Un impianto fotovoltaico a concentrazione è un sistema costituito da un concentratore ottico di radiazione a riflessione o rifrattivo (specchio o lente) che concentra la radiazione solare captata su un numero ridotto di celle fotovoltaiche ad alta efficienza.
L'uso dell'energia solare su grande scala per generare energia elettrica mediante effetto fotovoltaico trova un ostacolo nell'elevato costo di raffinazione del materiale di base costituito, allo stato attuale, essenzialmente da silicio.
Inoltre, a causa dell'intrinseca complessità del processo di raffinazione, non è ragionevole attendersi una significativa riduzione del costo di tale materiale sulla base di economia di scala già abbondantemente sfruttate dalla catena produttiva.
La corrente elettrica generata da una cella fotovoltaica varia linearmente con l'intensità della radiazione solare e questo fa sì che sia possibile sfruttare, grazie alla concentrazione ottica, una ridotta quantità di celle fotovoltaiche per generare grandi quantità di energia.
L'idea quindi è quella di ottenere ampie superfici riflettenti a basso costo e utilizzare, grazie alla concentrazione ottica, ridotte quantità di celle fotovoltaiche.
Al di là della semplicità concettuale dei concentratori ottici, vi sono diversi aspetti tecnici critici che bisogna tener presenti.
Tutti i sistemi aventi concentrazione ottica elevata devono necessariamente essere dotati di un sistema di movimentazione del collettore ottico solare che mantenga sempre il sole nella regione di accettanza ottica del concentratore.
La precisione richiesta a questi sistemi meccanici aumenta con la concentrazione ottica del collettore, rendendo quindi la meccanica un importante componente del sistema.
Allo stesso tempo però la presenza delle parti mobili sollevano l'interrogativo sull'affidabilità in un sistema che deve avere vita utile di almeno 20 anni.
A fronte, tuttavia, di questa complessità, assente nei sistemi fissi, l'inseguimento (a due assi) garantisce in genere per i sistemi piani una maggiore produzione di energia elettrica su base annua, stimabile alle nostre latitudini, in oltre il 30% rispetto a un sistema fisso di analoga potenza nominale.
Questo è dovuto semplicemente al fatto che il sistema, grazie all'inseguimento (a due assi), dispone sempre il generatore fotovoltaico nel piano perpendicolare alla radiazione solare, contrariamente ai sistemi fissi, facendone intercettare sempre il flusso massimo di radiazione solare (diretta) indipendentemente dalla posizione nel cielo del sole.
Il secondo vincolo, comune a tutti i sistemi a concentrazione ottica, è quello di essere incapaci di concentrare la radiazione solare diffusa, operando quindi solo con la radiazione diretta.
Questo fa sì che tali sistemi trovino la loro migliore applicazione in paesi a latitudini medio-alte aventi elevati quantitativi annui di radiazione diretta, quale il bacino del mediterraneo o il sud-ovest degli Stati Uniti.
Un'altra problematica comune a tutti i sistemi a concentrazione è l'esigenza di disporre di celle fotovoltaiche adatte alla radiazione concentrata e di costo relativamente contenuto.
Le comuni celle fotovoltaiche al silicio non sono adatte, senza modifiche, a raccogliere la radiazione solare concentrata.
E' tuttavia possibile adattare, senza rivoluzionare la struttura della cella, il processo per la produzione di celle standard alle esigenze della concentrazione.
Al di là dell'evidente vantaggio industriale dell'appoggiarsi su un processo esistente, questo approccio ha dei limiti nell'efficienza di cella che, al momento, non eccede il 18% sotto concentrazione.
Il silicio ha infatti limiti intrinseci nella capacità di convertire la radiazione solare che ne limitano l'efficienza attorno al 25% e la massima concentrazione ottica impiegabile attorno a 300.
Questo limite è legato alla presenza di un "salto energetico" definito nel semiconduttore e può essere aggirato solo tramite l'utilizzo simultaneo di più tipologie di semiconduttori o eterogiunzioni con caratteristiche fisiche diversi.
Questi limiti hanno spinto la ricerca nella direzione delle celle a multigiunzione in cui fino a 3 giunzioni basate su film sottili sono "impilate" sul medesimo substrato di arseniuro di gallio o germanio.
Le multigiunzione InGap/GaAs/Ge sono da annoverare tra i dispositivi che oggi hanno prodotto risultati di tutto rilievo.
L'elevata efficienza raggiunta con questi dispositivi (41.1% a 454 soli, raggiunto nel laboratorio FH-Ise di Friburgo) ha tuttavia come contropartita l'elevatissimo costo, eccedente i 10 €/cm2 che ne limitano l'impiego ai sistemi a concentrazione più elevata.
Si ritiene che nel prossimo futuro si potranno ottenere multigiunzioni a 4-5-6 giunzioni con una efficienza di conversione stimata in oltre il 60%.
Fino ad oggi però i sistemi fotovoltaici basati su questi dispositivi non sono stati in grado di replicare sul campo efficienze così elevate.
Un approccio alternativo, in atto presso l'Università degli Studi di Ferrara, è quello della separazione delle diverse componenti cromatiche della radiazione solare incidente che vengono, rispettivamente, inviati a semiconduttori diversi spazialmente separati tra loro.
La separazione della radiazione può essere ottenuto tramite opportuni film polimerici dicroici che agiscono come concentratori ottici selettivi, oppure attraverso specchi dicroici di alta qualità che intercettano il fascio già concentrato.
Questo approccio evita la complessità della tripla giunzione, permettendo comunque di ottenere elevate efficienze di conversione anche a livello di sistema.
L'efficienza di sistema che può essere ottenuta con i concentratori solari fotovoltaici a separazione eccede il 30%.
L'uso dell'energia solare su grande scala per generare energia elettrica mediante effetto fotovoltaico trova un ostacolo nell'elevato costo di raffinazione del materiale di base costituito, allo stato attuale, essenzialmente da silicio.Inoltre, a causa dell'intrinseca complessità del processo di raffinazione, non è ragionevole attendersi una significativa riduzione del costo di tale materiale sulla base di economia di scala già abbondantemente sfruttate dalla catena produttiva.
La corrente elettrica generata da una cella fotovoltaica varia linearmente con l'intensità della radiazione solare e questo fa sì che sia possibile sfruttare, grazie alla concentrazione ottica, una ridotta quantità di celle fotovoltaiche per generare grandi quantità di energia.
L'idea quindi è quella di ottenere ampie superfici riflettenti a basso costo e utilizzare, grazie alla concentrazione ottica, ridotte quantità di celle fotovoltaiche.
Al di là della semplicità concettuale dei concentratori ottici, vi sono diversi aspetti tecnici critici che bisogna tener presenti.
Tutti i sistemi aventi concentrazione ottica elevata devono necessariamente essere dotati di un sistema di movimentazione del collettore ottico solare che mantenga sempre il sole nella regione di accettanza ottica del concentratore.
La precisione richiesta a questi sistemi meccanici aumenta con la concentrazione ottica del collettore, rendendo quindi la meccanica un importante componente del sistema.
Allo stesso tempo però la presenza delle parti mobili sollevano l'interrogativo sull'affidabilità in un sistema che deve avere vita utile di almeno 20 anni.
A fronte, tuttavia, di questa complessità, assente nei sistemi fissi, l'inseguimento (a due assi) garantisce in genere per i sistemi piani una maggiore produzione di energia elettrica su base annua, stimabile alle nostre latitudini, in oltre il 30% rispetto a un sistema fisso di analoga potenza nominale.
Questo è dovuto semplicemente al fatto che il sistema, grazie all'inseguimento (a due assi), dispone sempre il generatore fotovoltaico nel piano perpendicolare alla radiazione solare, contrariamente ai sistemi fissi, facendone intercettare sempre il flusso massimo di radiazione solare (diretta) indipendentemente dalla posizione nel cielo del sole.
Il secondo vincolo, comune a tutti i sistemi a concentrazione ottica, è quello di essere incapaci di concentrare la radiazione solare diffusa, operando quindi solo con la radiazione diretta.
Questo fa sì che tali sistemi trovino la loro migliore applicazione in paesi a latitudini medio-alte aventi elevati quantitativi annui di radiazione diretta, quale il bacino del mediterraneo o il sud-ovest degli Stati Uniti.
Un'altra problematica comune a tutti i sistemi a concentrazione è l'esigenza di disporre di celle fotovoltaiche adatte alla radiazione concentrata e di costo relativamente contenuto.
Le comuni celle fotovoltaiche al silicio non sono adatte, senza modifiche, a raccogliere la radiazione solare concentrata.
E' tuttavia possibile adattare, senza rivoluzionare la struttura della cella, il processo per la produzione di celle standard alle esigenze della concentrazione.
Al di là dell'evidente vantaggio industriale dell'appoggiarsi su un processo esistente, questo approccio ha dei limiti nell'efficienza di cella che, al momento, non eccede il 18% sotto concentrazione.
Il silicio ha infatti limiti intrinseci nella capacità di convertire la radiazione solare che ne limitano l'efficienza attorno al 25% e la massima concentrazione ottica impiegabile attorno a 300.
Questo limite è legato alla presenza di un "salto energetico" definito nel semiconduttore e può essere aggirato solo tramite l'utilizzo simultaneo di più tipologie di semiconduttori o eterogiunzioni con caratteristiche fisiche diversi.
Questi limiti hanno spinto la ricerca nella direzione delle celle a multigiunzione in cui fino a 3 giunzioni basate su film sottili sono "impilate" sul medesimo substrato di arseniuro di gallio o germanio.
Le multigiunzione InGap/GaAs/Ge sono da annoverare tra i dispositivi che oggi hanno prodotto risultati di tutto rilievo.
L'elevata efficienza raggiunta con questi dispositivi (41.1% a 454 soli, raggiunto nel laboratorio FH-Ise di Friburgo) ha tuttavia come contropartita l'elevatissimo costo, eccedente i 10 €/cm2 che ne limitano l'impiego ai sistemi a concentrazione più elevata.
Si ritiene che nel prossimo futuro si potranno ottenere multigiunzioni a 4-5-6 giunzioni con una efficienza di conversione stimata in oltre il 60%.
Fino ad oggi però i sistemi fotovoltaici basati su questi dispositivi non sono stati in grado di replicare sul campo efficienze così elevate.
Un approccio alternativo, in atto presso l'Università degli Studi di Ferrara, è quello della separazione delle diverse componenti cromatiche della radiazione solare incidente che vengono, rispettivamente, inviati a semiconduttori diversi spazialmente separati tra loro.
La separazione della radiazione può essere ottenuto tramite opportuni film polimerici dicroici che agiscono come concentratori ottici selettivi, oppure attraverso specchi dicroici di alta qualità che intercettano il fascio già concentrato.
Questo approccio evita la complessità della tripla giunzione, permettendo comunque di ottenere elevate efficienze di conversione anche a livello di sistema.
L'efficienza di sistema che può essere ottenuta con i concentratori solari fotovoltaici a separazione eccede il 30%.