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In questo blog si è analizzato il brevetto US4683348A riguardante i pannelli solari fotovoltaici, pubblicato nel 1987 dagli inventori Alastair N. Pidgeon e Arthur L. Webb, commissionato dalla'azienda assegnatari: The Marconi Company

I pannelli solari fotovoltaici sono dei dispositivi formati da molteplici celle solari in grado di convertire l'energia solare incidente sulla propria superficie in energia elettrica mediante un effetto fotovoltaico.

Ovviamente il lavoro di Pidgeon e Webb si è sviluppato a partire da brevetti preesistenti, ma anche grazie ad esperimenti e teorie scientifiche precedenti che hanno segnato la storia della fisica ed hanno permesso la piena comprensione del fenomeno fisico svolto dai pannelli.

Col passare degli anni i pannelli solari più che un'evoluzione hanno subito una differenziazione in varie versioni prodotte anche con materiali differenti dai materiali indicati nel brevetto, conferendo versatilità ed adattabilità al prodotto a seconda del luogo di utilizzo sia esso domestico od aerospaziale. Un esempio della differenziazione dei moduli fotovoltaici adibiti all'uso terrestre rispetto a quelli montati su sonde o satelliti sta anche nella produzione dei supporti che in questo caso vengono ottenuti mediante il processo di stampaggio ad iniezione termoplastica. 

A livello ottico i pannelli solari presentano, per ogni unità, una serie di specchi concavi e convessi disposti secondo il principio Cassegrain che grazie a due riflessioni fanno convergere i raggi solari sulla superficie di assorbimento di ogni cella solare.

L'invenzione ebbe fin da subito un impatto sia scientifico sia sociale e politico.

A dimostrazione di ciò i moduli fotovoltaici ed i loro benefici entrarono fin da subito nel tema del risparmio energetico e dell'energia rinnovabile presente in molti programmi politici. Non solo i programmi dei partiti prevedevano ciò ma furono emessi dagli stati, tra cui l'Italia, veri e propri decreti per incentivare l'utilizzo di fonti di energia rinnovabile, fra cui quella fotovoltaica.

Con la diffusione ed il perfezionamento di tali dispositivi, le celle fotovoltaiche si sono insediate sempre più nella vita di tutti giorni ed in oggetti comuni ed anche le pubblicità sono aumentate.

I pannelli solari fotovoltaici non sono per niente una tecnologia morta od in disuso anzi, la comunità scientifica è alla ricerca di nuovi materiali più efficienti ed economici di quelli già utilizzati, e sempre più imprenditori importanti si stanno buttando sul settore del rinnovabile in particolar modo sul fotovoltaico, ultimo esempio è il sudafricano fondatore di Tesla e SpaceX: Elon Musk.

Si allega un video di approfondimento del funzionamento di un modulo fotovoltaico.

Elon Musk ed il fotovoltaico

Elon Musk, sudafricano di nascita e statunitense di adozione, è un esuberante imprenditore nonché fondatore di aziende che si stanno facendo strada in vari settori del panorama tecnologico globale come: SpaceX, azienda aerospaziale privata che sta perfino facendo concorrenza alla NASA, o Tesla, forse la più importante produttrice di auto di lusso elettriche.
Proprio come dimostra la linea di azienda seguita da Tesla, Musk è da sempre attento alla questione energetica. Come se non bastassero le sopracitate società, l'imprenditore nonché inventore ed ingegnere sudafricano ha deciso di creare l'ennesima società chiamata SolarCity, ora accorpatasi con Tesla, per cercare di spodestare l'egemonia asiatica del mercato fotovoltaico.
Recentemente Musk, a seguito delle solite sue pubblicizzazioni in "pompa magna", ha costruito un imponente impianto fotovoltaico di circa 55 mila pannelli solari in grado di alimentare interamente il fabbisogno energetico dell'isola hawaiiana di Kauai.

Foto dall'alto dell'imponente impianto hawaiiano. (cliccare per aprire l'articolo)

Altro innovativo progetto di Elon Musk è quello di costruire pannelli fotovoltaici invisibili, poichè posti all'interno di particolari tegole dei tetti, ed a lunga durata; si tratta del cosiddetto Solar Roof.

Per rendere più appetibile e vendibile tale progetto Elon Musk, con Tesla, si è impegnato non solo nell'aspetto tecnologico ma anche in quello estetico.

La ricerca ed il futuro

La scienza fortunatamente è un processo in costante evoluzione e qualsiasi persona operante in tale campo mossa dai desideri di progresso e scoperta è alla ricerca del nuovo o nel caso di tecnologie già esistenti si cercano soluzioni più efficienti, economiche o "pulite" (in termini ambientali).
Nel campo delle celle fotovoltaiche alcune recenti ricerche hanno condotto alla possibilità di utilizzo di nuovi materiali, inediti in tali applicazioni come la perovskite.

(Perovskite)

La perovskite, costituita principalmente da un ossido doppio di calcio e tallio, renderebbe le celle solari non solo più efficienti ma anche più economiche. La messa in pratica di tale ricerca è ostacolata oltre che da alcune perplessità del funzionamento optoelettrico di costruzioni con tale materiale anche dall'impatto ambientale dato che tale tecnologia richiederebbe l'uso di piombo, elemento famoso anche per la sua tossicità.



Si allegano due articoli che approfondiscono gli aspetti riguardanti questa possibile tecnologia futura:

• link 1
• link 2

Le scoperte scientifiche che hanno portato all'invenzione

Gli apparati tecnologici non sono frutto di un mero assemblaggio bensì, come per tutte le branche della scienza, sono raggiunti mediante esperimenti e rigorose teorie scientifiche.
Andiamo a scoprire schematicamente quali siano state le principali scoperte scientifiche che hanno permesso la conoscenza dei processi che stanno dietro un semplice pannello solare:
Primo fra tutti va citato il francese Alexandre Edmond Becquerel, il cui cognome è spesso ricorrente nella fisica dato che anche suo padre e soprattutto suo figlio sono ricordati per i relativi studi, fu proprio il figlio Antoine a scoprire la radioattività.
Gli studi riguardanti elettricità, ottica e spettro solare di Alexandre culminati con osservazioni sull'effetto fotogalvanico databili 1839 posero le basi al solo pensiero di ricavare elettricità dalla luce. Dovettero passare quasi cinquant'anni per vedere un primo tentativo di celle solari quando nel 1883 lo statunitense Charles Fritz progetta una piccola cella solare al selenio dalla bassissima efficenza.
Sicuramente il passo più significativo venne compiuto quando il celebre Albert Einstein intorno al 1905 espose la sua teoria sull'effetto fotoelettrico che gli garantirà il Nobel nel 1921. Tale effetto sta proprio alla base delle celle fotovoltaiche e porterà al caso particolare dell'effetto fotovoltaico che spiega come una radiazione elettromagnetica colpendo un materiale, nella maggioranza dei casi un semiconduttore, possa cedere energia agli elettroni esterni di quest'ultimo permettendo loro di passare dalla banda di valenza del materiale ad una banda di conduzione.

Schematizzazione dell'effetto fotovoltaico nel caso particolare di un cella solare

Politiche ed incentivi energetici in Italia

Il tema dell'energia rinnovabile e del risparmio energetico è da sempre al centro di decreti e politiche economiche.
Il primo decreto di supporto e sostegno delle fonti energetiche rinnovabili (FER) fu lanciato in Italia nel 1992.
Nel 1999 è stato creato un sistema di incentivazione dell'utilizzo di fonti rinnovabili per produrre energia elettrica (energia verde) chiamato Certificati verdi. Tale sistema si basa su titoli negoziabili equivalenti ad una certa quantità di emissioni di anidride carbonica, conferiti a titolo gratuito dal Gestore Servizi Energetici (GSE) al gestore di un impianto alimentato da fonti rinnovabili come il fotovoltaico. Così facendo si è imposto un obbligo agli operatori che immettono grandi quantità di GWh/anno di produrne almeno in piccola percentuale tramite fonti rinnovabili. Tale percentuale, inizialmente del 2%, è stata via via incrementata a quasi il 3% nel 2012.
A seguito di questi obblighi agli impianti a fonte fossile, sono stati creati veri e propri benefici per quelli a fonti rinnovabili ai quali vengono concessi a seconda della produzione elettrica Certificati verdi vendibili ai produttori da fonti fossili che non rispettano annualmente gli obblighi sopracitati.

Si allega un articolo trattante l'ultimo Decreto FER emanato riguardante la strategia energetica rinnovabile per il triennio 2018-2020 con il quale vengono incentivati: la fonte eolica, idroelettrica, geotermica e fotovoltaica.




  

La presenza dell'invenzione nel quotidiano

I pannelli e le celle solari, con il perfezionamento delle tecniche, sono entrati sempre più nel quotidiano passando da applicazioni nel settore spaziale o prettamente di dimensioni industriali ad utilizzi domestici.
Primo fra tutti gli utilizzi, come si può intuire osservando i tetti di certe villette indipendenti o condomini con un buona disposizione alla la luce solare, vi è quello per generare l'intero, od anche parziale, fabbisogno elettrico domestico.

(Cartellone con pannelli solari)

Possiamo trovare pannelli solari anche nei dispositivi stradali come autovelox e semafori oppure nel retro di cartelloni pubblicitari dove l'esposizione solare diurna, convertita in corrente elettrica va ad alimentare l'illuminazione notturna di quest'ultimi.
Passando ad applicazioni di dimensioni più piccole, sono molto diffusi in commercio, soprattutto per i più giovani, orologi digitali ad energia solare presentanti una piccola cella solare sul quadrante.
Infine, nota a tutti gli studenti e non, vi è l'applicazione delle celle solari su alcune calcolatrici.

Calcolatrice Citezen ad energia solare