Lampada solare

Una lampada solare, nota anche come luce solare o lanterna solare, è un sistema di illuminazione composto da una lampada a LED, pannelli solari, batteria, regolatore di carica e, eventualmente, un inverter. La lampada funziona grazie all'elettricità immagazzinata nelle batterie, caricate tramite pannelli fotovoltaici.

L'illuminazione domestica a energia solare può sostituire altre fonti di luce come candele o lampade a cherosene. Le lampade solari hanno costi di esercizio inferiori rispetto alle lampade a cherosene perché l'energia rinnovabile del sole è gratuita, a differenza del combustibile. Inoltre, a differenza delle lampade a cherosene, le lampade solari non producono inquinamento atmosferico negli ambienti interni. Tuttavia, le lampade solari hanno generalmente un costo iniziale più elevato e dipendono dalle condizioni meteorologiche.

Le lampade solari per uso rurale sono spesso in grado di fornire energia elettrica anche ad altri dispositivi, come ad esempio i telefoni cellulari. Alcuni investitori americani stanno lavorando allo sviluppo di una lanterna solare da 10 dollari l'una, destinata a sostituire le lampade a cherosene.

Storia

Quota di mercato globale in termini di produzione annua per tecnologia fotovoltaica dal 1990

Alcuni impianti fotovoltaici utilizzano pannelli in silicio monocristallino o policristallino, mentre le tecnologie più recenti impiegano celle solari a film sottile. Da quando le moderne celle solari sono state introdotte nel 1954 presso i laboratori Bell, i progressi nell'efficienza di conversione della luce in energia elettrica, le moderne tecniche di produzione e le economie di scala hanno portato a una crescita internazionale del fotovoltaico.

Nel 2016, le lampade a LED consumavano solo circa il 10% dell'energia necessaria a una lampada a incandescenza. L'efficienza produttiva delle lampade a LED ha portato a una maggiore diffusione come alternativa ad altri tipi di illuminazione elettrica.

Ingegneria

La struttura completa della lampada solare è illustrata nella Figura 2.

pannelli solari

I pannelli solari sono realizzati in silicio, un materiale semiconduttore. Una cella solare è composta da due strati di silicio di diversa composizione. Lo strato inferiore contiene meno elettroni e presenta quindi una leggera carica positiva, a causa della natura negativa degli elettroni. Lo strato superiore, invece, contiene più elettroni e presenta una leggera carica negativa. Tra questi due strati si crea una barriera di potenziale.

Quando il flusso di particelle di luce, chiamate fotoni, entra nel cristallo, cede la propria energia agli atomi di silicio. Questo processo promuove un elettrone da un legame covalente a un livello energetico superiore, spostandolo dallo strato superiore a quello inferiore. Tale promozione permette un movimento più libero all'interno del cristallo, generando una corrente elettrica. Maggiore è la quantità di luce che attraversa il cristallo, maggiore è il numero di elettroni che si muovono e quindi maggiore è la corrente che scorre. Questo processo è chiamato effetto fotovoltaico o fotoelettrico. I sistemi fotovoltaici convertono direttamente la luce solare in elettricità.

I pannelli solari sono costituiti da strati di materiali diversi, come si può vedere nella Figura 2, nell'ordine vetro, incapsulamento, celle cristalline, incapsulamento, foglio posteriore, scatola di giunzione e infine telaio. L'incapsulamento impedisce l'ingresso di umidità e contaminanti che potrebbero causare problemi.

Figura 2

Batteria

Una batteria è solitamente alloggiata all'interno di un involucro di metallo o plastica. All'interno dell'involucro si trovano gli elettrodi, ovvero catodi e anodi, dove avvengono le reazioni chimiche. Tra catodo e anodo è presente un separatore che impedisce agli elettrodi di reagire tra loro contemporaneamente, consentendo al contempo il libero flusso di carica elettrica tra i due. Infine, il collettore conduce la carica dalla batteria verso l'esterno.

Le batterie all'interno delle lampade solari utilizzano solitamente la tecnologia a elettrolita in gel, che offre elevate prestazioni in termini di scarica profonda, consentendone l'utilizzo in intervalli di temperatura estremi. Possono anche utilizzare batterie al piombo-acido, al nichel-metallo idruro, al nichel-cadmio o al litio.

Questa parte della lampada immagazzina l'energia del pannello solare e fornisce alimentazione quando necessario di notte, quando non è disponibile energia luminosa.

In generale, l'efficienza della conversione dell'energia fotovoltaica è limitata da ragioni fisiche. Circa il 24% della radiazione solare a lunghezza d'onda lunga non viene assorbita. Il 33% si disperde nell'ambiente sotto forma di calore, e ulteriori perdite si attestano intorno al 15-20%. Solo il 23% viene assorbito, il che significa che la batteria è un componente cruciale di una lampada solare.

Regolatore di carica

Questa sezione controlla l'intero sistema di funzionamento per proteggere la carica della batteria. Garantisce che, in qualsiasi circostanza, comprese condizioni meteorologiche estreme con forti escursioni termiche, la batteria non si sovraccarichi o si scarichi eccessivamente, evitando così ulteriori danni.

Questa sezione comprende anche componenti aggiuntivi come il regolatore di luce, il regolatore di tempo, il controllo del suono, la compensazione della temperatura, la protezione contro i fulmini, la protezione contro l'inversione di polarità e gli interruttori di trasferimento CA che assicurano il normale funzionamento dei carichi di backup sensibili in caso di interruzione di corrente.

Principi di funzionamento

Figura 3

Le luci a LED sono utilizzate per la loro elevata efficienza luminosa e la lunga durata. Controllate da un regolatore di carica CC, le luci si accendono automaticamente al calar della notte e si spengono di giorno, grazie a un sistema di controllo senza contatto. Talvolta, questo sistema viene abbinato a timer per impostare l'orario di accensione e spegnimento automatico delle luci.

Come mostrato in Figura 3, il chip include microchip(R), B-, B+, S- e S+. S+ e S- sono entrambi collegati a pannelli solari tramite un filo, uno dei quali ha una carica positiva e l'altro una carica negativa. B- e B+ sono collegati a due batterie in questo caso. La luce verrà emessa tramite il LED quando tutti questi elementi saranno collegati.

Benefici

Le lampade solari possono essere più facili da installare e manutenere per i clienti poiché non richiedono un cavo elettrico. Le lampade solari possono apportare vantaggi ai proprietari con costi di manutenzione ridotti e costi delle bollette elettriche. Le lampade solari possono essere utilizzate anche in

In aree prive di rete elettrica o in zone remote, la fornitura di energia elettrica è scarsa. Molte persone soffrono di malattie polmonari, problemi alla vista, ustioni e talvolta persino muoiono semplicemente perché non hanno un'alternativa sana all'illuminazione notturna. Le donne si sentono insicure ad andare in bagno fuori dopo il tramonto. I parti vengono assistiti da ostetriche che utilizzano solo una candela, e gli studenti non possono studiare al calar del sole per mancanza di luce, con conseguente aumento dell'analfabetismo e povertà persistente. Queste sono le realtà per oltre un miliardo di persone in tutto il mondo. La mancanza di illuminazione equivale a una povertà diffusa a livello globale. Le lampade a energia solare convertono l'energia luminosa in energia elettrica, risultando quindi comode per la nostra vita quotidiana.

La produzione di energia solare è limitata dalle condizioni meteorologiche e può essere meno efficace in caso di cielo nuvoloso, pioggia o inverno.

Le famiglie che passano dalle lampade a cherosene a quelle solari beneficiano anche della riduzione dei rischi per la salute associati alle emissioni di cherosene. Il cherosene ha spesso effetti negativi sui polmoni umani.

L'utilizzo dell'energia solare riduce al minimo l'inquinamento prodotto negli ambienti chiusi, dove il cherosene è stato collegato a diversi problemi di salute. Tuttavia, i pannelli fotovoltaici sono realizzati in silicio e altri metalli tossici, tra cui il piombo, il cui smaltimento può risultare complesso.

L'uso di luci solari migliora l'istruzione degli studenti che vivono in famiglie senza elettricità. Quando l'organizzazione no-profit Unite-To-Light ha donato lampade solari a

Nelle scuole di una regione remota del KwaZulu-Natal, in Sudafrica, i punteggi dei test e i tassi di superamento degli esami sono migliorati di oltre il 30%. La luce offre agli studenti più tempo per studiare dopo il tramonto.

Uno studio sperimentale condotto nel 2017 in aree non elettrificate del Bangladesh settentrionale ha rilevato che l'uso di lanterne solari ha ridotto la spesa complessiva delle famiglie, aumentato le ore di studio a casa dei bambini e incrementato la frequenza scolastica. Tuttavia, non ha migliorato in modo significativo il rendimento scolastico dei bambini.

Utilizzo

Lampione stradale a energia solare

Articolo principale: Lampione solare

Questi lampioni offrono una soluzione pratica ed economica per illuminare le strade di notte senza la necessità di reti elettriche a corrente alternata, a vantaggio di pedoni e automobilisti. Possono essere dotati di pannelli individuali per ogni lampada, oppure di un grande pannello solare centrale e di un pacco batterie per alimentare più lampade contemporaneamente.

Lampione stradale a LED solare

Rurale

Nelle zone rurali dell'India, le lampade solari, comunemente chiamate lanterne solari, che utilizzano LED o lampade fluorescenti compatte (CFL), vengono impiegate per sostituire le lampade a cherosene, le candele e altre alternative di illuminazione economiche. Soprattutto nelle aree in cui l'accesso all'elettricità è difficoltoso, le lampade solari si rivelano molto utili e contribuiscono a migliorare la qualità della vita.