Per far funzionare in modo autonomo le apparecchiature elettriche dei satelliti artificiali , che una volta in orbita procedono a "motori spenti", c'è bisogno di un sistema ingegnoso. Vanguard 1, il satellite lanciato nel 1958 dalla base di Cape Canaveral, è stato il primo oggetto costruito dall'uomo a sfruttare la luce del Sole come fonte diretta di energia. Le radiazioni luminose solari rappresentano infatti una fonte inesauribile, sovrabbondante e gratuita di energia, che può essere utilizzata anche per produrre elettricità. Gli impianti che realizzano tale trasformazione sono le celle fotovoltaiche, dispositivi che sfruttano la sensibilità alla luce di particolari materiali, come il silicio cristallino, dette anche celle solari .
Il principio che è alla base dell'effetto fotovoltaico è che all'interno
della cella l'assorbimento della luce determina la creazione di cariche di segno opposto e un movimento di elettroni (le particelle con carica negativa) dagli strati della cella aventi carica negativa agli strati carichi positivamente. Tutto questo accade perché le celle al silicio contengono delle impurità, cioè fosforo e boro, dette anche sostanze "droganti". Infatti il silicio contenente fosforo colpito dalla luce si carica negativamente, mentre quello contenente boro perde elettroni e si carica positivamente. Ogni cella ha uno spessore di 0,3 mm, un'area di 100 cm² ed è formata da due strati: quello superiore, molto sottile, è drogato al fosforo; quello inferiore al boro. Gli elettroni si mettono in movimento quando la luce colpisce le zone di contatto (giunzioni) tra i due strati della cella. Due elettrodi posti a contatto con le celle (quello superiore a forma di griglia per consentire il passaggio della luce) provvedono rispettivamente a rilasciare e a raccogliere gli elettroni.
Le prime celle fotovoltaiche realizzate dagli americani per rifornire di energia elettrica i satelliti artificiali erano molto costose e non ebbero ulteriori applicazioni concrete fino al 1973. Fu questo un anno di crisi energetica che diede impulso a un'intensa attività di ricerca. Si
cominci├▓ allora a considerare il fotovoltaico (che nel frattempo aveva fatto i suoi progressi), come una possibile fonte energetica alternativa.
Le singole celle fotovoltaiche hanno una potenza inferiore a 1 watt (W) e quindi, per trovare impiego pratico, devono essere montate in serie a formare dei moduli composti, i pannelli solari (da non confondere con
i collettori o "pannelli" solari impiegati per il riscaldamento), i quali a loro volta vengono collegati in serie o in parallelo per realizzare una stringa fotovoltaica, elemento base di un campo fotovoltaico, ovverosia del generatore elettrico . Va rilevato inoltre che la modularità consente, per lo meno da un punto di vista teorico, di accrescere oltremodo la potenza installata. Poiché generalmente i pannelli producono corrente continua è necessario abbinare a essi delle apparecchiature di conversione in corrente alternata (inverter ) oltreché dei sistemi di accumulo atti a rendere disponibile l'elettricità anche nelle ore senza sole.
La luce non è comunque l'unica forma di energia proveniente dal Sole sfruttata direttamente per produrre energia elettrica. Quando i raggi solari colpiscono un corpo, vengono in parte assorbiti, in parte riflessi e, se il corpo è trasparente, vengono in parte trasmessi. L'energia assorbita si trasforma in energia termica (cioè il corpo si riscalda) e il calore a sua volta può essere trasformato in energia elettrica.
Il più semplice apparato di conversione del calore in elettricità è lo specchio a forma di cilindro parabolico. Si tratta di uno specchio dotato di un meccanismo girevole che consente di seguire il corso del Sole e che concentra i raggi focalizzandoli su una caldaia tubolare al cui interno scorre l'acqua (o un altro fluido) da riscaldare. Il vapore prodotto nella caldaia viene convogliato in un tubo e raggiunge una turbina ; questa a sua volta aziona un generatore che produce elettricità. Un apparecchio di questo genere fu costruito in Francia nel 1882 e fu sperimentato a Parigi, nei giardini delle Tuileries. Un grande specchio concavo del diametro di 3,5 m concentrava i raggi solari su una piccola caldaia sita nel suo centro; il marchingegno era capace di mantenere in funzione per alcune ore un piccolo motore a vapore utilizzato non per produrre elettricità, ma per azionare una macchina
da stampa.
Le centrali elettriche che utilizzano come fonte energetica il calore solare sono costruite sia facendo uso di specchi cilindrici disposti in
più file rettilineee e parallele, sia utilizzando grandi specchi piani, o eliostati, che riflettono i raggi del Sole e li concentrano su una caldaia posta alla sommità di una torre. Anche una centrale a eliostati è composta da una serie di eliostati allineati su più file (quello che viene definito un "campo specchi"). La loro sistemazione è a ventaglio intorno alla torre su cui devono concentrare la luce, perfettamente puntati sulla caldaia. Il fluido contenuto all'interno della caldaia viene surriscaldato al fine di produrre vapore ad alta temperatura capace di generare elettricità, tramite un ciclo tipico delle centrali elettriche (a turbine e generatore), prima di essere raffreddato e quindi ripompato
in caldaia.
Le centrali a specchi non sembrano almeno per il momento
promettenti per il futuro se paragonate ai sistemi di produzione elettrica convenzionali poiché comportano costi di gestione elevati. L'utilizzo dell'energia solare per la produzione elettrica sembra promettente solo tramite la conversione fotovoltaica, che presenta indubbi vantaggi: è diretta e senza inquinamento ambientale. Una volta installate, le celle solari non richiedono particolare manutenzione per tutto il tempo di durata, che va dai 15 ai 25 anni, né tantomeno oneri di trasporto, dato che le installazioni devono essere fatte vicino al luogo di utilizzo. Le controindicazioni sono legate alla bassa intensità dell'energia solare, alla scarsa efficienza dei sistemi fotovoltaici (richiedono una vasta copertura del territorio per fornire valori di potenza significativi) e alla discontinuità dell'energia solare, specie nelle ore notturne. Pur essendo il costo del fotovoltaico in diminuzione, attualmente il problema principale è proprio questo. Nel caso delle grandi centrali collegate alla rete, il fotovoltaico costa ancora 6 volte di più del chilowatt all'ora prodotto da impianti energetici convenzionali; se si considerano piccoli impianti isolati però il rapporto diventa 10 a 1. Per questo motivo attualmente nel mondo sono installati poco meno di 45 MW elettrici fotovoltaici, di cui 13 in Italia (a Serre, presso Salerno, è stata realizzata la maggiore centrale europea collegata in rete, che ha una potenza di 3,3 MW) e altrettanti negli Stati Uniti.
