorită oboselii naturale a materialelor, performanța unui panou fotovoltaic comun scade cu aproximativ un punct procentual anual. Pentru a garanta calitatea materialelor utilizate, legislația impune o garanție minimă de doi ani asupra defectelor de fabricație și, de asemenea, asupra scăderii performanței siliciului în timp, unde ajunge la cel puțin 20 de ani. Garanția de astăzi în modulele de bună calitate este de 90% din valoarea nominală timp de 10 ani și 80% din valoarea nominală timp de 25 de ani. Alte pierderi de eficiență se datorează invertorului instalației, care are eficiențe de ordinul 90-95%.

La începutul anului 2012, s-a atins noul record de eficiență de 33,9%, obținut cu concentrarea panourilor fotovoltaice în scopuri comerciale, datorită și utilizării trackerelor solare [5] .

Pe de altă parte, dacă dorim să evaluăm eficiența generală a unui sistem format din panouri + invertoare, presupunând pentru primul un randament de 20% și 90% pentru al doilea, am avea un randament total de 0,2x0,9 = 0,18 sau doar 18%.

Cu alte cuvinte, 82% din energia provenită de la soare nu poate fi transformată în electricitate: această eficiență globală foarte scăzută a unui sistem solar este în zilele noastre una dintre problemele care vor trebui depășite.

Toleranţă

O simulare cu toleranță de ± 3%. Nu există zone suprapuse.
O simulare cu toleranță de ± 5%. Există zone evidente de suprapunere între diferite module.
O simulare cu toleranță ± 10%. Suprapunere aproape totală a zonelor de toleranță, o indicație probabilă a calității slabe.

Toleranța de fabricație este un procent dat (în general de la ± 3% la ± 10%) pe care fiecare producător îl declară în raport cu propriile standarde de calitate a producției. Cu cât este mai mică toleranța declarată, cu atât este mai stabilă și previzibilă în timp și performanța electrică a modulului, în aceleași condiții de utilizare.

În majoritatea cazurilor, producătorii produc mai multe versiuni ale aceluiași modul, diferențiate în funcție de puterea nominală, realizându-le în același timp cu aceleași celule, care sunt grupate anterior în familii de performanță similare. Obiectivul operației este de a gestiona cel mai prost celule electric cât mai atent posibil, ceea ce ar putea afecta performanța întregului modul.

Din acest punct de vedere, prin urmare, cu cât familiile de celule uniforme sunt mai numeroase, cu atât toleranța de fabricație ar putea fi mai mică. În realitate, însă, având în vedere curba Gauss care descrie distribuția statistică a calității tuturor celulelor fotovoltaice dintr-un anumit lot de producție, liniile de separare între grupuri de module similare se lărgesc uneori pentru a forma benzi destul de mari.

Astfel, producătorul poate gestiona partea de producție în aceste game:

  1. Declasarea produsului în cauză, pentru a-l considera în limita toleranței pozitive a modulului inferior, cu rezultatul pierderii profitului ;
  2. Prin ridicarea produsului, să îl luăm în considerare în cadrul toleranței negative a modulului superior, cu rezultatul marginalizării mai mult în detrimentul calității efective a produsului.

Din punct de vedere comercial , producătorul garantează legalitatea operațiunii declarând o toleranță de fabricație mai mare decât este necesar în ceea ce privește puterile nominale ale diferitelor module realizate. Efectul imediat pe care îl implică această practică este căderea unor cantități mari de module în benzile menționate mai sus, peste două sau mai multe toleranțe de fabricație.

Având în vedere acest lucru, modulele fotovoltaice de cea mai bună calitate se găsesc printre cele care combină:

  • o toleranță negativă strictă (cea pozitivă poate fi considerată neglijabilă);
  • o zonă zero sau limitată de suprapunere între benzile de toleranță ale diferitelor puteri ale aceluiași modul.

Artificiul toleranței mai larg decât este necesar este o tehnică utilizată doar de producătorii minori, datorită identificării sale ușoare ( este suficientă o broșură cu lista produselor tratate și un calculator ) și suspiciunea că ar crește inevitabil către producător.

Cheltuieli

Pe lângă problemele de eficiență și toleranță, costurile de construcție ale celulelor fotovoltaice, ale modulelor și sistemelor aferente merită o discuție separată. În ceea ce privește celulele fotovoltaice, costurile sunt împovărate până la aproximativ 33% de material (de exemplu, siliciu), inclusiv deșeurile poluante din procesare și procesul costisitor de purificare; în general, costurile materialului de bază cântăresc, de asemenea, disponibilitatea sa fizică în natură pentru a putea obține o economie de scară adecvată și aceasta se referă la metalele dopante (indiu, arsenic, germaniu, telur etc.) care sunt destul de rare, dar nu pentru siliciu care este și abundent pe scoarța terestră ; cu toate acestea, siliciul, deși abundent, nu se găsește niciodată sub formă metalică, ci ca silicat, a cărui reducere la un element metalic este unul dintre cele mai endoergonice procese din întreaga industrie metalurgică, adică necesită consumul unei cantități disproporționate de energie .

Costurile rămase pentru procesele de construcție ale celulei fotovoltaice trebuie apoi adăugate. Gândindu-ne în termeni de module fotovoltaice, la costurile celulei solare trebuie adăugate costurile realizării întregului modul sau al materialelor de asamblare, al așezării la sol folosind materiale, al electronicii de putere necesare ( invertor ), a proiectării, a muncii și a întreținerii.

Ca stimulent pentru construcția sistemelor fotovoltaice, sistemul Conto Energia a fost activ în Italia până în 2013, înlocuit acum cu scutiri de impozite pe costurile instalației.

În cele din urmă, parametrul general de calitate care caracterizează un modul fotovoltaic este raportul cost / eficiență sau, în mod echivalent, costul pe kilowatt-oră produs.

Certificări

Modulele fotovoltaice, dacă sunt utilizate într-un sistem fotovoltaic conectat la rețeaua țărilor Uniunii Europene , trebuie să fie obligatoriu certificate conform standardului IEC 61215 , care determină atât caracteristicile lor electrice, cât și cele mecanice. Printre cele mai importante teste se numără cel care determină puterea în condiții standard de insolație, exprimată în vârf de watt (Wp).

Produse de pe piață

Un modul fotovoltaic de siliciu monocristalin

Cele mai frecvente module fotovoltaice din siliciu cristalin au o dimensiune cuprinsă între 0,5 m² și 2,0 m², cu vârfuri de 2,5 m² în exemplare pentru sisteme mari. Cu toate acestea, nu există un interes deosebit în construirea unor module mari, datorită pierderilor mari de performanță pe care le suferă întregul modul datorită umbririi (sau defecțiunii) unei singure celule.

Cea mai comună putere este de aproximativ 230 Wp a 32 V , în general atins utilizând 60 de celule fotovoltaice (modulul din siliciu policristalin cu 60 de celule este cel mai utilizat în Italia și acoperă aproximativ 90% din module). Suprafața ocupată de modelele comerciale este în general de aproximativ 7,2 m 2 / kWp, ceea ce înseamnă că aproximativ 7,2 metri pătrați de suprafață sunt necesari pentru adăpostirea panourilor pentru un total nominal de 1.000 Wp. Cele mai bune module de pe piață ating o eficiență de 19,6% și, prin urmare, necesită o suprafață de 5.147 metri pătrați la 1.000 Wp.

După doi ani de instabilitate, costurile pentru clientul final ale modulului instalat pe acoperiș s-au stabilizat în gama de 3,50 / 5,00 / Wp în funcție de dimensiunea sistemului (în aprilie 2011 ). Trebuie remarcat faptul că această valoare este susceptibilă de abateri substanțiale în funcție de punctul de detectare din lanțul de produse. Prețul indicat mai sus trebuie considerat prețul modulului instalat pe acoperișul unei reședințe rezidențiale, în timp ce prețul modulelor de siliciu policristalin cu 60 de celule gata de instalare de bună calitate este între 1,50 / 2,00 / Wp

În parcurile solare, costul modulului instalat tinde să fie între 2,50 / 3,50 / Wp

Instabilitatea generală a prețurilor doi ani 2004 / 2005 a fost cauzată de dezechilibrul bruscă dintre cerere și ofertă care rezultă din lansarea simultană a politicilor de încurajare a surselor regenerabile de către țările ratificarea Protocolului de la Kyoto . Deoarece prețul modulului fotovoltaic în siliciu mono sau policristalin este legat în mare parte de costul celulelor (celulele reprezintă aproximativ 75% din totalul materialelor utilizate pentru construcția modulului) în primele luni ale anului 2011 a existat o scădere a prețurilor celulelor datorită scăderii stimulentelor din Germania și Italia.

Plăcile fotovoltaice permit instalarea sistemelor în centrele istorice și în zone supuse constrângerilor de mediu, artistice, arhitecturale sau peisagistice. La prețul unei penalizări modeste a performanței termodinamice, acestea fac posibilă instalarea unui sistem care nu modifică volumul, morfologia, forma, efectul cromatic și reflexia luminii. [6] [7] [8] [9]
Unele hotărâri ale TAR depuse după 2013 tind să afirme o nouă orientare jurisprudențială conform căreia supraintendențele sunt obligate să ofere un motiv analitic și tehnic pentru o posibilă negare, bazată pe presupunerea generală a legitimității economisirii energiei prin soluții care nu afectează impactul. . [10] [11] [12]

Cercetare și inovații

Cercetările din domeniul fotovoltaic vizează creșterea raportului dintre eficiență și costul modulului fotovoltaic. Valoarea redusă a acestui raport constituie cea mai puternică limită pentru afirmarea pe scară largă a acestei tehnologii energetice care se traduce printr-un cost ridicat pe kilowatt-oră produs cel puțin în perioada de amortizare a instalației. Prin urmare, cercetarea este îndreptată spre descoperirea materialelor semiconductoare și a tehnicilor de fabricație care combină costul redus cu eficiența ridicată a conversiei.

La Universitatea din Toronto, în 2005, a fost inventat un material plastic care folosește nanotehnologii pentru a transforma razele solare în electricitate chiar și în banda infraroșie și care, prin urmare, funcționează chiar și pe vreme tulbure [13] . Autorii cercetării speră că prin construirea de panouri fotovoltaice cu acest material se poate obține performanță de cinci ori mai mare decât siliciu, atât de mult încât o acoperire de 0,1% din suprafața pământului ar fi suficientă pentru a înlocui toate centralele electrice actuale. Materialul poate fi pulverizat pe o suprafață, cum ar fi îmbrăcămintea sau caroseria unei mașini.

O colaborare importantă între Eni și MIT este orientarea investițiilor în construcția celulelor fotovoltaice [14] cu materiale organice care își cresc randamentul în comparație cu actualul 15-17% din siliciu.

Compania chineză Suntech Power Holdings, una dintre cele mai importante companii din lume, a estimat în 2015 o eficiență de conversie pe scară largă de 23% în planul de afaceri din decembrie 2010 [15] .

În 2013, compania Sharp a produs celule care au înregistrat un randament record de 43,5%. Le celle sono composte da due o più elementi (ad esempio indio e gallio ), mentre la struttura di base usa tre strati per il fotoassorbimento con arseniuro di indio e gallio . Il record è stato certificato da un organismo indipendente, il Fraunhofer Institute per l'energia solare [16] .

Il neonato fotovoltaico organico consente un abbattimento dei costi, pur senza aumento di efficienza. Questa tecnologia usa pigmenti organici al posto dei semiconduttori inorganici e può sfruttare economiche tecniche realizzative di fotolitografia .

Nel 2013 uno studio pubblicato sulla rivista Science ha rivelato la possibilità di aumentare l'efficienza delle celle solari di circa il 15% rispetto alle tecnologie del momento, utilizzando semiconduttori policristallini con struttura di perovskite . Nel 2018 una azienda di Oxford (Regno Unito) e una di Redwood City (California) stanno per commercializzare tale tecnologia con una efficienza di conversione di circa il 37% ed una riduzione dei costi di produzione. [17]

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Cella fotovoltaica perovskitica .

Riciclaggio

La maggior parte dei componenti di un modulo solare possono essere riutilizzati. Grazie alle innovazioni tecnologiche verificatesi negli ultimi anni, fino al 95% di alcuni materiali semiconduttori o di vetro, così come vaste quantità di metalli ferrosi e non ferrosi impiegati nei moduli fotovoltaici possono essere recuperati. [18] Alcune aziende private e organizzazioni non-profit, come PV CYCLE nell'Unione Europea, sono impegnate in operazioni di raccolta e riciclaggio alla fine del ciclo di vita dei moduli. [19]

Da un modulo standard di 21 kg si possono recuperare circa 15 kg di vetro, 2,8 kg di plastica, 2 kg di alluminio, 1 kg di polvere di silicio e 0,14 kg di rame. Sono oltre 100 milioni i moduli fotovoltaici installati in Italia ed il grosso del mercato del riciclo dei moduli prenderà avvio tra alcuni anni, visto che il tempo di vita di un impianto fotovoltaico è di 20-25 anni. Con le nuove tecnologie da poco introdotte risulta tuttavia già vantaggioso sostituire i vecchi moduli con quelli di ultima generazione che garantiscono efficienze maggiori. [20] Così già agli inizi degli anni novanta gli utilizzatori dei moduli fotovoltaici richiedevano ai produttori delle soluzioni di riciclaggio; visto che a quei tempi la mole di rifiuti da smaltire era molto limitata, gli sforzi dei produttori si focalizzarono sui tradizionali metodi di riciclaggio. Un esempio dei limiti tecnici di quel periodo è offerto dal progetto di Pilkington Solar International che durante gli anni novanta fallì poiché non riusciva a garantire un'adeguata purezza delle frazioni di materiali recuperate. Altri produttori misero a punto delle procedure di riciclaggio più specifiche che non si dimostrarono interessanti da un punto di vista economico; altre imprese si sono dimostrate riluttanti ad impegnarsi in tecnologie altamente specializzate. Il disassemblaggio dei moduli è un'operazione complicata dato che la loro struttura è progettata per resistere ai fenomeni atmosferici; una soluzione semplice ed economica è il trattamento dei moduli in un impianto di riciclaggio per vetro laminato o lo smaltimento in discarica della frazione residua, dopo aver separato la cornice di alluminio e aver effettuato un trattamento in un inceneritore di rifiuti municipali; tale approcci comporta però la perdita di preziose risorse.

il riciclo dei moduli fotovoltaici avviene invece in tre passaggi: nel primo si separano meccanicamente il telaio in alluminio e le derivazioni elettriche. Nel secondo si separa l'EVA, il vetro e il Tedlar dalle celle, ciò può avvenire sia con processo termico (più semplice ma ha lo svantaggio di emettere i gas), sia per mezzo di un processo chimico. Nell'ultimo passaggio il silicio deve essere purificato dallo strato antiriflesso, dai metalli e dai semiconduttori pn. Si ricorre ad un trattamento chimico oa una purificazione mediante laser che però ha un elevato costo, basse efficienze e tempi lunghi. Con il trattamento chimico lo svantaggio sta nella difficoltà di scegliere la composizione, la concentrazione e temperatura ottimale. Le soluzioni usate sono HF/HNO3/H2O, H2SiF6/HNO3/ H2O o H2SiF6/HNO3/C2H4O2. Attualmente solo tre sistemi per il riciclo dei pannelli fotovoltaici sono industrialmente realizzabili (i processi per le tecnologie a film sottile sono invece ancora in fase di sviluppo) [21] [22] [23] :

Il processo Deutsche Solar, una sussidiaria di SolarWorld, è composto da due fasi: un trattamento termico e uno chimico. La cornice viene separata manualmente ed i moduli vengono messi in un forno a 600 °C dove i componenti plastici (EVA e Tedlar) si decompongono e il vetro viene separato manualmente; i gas emessi vengono trattati in un post-combustore e depurati. La lastra di vetro rivestita dallo strato di materiale semiconduttore è sottoposta ad un processo di sabbiatura con getto delicato, le polveri fini che si formano sono aspirate e trattate. Nella parte chimica del trattamento vengono rimossi lo strato di metallizzazione superiore e posteriore, lo strato di rivestimento antiriflettente e la giunzione pn che rivestono il wafer. L'operazione consiste in bagni con l'utilizzo di diversi composti che dipendono dai materiali utilizzati per la costruzione della cella: i solventi principalmente utilizzati sono acido fluoridrico (HF), acido nitrico (HNO3), acido acetico (CH3COOH) ed il perossido di idrogeno (H2O2). È importante non danneggiare la cella per non perdere silicio. Le acque reflue vengono trattate in appositi impianti. Il recupero di silicio dalle celle rotte piuttosto che da quelle intatte si è dimostrato più vantaggioso dal punto di vista economico in quanto è difficile riuscire a salvare le celle per intero poiché gli spessori delle celle sono molto più sottili rispetto al passato (<0,2 mm); si è perciò abbandonato l'obiettivo di recuperare le celle per intero concentrandosi sul recupero di silicio. Un limite di questo processo è l'alto tasso di manualità presente nel ciclo produttivo che ne limita i vantaggi economici ed i ritmi di produzione. I wafer recuperati e quelli nuovi sono di ugual valore dal punto di vista delle caratteristiche elettriche; un'altra limitazione di questo processo è che non esiste una “ricetta universale” per il trattamento chimico: le celle solari di produttori differenti necessitano di trattamenti specifici. La percentuale recuperata in massa è pari al 95,7% e si ottiene un elevato grado di purezza delle singole frazioni di materiali recuperate. Un processo automatizzato è stato sviluppato da Sunicon, un'altra sussidiaria di SolarWorld.

Il processo SolarWorld prima separa meccanicamente le cornici in alluminio e le bandelle di rame; vi è poi la frantumazione e separazione con piastra vibrante che consente di separare il vetro dai frammenti di celle solari. Queste ultime subiscono un trattamento chimico per eliminare i rivestimenti e ricavare il silicio.

Il processo First Solar è specifico per i pannelli in cadmio-tellurio ed è diviso in due fasi: nella frantumazione a due passaggi il pannello privo di cornice viene ridotto a schegge di 4–5 mm, è previsto l'impiego di un sistema di aspirazione dotato di un filtro antiparticolato. I frammenti vengono inseriti per circa 4/6 ore in un tamburo di acciaio inox a rotazione lenta in cui si aggiungono dell'acido solforico diluito e del perossido di idrogeno per l'attacco chimico, il contenuto del tamburo viene poi versato lentamente in un dispositivo per dividere la parte solida, composta da vetro frantumato e pezzi di EVA, dalla parte liquida. I liquidi vengono poi trattati in modo da far precipitare i metalli disciolti. La parte solida passa per un vibrovaglio: i pezzi del vetro, più piccoli, sono separati da quelli più grossi costituiti da EVA ed il vetro viene sottoposto a risciacquatura. La soluzione utilizzata nell'attacco e l'acqua di risciacquo del vetro vengono pompate in un dispositivo di precipitazione, si ottiene così un fango ricco di metalli, inviato ad un fornitore per essere raffinati; i rifiuti liquidi devono essere trattati. La parte solida viene separata per flottazione rendendo la superficie del semiconduttore idrofobica: in questo modo le particelle di vetro si raccolgono insieme ai residui sul fondo ed i prodotti della flottazione vengono rimossi insieme alla schiuma.

Il processo RESOLVED si concentra sul riciclaggio dei moduli CIS e CdT ed è basato su processi meccanici “ad umido”: i moduli subiscono un pretrattamento termico a 450-500 °C, lo strato di EVA viene distrutto favorendo così la separazione del lastre di vetro. Nnei moduli CdTe lo strato fotoattivo si trova sul vetro anteriore mentre nei moduli CIS esso si trova sul vetro posteriore. La lastra di vetro rivestita dai materiali fotoattivi viene sottoposta ad un processo di sabbiatura a recupero con potenza molto bassa, successivamente le polveri della sabbiatura vengono depurate trattate flottazione, processo che per i moduli danneggiati risulterebbe quasi impossibile; in questo caso si esegue un pretrattamento mediante frantumazione: il film semiconduttore viene rimosso dal vetro mediante un sistema di miscelazione dotato di una serie di lame rotanti in cui i materiali foto attivi, insieme a particelle molto fini di vetro, vengono rimossi. Il vantaggio è che non è necessario alcun uso di composti chimici. Nella miscela i materiali foto attivi la separazione dalle particelle di vetro avviene mediante flottazione.

A partire dal 1º luglio 2012 i produttori di pannelli fotovoltaici devono possedere l'attestato di adesione a un consorzio che garantisca il riciclo dei moduli fotovoltaici [24] . In mancanza di tale adesione, comprovata dal relativo attestato da esibire all'atto della vendita, il produttore non potrà permettere al proprio cliente di usufruire degli incentivi. I requisiti che il consorzio/sistema deve soddisfare per garantire la gestione del fine vita dei moduli fotovoltaici installati sugli impianti in esercizio a partire dal 1º luglio 2012 sono stati stabiliti dal GSE ( Gestore dei Servizi Energetici ) nella terza revisione delle "Regole Applicative per il riconoscimento delle tariffe incentivanti previste dal DM 5 maggio 2011", IV Conto Energia.

È dal 2010 che una Conferenza Europea annuale unisce insieme produttori, esperti di riciclaggio e ricercatori per guardare al futuro del riciclaggio di moduli fotovoltaici. Nel 2013 l'evento ha avuto luogo a Roma. [25] [26]

Note

  1. ^ (fonte le Scienze maggio 2006) Per maggiori approfondimenti: dipartimento di stato statunitense per l'energia
  2. ^ The Nobel Prize in Physics 1921
  3. ^ Copia archiviata ( PDF ), su old.scienzaegoverno.org . URL consultato il 6 ottobre 2017 (archiviato dall' url originale il 7 ottobre 2017) .
  4. ^ ( EN ) Boeing difesa-spazio - Boeing Spectrolab Terrestrial Solar Cell Surpasses 40 Percent Efficiency - Comunicato stampa del 6/12/2006 Archiviato il 7 febbraio 2010 in Internet Archive .
  5. ^ Pannelli solari ad alta concentrazione: nuovo record di efficienza - Energia, Fotovoltaico - GreenStyle
  6. ^ Rudy Bressa, La tegola fotovoltaica integrata per il tetto solare c'è ed è made in Italy , su lifegate.it , 27 gennaio 2017 ( archiviato il 14 maggio 2020) .
  7. ^ Anna De Simone, Tegole fotovoltaiche, prezzi e caratteristiche , su ideegreen.it . URL consultato il 14 maggio 2020 (archiviato dall' url originale il 14 maggio 2020) .
  8. ^ Tegole Fotovoltaiche: tipologie, vantaggi e limiti del tetto solare , su informazioneambiente.it , 14 maggio 2017. URL consultato il 14 maggio 2020 (archiviato dall' url originale il 14 maggio 2020) . Ospitato su pgcasa.it .
  9. ^ Tegole fotovoltaiche o pannelli: cosa scegliere? scelta, pregi e difetti , su fotovoltaicosulweb.it ( archiviato il 14 maggio 2020) .
  10. ^ TAR Toscana Sez. 2^ – 17 giugno 2019, n. 885 , su ambientediritto.it . URL consultato il 14 maggio 2020 (archiviato dall' url originale il 14 maggio 2020) .
  11. ^ TAR della Lombardia, (496/2018) , su risparmiobollette.it . URL consultato il 14 maggio 2020 (archiviato dall' url originale il 14 maggio 2020) . e testo della sentenza.
  12. ^ Sentenza Tar Veneto 13 settembre 2013, n. 1104 , su reteambiente.it . URL consultato il 14 maggio 2020 (archiviato dall' url originale il 14 maggio 2020) .
  13. ^ Nature Materials SA McDonald et al., Nature Materials 4, 138 - 142 (2005)
  14. ^ Eni-Mit Solar Frontiers Center (SFC) - Il MIT ed Eni inaugurano a Cambridge il Solar Frontiers Center - Comunicato stampa del 4/05/2010
  15. ^ ( EN ) Welcome to Analyst Day, December 6th 2010, Suntech Power Holdings Co., Ltd. Pagina 80/141
  16. ^ fonte http://www.greenstyle.it/fotovoltaico-record-per-sharp-efficienza-al-435-9895.html
  17. ^ Una nuova tecnologia fotovoltaica per dare impulso alla produzione di energia rinnovabile , su Macitynet.it , 29 dicembre 2018. URL consultato il 30 dicembre 2018 .
  18. ^ Lisa Krueger. 1999. Overview of First Solar's Module Collection and Recycling Program ( PDF ), su bnl.gov , Brookhaven National Laboratory p. 23. URL consultato il agosto 2012 .
  19. ^ Karsten Wambach. 1999. A Voluntary Take Back Scheme and Industrial Recycling of Photovoltaic Modules ( PDF ), su bnl.gov , Brookhaven National Laboratory p. 37. URL consultato il agosto 2012 .
  20. ^ Pannelli solari: lo smaltimento è una vera miniera , su corriere.it .
  21. ^ Vantaggi economici derivanti dal processo di riciclo dei moduli fotovoltaici ( PDF ), su tesi.cab.unipd.it .
  22. ^ Fotovoltaico sostenibile: la gestione e il riciclo dei moduli a fine vita ( PDF ), su amslaurea.unibo.it .
  23. ^ Pannelli fotovoltaici: processi di riciclaggio e convenienza economica ( PDF ), su tesi.cab.unipd.it .
  24. ^ Fotovoltaico: incentivi solo a chi ricicla - IdeeGreen
  25. ^ First Breakthrough In Solar Photovoltaic Module Recycling, Experts Say [ collegamento interrotto ] , su epia.org , European Photovoltaic Industry Association . URL consultato il ottobre 2012 .
  26. ^ 3rd International Conference on PV Module Recycling , su pvcycle.org , PV CYCLE . URL consultato il October 2012 (archiviato dall' url originale il 10 dicembre 2012) .

Voci correlate

Altri progetti

Collegamenti esterni