Come funziona il fotovoltaico a concentrazione

Fotovoltaico tradizionale e a concentrazione

Rispetto a quello tradizionale, il fotovoltaico a concentrazione sfrutta in maniera più efficiente l'energia solare. É una tecnologia sviluppata relativamente di recente, ma che si è già imposta all'attenzione, perché sembra promettere benefici sia economici che prestazionali. I pannelli solari a concentrazione rappresentano quindi il futuro di questo tipo di energia rinnovabile, che ha molte potenzialità nelle zone a grande irraggiamento. Si tratta, infatti di un sistema che raggiunge alte rese in presenza di luce solare diretta, ossia nella fascia meridionale dell’Europa, nella fascia tropicale e in quella equatoriale. Dal punto di vista tecnico, il fotovoltaico a concentrazione funziona come quello tradizionale, ossia attraverso l’effetto fotovoltaico l'impianto converte la radiazione solare in energia elettrica.

Differenze col sistema tradizionale

Abbiamo detto che il principio di produzione dell'energia elettrica è lo stesso, quindi perchè sarebbe preferibile usare il fotovoltaico a concentrazione rispetto a quello tradizionale attualmente in uso?Prima di tutto per una questione di costi di produzione, che in quello a concentrazione sarebbero più bassi, grazie all'utilizzo di minori quantità di silicio nelle celle solari. In secondo luogo, si avrebbe un minore spreco di energia, dal momento che l'impianto verrebbe progettato per seguire i movimenti del sole, per operare sempre con i raggi solari sull’asse ottico del concentratore primario, ossia del sistema di specchi che convoglia l’energia solare nel punto in cui si trova il ricevitore fotovoltaico.Sebbene per ora la tecnologia sia ancora in fase di messa a punto e non sia ancora utilizzata in ambito residenziale, l'idea è che si arrivi a installare i moduli a concentrazione sui tetti delle abitazioni, nello stesso spazio che occuperebbe un impianto convenzionale, ma con la capacità di produrre molta più elettricità.

Funzionamento del fotovoltaico a concentrazione

Un impianto fotovoltaico a concentrazione è composto da diverse parti:- una serie di specchi, o lenti, che hanno lo scopo di concentrare i raggi solari su celle fotovoltaiche ad alta efficienza, in grado di ricevere l’irraggiamento e trasformarlo in energia elettrica a corrente continua;- un numero variabile di inverter per trasformare la corrente continua in corrente alternata;- quadri elettrici e cablaggi.I raggi solari vengono catturati dagli specchi ottici, formati da lenti o prismi, vengono scissi in diverse frequenze e inviati alle celle fotovoltaiche.Per operare alla massima produttività, le celle solari devono lavorare in un intervallo delimitato di temperature: superare le soglie, infatti, causerebbe conseguenze negative come perdita di efficienza e danni irreversibili alla cella.

Benefici e svantaggi

Come abbiamo detto, il sistema fotovoltaico a concentrazione è ancora in fase di messa a punto per l'uso domestico. La sperimentazione fin qui fatta ha comunque potuto evidenziare vantaggi e svantaggi di questa nuova tecnologia. Tra i primi ci sono sicuramente i costi di produzione più contenuti, perchè la quantità di silicio utilizzata è minore rispetto a quella delle celle normali, mentre le elevate prestazioni producono un aumento dei ricavi, così da ammortizzare più velocemente l'investimento iniziale nell'impianto solare. Inoltre, la produzione di energia elettrica avviene nel corso dell'intera giornata, grazie al sistema di inseguimento solare.Ma il rovescio della medaglia è che risulta fondamentale pulire spesso l'impianto da polvere e sporcizia, affinché gli specchi svolgano in maniera efficace la loro funzione riflettente e convogliante. Inoltre, le celle rischiano di surriscaldarsi velocemente, per questo devono essere dotate di efficienti sistemi di dissipazione del calore, che a loro volta consumano energia e hanno un certo costo.

Domande frequenti

Qual è la differenza principale tra il fotovoltaico tradizionale e quello a concentrazione?

La differenza sostanziale risiede nel metodo di captazione della luce. Mentre il fotovoltaico tradizionale utilizza pannelli piatti che assorbono direttamente la radiazione solare su tutta la superficie, il sistema a concentrazione impiega specchi o lenti per focalizzare i raggi solari su piccole celle ad alta efficienza. Questo permette di utilizzare una quantità molto inferiore di materiale semiconduttore costoso, come il silicio, riducendo i costi di produzione. Inoltre, il sistema a concentrazione è spesso dotato di meccanismi di inseguimento solare che orientano continuamente gli specchi verso il sole, massimizzando l'efficienza durante il giorno.
Il fotovoltaico a concentrazione può essere installato sulle case private oggi?

Attualmente, questa tecnologia non è ancora diffusa per l'uso residenziale standard, poiché si trova ancora in una fase avanzata di messa a punto e sperimentazione. Tuttavia, l'obiettivo finale è proprio quello di renderla compatibile con i tetti delle abitazioni, offrendo una potenza superiore a parità di spazio occupato rispetto ai pannelli convenzionali. Per ora, le applicazioni principali riguardano grandi impianti industriali o centrali elettriche in aree con alto irraggiamento, dove la complessità tecnica e i costi di gestione possono essere sostenuti economicamente.
In quali zone geografiche il fotovoltaico a concentrazione è più efficace?

Questa tecnologia mostra le sue massime potenzialità e rendimenti nelle aree caratterizzate da forte irraggiamento solare diretto. Sono ideali le regioni a bassa latitudine, come la fascia tropicale ed equatoriale, oppure il sud Europa. Nei luoghi dove la luce solare è diffusa o dove ci sono frequenti nuvolosità, l'efficacia del sistema diminuisce significativamente, poiché dipende dalla capacità degli specchi di concentrare i raggi diretti. Pertanto, la scelta di questa tecnologia richiede un'attenta valutazione della disponibilità di sole diretto nella specifica località.
Quali sono i principali svantaggi e problemi di manutenzione di questo impianto?

I punti critici principali riguardano la gestione termica e la pulizia. Le celle fotovoltaiche concentrate operano a densità energetiche elevatissime, rischiando di surriscaldarsi rapidamente; ciò richiede sistemi attivi di dissipazione del calore che consumano parte dell'energia prodotta e aumentano i costi. Inoltre, la precisione ottica degli specchi richiede una manutenzione costante: polvere, sporco o insetti possono bloccare la riflessione della luce, riducendo drasticamente l'efficienza. Una pulizia regolare e accurata è quindi fondamentale per garantire il corretto funzionamento e la durata dell'impianto.
Perché il fotovoltaico a concentrazione è considerato più economico da produrre?

Il risparmio sui costi di produzione deriva principalmente dall'ottimizzazione dei materiali. Utilizzando lenti o specchi per concentrare la luce su una piccola area, è possibile impiegare celle fotovoltaiche di dimensioni ridotte ma ad altissima efficienza, invece di grandi lastre di silicio. Poiché il silicio di grado solare è uno dei componenti più costosi, ridurne l'quantità abbassa significativamente il prezzo di fabbricazione del modulo. Questo vantaggio economico, unito alla maggiore produzione di energia nello stesso spazio, dovrebbe permettere un ritorno sull'investimento più rapido rispetto alle tecnologie tradizionali.