Archivio giugno 2011

Fotovoltaico a concentrazione: le ottiche di focalizzazione

Come anticipato nei precedenti articoli, il sistema ottico abbinato a un sistema fotovoltaico a concentrazione deve garantire soprattutto un ottimo puntamento della radiazione solare sulla cella fotovoltaica, la quale presenta in genere dimensioni molto ridotte.

I sistemi ottici utilizzati per concentrare la radiazione solare possono essere suddivisi in due gruppi:

  • ottiche di tipo difrattivo (lenti prismatiche, lenti di Fresnel, filtri dicroici, ecc.), in cui la luce solare viene deviata e indirizzata sul ricevitore attraversando un mezzo diverso dall’aria (vetro, materiale plastico, ecc.) e può essere scomposta anche nelle sue componenti spettrali
  • ottiche di tipo riflessivo (specchi), in cui la luce solare viene deviata dalla sua direzione di incidenza e riflessa verso il sistema ricevitore senza essere scomposta nelle diverse componenti spettrali.

Ottiche diffrattive

Le lenti di Fresnel rappresentano al momento attuale il tipo di ottica diffrattiva maggiormente utilizzato nei sistemi CPV. Esse presentano uno spessore molto sottile e sono ottenute da una lente ordinaria, sezionata in anelli circolari, dal centro sull’asse ottico, mantenendo solo il bordo di ogni sezione concentrica. Il risultato è una lente con spessore di pochi millimetri (4 – 5 mm), caratterizzata da una simmetria ad anelli concentrici. Tipicamente le lenti di Fresnel sono realizzate in plastica, possono raggiungere livelli di efficienza piuttosto alti ed essere accoppiate a fibre ottiche, ma richiedono una buona precisione di puntamento della radiazione incidente (con un angolo di accettazione inferiore a ± 0.5°), e sono soggette al fenomeno dell’aberrazione cromatica, ovvero presentano diversi punti di focalizzazione a seconda della lunghezza d’onda.

Lenti di Fresnel

Concentrazione della luce attraverso lente di Fresnel e dissipazione del calore della cella attraverso un meccanismo di tipo passivo

Nei sistemi CPV point-focus l’ottica di focalizzazione è costituita da lenti di Fresnel, generalmente realizzate in materiale acrilico, con coefficiente di trasmissione tra l’80% e il 95% in ampio intervallo spettrale (400-1100 nm). In questo caso la radiazione solare viene concentrata in celle ben separate una dall’altra con dimensione estremamente ridotta (area di qualche mm2). Questa soluzione è interessante perché permette di utilizzare sistemi di dissipazione del calore di tipo passivo, e la tecnologia di fabbricazione utilizzata per i LED a semiconduttore per la realizzazione dei ricevitori.

Per ridurre la precisione di puntamento richiesta da questi sistemi, viene spesso adottata la soluzione di inserire sotto la lente principale un sistema ottico secondario, che consiste in genere in piccoli coni la cui superficie interna è riflettente. In alcuni dispositivi le lenti di Fresnel sono incorporate in strutture ottiche opportunamente progettate, in modo da formare le cosiddette lenti Fresnel “dome-shaped”, che consentono di ridurre i problemi di puntamento e contemporaneamente l’aberrazione cromatica.

Esempi di ottica principale e secondaria in un sistema point-focus e di lenti dome-shaped

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From Carbon Dioxide to Few-Layer Graphene

High resolution image of a single graphene sheet (source: http://www.grapheneenergy.net)

In a recent paper published in the Journal of Material Chemistry entitled “Conversion of Carbon Dioxide to Few-Layer Graphene” researchers from Illinois and Texas propose a new, possibly more cost effective way to produce high yields of graphene. The researchers burned magnesium in dry ice.  This process led to the formation of magnesium oxide and carbon. While the principle reaction and process has been known for long, the group of researchers claims that it is the first time to demonstrate that the described processing results in the formation of few-layer nanosheets of graphene in high yields.

Graphene is a two-dimensional material comprised of a single layer of atoms which are arranged on a hexagonal lattice. In the past few years graphene has received much attention for its excellent mechanical and electronic properties. It is thought to possibly replace silicone as the material of the future. Applications of graphene are seen in sectors diverse such as the fields of sensors, nano-electronics, composites, hydrogen storage, lithium-ion batteries and health-care.  However, currently one of the limits is the rather challenging and cost-intensive production process. This is why research on graphene does not solely concentrate on the material’s properties, but also on possible production processes which in the future may provide industrial scale production. Prosegui la lettura »

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Turning on and off graphene

An Artistic Impression of the Interaction between Graphene and Light (credit: Luis E. F. Foa Torres)

In a recent study published in the journal “Applied Physics Letters” a multinational research team from Argentina, Spain and German proposes the use of infrared radiation for the control of graphene’s electronic properties, namely turning graphene conduction on or off.

In general, the physical and electrical properties of graphene have received  much attention from an academic, but also industrial perspective in the last few years. So far, the highlight of graphene research was the award of the 2010 Nobel Prize to Andre Geim and Konstantin Novoselov from the University of Manchester. Prosegui la lettura »

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Patent Information News 2/2011

Segnalo l’uscita del numero 2/2011 di Patent Information News, la newsletter dell’EPO (European Patent Office) sugli ultimi sviluppi legati alla documentazione brevettuale.

Di seguito se ne riporta il sommario:

  • Editorial
  • Tips for Espacenet users
  • President’s blog
  • Common citation documents coming to Espacenet
  • Unitary patent takes shape
  • EPO, USPTO and KIPO to extend collaborative search and examination pilot
  • Good progress in IP5 on Common Documentation
  • An event for patent information professionals
  • EPO’s Raw Data Day 2011
  • Data news
  • Publications corner
  • News from Asia
  • “East meets West” or “North meets South”?
  • ePatents and SurfIP – patent information from Singapore
  • Taiwanese file histories now publicly available
  • Improved searching of supplementary information in chemical and pharmaceutical patents
  • Romania’s publication server – further progress within the EPN
  • Other news

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Convenience vs. Conscience – Food Packaging in the 21st century

Thomson Reuters ha recentemente pubblicato un proprio studio che esplora l’industria del food packaging, identificandone i principali trends e drivers.

L’analisi riporta una valutazione dello stato dell’innovazione nei settori del food and beverage packaging, effettuata utilizzando dati provenienti da verie fonti proprietarie tra cui: brevetti, marchi, letteratura scientifica, dati relativi a litigation nonché i risultati di una survey realizzata su un campione di oltre 1000 individui.

Food Packaging

Credit: Reuters/Hazir Reka

I risultati dell’analisi evidenziano come gran parte delle innovazioni introdotte a livello di packaging material e/o di metodi/tecniche di impacchettamento derivi dalle aziende (B2B) che sviluppano, producono e vendono macchinari, impianti e materiali ai grandi produttori di cibo e bevande. Tali attività di R&D sono fondamentalmente orientate a migliorare la disponibilità e la qualità di cibo e bevande confezionati e le invenzioni che ne risultano sono, per lo più, protette da brevetti o da design.

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Lighter and stronger steels obtained by flash processing

Setup of the flash processing of a steel sheet.

The art of steel making is known for several thousands of years and the modern steel making process can be associated to the 17th century. Hence, it comes as a surprise to relate the production and treatment of steel with innovation processes leading to lighter, stronger and more fuel-efficient vehicles. This is, however, what is claimed by researchers from Ohio State University and the US American company Bainite Steel. In a recent research article published in “Material Science and Technology“ they describe a new steel hardening method taking less than 10 seconds  instead of hours or days. In addition, it is claimed that the obtained steel is stronger and more shock-absorbing than the most common titanium alloys currently used in industrial applications.

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Fotovoltaico a concentrazione: le celle solari utilizzate

In un sistema fotovoltaico a concentrazione il ricevitore è il componente che consente di catturare la radiazione solare per trasformarla in energia elettrica, e comprende sia la cella fotovoltaica che il sistema di dissipazione del calore.

I ricevitori dei sistemi CPV sono, in linea di massima, molto più sofisticati e costosi di quelli dei comuni sistemi fotovoltaici, ma il loro impiego è giustificabile in base a due considerazioni:

  • le comuni celle fotovoltaiche in Silicio non consentono di sfruttare tutto lo spettro solare (come visto in un precente post)
  • l’efficienza di una cella fotovoltaica migliora all’aumentare del fattore di concentrazione della luce solare (come già accennato qui).

Celle fotovoltaiche di diverso tipo in parallelo (A) e in serie (B)

Celle fotovoltaiche di diverso tipo in parallelo (A) e in serie (B)

In un ricevitore fotovoltaico le soluzioni che permettono di raccogliere al meglio la radiazione solare sono ottenute affiancando celle fotovoltaiche con diversi spettri di assorbimento. Tali celle possono essere disposte in parallelo (come nel caso dei sistemi a concentrazione dicroici), oppure in serie (come nel caso dei sistemi che utilizzano celle a multigiunzione).

Le celle a multigiunzione, basate sui composti del terzo e del quinto gruppo della tavola periodica, sono state originariamente sviluppate per l’aerospazio, e sono realizzate depositando in sequenza strati di semiconduttori di diversa composizione e spessore, con una tecnica epitassiale denominata MOCVD (Metalorganic Chemical Vapour Deposition). Le tre giunzioni, che convertono rispettivamente le diverse parti dello spettro solare, sono:

  • giunzione superiore in InGaP, che assorbe e converte la radiazione blu
  • giunzione intermedia in InGaAs, che converte in particolare la parte visibile
  • la terza giunzione inferiore in Ge, che converte la radiazione infrarossa.

Esse sono tra loro collegate in serie da diodi tunnel caratterizzati da una caratteristica corrente-tensione di tipo ohmico. Il sistema ottico abbinato a un ricevitore di questo tipo deve garantire soprattutto un ottimo puntamento della radiazione solare sulla cella, la quale presenta in genere dimensioni molto ridotte. Le tre giunzioni, inoltre, essendo collegate in serie elettricamente, devono essere ottimizzate e integrate in un sistema opportunamente progettato in modo da produrre all’incirca la stessa corrente di corto circuito, così da non penalizzare l’efficienza di conversione complessiva (cosa che potrebbe avvenire, per esempio, a causa del fenomeno della polarizzazione inversa).

Struttura di una cella solare a multigiunzione e raccolta selettiva dello spettro solare da parte di ciascuna giunzione

Struttura di una cella solare a multigiunzione e raccolta selettiva dello spettro solare da parte di ciascuna giunzione

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TOOWAY™: il wireless satellitare a banda larga

Lo scorso 31 maggio è entrato in servizio il satellite KA-SAT per la trasmissione di dati ad alta velocità, grazie al quale è ora disponibile, in tutta Europa e nel bacino del Mediterraneo, il servizio Tooway™ per la navigazione wireless a banda larga. 

La nuova piattaforma intende garantire il servizio di navigazione a banda larga agli utenti che ancora non possono essere raggiunti dalle reti terrestri. In vaste aree dell’Europa, infatti, il collgamento via cavo non è ancora sufficientemente diffuso, al contrario di quanto si sarebbe portati a pensare: almeno 13 milioni di abitazioni non sono ancora raggiunte dall’ADSL e oltre 17 milioni hanno accesso a internet con velocità inferiori ai 2Mbps. 

Il sistema per la ricezione del servizio Tooway™

Per potere usufruire del servizio, l’utente dovrà installare un’antenna parabolica (grazie alla quale è possibile anche ricevere canali televisivi da altri satelliti) e collegare l’apposito modem al proprio pc tramite una normale connessione Ethernet. Una volta effettuato il collegamento hardware, l’utente ha la possibilità di navigare in internet ad una velocità fino a 10 Mbps, a seconda del tipo di servizio richiesto. Le possibilità di scelta sono 4, Prosegui la lettura »

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Material Research – A Key to Improved Combined Cycle Power Plant Efficiency

In the past years, the fact that fossil energy resources are limited has stimulated research in several directions. These include the investigation and the development of alternative and sustainable energy sources, but also increasing the efficiency of both the generation and the use of energy.

Natural Gas Combined Cycle Gas Plant

Scheme of a natural gas combined cycle power plant (source: http://www.consumersenergy.com)

Regarding the energy efficiency of power plants hydro and tidal power plants are the most efficient technologies arriving at efficiencies of around 90 %. These are followed by large gas fired combined cycle gas turbine (CCGT) plant which have proven efficiencies of 59 %. These combine a gas turbine together with a steam turbine.  Energy in form of heat present in the gas turbine’s exhaust gases  is used to produce steam which allows the creation of additional energy with a steam turbine, thus increasing the plant’s overall efficiency. This technology is mainly dominated by players such as Alstom Power, Mitsubishi, General Electric and Siemens. Actually, the latter one has recently claimed to have even reached the threshold of 60 %.

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Evoluzione e sfide della fabbrica moderna: la logistica integrata e il sistema CIM

Le moderne aziende manifatturiere richiedono metodi per l’automazione e l’ottimizzazione del proprio processo produttivo al fine di aumentarne l’efficienza ed adattarlo alle esigenze di flessibilità e reattività imposte dal mercato globale. In questo senso è necessario sviluppare metodi sufficientemente flessibili e potenti da essere utilizzati a tutti i livelli del processo produttivo: dalla logistica interaziendale, al coordinamento della produzione in una fabbrica, fino al monitoraggio ed al controllo del singolo robot.

La realizzazione di un sistema CIM (Computer Integrated Manufacturing) ovvero di una gestione computerizzata di tutte le attività aziendali, siano esse produttive o di servizio, si configura come una delle principali caratteristiche che una fabbrica moderna deve presentare rispondendo alle esigenze dettate dai metodi di produzione integrata e flessibile.

Le suddette attività comprendono tutte le funzioni necessarie a tradurre le esigenze del cliente in un prodotto finale. Il sistema CIM supporta lo sviluppo del progetto e l’ingegnerizzazione di un prodotto da inserire nel portafoglio di un’azienda, e si estende attraverso la gestione della produzione e delle attività logistiche legate ad esso.

E’ possibile ricondurre l’automazione e l’integrazione del flusso fisico del materiale all’utilizzo delle macchine utensili a controllo numerico, aggregate in sistemi flessibili di fabbricazione (FMS – Flexible Manufacturing System). Essi costituiscono il più alto livello gerarchico nel controllo del flusso di un impianto manifatturiero. Nella fabbrica automatica, i pezzi prodotti dall’FMS vengono inviati alle stazioni di assemblaggio dove uno o più robot si occupano del montaggio dei pezzi nel prodotto finale. Stazioni automatiche di assemblaggio per una famiglia di prodotti costituiscono un sistema flessibile di assemblaggio (FAS – Flexible Assembly System). A questo punto i prodotti finiti possono essere trasportati da interessanti e innovativi sistemi automatici di trasporto di tipo flessibile che utilizzano carrelli AGV (Automated Guided Vehicle – a guida automatica: induttiva, laser, ottica, magnetica..). Tali carrelli si muovono su percorsi anche complessi e l’intero sistema è gestito da un calcolatore principale con il quale sono interfacciati quelli dei singoli carrelli. Inoltre anche la fase di stoccaggio può essere supportata da sistemi di automazione, andando a sostituire i sistemi di immagazzinamento tradizionali con magazzini intensivi automatizzati serviti da trasloelevatori a loro volta dotati di calcolatori di bordo interfacciati con il calcolatore principale. Prosegui la lettura »

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