Fotovoltaico a concentrazione: funzionamento, rendimento e costi

fotovoltaico a concentrazione

Il fotovoltaico a concentrazione o CPV è una tecnologia che consente di ottenere un rendimento anche doppio rispetto al fotovoltaico tradizionale.

Grazie all’utilizzo di particolari celle fotovoltaiche ad alta efficienza, a sistemi di concentrazione della luce ed all’inseguimento solare, trova largo impiego in contesti industriali ma, come vedrai continuando a leggere questo articolo, di recente anche in contesti residenziali.

Vediamo dunque come funziona un impianto fotovoltaico a concentrazione, quali sono i suoi rendimenti, vantaggi e svantaggi ed i costi.

Fotovoltaico a concentrazione: come funziona

Il funzionamento del fotovoltaico a concentrazione è piuttosto semplice da spiegare. Sostanzialmente, attraverso dei sistemi ottici come sistemi di lenti, specchi o primsi, un quantitativo di luce solare di gran lunga maggiore al normale viene convogliata e concentrata su un set di micro celle fotovoltaiche speciali al alta efficienza, dette a multigiunzione, in grado da sole di produrre una quantità di energia elettrica molto elevata.

pannello fotovoltaico a concentrazione
Pannello fotovoltaico a concentrazione

Le celle a multigiunzione o MJ sono celle solari molto avanzate che si differenziano dalle comuni celle fotovoltaiche per la loro capacità di intercettare diverse gamme di frequenza dello spettro solare, riuscendo a sfruttare appieno tutta l’energia disponibile.

Ciò avviene grazie a degli strati di silicio disposti uno sopra l’altro in ordine di spettro di banda, consentendo di catturare una vasta gamma di fotoni ad energia differente e di produrre un quantitativo di energia anche triplo rispetto alle celle tradizionali.

cella a multigiunzione fotovoltaico a concentrazione
Struttura di una cella solare a multigiunzione (a) con grafico che relaziona l’irradianza spettrale e la lunghezza d’onda (b).

Per aumentare ancor più l’efficienza, un impianto fotovoltaico a concentrazione utilizza una struttura ad inseguimento solare, ossia una struttura motorizzata che modifica l’orientamento del pannello solare per sfruttare al massimo l’irraggiamento solare durante la giornata.

La restante componentistica è comune agli impianti fotovoltaici comuni: cablaggi, inverter, quadri elettrici, eventuali sistemi di accumulo, ecc..

Fotovoltaico a concentrazione: rendimento

Il rendimento del fotovoltaico a concentrazione è di gran lunga superiore a quello di un normale impianto fotovoltaico.

Le celle multigiunzione trasformano in energia elettrica più luce rispetto alle celle tradizionali: 40% o più ad una concentrazione di 500X o maggiore rispetto al 12-15% delle celle fotovoltaiche tradizionali.

Il record di efficienza di conversione delle celle solari a MJ è detenuto dall’Istituto tedesco Fraunhofer-ISE insieme a Soitec e CEA-Leti, con il valore di 46% ad un fattore di concentrazione di 508 soli. Leggi la pubblicazione scientifica ufficiale.

Quindi, una cella multigiunzione produce quasi 3 volte più energia di una normale.

Fotovoltaico a concentrazione: tipologie

Sul mercato esistono due tipi di impianto fovoltaico a concentrazione:

  1. Fotovoltaico a bassa concentrazione o LC: trattasi di una tipologia di impianto che non richiede un’elevata accuratezza del puntamento del sole, per cui è sufficiente utilizzare sistemi di inseguimento a singolo asse; inoltre possono non essere impiegate celle solari MJ;
  2. Fotovoltaico ad alta concentrazione o HC: a differenza del primo, richiede una maggiore precisione di puntamento e quindi una struttura su sistemi di puntamento a doppio asse; in questo caso vengono sempre impiegate celle a multigiunzione.
Inseguimento solare fotovoltaico a concentrazione
Struttura ad inseguimento solare

Fotovoltaico a concentrazione: vantaggi e svantaggi

I vantaggi di un impianto fotovoltaico a concentrazione sono senza dubbio da attribuirsi al rendimento quasi doppio rispetto ad un impianto tradizionale.

Oltretutto, come vedrai, il costo di un pannello è decisamente inferiore per via del basso quantitativo di silicio utilizzato.

Il fotovoltaico a concentrazione presenta anche degli svantaggi. Il primo è relativo alla pulizia. Per svolgere al meglio la loro funzione riflettente, infatti, i sistemi di specchi e lenti devono essere sgombri da polveri e sporcizia varia, per cui la pulizia diventa un fattore primario.

Altro inconveniente sta nell’adozione di un sistema di raffreddamento. La maggiore concentrazione di luce solari, infatti, surriscalda le celle che necessitano di essere raffreddate.

Fotovoltaico a concentrazione: prezzi

La costruzione di un pannello fotovoltaico a concentrazione richiede un quantitativo di sicilio di gran lunga inferiore rispetto ad un pannello fotovoltaico tradizionale, riducendo di moltissimo il costo.

Inoltre per via della maggiore concentrazione di luce, è possibile produrre lo stesso quantitativo di energia in uno spazio decisamente inferiore. Pertanto a parità di spazio sarà possibile produrre un quantitativo di energia elettrica quasi triplo.

Naturalmente vanno tenuti in considerazione anche i costi per la struttura di inseguimento solare e la manutenzione della stessa, nonché i costi del sistema di raffreddamento.

Tutti costi ammortizzabili dalla maggiore produttività e dal basso costo di produzione che rendono un impianto fotovoltaico a concentrazione decisamente più conveniente anche dal punto di vista del costo: circa un 20% inferiore rispetto all’impianto tradizionale.

Costo fotovoltaico a concentrazione
Grafico efficienza-costo dei pannelli a concentrazione rispetto ai pannelli tradizionali. Fonte: consulente-energia.com

Fotovoltaico a concentrazione domestico

Per via dell’utilizzo di strutture motorizzate per l’inseguimento solare, il fotovoltaico a concentrazione trova più che altro un largo impiego in contesti industriali piuttosto che residenziali.

Montare una struttura ad inseguimento solare sul tetto di un’abitazione, infatti, non è cosa semplice e fattibile nella maggior parte dei casi. Ma una nuova tecnologia innovativa sviluppata dai laboratori della Penn State University potrebbe invertire la tendenza.

Gli scienzati della Penn State, in collaborazione con la University of Illinois, hanno messo a punto una nuova tecnologia di celle a multigiunzione che possono essere racchiuse in un sandwich di plastica stampata in 3D.

Utilizzando un sistema di micro-lenti e piccolissimi specchi concavi, riescono a convogliare una quantità di luce di circa 200 volte superiore al normale. Inoltre un micro sistema di inseguimento solare riesce a seguire il sole per circa 8 ore.

Questa però non è l’unica tecnologia che si propone di portare il CPV sui tetti delle abitazioni residenziali grazie a dispositivi ottici piani per la concentrazione.

Esistono infatti anche altre soluzioni come quella dei concentratori ad ologrammi, ossia moduli fotovoltaici a concentrazione senza inseguitori, installabili ovunque, e che utilizzano particolari ologrammi (Volume Holographic Gratings) come concentratori.

Insomma il tutto ci lascia pensare che nell’immediato futuro potremmo disporre di pannelli fotovoltaici ad alta concentrazione anche ad uso domestico.

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