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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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Nuovi materiali nanostrutturati per aumentare l’efficienza dei convertitori termoelettrici.

Sopra: Immagine al microscopio a scansione elettronica del materiale. Sotto: Ogni sfera rappresenta un atomo di silicio della maglia nanometrica. Le bande colorate mostrano le differenze di temperatura sul materiale: la banda rossa rappresenta la zona più calda, quella blu la zona più fredda.

Tutto ciò che abbiamo intorno (il computer, una lampadina, noi stessi…) produce calore. Il calore è energia in movimento: energia che viene sprecata. Con un dispositivo termoelettrico, che converte il calore in elettricità e viceversa, è possibile sfruttare l’energia che altrimenti andrebbe perduta. Gli odierni dispositivi non sono però abbastanza efficienti e sono realizzati con materiali rari (quindi costosi) e dannosi per l’ambiente.

I ricercatori del Caltech (California Institute of Technology) hanno recentemente realizzato nuovi materiali che possono incrementare l’efficienza dei dispositivi termoelettrici. Sono riusciti a dimostrare l’incremento di prestazioni utilizzando il silicio, ma affermano che le nuove tecnologie sviluppate possono migliorare le prestazioni anche di altri materiali.

Una differenza di temperatura tra due punti ha come conseguenza l’instaurarsi di un flusso di energia termica dal punto caldo al punto freddo fino al raggiungimento dell’equilibrio termico. Questo flusso di calore può essere sfruttato per raccogliere energia riutilizzabile. Il processo di estrazione dell’energia dallo scambio di calore è governato dalle leggi della termodinamica. Per questo motivo, la massima efficienza (il rapporto tra il lavoro utile estratto e il calore in ingresso) è rappresentata dal limite di Carnot, che è molto basso se lo scambio di calore avviene tra punti con piccola differenza di temperatura. Il limite di Carnot rappresenta il limite massimo teorico, ma i dispositivi reali di conversione lavorano molto al di sotto di questo limite. Di conseguenza, a causa della bassa efficienza, è necessaria una grande quantità di calore trasferita per raccogliere una quantità di energia che, ad esempio, sia sufficiente per alimentare piccoli dispositivi elettronici.

L’utilizzo di TEG (ThermoElectric Generetor) non è né nuovo né recente: basti pensare che sono da tempo largamente impiegati per il recupero di energia da sorgenti termiche radioattive nei satelliti spaziali. I TEG hanno recentemente destato rinnovato interesse per la generazione di energia per dispositivi elettronici e sensori, tra gli altri, in campo automotive. Gli attuali sforzi della ricerca sono finalizzati a ottimizzare l’efficienza di conversione attraverso il miglioramento delle proprietà dei materiali. A questo fine è necessario garantire alta conducibilità elettrica, per abbassare la resistenza interna, e contemporaneamente bassa conducibilità termica, per mantenere il gradiente termico più alto possibile. Gli ultimi due requisiti sono tipicamente inconciliabili nei materiali tradizionali che, se sono dei buoni conduttori elettrici, sono anche buoni conduttori termici. Di recente sono stati sperimentati materiali nanostrutturati che mirano a raddoppiare l’efficienza rispetto ai dispositivi realizzati con materiali tradizionali.

Come detto in precedenza, i materiali con buone caratteristiche di conducibilità sono contemporaneamente buoni conduttori sia di elettricità che di calore. L’idea degli scienziati del Caltech, guidati dal professore di chimica James Heath, è stata quella di separare la relazione tra conducibilità termica ed elettrica, progettando un nuovo materiale in silicio su scala nanometrica. In realtà il silicio è un cattivo materiale termoelettrico a temperatura ambiente, ma i ricercatori sono riusciti a ridurre in modo significativo la conducibilità termica dei fili nanometrici di silicio senza ridurre in modo apprezzabile la loro conducibilità elettrica.

La struttura nanometrica a maglia (nanomesh), costituita da fili di silicio allineati verticalmente, permette di rallentare i fononi, ovvero i pacchetti quantizzati di vibrazioni che causano il trasferimento di energia termica da un punto all’altro del materiale. La principale conseguenza del rallentamento dei fononi, dimostrata da successivi esperimenti, è che la conducibilità termica del nuovo materiale diventa 10 volte minore rispetto a quella degli altri dispositivi termoelettrici in silicio realizzati precedentemente, mentre il valore della conducibilità elettrica rimane pressoché costante.

I generatori di potenza termoelettrica presentano il vantaggio di poter essere interamente realizzati con dispositivi a stato solido (quindi senza parti meccaniche di movimento), che assicurano una lunga durata (circa 20 anni) ed elevata affidabilità. Sono inoltre insensibili ad interferenze elettromagnetiche, non dipendono da vibrazioni e tollerano anche le condizioni ambientali più estreme. Questi numerosi vantaggi li rendono molto interessanti nei più disparati ambiti applicativi.

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Il calcolo alla velocità della luce

Il mondo dei calcolatori sta per essere rivoluzionato da una nuova tecnologia giunta in avanzata fase di sviluppo presso l’Intel Photonics Technology Lab (Santa Clara, CA), diretto da Mario Paniccia: la sostituzione dei collegamenti in rame con quelli estremamente più veloci a fibra ottica, infatti, lascia presagire un vero e proprio salto tecnologico per supercomputer, laptop, smartphone e tutto quanto contiene una CPU collegata a diverse periferiche.

Intel Silicon Photonic Chip

Il chip al centro della scheda contiene 4 laser che convertono i segnali elettrici in impulsi luminosi. Gli impulsi viaggiano alla velocità della luce lungo collegamenti in fibra ottica. Credit: Intel

Ormai da anni le comunicazioni su lunga distanza sono realizzate mediante laser in fibra ottica, tuttavia ciò non è mai avvenuto, finora, all’interno del dispositivo elettronico: la vera novità della soluzione proposta dal team guidato da Paniccia, infatti, sta nell’aver integrato la codifica/decodifica dei segnali laser inviati in fibra ottica direttamente nel chip in silicio. Fino ad oggi, quando i dati arrivavano al computer mediante una fibra ottica, prima di entrare nel circuito elettronico dovevano essere decodificati da un dispositivo ottico separato dal chip in silicio. La tecnologia sviluppata da Intel, invece, eliminando questo passaggio ed integrando tutte le fasi del processo all’interno del silicio, consente di aumentarne notevolmente la velocità e le prestazioni.

Intel, nel corso dell’ultima settimana di luglio, ha presentato ufficialmente un protipo del dispositivo dimostrandone le strabilianti prestazioni: grazie all’introduzione della nuova tecnologia è possibile trasportare dati ad una velocità di 50 gigabytes per secondo, sufficienti a trasferire, ad esempio, un film completo in HD in un secondo. I dati elettronici inseriti nel chip vengono convertiti in impulsi laser che, dopo essere stati trasferiti via fibra ottica, vengono riconvertiti in segnali elettrici in poche frazioni di secondo.

Le potenzialità di tale tecnologia sono enormi: questi chips potrebbero sostituire le connessioni elettroniche fra i componenti principali di un computer (come il processore e la memoria) consentendo maggiore libertà ai progettisti di hardware a livello di layout (oggi circoscritte per via delle limitazioni imposte dalla capacità del rame di trasferire i dati, al massimo 10 gigabit per secondo), incrementando notevolmente le prestazioni finali dei dispositivi.

Il sistema presentato da Intel integra nel chip in silicio, delle dimensioni di un’unghia, 4 lasers che inviano dati alla fibra ottica in altrettante differenti lunghezze d’onda: l’integrazione di più chips, secondo quanto affermato dall’azienda americana, dovrebbe consentire di trasmettere un terabit per secondo. Sicuramente una soluzione del genere avrebbe ripercussioni notevoli sugli imponenti datacenters dei colossi del web come Google, Microsoft o Facebook. La possibilità, ad esempio, di allontanare la memoria dalla CPU, consentirebbe di migliorare notevolmente l’efficienza del raffreddamento di entrambi i dispositivi: considerando che per datacenter come quelli sopraccitati la metà dei costi di gestione deriva proprio dagli impianti di raffreddamento, è evidente l’impatto che il chip di Intel potrebbe avere in termini di riduzione dei costi, oltre che a livello di impatto ambientale.

I datacenter, tuttavia, non sono gli unici potenziali destinatari di una simile soluzione: come riferito da Paniccia, Intel ha sviluppato la tecnologia con l’intento di arrivare ad un prodotto low-cost che potesse essere integrato in tutta l’elettronica di conusmo (smart phone, laptop, televisori, ecc. ). Anche in questo ambito le potenziali ricadute sembrano essere particolarmente significative.

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Light-trapping photovoltaics: le nanoparticelle migliorano le prospettive dell’energia solare

Ogni anno, Technology Review pubblica la lista di quelle che ritiene siano le 10 tecnologie emergenti più importanti e determinanti nel prossimo futuro. Le scelte vengono effettuate sulla base dei riscontri editoriali dei settori tecnologici ritenuti più strategici. La domanda che gli autori della rivista si pongono, nel selezionare tali tecnologie, è semplice: si tratta di un tipo di tecnologia che può cambiare il mondo?

Kylie Catchpole. Credit: Meghan Petersen

Fra le 10 tecnologie selezionate quest’anno dalla rivista del MIT, poniamo l’attenzione sul “Light-trapping photovoltaics”. Si tratta di una tecnologia, ancora in fase di ricerca, sviluppata a partire dal 2002 da una ricercatrice australiana, Kylie Catchpole, dell’Australian National University di Canberra, nata dall’idea di pensare ad un sistema completamente nuovo per produrre una cella solare, in particolare una cella solare a film sottile. Le celle solari a film sottile, realizzate mediante la deposizione di sottilissimi strati di materiali semiconduttori, quali il silicio amorfo e il tellururo di cadmio, sono meno costose delle celle solari in silicio convenzionali, tuttavia scontano ancora un livello di efficienza inferiore rispetto ad esse, proprio a motivo del loro ridotto spessore: tale caratteristica, infatti, ne riduce la capacità di assorbire la regione del vicino infrarosso (near infra red, NIR) dello spettro della radiazione solare incidente, caratterizzata da lunghezze d’nda più elevate. Il risultato che ne deriva è che una cella a film sottile converte in elettricità l’8-12% della radiazione incidente, contro il 14-19% di una cella a silicio cristallino.

L’attività della Catchpole, lavorando nell’ambito della plasmonica, si concentrò sin dall’inizio sulle particolari proprietà ottiche dei metalli: la ricercatrice scoprì che depositando nanoparticelle di argento sulla superficie di una cella a film sottile in silicio incrementava significativamente la capacità di quest’ultima nell’assorbire le radiazioni con lunghezze d’onda più elevate. Infatti, scoprì che i plasmoni (un tipo di onda che si genera per effetto dell’eccitazione degli elettroni che si trovano su di una superficie di un metallo) localizzati sulla superficie delle nanoparticelle di fatto deviavano i fotoni della radiazione incidente in modo da farli “rimbalzare” all’interno della cella favorendone l’assorbimento.

Sulla base del principio sopra esemplificato, la Catchpole ha sviluppato un prototipo di cella in silicio a film sottile con un’efficienza del 30% superiore a quelle attualmente disponibili in commercio. E’ evidente che l’introduzione di una simile tecnologia sul mercato consentirebbe al fotovoltaico a film sottile (che oggi, per gli USA, ad esempio, rappresenta il 30% del mercato e, a livello mondiale, è dominato dalla statunitense First Solar) un grosso balzo in avanti; in ogni caso, sicuramente rappresenterebbe un fattore di stimolo alla crescita dell’intero settore del fotovoltaico.

La ricercatrice è già stata approcciata da molte imprese interessate ai risultati della sua attività: tuttavia, finora ha resistito nell’intento di migliorare ed ottimizzare quanto sviluppato fino ad oggi. Intanto i ricercatori della  Swinburne University of Technology di Melbourne stanno collaborando con Suntech Power, uno dei produttori leader mondiali di celle solari in silicio, nello sviluppo di celle solari a film sottile plasmonico.

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Scaling Up Solar Power

Fonte: www.technologyreview.com

Applied Materials makes the equipment needed to produce the biggest solar panels in the world.

By Katherine Bourzac

In 2006, semiconductor-equipment giant Applied Materials got into the solar-power market in a big way. At the company’s headquarters in Santa Clara, CA, you can see just how big: a ceiling-mounted crane lifts a piece of glass the size of a garage door onto a table for testing. The glass sheet, covered with a thin orange film of amorphous s­ilicon, ­is destined to become one of the world’s largest solar panels.

Technicians at Applied Materials test a laser scribe machine, part of the company’s equipment line for making the world’s largest solar panels. The lasers etch the outlines of solar cells into a transparent conductive oxide that coats a glass panel. Credit: Jen Siska

Technicians at Applied Materials test a laser scribe machine, part of the company’s equipment line for making the world’s largest solar panels. The lasers etch the outlines of solar cells into a transparent conductive oxide that coats a glass panel. Credit: Jen Siska

Applied Materials developed the equipment to produce these extremely large photo­voltaic panels in order to lower the price of solar power–­crucial if solar is to compete on price with fossil-fuel electricity. The value of a solar installation comes down to the cost of each watt of power it can produce over the lifetime of a panel, and Applied Materials’ panels bring down costs in two ways. The equipment for manufacturing thin-film solar cells operates more efficiently when the panels are bigger. And larger modules need less hardware and labor to wire them together and support them.

Applied Materials, which was already the largest equipment supplier to the semiconductor and liquid-crystal-display industries, brought its expertise to solar power in 2006. The company’s photo­voltaics and its display backplanes are both based on glass panels coated with amorphous silicon. Its production facilities were already set up to make those panels in 10 sizes, so achieving the best cost per watt was simply a matter of picking the right surface area, says Jim Cushing, senior director of the photo­voltaic-equipment line. The result was “by far the fastest ramp to production in the PV industry,” he says–from lab to market in just under two years.

Applied Materials now sells a complete set of equipment for transforming large glass panels into thin-film solar cells, transporting it to manufacturers in several shipping containers. The company claims that each factory using its equipment can produce enough solar cells every year to generate 80 megawatts of power, enough to provide energy for 35,000 U.S. homes during peak hours of electricity use.

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Microscopic Solar Cells Could See More Sunlight

Fonte: www.technologyreview.com

The new cells promise to be cheaper, more efficient, and even printable.

By Katherine Bourzac

Researchers at Sandia National Laboratories have shrunk silicon solar cells down to the micro scale, opening new possibilities for improved efficiency.

Scaling silicon: These scaled-down, hexagonal silicon solar cells range from 0.25 to one millimeter across. The lines visible on some of them are metal electrical contacts. Credit: Murat Okandan

Multi-crystalline silicon, currently the gold standard for solar-cell efficiency, is expensive and produces cells that are heavy and brittle. Sandia’s microscopic silicon solar cells use 100 times less material while operating with the same efficiency.

In addition to lower materials costs, the smaller scale of these cells means they could be incorporated into compact optical systems for cheaper light-tracking and concentration. Researchers might even suspend them in inks that could be printed onto plastic to make efficient, flexible silicon-solar modules.

“In microsystems, you’re looking for things that become cheaper, perform better, and gain new functionalities,” says Gregory Nielson, head scientist on the project.

So far, the Sandia researchers have assembled and tested a single micro solar cell as proof of principle. But they have begun testing functioning solar modules made from multiple tiny cells and are developing techniques for assembling them efficiently.

Sandia’s cells are between 0.25 and one millimeter in diameter. The main benefit of manufacturing such small cells would be lower materials costs, since the tiny cells can be made about 10 times thinner than conventional ones. Ordinarily, solar cells must be 100 micrometers thick to support their surface area–typically about 15 centimeters square.

Sandia makes its cells from silicon that has been processed using conventional chemical methods. Researchers carve the cells out of this silicon using a chemical etching technique that creates negligible waste. They treat the surface of the wafer to create the electrical properties necessary for a functioning cell, then top it with metal contacts. Researchers then etch the top 10 to 20 micrometers of the wafer surface using chemicals that only eat into a particular part of the crystal structure.

The resulting cells are about 20 micrometers thick but have the same efficiency as conventional cells, converting about 14.9 percent of sunlight into electrical energy. It’s also easier to make the cells in a hexagonal shape, which makes the most of the available area without wasting much silicon. “The materials savings are a big deal,” says Nielson. Continua a leggere…

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A Ferrara la rivoluzione del fotovoltaico

Fonte: www.ermesimprese.it

Ferrara, 17 dicembre 2009 – Gli elementi alla base delle celle fotovoltaiche sono rari e costosi: Silicio, Arseniuro di Gallio (GaAs), Fosfuro di Indio e Gallio (InGaP), ma soprattutto Germanio (Ge) consentono di ricavare energia pulita dal sole ma comportano investimenti importanti. Dichroic Cell in collaborazione con l’Università di Ferrara e CNR-INFM (Consiglio Nazionale delle Ricerche-Istituto Nazionale per la Fisica della Materia) ha messo a punto una rivoluzionaria tecnologia che consente di convertire il Germanio in Silicio, un processo che rende più efficiente la gestione delle risorse, migliorando i tempi e contraendo i costi. Il procedimento si basa sull’utilizzo del reattore LEPECVD (Low Energy Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), un macchinario che nelle previsioni dei suoi promotori permetterà di abbattere il costo del substrato delle celle fotovoltaiche di oltre il 60%. Una riduzione dei costi che diventa del 30% quando si prendono in esame le celle fotovoltaiche più costose, con substrato in puro Germanio. continua a leggere…

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Fotovoltaico: “Il futuro è nel silicio su vetro”

Fonte: IlSole24Ore

di Luca Salvioli (IlSole24Ore)

Il professor Martin GreenIl futuro del fotovoltaico è nel silicio sul vetro. Ne è convinto Martin Green, professore della University of new south wales di Sydney, considerato uno dei pionieri mondiali della tecnologia che permette di produrre corrente elettrica con l’energia del sole. Green ha messo le mani sul primo pannello fotovoltaico sul finire degli anni Sessanta. continua a leggere…

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