Nuova scoperta nel fotovoltaico: luce convertita prima in calore e poi in elettricità
I vecchi sistemi di conversione dell’energia solare sembrano avere, se non le ore, comunque i “mesi contati”. Sta infatti progredendo un recente studio condotto da tecnici e scienziati del Massachusetts Institute of Technology (MIT) secondo cui si può realizzare una cella solare di inedita concezione in grado di raddoppiare il coefficiente di rendimento degli attuali impianti. Per gli addetti ai lavori una simile dichiarazione suona quasi come un’eresia, in quanto esistono dei limiti teorici e pratici apparentemente insuperabili, eppure con ingegno e creatività i ricercatori di Boston sembrano aver disinvoltamente eluso tale barriera. Vediamo qual è il loro segreto…
Il limite teorico di conversione dell’energia solare
Risale all’ormai lontano 1961 la definizione teorica – con relativa dimostrazione – del limite di conversione dell’energia solare, detto anche Limite di Shockley-Queisser, dal nome degli scienziati che lo hanno formalizzato.
In sostanza, tale limite è calcolabile con esattezza facendo riferimento al tasso di conversione dell’energia incidente su una cella solare e si attesta su di un valore massimo pari al 33,7 per cento. Fino ad oggi la pratica ha sempre confermato l’impossibilità di superare questa soglia, arrivando ad un rendimento effettivo, pur considerato tra i migliori tecnicamente raggiungibili, del 32 per cento con le comuni celle al silicio monostrato.
Va detto che, con opportuni accorgimenti costruttivi, si riesce ad andare oltre la fatidica soglia ma occorrono comunque più strati di celle solari, sicuramente meno convenienti economicamente e più impegnativi in termini di manutenzione e smaltimento. In ogni caso, ogni singolo strato rimane sempre e comunque assoggettato al vincolo teorico, quindi le celle multistrato non costituiscono affatto un’innovazione concettuale.
La nuova cella termofotovoltaica e il superamento del limite teorico
E allora veniamo alla vera scoperta degli studiosi del MIT ossia la nuova cella solare termofotovoltaica, l’unico elemento singolo davvero capace di convertire l’energia solare con un tasso (ben) superiore al 33,7 per cento.
Il principio base è quello di operare una duplice conversione energetica: la prima trasforma la luce solare in calore radiante, la seconda converte il calore in… luce ricaptabile dalla cella solare e quindi in energia elettrica.
Il processo si può riassumere come segue:
- arriva il raggio solare incidente e investe la cella solare:
- circa il 30 per cento dell’energia è subito trasformata in elettricità pronta per l’uso, mentre il resto diventa calore;
- normalmente il calore andrebbe disperso in atmosfera, invece nella cella termofotovoltaica lo si può immagazzina in un componente costituito da un materiale speciale;
- tale materiale, quando raggiunge una predeterminata temperatura, si eccita ed emette energia termica ad una certa lunghezza d’onda;
- l’energia termica radiante è riconosciuta dalla cella solare e può essere convertita in energia elettrica alla stregua di un raggio solare.
Il rendimento globale di questo sistema molto ingegnoso, secondo i calcoli effettuati, supererebbe il 60 per cento, quindi addirittura raddoppierebbe il valore teorico finora inviolato e sarebbe un ottimo strumento da applicare in moltissimi modi nell’edilizia sostenibile.
Le caratteristiche costruttive della nuova cella termofotovoltaica
In concreto occorre additivare una comune cella solare con materiali speciali (nanotubi di carbonio) in cui sono a loro volta dispersi dei cristalli nanonofotonici. Questi sono eccitabili a determinate temperature e quindi capaci di emettere energia termica a ben precise lunghezze d’onda, più precisamente quelle appartenenti ai colori della luce solare, ben riconoscibili dalle celle solari. Tanto più ristretto è lo spettro di emissione tanto più elevato sarà il rendimento finale in quanto sfuggirà alla riconversione finale solo un minimo quantitativo di calore in eccesso.
I tecnici del MIT hanno già realizzato numerosi prototipi grazie ai quali hanno effettuato test ad ampio raggio, che hanno tutti confermato la veridicità delle ipotesi iniziali e l’elevato rendimento energetico raggiungibile dalla nuova cella solare. Attualmente si sta lavorando ad ingrandire la scala di produzione dei pannelli in modo da poterli realizzare con sistemi industriali economicamente convenienti e, finalmente, poterli commercializzare nell’ambito di interventi di riqualificazione energetica.
I vantaggi derivanti dall’introduzione della cella termofotovoltaica
Il primo vantaggio concreto, è facile dirlo, consiste nell’enorme incremento della prestazione energetica dell’unità di conversione di energia solare. Praticamente, a parità di superficie del pannello, un moderno sistema produrrebbe il doppio dell’energia elettrica rispetto ad un pannello fotovoltaico di vecchia generazione.
Il secondo innegabile vantaggio è l’eliminazione del surriscaldamento degli elementi costruttivi, con conseguente aumento della durevolezza e dell’efficienza di funzionamento nel tempo.
C’è poi un aspetto forse poco intuibile ma essenziale, che consiste nella stabilizzazione della produttività per la minore dipendenza dalla variabilità meteo. In effetti, la produzione “secondaria” di energia elettrica dipende esclusivamente dalla riemissione termica e può essere resa continua con l’installazione di un semplice accumulatore di calore, regolato per funzionare a ciclo continuo.
A quanto pare le novità nel settore fotovoltaico non mancano, come anche avevamo fatto notare nell’articolo appena pubblicato.
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