Articoli con tag fotovoltaico a concentrazione

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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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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Fotovoltaico a concentrazione: classificazioni e principali tecnologie

Nel precedente articolo abbiamo illustrato le caratteristiche della radiazione solare, introducendo così il principio sul quale si basano tutti i sistemi fotovoltaici a concentrazione, ovvero il tentativo di creare un sistema fotovoltaico in grado di massimizzare la raccolta dell’energia solare nella maniera più efficiente possibile. Vediamo adesso quali sono le principali tecnologie utilizzate dai costruttori di sistemi CPV per raggiungere questo scopo.

Innanzi tutto, un sistema fotovoltaico a concentrazione è composto fondamentalmente di tre parti:

  • ottica di focalizzazione, ovvero l’elemento che permette di concentrare la luce solare sul ricevitore, in genere costituito da lenti o specchi
  • ricevitore, cioè il componente che consente di catturare la radiazione solare per trasformarla in energia elettrica, e che comprende sia la cella fotovoltaica che il sistema di dissipazione del calore
  • inseguitore solare, sistema che garantisce al sistema il puntamento del sole in ogni istante, e può essere a singolo asse o a doppio asse.

I sistemi fotovoltaici a concentrazione possono essere classificati quindi in base a diversi parametri:

  • livello di concentrazione (basso,medio, alto)
  • ottica (rifrattiva, riflessiva)
  • sistema (point-focus, line focus, dense array, ecc.)
  • tipo di cella fotovoltaica (in silicio cristallino o a multigiunzione)
  • raffreddamento (attivo o passivo)
  • inseguimento (a singolo o a doppio asse).

Da quanto illustrato è facile intuire come i sistemi fotovoltaici a concentrazione presenti sul mercato e/o in fase di ingegnerizzazione possano essere molto differenti tra  loro, sia dal punto di vista costruttivo che da quello delle prestazioni energetiche.

Nella figura, a titolo di esempio, vengono rappresentate alcune possibili classificazioni dei sistemi CPV in base al fattore di concentrazione, all’ottica e al sistema di tracking.

classificazione CPV

Classificazione dei sistemi CPV (Courtesy of European Photovoltaic Technology Platform)

Nonostante l’intensa attività sperimentale del settore,  attualmente tutte le principali tipologie di sistemi a concentrazione esistenti sul mercato sono riconducibili, in linea generale, alle seguenti sei:

  • Point-Focus
  • Line-Focus
  • Dense Arrays
  • Micro Reflective Dishes
  • Specchi parabolici con filtri dicroici
  • V-trough Concentrators.

Nella tabella sono elencate le principali caratteristiche riguardanti ottica, ricevimento, raffreddamento e inseguimento per ciascun tipo di sistema.

Principali categorie di sistemi fotovoltaici a concentrazione CPV

Principali categorie di sistemi fotovoltaici a concentrazione CPV

Nei prossimi articoli affronteremo in maggiore dettaglio le caratteristiche tecnologiche dei sistemi CPV.

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Fotovoltaico a concentrazione – Il rapporto di concentrazione e le caratteristiche della radiazione solare

Con questo articolo iniziamo a trattare l’argomento del fotovoltaico a concentrazione, una tecnologia emergente con forti potenzialità di sviluppo.

Il principio su cui si basa la tecnologia del solare fotovoltaico a concentrazione, detto anche CPV (Concentration Photo-Voltaic), consiste nel focalizzare la radiazione solare su celle fotovoltaiche di dimensioni significativamente inferiori a quelle convenzionali, conseguendo vantaggi in termini di efficienza e di costi.

Radiazione Solare

Radiazione Solare

Il parametro che caratterizza l’intensità della concentrazione di un dispositivo di questo genere è il rapporto di concentrazione, espresso normalmente in numero di soli (indicati con X). Una superficie A colpita dalla radiazione solare può convogliare le radiazioni verso una superficie più piccola a tramite un dispositivo ottico: l’energia elettrica ricavabile è equivalente a quella della superficie più grande e il rapporto di concentrazione è definito appunto come A/a. Generalmente, quando il rapporto di concentrazione supera i 300X si parla di alta concentrazione.

È noto che non tutta la radiazione luminosa prodotta dal sole raggiunge la superficie terrestre: parte di essa viene riflessa nello spazio e parte viene diffusa in tutte le direzioni, producendo il caratteristico colore azzurro del cielo. La parte che raggiunge la superficie terrestre rappresenta circa il 55% del totale.

L’energia raccolta da un sistema fotovoltaico è direttamente proporzionale alla radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre, espressa in W/m2. Essa si distingue in diretta, diffusa e riflessa (o albedo): mentre la radiazione diretta colpisce una qualsiasi superficie con un unico e ben definito angolo di incidenza, quella diffusa incide su di essa con vari angoli. Quando la radiazione diretta non può colpire una superficie a causa della presenza di un ostacolo, l’area ombreggiata non si trova mai completamente oscurata, grazie al contributo della componente diffusa: questa osservazione ha rilevanza tecnica nel caso di quei dispositivi fotovoltaici che possono operare anche in presenza di sola radiazione diffusa, come i pannelli a film sottile. Una superficie inclinata può ricevere, inoltre, la radiazione riflessa da terreno, specchi (compresa l’acqua) o altre superfici orizzontali.

Le proporzioni di radiazione riflessa, diffusa e diretta ricevuta da una superficie dipendono:

  • dalle condizioni meteorologiche: in una giornata nuvolosa la radiazione è pressoché totalmente diffusa; in una giornata serena con clima secco, viceversa, predomina la componente diretta, che può arrivare fino al 90% della radiazione totale
  • dall’inclinazione della superficie rispetto al piano orizzontale: una superficie orizzontale riceve infatti la massima radiazione diffusa e la minima riflessa e la componente riflessa aumenta al crescere dell’inclinazione
  • dalla presenza di superfici riflettenti: il contributo maggiore alla riflessione è dato dalle superfici chiare, infatti la radiazione riflessa aumenta in inverno, per effetto della presenza di neve, e diminuisce in estate, per effetto di assorbimento di colori scuri quali quello dell’erba o dei terreno.

L’intensità della radiazione solare incidente su una superficie al suolo è influenzata dall’angolo di inclinazione della radiazione stessa. La posizione ottimale, in pratica, si ha quando la superficie è orientata a sud con angolo di inclinazione pari alla latitudine del sito. Al variare della località, inoltre, varia il rapporto fra la radiazione solare diffusa e quella totale, poiché all’aumentare dell’inclinazione della superficie di captazione diminuisce la componente diffusa e aumenta la componente riflessa. Per le località italiane, tuttavia, deviazioni di una decina di gradi rispetto all’inclinazione ottimale causano variazioni di energia raccolta dell’ordine di pochi punti percentuali. Nel nostro Paese la quantità di radiazione solare è influenzata, oltre che da questi fattori, anche dalla presenza del Mediterraneo e dell’arco alpino. Prosegui la lettura »

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Solar Energy: Cheaper Solar Concentrator With Fewer Photovoltaic Cells

Fonte: Science Daily

A new solar concentrator design from an electrical engineering Ph.D. student at the University of California, San Diego could lead to solar concentrators that are less expensive and require fewer photovoltaic cells than existing solar concentrators. The graduate student, Jason Karp and his colleagues at the UC San Diego Jacobs School of Engineering presented the new solar concentrator in a paper in the January 2010 issue of the journal Optics Express. While engineers have already developed high-efficiency solar concentrators that incorporate optics to focus the sun hundreds of times and can deliver twice the power of rigid solar panels, the new design offers potential new benefits. Existing solar concentrator systems typically use arrays of individual lenses that focus directly onto independent photovoltaic cells which all need to be aligned and electrically connected. In contrast, the new solar concentrator collects sunlight with thousands of small lenses imprinted on a common sheet. All these lenses couple into a flat “waveguide” which funnels light to a single photovoltaic cell.

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Dissalare l’acqua marina grazie al solare fotovoltaico a concentrazione e alle nanomembrane

Fonte:  IBM

Well-defined Nanostructured Membranes - IBMIBM e King Abdulaziz City for Science and Technology (KACST), l’organizzazione nazionale di ricerca e sviluppo dell’Arabia Saudita, hanno intrapreso una collaborazione di ricerca finalizzata a creare un impianto di dissalazione dell’acqua basato su una combinazione di due tecnologie innovative ed in grado di offrire una soluzione alla crescente domanda di acqua potabile da parte della popolazione saudita. Nella città di Al Khafji sarà infatti costruito prossimamente un nuovo impianto di dissalazione ad alta efficienza energetica, con una capacità di produzione prevista di 30.000 metri cubi al giorno ed idoneo a  servire 100.000 persone. Il KACST prevede di alimentare l’impianto con la tecnologia UHCPV (Ultra-High Concentrator Photovoltaic), sviluppata insieme ad IBM, utilizzando un sistema fotovoltaico (CPV) ad una concentrazione superiore a 1.500 soli. All’interno dell’impianto, inoltre, il processo di dissalazione sarà basato su un’innovativa tecnologia a nanomembrana in grado di filtrare i sali e le tossine potenzialmente nocive presenti nell’acqua, utilizzando minore energia rispetto ad altre forme di depurazione.

Allo stato attuale i metodi più comunemente impiegati per la dissalazione dell’acqua marina sono la tecnologia termica (distillazione seguita da condensazione) e l’osmosi inversa, ma presentano entrambi un costo troppo elevato per essere applicato su larga scala. Nella osmosi inversa, in particolare, l’elevato costo è dovuto soprattutto a problemi di natura tecnica che pregiudicano il buon funzionamento delle membrane polimeriche comunemente utilizzate nel processo. La ricerca congiunta KACST e IBM è incentrata sul miglioramento delle membrane attraverso la modifica delle proprietà dei polimeri su nanoscala. Grazie alla combinazione offerta dall’elevato apporto energetico fornito dalla tecnologia solare a concentrazione e dalle proprietà della nuova nanomembrana, sarà possibile migliorare l’efficienza energetica del processo e ridurre significativamente il costo della dissalazione dell’acqua marina.

Trasformare l’acqua salata in acqua dolce in modo efficace in termini di costi ed efficiente in termini di energia offre un enorme potenziale per affrontare la crescita della domanda mondiale di acqua pulita. Attualmente nel nostro pianeta una persona ogni cinque non ha ancora accesso all’acqua potabile e occorre trovare presto una soluzione per far fronte a questa crescente domanda.  Utilizzando queste nuove tecnologie, IBM e KACST si pongono l’obiettivo di realizzare sistemi di desalinizzazione implementabili a breve sia in tutta l’Arabia Saudita che a livello mondiale.

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