Pannelli anti-solari

da Apr 7, 2022Innovazione, ingegneria, tecnologia0 commenti

Dato il problema odierno dell’inquinamento ambientale, sono sempre più le nuove realtà che cercano di trovare nuove tecnologie – o adattarne di esistenti – per ovviare a questo problema.

Cosa direste ad esempio se scopriste che i pannelli solari potessero generare elettricità anche di notte, senza avere quindi bisogno di luce? Sembrerebbe un paradosso. Un team di ricercatori della California è appena riuscito nell’impresa. Ha progettato, infatti, un prototipo di pannello anti-solare, ossia che funziona esattamente nel modo opposto ad un pannello solare tradizionale. Questa nuova tipologia si è dimostrata in grado di generare piccole quantità di energia durante le ore notturne.

Il team di ricercatori del dipartimento di Ingegneria elettrica e informatica dell’università, ha messo a punto un prototipo di pannello anti-solare in grado di generare durante la notte ben 50 watt di potenza per metro quadrato. Per rendersi conto, una quantità pari a circa un quarto di quella prodotta di giorno da un normale pannello solare.

Come funziona un pannello solare tradizionale?

Il funzionamento dei pannelli fotovoltaici si basa su una tecnologia che converte l’energia solare in elettricità. L’idea è nata addirittura nel diciannovesimo secolo quando lo scienziato francese Edmond Becquerel ha scoperto che alcuni materiali – soprattutto il Selenio – producevano scintille elettriche se colpite dalla luce solare. 

Negli anni 50 del novecento, alcuni scienziati americani hanno rivisitato la tecnologia usando il silicio al posto del selenio, in quanto lo ritenevano un elemento più performante. Oggi i pannelli solari vengono installati sui tetti delle abitazioni e su moltissimi altri edifici e possono essere usati per soddisfare il fabbisogno energetico in molte altre occasioni. Ma di preciso, come funziona un pannello fotovoltaico? 

Un pannello fotovoltaico è costituito da unità più piccole, chiamate celle fotovoltaiche. I fotoni, o particelle di luce, trasferiscono la loro energia agli elettroni liberi, presenti sulla cella che, a loro volta, “agitandosi” producono elettricità. Ogni cella è formata da due strati di silicio, un materiale semiconduttore appartenente alla categoria dei semimetalli. Per funzionare, una cella fotovoltaica deve stabilire un campo elettrico. Così come avviene per un campo magnetico, in cui sono presenti due poli opposti, anche nel caso del campo elettrico si assiste alla presenza di due cariche opposte separate tra loro. Per creare questo campo, chi produce pannelli fotovoltaici dà vita ad un processo chiamato “drogaggio del silicio”, che prevede l’aggiunta di atomi di un preciso elemento ai semiconduttori con lo scopo di alterare la loro stabilità elettronica. Nello specifico, allo stato di silicio soprastante viene aggiunto del fosforo, al fine di caricarlo negativamente; allo strato sottostante, invece, viene aggiunto del boro, che gli permette di assumere una carica positiva. Nel momento in cui un fotone colpisce un elettrone libero tra i due strati, il campo elettrico lo spinge verso delle piastre metalliche presenti sui lati della cella che lo trasferiscono all’interno dei cavi elettrici.

Di recente, i ricercatori hanno prodotto celle ultrafini e flessibili che possiedono uno spessore di 1,3 micron (all’incirca 1/100 dello spessore di un capello umano). Queste celle fotovoltaiche pesano addirittura venti volte in meno di un comune foglio di carta da ufficio. Leggerezza e flessibilità rendono queste celle perfette per il settore dell’architettura, per quello aerospaziale e, addirittura, per essere inserite nell’elettronica “wearable”. 

Che tipo di energia viene prodotta?

Per capire che tipo di corrente viene generata dai pannelli solari, dobbiamo prima specificare quali sono i diversi tipi di corrente. 

  • La corrente continua utilizza delle cariche elettriche con ciclo continuo e costante, ovvero la sua tensione rimane stabile nel tempo. 
  • La corrente alternata utilizza un flusso di energia variabile e oscillatoria che passa da un massimo positivo a un massimo negativo. I due valori si alternano creando dei cicli che si ripetono all’infinito, in moto sinusoidale.

I pannelli solari generano elettricità in corrente continua, ovvero il flusso degli elettroni in corrente continua avviene in un’unica direzione all’interno del circuito. 

Un esempio semplice può essere quello di una lampadina alimentata da una batteria: gli elettroni si muovono partendo dal polo negativo in direzione della lampadina e, dopo averla alimentata, ritornano verso il polo positivo. Al contrario, in caso di corrente alternata (quella presente nei circuiti elettrici dei nostri edifici), gli elettroni si muovono cambiando periodicamente la loro direzione, un po’ come avviene per i pistoni presenti nel motore di una macchina. I generatori creano corrente alternata quando una bobina è in prossimità di un magnete e possono essere alimentati da diverse fonti energetiche (combustibili fossili, energia idroelettrica, nucleare, eolica o solare). 

Quindi, non si può utilizzare la corrente del pannello solare direttamente ma bisogna prima utilizzare un inverter. 

L’ inverter cattura l’energia in corrente continua prodotta dal sistema fotovoltaico e la trasforma in corrente alternata. Oltre alla conversione dell’energia elettrica questi strumenti proteggono da guasti a terra e forniscono statistiche di sistema, tra cui la tensione e la corrente presente sui circuiti CA (corrente alternata) e CC ( corrente continua) ed i dati relativi alla produzione di energia e al punto di massima potenza. Sono stati introdotti poi dei micro-inverter, detti ottimizzatori. Come afferma il termine stesso, infatti, ottimizzano l’attività di ogni singolo pannello e non più dell’intero sistema, permettendo a ciascuno di essi di funzionare al suo massimo potenziale. Questa configurazione può risultare utile, ma solo in determinate situazioni, come nel caso di un ombreggiamento che non è possibile evitare o di zone di sporcizia critiche per i pannelli; altrimenti sarebbe del tutto superflua, in quanto gli inverter tradizionali hanno comunque al loro interno la possibilità di separare l’impianto fotovoltaico in più zone di lavoro e seguirne il punto di massimo rendimento.

Come funzionano i pannelli notturni?

Credit Wired

Lo Spazio, invece, è molto freddo e se si ha un oggetto relativamente caldo e lo si punta verso il cielo, allora irradierà calore verso lo Spazio, come luce infrarossa, consentendo anche in questo caso di generare energia. Per generare elettricità, a differenza della cella fotovoltaica utilizzata in un pannello solare, nel nuovo dispositivo i ricercatori si sono serviti della cella termoradiativa, che genera energia irradiando calore nell’ambiente circostante. Oltre a trasformare la luce in elettricità sono in grado di recuperare il calore di scarto sotto forma di radiazione infrarossa per convertirla a sua volta in corrente elettrica. Questo le rende, almeno in teoria, due volte più efficienti delle celle convenzionali dal momento che non hanno bisogno luce solare diretta per generare elettricità, ma possono semplicemente sia convertire il calore perso dalla cella durante il giorno che raccoglierlo da una fonte esterna quando è buio. 

Servirà, tuttavia, ancora molto lavoro per migliorare l’efficienza del nuovo dispositivo. Il primo quesito da risolvere ora sarà quello di quali materiali utilizzare: se per i pannelli tradizionali viene generalmente usato il silicio, ottimo materiale per assorbire la luce, i ricercatori stanno cercando di capire quale materiale possa catturare la luce a una lunghezza d’onda estremamente lunga.Alcuni stanno sperimentando leghe di mercurio, altri stan tentando di utilizzare un nuovo metamateriale che si illumina in modo insolito quando riscaldato. Per crearlo, i ricercatori hanno impilato dieci fogli composti da nano particelle d’oro alternati con altri dieci realizzati in fluoruro di magnesio (con spessore, rispettivamente, di 30 nm e 45 nm) uno sopra l’altro sopra una sottile base in nitruro di silicio. Utilizzando un macchinario specializzato, hanno quindi praticato dei piccolissimi fori per tutta la lunghezza del materiale. 

 Tutto questo lavoro ha reso il composto nano strutturato in grado di irradiare il calore in direzioni specifiche. La geometria del metamateriale può anche essere ottimizzata per emettere radiazioni ad uno specifico intervallo spettrale, a differenza di materiali standard che emettono il calore in tutte le direzioni e con una vasta gamma di lunghezze d’onda infrarosse. Le celle termo fotovoltaiche hanno il potenziale per essere molto più efficienti rispetto alle celle solari.  

Poca elettricità prodotta ma …

Asaworrarit, un ricercatore di Standford, sta lavorando ad un progetto parallelo sui pannelli fotovoltaici notturni. In una notte serena, il dispositivo testato da Assawaworrarit sul tetto di Stanford genera circa cinquanta milliwatt per ogni metro quadrato di pannello solare (50 mW/m 2 ).

Il limite teorico è probabilmente di circa uno o due watt per metro quadrato. Non è un numero enorme, ma ci sono molte applicazioni in cui quel tipo di energia di notte potrebbe tornare utile. 

Ad esempio, una larga parte della popolazione mondiale, circa un miliardo di persone, non ha accesso a una rete elettrica . Le persone che vivono in quella situazione possono fare affidamento sull’energia solare durante il giorno, ma di notte non possono fare molto. A differenza delle batterie che si degradano sostanzialmente dopo alcune migliaia di cicli di carica, il tipo di generatori termoelettrici utilizzati in questi pannelli solari sono allo stato solido, quindi la durata è praticamente per sempre. 

Un altro buon uso della tecnologia è alimentare l’immensa rete di sensori ambientali che i ricercatori utilizzano per tenere sotto controllo qualsiasi cosa, dalle condizioni meteorologiche alle specie invasive negli angoli più remoti del globo. Ancora una volta, i pannelli solari che generano una piccola quantità di elettricità di notte potrebbero ridurre la necessità di batterie e i costi di manutenzione e sostituzione che devono sostenere. 

La Terra riceve costantemente un’enorme quantità di energia dal Sole, per un importo di 173.000 terrawatt. Nubi, particelle nell’atmosfera e superfici riflettenti come montagne innevate riflettono immediatamente il 30 percento di quell’energia nello spazio. Il resto finisce per riscaldare la terra, gli oceani, le nuvole, l’atmosfera e tutto il resto del pianeta. 

Ma quell’energia non rimane qui, la Terra emette tanta energia quanta ne riceve. Il pianeta emette una quantità di energia davvero strabiliante sotto forma di radiazione infrarossa.

Gli scienziati moderni non sono certo i primi a notare che una superficie puntata verso il cielo notturno senza nuvole può diventare più fredda dell’aria circostante. Il fenomeno è chiamato raffreddamento radiativo e probabilmente l’hai visto tu stesso al mattino. È più evidente nell’erba dopo che le temperature sono scese tra i 2 e i 3 gradi ma non del tutto sotto lo zero.

È un fenomeno strano (sebbene sottile) che si verifica solo quando il cielo è sereno. Questo perché le nuvole riscaldano il suolo riflettendo la luce infrarossa sulla superficie terrestre. Non sarai in grado di vederlo perché sta accadendo in una lunghezza d’onda che gli esseri umani non possono vedere.

Sfide ingegneristiche

Dopo mesi di analisi dei numeri, il primo esperimento del team ha mostrato che le prime iterazioni del dispositivo producevano circa un decimo della quantità di elettricità che si aspettavano. Si è scoperto che un grosso problema si stava intromettendo. Una cella solare non è in realtà un ottimo conduttore di calore. Ecco dove sta il problema. Gli ingegneri si sono resi conto che l’energia che fuoriusciva dai bordi del pannello solare non stava contribuendo molto alla produzione di energia del sistema perché l’energia termica non poteva viaggiare facilmente attraverso la cella solare stessa. 

Curiosità

Basato sulla stessa tecnologia utilizzata dagli anti-pannelli solari i ricercatori hanno creato un prototipo di  generatore termoelettrico semplice ed economico. Il prototipo è stato quindi  posto sul tetto di un edificio: attraverso il raffrescamento radiativo notturno la temperatura di un lato del loro generatore è stata mantenuta diversi gradi al di sotto di quella ambientale. Nel contempo l’aria circostante scaldava il lato caldo dell’apparecchio. Questa differenza di temperatura è stata tradotta in tensione elettrica dal dispositivo, generando fino a 25 milliwatt per metro quadrato, un quantitativo sufficiente ad alimentare una singola lampadina a LED. Con questo output, secondo i team di Ingegneri, una piccola installazione sul tetto di una casa potrebbe fornire energia sufficiente durante la notte per caricare un telefono cellulare o illuminare una stanza con luci a LED.

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