Un concentratore solare più economico

Nicolas Morgan tiene in mano un pezzo quadrato di acrilico trasparente modellato di circa un centimetro di spessore e fa brillare una penna luminosa direttamente sulla sua superficie piana. Un raggio verde entra nell'acrilico e si piega verso il centro del quadrato. Morgan ripete il processo in diversi punti della superficie e ogni volta il raggio si dirige verso il centro.

Luce guida : L'ottica ad alta precisione di Morgan Solar, in parte in acrilico e in parte in vetro, è modellata in modo che la luce venga intrappolata e rimbalzi verso il centro. Un'ottica secondaria in vetro concentra la luce su 1.000 soli e la dirige verso una minuscola cella solare ad alta efficienza. Il design a basso profilo promette di ridurre i costi di produzione e trasporto.

Il componente acrilico, chiamato Light-Guide Solar Optic (LSO), è un nuovo tipo di concentratore solare che potrebbe ridurre significativamente il costo della generazione di elettricità dal sole. A differenza dei progetti esistenti, non sono necessari specchi, ottiche complesse o prodotti chimici per intrappolare e manipolare la luce. È pura ottica geometrica, afferma Morgan, direttore dello sviluppo aziendale presso Morgan Solar con sede a Toronto.

I concentratori solari sono emersi negli ultimi anni come un modo per intensificare la quantità di luce solare che colpisce le celle solari, che sono la parte più costosa dei pannelli solari. Per rendere l'energia solare più accessibile, gli ingegneri hanno cercato di utilizzare meno materiale delle celle solari concentrando la luce solare su spazi molto più piccoli.

Ma questo approccio ha le sue sfide. La maggior parte dei concentratori tende ad essere sistemi complessi che utilizzano lenti speciali, specchi curvi e altri componenti ottici con una lunghezza focale diversa da zero. Ciò significa che deve esserci una distanza sufficiente, un traferro, tra la cella solare e l'ottica per focalizzare correttamente la luce. Di conseguenza, i sistemi basati su concentratore sono solitamente imballati all'interno di contenitori ingombranti, con una profondità sufficiente per adattarsi alla lunghezza focale e proteggere tutti i componenti durante la spedizione. Ciò significa costi di materiale e assemblaggio più elevati e spedizioni più costose.

Un paio di anni fa, il fratello di Nicolas, John Paul Morgan, ha avuto l'idea di un sistema di concentratori solari a stato solido: un'ottica acrilica piatta e sottile che intrappola la luce e la guida verso il suo centro. Al centro del concentratore di Morgan Solar è incorporata un'ottica rotonda secondaria in vetro. Con un fondo piatto e una parte superiore convessa a specchio, l'ottica riceve la raffica di luce in arrivo a una concentrazione di circa 50 soli e la amplifica a quasi 1.000 soli prima di piegare la luce di un angolo di 90 gradi.

A differenza di altri concentratori, la luce non lascia l'ottica prima di colpire una cella solare. Invece, una cella ad alta efficienza delle dimensioni dell'unghia di un bambino è fissata direttamente alla parte inferiore centrale dell'ottica in vetro, dove assorbe la luce piegata verso il basso. Non c'è traferro e non c'è possibilità che i componenti fragili vengano fuori allineamento.

Si tratta di controllare in modo critico gli angoli una volta che la luce entra nella prima ottica, spiega Nicolas Morgan. Il design sfrutta un fenomeno chiamato riflessione interna totale, l'angolo al quale un raggio di luce all'interno di un materiale ottico si rifletterà nel materiale anziché fuoriuscire.

Il trucco è modellare l'acrilico in modo che pieghi la luce in una certa direzione quando entra nella prima ottica. Deve assicurare che la luce mantenga quell'angolo per impedirne la fuoriuscita e guidarla verso l'ottica in vetro al centro. La precisione è fondamentale, non solo nella progettazione delle ottiche, ma anche nella creazione degli stampi per la loro produzione in serie.

La società prevede che le sue prime versioni commerciali del sistema saranno composte da wafer acrilici di circa otto pollici quadrati contenenti un'ottica di vetro secondaria che è circa il doppio del diametro di un nichel.

Ray LaPierre, professore di fisica ingegneristica alla McMaster University, in Ontario, Canada, ed esperto di celle solari ad alta efficienza, ha visto per la prima volta il prototipo LSO di Morgan Solar a dicembre a una conferenza solare canadese e se ne è andato impressionato. Il loro design è certamente nuovo, è fisicamente solido, può essere prodotto a basso costo e ha buone possibilità di rivoluzionare la tecnologia dei concentratori, afferma LaPierre.

Ma come altri concentratori fotovoltaici, la tecnologia di Morgan Solar richiede ancora un sistema di tracciamento per tenerlo rivolto verso il sole. I ricercatori del MIT hanno eliminato la necessità di tracker sviluppando speciali rivestimenti coloranti in grado di assorbire la luce diffusa, ma la tecnologia di Morgan Solar è più vicina al mercato. Nicolas Morgan aggiunge che oggi i tracker sono precisi, affidabili e aggiungono un costo marginale per il 44% in più di potenza. Alcune decisioni aziendali e ingegneristiche devono ancora essere prese, ma si aspetta che l'azienda sarà in grado di costruire il suo sistema per meno di $ 1 per watt entro il 2011 e, con un po' di integrazione verticale, molto meno. Ciò porterebbe a un prodotto vicino al 30% di efficienza a costi competitivi con il film sottile.

Penso che il concetto dovrebbe essere perseguito, afferma il professore di ingegneria Roland Winston, esperto di ottica non-imaging presso l'Università della California, Merced. Tuttavia, mette in dubbio l'uso dell'acrilico come materiale concentratore: l'acrilico non è stato dimostrato per un uso a lungo termine, specialmente sotto la luce solare concentrata.

John Paul Morgan afferma che questo è il motivo principale per cui l'azienda utilizza sia l'acrilico che il vetro nel suo sistema. L'azienda ha intenzionalmente limitato le concentrazioni all'interno della porzione acrilica a 50 soli e ha l'ottica in vetro più piccola che fa il lavoro pesante. Vogliamo che questo sistema duri per 25 anni, quindi stiamo cercando di sottovalutare il materiale, dice. Una volta che abbiamo dimostrato di poter spingere ulteriormente l'acrilico, ridurremo l'ottica in vetro.

Alcuni progetti pilota previsti per il 2009 testeranno il concentratore sul campo. La società prevede che la produzione commerciale inizi nel 2010.

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