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Le celle fotovoltaiche (PV), spesso denominate “celle solari”, hanno una vita dura. Sono esposti alle intemperie e all’energia solare che catturano per generare elettricità che li fa anche riscaldare. Secondo alcuni test, per ogni aumento di 10°C della temperatura operativa, l’efficienza dei pannelli fotovoltaici a base di Si diminuisce tipicamente dal 4,0 al 6,5% e il loro tasso di invecchiamento raddoppia. Temperature delle celle fino a 65°C sono comuni in ambienti soleggiati e caldi.
La soluzione al “troppo caldo” è ben nota agli ingegneri: utilizzare una sorta di sistema di raffreddamento. Ciò può essere fatto utilizzando un approccio attivo che utilizza aria forzata o acqua, ma gli scambiatori di calore, le pompe e gli impianti idraulici necessari aggiungono costi, complessità e consumo energetico. In alternativa, è possibile utilizzare un approccio passivo meno complicato e meno costoso, ma anche meno efficiente. Oltre al noto raffreddamento per convezione, alcuni progetti passivi utilizzano tecniche ottiche di riflessione sub-bandgap o rivestimenti selettivamente emissivi per emettere calore tramite radiazione nello spazio esterno freddo, ma questi possono ridurre il calore solo di circa 4°C.
Di conseguenza, è necessario esplorare nuovi approcci, ed è ciò che stanno facendo i ricercatori universitari. Un team dell’Imperial College di Londra ha ideato una tecnologia di foglie fotovoltaiche “bio-ispirata” che utilizza materiali a basso costo e una costruzione relativamente semplice per superare il problema termico e fornire effettivamente nuovi vantaggi. Questo design elimina la necessità di pompe, ventilatori, unità di controllo e costosi materiali porosi. Si adatta automaticamente alle variazioni della temperatura ambiente e delle condizioni solari e può anche fornire ulteriore acqua pulita. Secondo vari test, la foglia fotovoltaica può generare oltre il 10% di elettricità in più rispetto ai pannelli solari convenzionali.
Il design trae ispirazione dalle foglie delle piante, il processo naturale di cattura dell’energia solare, e imita il processo di traspirazione che consente all’acqua di muoversi, distribuirsi ed evaporare. Le fibre naturali imitano i fasci di nervature delle foglie mentre gli idrogel simulano le cellule spugnose, quindi una foglia fotovoltaica può rimuovere il calore dalle celle solari fotovoltaiche in modo efficace ed economico.
[In case you’ve forgotten: Transpiration is the process of water movement through a plant and its subsequent evaporation (some call it “exhalation”) from leaves, stems, and flowers. It is a passive process that requires no energy expense by the plant. Transpiration cools plants, changes osmotic pressure of cells, and enables mass flow of mineral nutrients.]
In questo progetto, uno strato di traspirazione biomimetica (BT) è attaccato al retro di una cella solare fotovoltaica per rimuovere il calore generato nella cella (Figura 1). I fasci di fibre di bambù imitano i fasci vascolari nel trasportare e distribuire l’acqua liquida sulla superficie della cellula, mentre le cellule di idrogel con un’ampia area superficiale specifica ed eccellenti prestazioni di assorbimento dell’acqua vengono utilizzate per imitare le cellule di spugna nel fornire un’evaporazione efficace.
Figura 1 Illustrazione schematica della disposizione della cellula fotovoltaica e della struttura di traspirazione all’interno della foglia fotovoltaica bio-ispirata: a) Tipica struttura interna di una foglia vera. I fasci vascolari distribuiscono uniformemente l’acqua liquida su tutta la superficie della foglia. Un efficace raffreddamento della traspirazione protegge il processo fotosintetico. b) Struttura interna della struttura di traspirazione bioispirata. Fasci di fibre idrofile e cellule di idrogel vengono utilizzati per imitare i fasci vascolari e le cellule di spugna. c) Vista esplosa della struttura di traspirazione. Lo strato BT è costituito da fasci di fibre di bambù e celle di idrogel impaccate. La radice dei fasci di fibre viene immersa in acqua sfusa. d) Schema e principio di funzionamento della struttura di traspirazione della foglia PV. L’acqua scorre dalla radice alle cellule dell’idrogel guidata da processi capillari e osmotici. Le molecole d’acqua nella rete molecolare poi evaporano, rimuovendo il calore fotovoltaico. e) Fotografia del prototipo della singola foglia PV. Fonte: Imperial College di Londra
La configurazione della struttura di traspirazione della foglia fotovoltaica comprende uno strato BT (spessore ~1 mm) e una rete di supporto (spessore 0,5 mm) collegata alla parte inferiore di uno strato di celle fotovoltaiche (spessore ~150 μm) su un’area effettiva di 10 × 10cm2. Nello strato BT, circa 30 rami dei fasci di fibre di bambù sono incorporati in modo omogeneo nelle celle idrogel del polimero superassorbente (SAP) di poliacrilato di potassio (PAAK), distribuendo l’acqua su tutta l’area coperta dallo strato BT. Le estremità dei rami delle fibre vengono riunite e messe a bagno in acqua.
Una struttura del genere è interessante, ma ovviamente necessita di essere testata. Il gruppo di ricerca ha effettuato test sia in interni con illuminazione controllata che in esterni e i risultati sono stati impressionanti e in linea con la simulazione del progetto: calore ridotto, maggiore potenza erogata e acqua, figura 2. Per una maggiore efficienza, che è un parametro primario in questo caso, il numero sembra essere un miglioramento di circa il 10%, che è un numero significativo.
figura 2 Generazione sinergica di elettricità, calore e vapore pulito della foglia fotovoltaica ibrida multigenerazione. a) Schema della foglia PV. Sotto lo strato BT è stata fissata una camera per raccogliere il vapore pulito. b) Profilo termico (temperature della cella solare Tcellulail vapore sull’interfaccia Tvape l’uscita della camera Tfuori) e velocità di traspirazione della foglia PV quando la potenza della ventola di ventilazione è PF= 60 mW. c) Confronto delle prestazioni della foglia FV e della cella FV autonoma quando PF = 60 mW. d) Efficienza elettrica, efficienza termica e velocità di traspirazione della foglia FV in funzione di Tvap, che è stato regolato modificando la potenza della ventola di ventilazione. Tvapaumenta al diminuire della potenza di ventilazione. e) Diverse tecnologie di condensazione e corrispondenti limiti di velocità di condensazione (CR). Per condensare il vapore è necessario un condensatore separato. Il limite del condensatore ad acqua (hC= 50 W/mq2/K) si presume essere cinque volte quello del condensatore ad aria. f) La salinità dell’acqua salina in ingresso e dell’acqua dolce in uscita misurata mediante un rifrattometro. Per condensare il vapore generato dalla foglia fotovoltaica è stato utilizzato un condensatore piatto separato a base d’acqua. La soluzione salina è stata tinta di blu per aiutare a visualizzare l’effetto pulente. Fonte: Imperial College di Londra
Se sei interessato a tutti i dettagli consulta il paper di 10 pagine “Foglia fotovoltaica ibrida multigenerazione ad alta efficienza bio-ispirata” pubblicato su Comunicazioni sulla naturainsieme a un file di informazioni supplementari di 16 pagine che fornisce approfondimenti aggiuntivi sulla progettazione e sul test, nonché sull’impatto delle variazioni nelle condizioni di test.
Sebbene siano giustamente soddisfatti della loro idea, della sua esecuzione e dei risultati, sono rimasto anche colpito dal fatto che non l’abbiano etichettata come una “svolta rivoluzionaria” o “rivoluzionaria”. Abbiamo già troppa pubblicità, soprattutto quando uno sviluppo è legato al pulito o alle energie rinnovabili e all’eterna ricerca di sovvenzioni per la ricerca.
La dura realtà è che per la maggior parte dei progetti su piccola scala, e soprattutto per quelli legati a questioni energetiche ed energetiche, questi sviluppi spesso non hanno una buona scalabilità. Passando dal modello da banco a quello pilota e poi a grandezza naturale, accadono cose di ogni genere. I problemi di produzione, fabbricazione e installazione interferiscono; le non linearità nei materiali diventano più evidenti; e fattori inevitabili come il rapporto mutevole tra area superficiale e volume influiscono sulle prestazioni meccaniche, chimiche e termiche.
Se non pensate che sia così, date un’occhiata ai numerosi progressi relativi alle batterie realizzati in laboratorio, pubblicizzati come “rivoluzioni”, ma che non sono mai andati molto oltre. Le leggi della fisica e della chimica, così come le realtà economiche, dettano ciò che si può e non si può ottenere su vari livelli.
Qual è la tua opinione sulla praticità di questo nuovo approccio? È fattibile su scala più ampia o è un’altra innovazione che si rivelerà non del tutto fattibile nel mondo reale più ampio, come è avvenuto con tante innovazioni?
Bill Schweber è un EE che ha scritto tre libri di testo, centinaia di articoli tecnici, colonne di opinioni e caratteristiche dei prodotti.
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Anche la cella fotovoltaica ispirata al post Leaf è efficiente e fornisce acqua “gratuita”, apparsa per la prima volta su EDN.
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