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Miglior Fotovoltaico Termico
Un nuovo approccio alla conversione del calore in elettricità utilizzando celle solari potrebbe rendere più pratica una tecnologia chiamata termofotovoltaico (TPV). MTPV , una startup con sede a Boston che ha raccolto 10 milioni di dollari, afferma di aver sviluppato prototipi sufficientemente grandi per applicazioni pratiche. L'azienda ha recentemente annunciato accordi per installare i dispositivi nelle vetrerie per generare elettricità da scarichi caldi.
Punto di accesso: Un distanziatore microscopico utilizzato per supportare le celle solari a meno di un micrometro sopra un altro materiale in un dispositivo termico fotovoltaico.
In generale, il fotovoltaico termico utilizza celle solari per convertire la luce che si irradia da una superficie calda in elettricità. Mentre le prime applicazioni genereranno elettricità dal calore di scarto, alla fine la tecnologia potrebbe essere utilizzata per generare elettricità dalla luce solare in modo molto più efficiente rispetto ai pannelli solari. In un tale sistema, la luce solare è concentrata su un materiale per riscaldarlo e la luce che emette viene quindi convertita in elettricità da una cella solare.
Finora, la tecnologia è stata poco pratica per le applicazioni commerciali, in parte a causa delle alte temperature richieste e in parte a causa della concorrenza delle tecnologie esistenti, come le turbine a vapore, per convertire il calore in elettricità. L'innovazione di MTPV è un metodo per aumentare di 10 volte il flusso di fotoni dal materiale riscaldato al pannello solare rispetto ai tipici sistemi fotovoltaici termici, il che potrebbe rendere i suoi sistemi più piccoli, meno costosi e pratici a temperature più basse, afferma Robert DiMatteo, MTPV's AMMINISTRATORE DELEGATO.
Un pannello solare convenzionale assorbe la luce dall'intero spettro, ma converte in modo efficiente solo determinati colori. Gran parte dell'energia nelle altre lunghezze d'onda della luce va sprecata. Di conseguenza, l'efficienza teorica massima di una cella solare convenzionale è del 30 percento o del 41 percento se la luce solare viene prima concentrata utilizzando uno specchio o una lente. In un impianto fotovoltaico termico, la luce viene concentrata su un materiale per riscaldarlo. Il materiale è selezionato in modo tale che, quando diventa caldo, emetta luce a lunghezze d'onda che una cella solare può convertire in modo efficiente. Di conseguenza, l'efficienza massima teorica di un impianto fotovoltaico termico è dell'85 percento.
In pratica, le sfide ingegneristiche lo renderanno difficile da raggiungere, ma DiMatteo afferma che i modelli informatici dell'azienda suggeriscono che dovrebbero essere possibili efficienze superiori al 50 percento. I prototipi non sono così efficienti: convertono circa il 10-15 percento del calore che assorbono dallo scarico della vetreria in elettricità, che secondo DiMatteo è sufficiente per rendere i dispositivi economici. (L'efficienza prevista dei dispositivi TPV è anche molto più elevata delle efficienze previste per i dispositivi termoelettrici, che convertono direttamente il calore in elettricità.)
La differenza chiave tra la tecnologia MTPV e altri impianti fotovoltaici termici è il posizionamento della cella solare e del materiale riscaldato (MTPV sta per micron-gap TPV). Nel suo lavoro prima come studente al MIT e poi come ricercatore ai Draper Laboratories, a Cambridge, MA, DiMatteo ha scoperto che mettere il materiale riscaldato estremamente vicino alla cella solare ha permesso a molti più fotoni di sfuggire a una determinata area del materiale ed essere assorbito dalla cella solare.
In un sistema TPV convenzionale, la maggior parte dei fotoni generati nel materiale riscaldato vengono riflessi nel materiale quando raggiungono la sua superficie; è lo stesso fenomeno che intrappola la luce nei cavi in fibra ottica. Quando la cella solare e il materiale riscaldato vengono avvicinati, in modo che lo spazio tra i due sia inferiore alla lunghezza d'onda della luce emessa, la superficie non riflette più la luce. I fotoni viaggiano da un materiale all'altro come se non ci fosse alcuno spazio tra di loro. La distanza ravvicinata consente anche agli elettroni su un lato dello spazio vuoto di trasferire energia agli elettroni sull'altro lato. (Un vuoto tra il materiale riscaldato e la cella solare mantiene una differenza di temperatura tra i due necessaria per ottenere elevate efficienze.) Poiché il materiale riscaldato emette più fotoni, la cella solare può generare 10 volte più elettricità per una determinata area, rispetto a una cella solare in un TPV convenzionale.
Ciò consente di utilizzare un decimo in più di materiale per le celle solari, il che riduce significativamente i costi. In alternativa, consente di generare più potenza a temperature più basse, il che Peter Peumans , professore di ingegneria elettrica presso la Stanford University, afferma che è uno dei principali vantaggi dell'approccio. Il fotovoltaico termico convenzionale può richiedere temperature di 1.500 °C, dice. I primi prototipi di MTPV funzionano bene a meno di 1.000 °C e DiMatteo afferma che, in teoria, la tecnologia potrebbe generare elettricità in modo economico a temperature fino a 100 °C. Questo ampio intervallo di temperatura potrebbe rendere interessante la tecnologia per la generazione di elettricità dal calore proveniente da una varietà di fonti, inclusi i gas di scarico delle automobili, che altrimenti andrebbero sprecati.
Ma Peumans afferma che la tecnologia ha un compromesso: poiché il materiale riscaldato e la cella solare sono posizionati così vicini, non è possibile mettere un filtro tra di loro per aiutare a sintonizzare le lunghezze d'onda della luce che raggiungono la cella solare. Ciò potrebbe limitare le efficienze finali che il sistema può raggiungere.
DiMatteo ha pubblicato per la prima volta il lavoro sul concetto MTPV alla fine degli anni '90, ma fino ad ora è stato necessario progettare prototipi abbastanza grandi da essere pratici. Una delle principali sfide è stata quella di trovare modi per creare uno spazio vuoto di appena un decimo di micrometro e che tuttavia possa essere mantenuto sulle aree relativamente grandi necessarie per un dispositivo pratico. DiMatteo afferma che l'azienda migliorerà le prestazioni dei dispositivi riducendo costantemente il divario, il che secondo i modelli di computer migliorerà l'efficienza.