Nuova generazione di fotovoltaico: tripla efficienza con luce e calore

[frankytop]

Una nuova barriera sta per essere abbattuta, nel campo della produzione di energia solare. Un gruppo di ricerca dell’Università di Stanford, in California, ha infatti sviluppato un metodo che permette di generare elettricità sfruttando simultaneamente la luce e il calore solare. La tecnica si chiama Pete (acronimo per Photon Enhanced Thermionic Emission) e il suo obiettivo è tanto semplice quanto ambizioso: aumentare l’efficienza dei pannelli e ridurre i costi di produzione di energia solare a tal punto da renderla ufficialmente competitiva nei confronti del petrolio.

I risultati riscontrati dopo i primi test su Pete sono incoraggianti. Attualmente esistono due approcci per ottenere energia elettrica dal sole. I pannelli fotovoltaici (approccio quantico) producono una corrente elettrica sfruttando l'energia dei fotoni per eccitare gli elettroni di un semiconduttore (in genere, il silicio). I pannelli solari termodinamici (approccio termodinamico) invece utilizzano le radiazioni solari come sorgente di energia termica, che viene incamerata in speciali fluidi poi utilizzati per alimentare turbine a vapore. Il sistema Pete riesce a sfruttare entrambi i processi. Il che dovrebbe essere impossibile, dal momento che pannelli fotovoltaici e termici lavorano a intervalli di temperatura radicalmente diversi (sopra i 100 gradi C°, infatti, il silicio perde le sue proprietà di semiconduttore e le celle fotovoltaiche cessano di produrre energia.)

Per sciogliere questo nodo, la squadra guidata da Nick Melosh ha sostituito il silicio con il nitruro di gallio - un semiconduttore capace di lavorare a energie più alte - poi, al fine di catturare anche quella importante porzione di energia solitamente persa sotto forma di calore, ha aggiunto un secondo strato metallico a base di Cesio, per aumentare ulteriormente la produzione di elettroni attraverso un meccanismo conosciuto come effetto termoionico.

Se gli ordinari pannelli fotovoltaici lavorano solo al di sotto dei 100 gradi centigradi, il nuovo prototipo raggiunge una buona efficienza solo al di sopra dei 200 gradi. Questo significa che potrebbe essere accoppiato ai concentratori solari parabolici - che possono raggiungere temperature di oltre 800 gradi - per ottenere efficienze mai raggiunte finora. Parliamo di un’efficienza di conversione che, stando alle previsioni dello stesso Melosh, si aggira intorno al 60%. Una cifra importante considerando che, allo stato attuale, le celle fotovoltaiche arrivano intorno al 20%, mentre in laboratorio si arriva al 40%. Certo, nei primi test le celle a base di nitruro di gallio e cesio hanno dimostrato di poter garantire un’efficienza ben al di sotto della percentuale teorica. Melosh e colleghi di dicono tuttavia sicuri di poter raggiungere quota 60 utilizzando un altro semiconduttore - l’arseniuro di Gallio, ad esempio.

Ma gli ipotetici vantaggi dell’approccio Pete non si fermano qui, esiste anche un aspetto economico. “Le alte concentrazioni solari rendono possibile ridurre il costo dei materiali riducendo le dimensioni del pannello” si legge nel paper pubblicato da Melosh e colleghi su Nature Materials “I dispositivi Pete sono naturalmente sinergici con le macchine termiche e potrebbero essere implementati collegandoli alle infrastrutture termico-solari esistenti. Anche un solo modulo Pete mediamente efficiente, in tandem con una macchina termica, potrebbe raggiungere un’efficienza totale superiore agli altri dispostivi oggi utilizzati”.

La squadra guidata da Melosh ha sicuramente aperto un orizzonte di ricerca innovativo, ma non è l’unica. Mentre il Sole, come testimoniano i recenti rilevamenti del Dipartimento di Eliofisica della Nasa, sta entrando in nuova fase di attività, sulla Terra diversi centri di ricerca stanno studiando nuovi metodi per catturare, incamerare e riconvertire i 50 milioni di GigaWatt che ogni giorno la nostra stella riversa sulla crosta terrestre. Alla Eindhoven University of Technology si studiano celle solari che sfruttano nanostrutture filamentose per ottenere efficienze superiori al 60%; al Lawrence Berkeley National Laboratory invece stanno sperimentando l’aggiunta di selenio ai materiali fotovoltaici per catturare ancora più energia dalle radiazioni solari. In Italia, di recente, ha aperto a Milano il Centro Internazionale sulla Fotonica per l'Energia, che nei prossimi tre anni si occuperà di sviluppare un prodotto pre-industriale che aumenti l’efficienza di conversione a partire dalle nanotecnologie.

Il Sole 24 Ore

[marchigiano]

vabbè... ne riparliamo tra millemila anni

cambia poco dalle attuali centrali a concentrazione, a causa degli specchi non le posso certo mettere sul tetto di casa

[frankytop]

Originariamente inviato da marchigiano

vabbè... ne riparliamo tra millemila anni

cambia poco dalle attuali centrali a concentrazione, a causa degli specchi non le posso certo mettere sul tetto di casa

Lo so hai ragione,era solo per riportare una notizia di interesse tecnologico e sulla fisica di funzionamento delle nuove celle.

[marchigiano]

più che altro è interessante che più è caldo più è efficiente, al contrario dei pannelli attuali

quindi se i pannelli attuali lavorano meglio al nord o in montagna, questi si potranno mettere in zone torride senza subire cali di efficienza

l'arsenurio di gallio però se ricordo bene è molto costoso... (l'avevano messo su un vecchio cellulare ma non ricordo il motivo )

[frankytop]

Originariamente inviato da marchigiano

più che altro è interessante che più è caldo più è efficiente, al contrario dei pannelli attuali

quindi se i pannelli attuali lavorano meglio al nord o in montagna, questi si potranno mettere in zone torride senza subire cali di efficienza

l'arsenurio di gallio però se ricordo bene è molto costoso... (l'avevano messo su un vecchio cellulare ma non ricordo il motivo )

Si infatti è dannatamente costoso e più efficiente del silicio ed è per questo che viene impiegato solo in settori particolari come nell'aerospaziale,sui satelliti.

[+Benito+]

Con quei materiali è impensabile la distribuzione su vasta scala.

[hibone]

Come ha sottolineato Benito, anche io ho tanto la sensazione che sia un mero esercizio di stile...
Tra le altre cose al momento non ci sono semiconduttori economici a parte il silicio, per cui se non riescono ad adattare tale tecnologia al silicio, tutto il discorso rischia di restare fuffa.



Detto questo ci sarebbe da fare una interessante disamina sulle potenziali sciocchezze scritte dal giornalista, ma magari si può stendere un velo pietoso...

[Charonte]

che tristezza.
ottime idee ma impossibili da realizzare per mancanza di materiali.

[AleLinuxBSD]

Io penso che l'idea sia valida (massimizzare il ritorno in termini di energia usando diversi approcci) ma mi restano ancora diversi dubbi.

arsenurio di gallio: è una sostanza tossica quindi ci sarebbero problemi in fase di smaltimento.

Io credo che sia opportuno abbinare a soluzioni a basso impatto ambientale anche materiali a basso impatto ambientale.

Nota:
Per es. nelle stesse centrali a concentrazione prima veniva usato un materiale altamente inquinante (in caso di rottura dei tubi) mentre adesso esistono pure alternative ecologiche.
Questo per dire che un sistema andrebbe considerato nel suo complesso e che certe soluzioni finiscono con l'essere non molto ecologiche se considerate nel loro insieme.

[zappy]

Originariamente inviato da marchigiano

cambia poco dalle attuali centrali a concentrazione, a causa degli specchi non le posso certo mettere sul tetto di casa

ti sfugge che

“Le alte concentrazioni solari rendono possibile ridurre il costo dei materiali riducendo le dimensioni del pannello”
Il Sole 24 Ore

il che significa ad esempio piccolissime quantità di semiconduttore coperte ad esempio da un economico pannello con lenti di fresnel che concentrino luce e calore.
Ovvero minimizzare l'uso di materiali costosi aumentando nel contempo l'efficienza.
altro che "cambia poco"

[frankytop]

Originariamente inviato da zappy

ti sfugge che


il che significa ad esempio piccolissime quantità di semiconduttore coperte ad esempio da un economico pannello con lenti di fresnel che concentrino luce e calore.
Ovvero minimizzare l'uso di materiali costosi aumentando nel contempo l'efficienza.
altro che "cambia poco"

Non esageriamo,non sono sufficienti "piccolissime" quantità di materiale attivo,inoltre bisogna considerare i costi delle infrastrutture per sorreggere i pannelli parabolici per focalizzare i raggi solari o le lenti.

[+Benito+]

Originariamente inviato da zappy

ti sfugge che


il che significa ad esempio piccolissime quantità di semiconduttore coperte ad esempio da un economico pannello con lenti di fresnel che concentrino luce e calore.
Ovvero minimizzare l'uso di materiali costosi aumentando nel contempo l'efficienza.
altro che "cambia poco"

la lente di fresnel è l'ultima cosa da usare per concentrare la luce con buona efficienza..... e comunque si parla di riduzioni di superficie ma proporzionalmente non eccelse. Considera che non si persegue solo la densità di potenza ma anche la potenza di picco, che vuol dire che se attualmente le superfici sono un vincolo per la potenza massima, non è che in futuro con queste soluzioni ci si accontenerà di risparmiare il 50% degli spazi ed avere la stessa potenza, ma si sfrutteranno gli stessi spazi per avere maggiore potenza. Considera che , comunque, si parla SOLO di CENTRALI, non di microproduzione.

[zappy]

Originariamente inviato da frankytop

Non esageriamo,non sono sufficienti "piccolissime" quantità di materiale attivo,inoltre bisogna considerare i costi delle infrastrutture per sorreggere i pannelli parabolici per focalizzare i raggi solari o le lenti.

Secondo me tu stai applicando l'immagine mentale di un pannello tradizionale, sommato ad una lente gigante e/o specchio parabolico stile solare-termodinamico.

Qua si parla di microcelle fotovoltaiche sormontate da microlenti (ho detto fresnel ma può anche essere una lente "classica"), il tutto di dimensioni indicativamente paragonabili a quelle di un moderno led da illuminazione.
immaginati un pannello costituito da centinaia di questi piccoli componenti ed ecco che ci avviciniamo a capire le potenzialità di questa tecnologia, rispetto agli attuali pannelli la cui superficie è praticamente tappezzata dal silicio con una copertura del 90%.

[zappy]

Originariamente inviato da +Benito+

...non è che in futuro con queste soluzioni ci si accontenerà di risparmiare il 50% degli spazi ed avere la stessa potenza, ma si sfrutteranno gli stessi spazi per avere maggiore potenza.

non dico che riduci la dimensione del pannello, ma che diminiuisci la quantità di "materiale pregiato" (il semiconduttore), che pi è quello che determina il costo.

in pratica invece di dover usare una cella con 10x10 cm di silicio, magari riesci ad usare sempre una superficie captante di 10x10, ma solo 5x5 cm di silicio, concentrando l'energia su una superficie "attiva" più piccola. Un risparmio enorme.

[+Benito+]

No perchè il materiale costa enormemente di più

[zappy]

Originariamente inviato da +Benito+

No perchè il materiale costa enormemente di più

Anche se il materiale costasse di più, ne usi meno ed hai maggior efficienza, quindi la valutazione è ben più complessa...

Comunque, sai quanto costava un LCD 10 anni fa?

[bjt2]

Originariamente inviato da zappy

non dico che riduci la dimensione del pannello, ma che diminiuisci la quantità di "materiale pregiato" (il semiconduttore), che pi è quello che determina il costo.

in pratica invece di dover usare una cella con 10x10 cm di silicio, magari riesci ad usare sempre una superficie captante di 10x10, ma solo 5x5 cm di silicio, concentrando l'energia su una superficie "attiva" più piccola. Un risparmio enorme.

Qualche anno fa l'istituto del CNR per cui lavoro (o meglio il dipartimento a cui afferisce il mio istituto) aveva uno stand alla mostra "Futuro Remoto" alla mostra d'oltremare a Napoli. Io e alcuni colleghi (e colleghe ) eravamo stati precettati per presenziare lo stand (allora ero assegnista e non dipendente a TI). A parte cazzeggiare con una workstation *nix con schermo CRT, scheda ATI e occhialini 3D attivi (a batteria e sensore IR) che proiettava una molecola in 3D, di fronte avevamo lo stand dell'INFN (credo o comunque un istituto di ricerca pubblico) in cui era esposto, tra l'altro, un pannello solare composto da lenti quadrate di vetro (o altro materiale) 10x10 cm circa, con sotto una lamina sottile dal colore bruno e metallico, sarà stata 3x3 cm, che era il pannello solare vero e proprio. Sarà stato il 2005 o 2006 (non ricordo). Non approfondii allora che materiale fosse, ma è chiaro che non era silicio, vista l'alta temperatura data dalla concentrazione... Quella soluzione era pubblicizzata come economica e più efficiente dei pannelli solari tradizionali...

[+Benito+]

Originariamente inviato da zappy

Anche se il materiale costasse di più, ne usi meno ed hai maggior efficienza, quindi la valutazione è ben più complessa...

Comunque, sai quanto costava un LCD 10 anni fa?

Non è la stessa cosa, quei materiali costano per il solo fatto di essere tossici. Hai idea di cosa costi smaltire e gestire un campo di materiale potenzialmente rubabile da chiunque?
Comunque, aridaje, non ne usi meno, ne usi magari di più, perchè il fattore scala in questi impianti è importante.

[zappy]

Originariamente inviato da bjt2

...lo stand dell'INFN (credo o comunque un istituto di ricerca pubblico) in cui era esposto, tra l'altro, un pannello solare composto da lenti quadrate di vetro (o altro materiale) 10x10 cm circa, con sotto una lamina sottile dal colore bruno e metallico, sarà stata 3x3 cm, che era il pannello solare vero e proprio. Sarà stato il 2005 o 2006 (non ricordo). Non approfondii allora che materiale fosse, ma è chiaro che non era silicio, vista l'alta temperatura data dalla concentrazione... Quella soluzione era pubblicizzata come economica e più efficiente dei pannelli solari tradizionali...

esattamente quello che intendevo
o comunque qualcosa di quel genere.