Articoli con tag ottica

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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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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Micro Solar Cells Handle More Intense Sunlight

Fonte: www.technologyreview.com

Cells absorb sunlight concentrated 1,000 times without cooling.

By Katherine Bourzac

A startup company hopes to bring down the cost of generating power with concentrated sunlight by using microscale solar cells that can utilize twice as much light as other panels, without the need for expensive optics or cooling systems. Panels made from the tiny cells, which the Durham, NC-based company Semprius developed using a novel microprinting technology, also offer significant savings on materials costs. In late January, the company announced a joint agreement with Siemens to develop demonstration systems based on its technology. Semprius plans to begin volume production of the modules in 2013.

Microcell: The solar cells made by Semprius are 600 micrometers on each side and can be combined with high-power optics. The cell itself (the black square at center) is mounted atop a ceramic base with electrical contacts on each side. Credit: Semprius

Microcell: The solar cells made by Semprius are 600 micrometers on each side and can be combined with high-power optics. The cell itself (the black square at center) is mounted atop a ceramic base with electrical contacts on each side. Credit: Semprius

Adding concentrating lenses to solar panels increases the amount of electricity they can produce. But photovoltaic concentrators add a great deal of expense to a solar installation. The optical systems themselves are expensive and bulky–the larger a cell, the larger its paired lens must be. More intense light also means that more performance-degrading heat must be dissipated using heat sinks or fans. Although the cost is partly offset by the efficiency of high-concentration photovoltaics, it limits the potential power of such concentrator systems. The two major suppliers of concentrated solar modules, Amonix and Emcore, both sell systems based on conventional-size cells that operate under 500 times concentration sunlight with costly cooling systems.

Semprius’s solar modules contain arrays of square cells that measure just 600 micrometers on each side. These cells have three semiconducting layers–each of which is based on gallium arsenide and absorbs a different band of sunlight–and they are made using a combination of chemical etching and printing, which means fewer raw materials are wasted. They can operate under sunlight concentrated 1,000 times using cheap optical systems. According to the National Renewable Energy Laboratories, the efficiency of the resulting modules ranges from 25 to 35 percent and they can provide electricity for about 10 cents a kilowatt hour. The company expects the final costs to be $2 to $3 per watt.

Last year, a study by researchers at Sandia National Laboratories in Albuquerque, NM, suggested that microscale solar cells might offer various cost and design advantages. “You reduce the amount of semiconductor you need, so there can be a big cost savings,” says Gregory Nielson, head scientist on the Sandia project. “And you can do things with the optics that you can’t do with larger cells.”

Smaller solar cells are more efficient at dissipating heat. “When the cells are below a millimeter, they reject the heat so efficiently they’ll be just as cool as a one-sun panel,” without the need for any cooling systems, says Nielson. This is because the tiny cells have a much greater percentage of total area given up to heat-diffusing edges.

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The Year in Materials

Fonte: www.technologyreview.com

New materials harnessed hamster power, and researchers made carbon nanotubes practical.

By Katherine Bourzac

For years now, people have been talking up carbon nanotubes and their potential to be used for far-out applications including strong space-elevator cables, robust electrical transmission lines, and high-performance nanotube computers. These things may still be a decade off, but several advances this year make them sound less like fantasies.

Researchers at Rice University refined methods for spinning acid solutions of carbon nanotubes into fibers hundreds of meters long (“Making Carbon Nanotubes into Long Fibers”). Their process, which could be used industrially (it’s similar to how Kevlar is made), is the culmination of eight years of work begun by the late Richard Smalley, who shared the Nobel Prize in chemistry in 1996 for the discovery of carbon nanomaterials (“Wires of Wonder”). In order to make electrical transmission lines, researchers still need to perfect a process for growing pure batches of metallic nanotubes. Today they come out mixed with semiconducting tubes, and the two must be separated. Still, the Rice demonstration of making nanotubes into large structures is a major accomplishment.

On the nanotube electronics front, the year started out strong. The company Unidym, which makes transparent electrodes from carbon nanotubes, demonstrated its products, and companies including Samsung tested them in displays (“Clear Carbon-Nanotube Films”). Unidym’s nanotube films could be incorporated into flexible displays and replace the expensive, brittle materials currently used to make display electrodes.

The year also brought major accomplishments in making more sophisticated nanotube devices for displays, including the integrated circuits that drive them (“Practical Nanotube Electronics”). One of the major advantages of nanotube display circuits is that they could be printed like newspaper, which should bring down costs. And this month at the International Electron Devices Meeting, researchers at Stanford presented the first three-dimensional nanotube circuits (“Complex Integrated Circuits Made of Carbon Nanotubes”). The processes their nanotube circuits can carry out, like adding and storing numbers, are about as sophisticated as what silicon could do in the mid-1960s.

Meanwhile, researchers at Cornell made an interesting basic science demonstration: single nanotubes can be wired up to make extremely efficient solar cells (“Superefficient Solar from Nanotubes”). While conventional solar materials can only produce one electron per striking photon, carbon nanotubes can produce two if the photon has enough energy. Continua a leggere…

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Building the World’s Most Powerful Laser

Fonte: Technology Review

New lasers will be key to making fusion energy and proton therapy practical.

By Katherine Bourzac (Technology Review)

This March, researchers at the National Ignition Facility demonstrated a 1.1 megajoule laser designed to ignite nuclear fusion reactions by 2010. But the facility’s technology, which is housed at the Lawrence Livermore National Laboratory in California, cannot yet generate enough energy to drive a practical power plant. So, even as physicists look forward to next year’s demonstration, they’re working on even more powerful lasers that could make possible a method for a kind of laser-induced fusion called fast ignition.

Power Laser

Power up: this laser can deliver a 200-joule pulse of light lasting just 100 femtoseconds. The cables at left pump power to green flash lamps that pump the laser. Credit Texas Petawatt Laser Project

This week, at the annual meeting of the Optics Society of America in San Jose, CA, researchers from the University of Texas presented plans to build an exawatt laser that would be three orders of magnitude more powerful than anything that exists today. Today’s most powerful lasers operate on the order of about a petawatt, or 10 to the power 15 (one quadrillion) watts. An exawatt is 10 to a power of 18 watts. Exawatt lasers will be able to concentrate that power in areas measuring micrometers, creating tremendous intensities.

One way to increase the power of a laser is to decrease the duration of the laser pulse. But working with laser pulses on the order of picoseconds or even femtoseconds is difficult because such pulses are made up of a wide bandwidth of light frequencies that damage optical glass, including the phosphate glass often used to amplify laser light, for example at the National Ignition Facility. continua a leggere…

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