Qual è la migliore efficienza dei pannelli fotovoltaici?

L’efficienza di un pannello solare fotovoltaico è una misura della quantità di luce solare (irraggiamento) che cade sulla superficie di un pannello solare e viene convertita in elettricità. A causa dei numerosi progressi nella tecnologia fotovoltaica negli ultimi anni, l’efficienza media di conversione dei pannelli è aumentata dal 15% a ben oltre il 20%. Questo grande salto di efficienza ha portato la potenza nominale di un pannello di dimensioni standard ad aumentare da 250 W a 370 W.

Al momento, i pannelli della serie M di SunPower detengono il trono dei pannelli solari più efficienti sul mercato, con un’efficienza del 22,8%. Sebbene siano in fase di sviluppo pannelli solari più efficienti, ci vorrà del tempo prima che siano disponibili in commercio.

L’efficienza totale del pannello è misurata in condizioni di test standard (STC), sulla base di una temperatura della cella di 25°C, un irraggiamento solare di 1000 W/m2 e una massa d’aria di 1,5. L’efficienza (%) di un pannello è calcolata dalla potenza massima (W) a STC, divisa per l’area totale del pannello in metri quadrati.

Il termine efficienza è molto diffuso, ma un pannello leggermente più efficiente non sempre equivale a un pannello di qualità migliore. Molte persone considerano l’efficienza il criterio più importante nella scelta di un pannello solare, ma ciò che conta di più è la qualità di produzione che è correlata alle prestazioni, all’affidabilità, all’assistenza del produttore e alle condizioni di garanzia nel mondo reale.

In termini ambientali, una maggiore efficienza significa generalmente che un pannello solare ripagherà l’energia incorporata (energia utilizzata per estrarre le materie prime e produrre il pannello solare) in meno tempo. Sulla base di un’analisi dettagliata del ciclo di vita, la maggior parte dei pannelli solari a base di silicio rimborsa già l’energia incorporata entro 2 anni.

Tuttavia, poiché l’efficienza del pannello è aumentata oltre il 20%, il tempo di ritorno dell’investimento si è ridotto a meno di 1,5 anni in molte località. Una maggiore efficienza significa anche che un sistema solare genererà più elettricità durante la vita media di oltre 20 anni di un pannello solare e ripagherà il costo iniziale prima, il che significa che il ritorno sull’investimento (ROI) sarà ulteriormente ridotto.

I fattori che determinano l’efficienza di una cella fotovoltaica

L’efficienza dei pannelli solari è determinata da due fattori principali; l’efficienza della cella fotovoltaica (FV), in base al design della cella e al tipo di silicio, e l’efficienza totale del pannello, in base alla disposizione della cella, alla configurazione e alle dimensioni del pannello.

L’efficienza complessiva del pannello può essere influenzata da molti fattori, tra cui; temperatura, livello di irradianza, tipo di cellula e interconnessione delle cellule. Sorprendentemente, anche il colore del backsheet protettivo può influire sull’efficienza.

Un backsheet nero potrebbe sembrare esteticamente più gradevole, ma assorbe più calore con conseguente aumento della temperatura della cella che aumenta la resistenza, questo a sua volta riduce leggermente l’efficienza di conversione totale.

I principali fattori che influenzano l’efficienza dei pannelli solari sono elencati di seguito:

  • Irraggiamento (W/m2)
  • Ombreggiatura
  • Orientamento del pannello
  • Temperatura
  • Posizione (latitudine)
  • Periodo dell’anno
  • Polvere e sporco.

I fattori che hanno l’impatto più significativo sull’efficienza del pannello nell’uso reale sono l’irraggiamento, l’ombreggiatura, l’orientamento e la temperatura.

L’efficienza della cella è determinata dalla struttura della cella e dal materiale di silicio di base utilizzato che è generalmente di tipo P o di tipo N. L’efficienza della cella è calcolata dal cosiddetto fattore di riempimento (FF), che è l’efficienza di conversione massima di una cella fotovoltaica alla tensione e alla corrente di esercizio ottimali.

Il design della cella gioca un ruolo significativo nell’efficienza del pannello. Le caratteristiche principali includono il tipo al silicio, le sbarre collettrici multiple (MBB) e il tipo a passivazione (PERC).

Le celle IBC ad alto costo sono attualmente le più efficienti (20-22%), grazie all’elevata purezza della base della cella in silicio di tipo N e all’assenza di perdite dovute all’ombreggiatura delle sbarre collettrici/delle dita. Tuttavia, le recenti celle PERC mono con MBB e le ultime celle a eterogiunzione (HJT) hanno raggiunto livelli di efficienza ben superiori al 20%.

Dipendenza dell’efficienza dalla temperatura

La potenza nominale di un pannello solare, misurata in Watt (W), è calcolata in condizioni di test standard (STC) e misurata a una temperatura della cella di 25°C. Tuttavia, nell’uso reale, la temperatura delle celle generalmente supera i 25°C, a seconda della temperatura dell’aria ambiente, della velocità del vento, dell’ora del giorno e della quantità di irraggiamento solare (energia solare – W/m2).

Durante il tempo soleggiato, la temperatura interna della cella è spesso di 20-30°C superiore alla temperatura dell’aria ambiente, il che equivale a una riduzione di circa l’8-12% della potenza totale, a seconda del tipo di cella solare e del suo coefficiente di temperatura.

Al contrario, temperature estremamente basse possono comportare un aumento della produzione di energia poiché la tensione della cella fotovoltaica aumenta a temperature inferiori al di sotto dell’STC. I pannelli solari possono generare energia al di sopra della potenza nominale di targa durante il tempo molto freddo e soleggiato.

Una temperatura della cella superiore o inferiore ridurrà o aumenterà la potenza in uscita di una quantità specifica per ogni grado al di sopra o al di sotto di 25°C (STC). Questo è noto come il coefficiente di temperatura di potenza che viene misurato in %/°C. I pannelli monocristallini hanno un coefficiente di temperatura medio di -0,38% /°C, mentre i pannelli policristallini sono leggermente superiori a -0,40% /°C.

Le celle IBC monocristalline hanno un coefficiente di temperatura molto migliore (inferiore) di circa -0,30%/°C mentre le celle con le migliori prestazioni ad alte temperature sono le celle HJT (eterogiunzione) che arrivano fino a -0,25%/°C.

I pannelli solari possono essere efficienti al 100%?

Affinché un comune pannello solare sia efficiente al 100%, dovrebbe convertire tutta l’energia potenziale che colpisce la sua superficie in elettricità AC. Ciò significa che un pannello solare non dovrebbe assorbire calore, coprire ogni spettro di luce, non riflettere alcuna luce e non perdere un singolo elettrone nel corso di decenni di complessi processi chimici.

Tuttavia, sono in corso ricerche su quella che viene chiamata “generazione di eccitoni multipli” (MEG). I ricercatori affermano che le celle solari hanno superato il 100% di efficienza utilizzando MEG, un processo mediante il quale “un singolo fotone ad alta energia può produrre più di una coppia elettrone-lacuna per fotone assorbito.

L’efficienza extra deriva dai punti quantici che “raccolgono” energia che altrimenti andrebbe persa sotto forma di calore”. Quindi, l’efficienza del 100% può essere raggiungibile se pensiamo fuori dagli schemi.

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