Sfruttano gli infrarossi rilasciati dal terreno nelle ore notturne. Efficienza superiore al fotovoltaico tradizionale
Un pannello solare che funziona di notte è una contraddizione di termini. In una parola: impossibile. Ma Steven Novack, dell’Idaho National Laboratory del dipartimento americano dell’Energia, ha sviluppato un nuovo concetto di pannelli solari destinato a creare una vera rivoluzione nel settore. E soprattutto superare il grande limite dei pannelli solari: senza sole, quindi di notte, non producono energia, con le evidenti limitazioni che ciò comporta.
INFRAROSSI - Novack parte da una constatazione di fatto: circa la metà dell’energia disponibile dello spettro solare arriva sulla Terra nella banda degli infrarossi (Ir). E parte di questa viene riemessa sottoforma di calore dal terreno durante la notte. Se la notte è nuvolosa, in parte gli infrarossi vengono riflessi verso il suolo. Ecco perché nei deserti, dove la copertura nuvolosa è assente, di notte la temperatura si abbassa notevolmente e fa freddo: il calore attraversa l’atmosfera e si disperde nello spazio come radiazione Ir.
MICROANTENNE - Realizzando un sistema di microantenne della lunghezza d’onda degli infrarossi (sotto i 700 nanometri), test di laboratorio hanno verificato la possibilità di raccogliere l’84% dei fotoni riemessi dal terreno. Un sistema operativo reale utilizzabile su larga scala potrebbe arrivare al 46%. È comunque un’efficienza di gran lunga maggiore di quella dei migliori pannelli fotovoltaici attuali, le cui celle al silicio non oltrepassano il 20% nelle migliori condizioni. In realtà i pannelli tradizionali hanno efficienza ancora minore, perché se le celle non sono posizionate con un’angolatura precisa rispetto all’angolo di incidenza dei raggi solari oppure se si riscaldano troppo oltrepassando la temperatura ottimale di esercizio, la produzione di corrente elettrica crolla a frazioni di quella nominale. Le microantenne, invece, sono in grado di assorbire infrarossi in un ampio ventaglio angolare.
DIODI - A differenza delle celle fotovoltaiche, che assorbono fotoni per liberare elettroni e generare energia, le microantenne funzionano in altro modo. Entrano in risonanza con la lunghezza d’onda degli Ir generando una corrente alternata, ma a una frequenza troppo alta per essere utilizzata. La corrente alternata (Ac) deve quindi essere trasformata in corrente continua (Dc), ma qui sorge un problema. I diodi semiconduttori al silicio che convertono la Ac in Dc non funzionano alle alte frequenze generate, spiega Aimin Song, ingegnere nanoelettronico dell’Università di Manchester. Inoltre quando vengono rimpiccioliti alle dimensioni delle microantenne, i diodi diventano meno conduttivi. Ma Song e, indipendentemente, Garret Moddel dell’Università del Colorado a Boulder, stanno risolvendo questo decisivo inconveniente con la creazione di un diodo di nuova concezione capace di utilizzare alte frequenze ottiche.
MULTISTRATO - Una volta superato il problema dei diodi, l’ideale sarebbe realizzare un pannello multistrato capace di funzionare a differenti frequenze. Capace quindi di assorbire sia la luce solare diurna, sia gli infrarossi emessi di notte dal terreno e anche quelli rispediti a terra dalle nuvole. Quindi un pannello che funzioni sia di giorno che di notte. In pratica la quadratura del cerchio.
NANOMETRI - Oltre ai diodi, il problema consiste nel produrre microantenne delle dimensioni della radiazione infrarossa: alcune centinaia di nanometri (un nanometro è un milionesimo di millimetro). Al momento il gruppo di ricerca di Novack ad Idaho Falls ha creato microantenne capaci però di operare solo nell’infrarosso lontano, ma ritiene possibile realizzare entro pochi mesi microantenne in grado di lavorare anche nello spettro infrarosso medio e vicino.
NANOTUBULI – Un grosso impulso a questa tecnologia che potrebbe rivoluzionare il mondo dell’energia solare, può arrivare dai nanotubuli in carbonio, messi a punto da Michael Strano, Han Jae-hee e Geraldine Paulus del Mit di Boston. Il gruppo, su Nature Materials dello scorso 12 settembre, ha reso noto di aver trovato il modo di realizzare le microantenne di Novack utilizzando i nanotubuli in carbonio. Strano e colleghi hanno realizzato una sorta di fibra lunga mille nanometri e spessa 400 nanometri composta da circa 30 milioni di nanotubuli. I costi dei nanotubuli al carbonio negli ultimi anni si sono dimezzati più volte e, secondo Strano, nel prossimo futuro scenderanno ad alcuni centesimi di dollaro alla libbra (poco meno di mezzo chilo). I nanotubuli finora realizzati hanno un’efficienza dell’87% nel rapporto tra energia prodotta rispetto a quella assorbita, ma il gruppo di ricerca sta lavorando a una versione avanzata con un’efficienza del 99 per cento.
DANIMARCA - I nanotubuli si stanno dimostrando molto promettenti e vengono studiati anche al Centro di nanoscienze dell’Università di Copenaghen. In particolare Peter Krogstrup dell’Istituto Niels Bohr, in collaborazione con altri ricercatori finanziati dalla società SunFlake, si sta concentrando sulla purezza delle nanofibre, in cui la struttura elettronica è perfettamente uniforme in tutto il materiale. Un aspetto importante, in quanto più il nanotubulo è puro, maggiore è l’efficienza. In Danimarca però la ricerca, apparsa sul numero di novembre 2010 di Nano Letters, si concentra su nanofibre diverse, non di carbonio ma di gallio e arsenico.
RICERCA E VOLONTÀ DI INVESTIMENTI - Circa 2 miliardi di persone non hanno accesso all’energia elettrica, quasi tutte in Paesi del Terzo mondo. Le rinnovabili, e in particolare il solare, potrebbero soddisfare il fabbisogno di almeno la metà delle popolazioni senza corrente elettrica, secondo le stime dello studio Bernoni ed Efrem realizzato per la seconda edizione di Good Energy Award. Lo sviluppo della nuova generazione del fotovoltaico notturno sembra destinato proprio a chiudere questo gap. E senza aggravare le emissioni di gas serra. È solo un problema di volontà di investire risorse nella ricerca in questa direzione.
Un pannello solare che funziona di notte è una contraddizione di termini. In una parola: impossibile. Ma Steven Novack, dell’Idaho National Laboratory del dipartimento americano dell’Energia, ha sviluppato un nuovo concetto di pannelli solari destinato a creare una vera rivoluzione nel settore. E soprattutto superare il grande limite dei pannelli solari: senza sole, quindi di notte, non producono energia, con le evidenti limitazioni che ciò comporta.
INFRAROSSI - Novack parte da una constatazione di fatto: circa la metà dell’energia disponibile dello spettro solare arriva sulla Terra nella banda degli infrarossi (Ir). E parte di questa viene riemessa sottoforma di calore dal terreno durante la notte. Se la notte è nuvolosa, in parte gli infrarossi vengono riflessi verso il suolo. Ecco perché nei deserti, dove la copertura nuvolosa è assente, di notte la temperatura si abbassa notevolmente e fa freddo: il calore attraversa l’atmosfera e si disperde nello spazio come radiazione Ir.
MICROANTENNE - Realizzando un sistema di microantenne della lunghezza d’onda degli infrarossi (sotto i 700 nanometri), test di laboratorio hanno verificato la possibilità di raccogliere l’84% dei fotoni riemessi dal terreno. Un sistema operativo reale utilizzabile su larga scala potrebbe arrivare al 46%. È comunque un’efficienza di gran lunga maggiore di quella dei migliori pannelli fotovoltaici attuali, le cui celle al silicio non oltrepassano il 20% nelle migliori condizioni. In realtà i pannelli tradizionali hanno efficienza ancora minore, perché se le celle non sono posizionate con un’angolatura precisa rispetto all’angolo di incidenza dei raggi solari oppure se si riscaldano troppo oltrepassando la temperatura ottimale di esercizio, la produzione di corrente elettrica crolla a frazioni di quella nominale. Le microantenne, invece, sono in grado di assorbire infrarossi in un ampio ventaglio angolare.
DIODI - A differenza delle celle fotovoltaiche, che assorbono fotoni per liberare elettroni e generare energia, le microantenne funzionano in altro modo. Entrano in risonanza con la lunghezza d’onda degli Ir generando una corrente alternata, ma a una frequenza troppo alta per essere utilizzata. La corrente alternata (Ac) deve quindi essere trasformata in corrente continua (Dc), ma qui sorge un problema. I diodi semiconduttori al silicio che convertono la Ac in Dc non funzionano alle alte frequenze generate, spiega Aimin Song, ingegnere nanoelettronico dell’Università di Manchester. Inoltre quando vengono rimpiccioliti alle dimensioni delle microantenne, i diodi diventano meno conduttivi. Ma Song e, indipendentemente, Garret Moddel dell’Università del Colorado a Boulder, stanno risolvendo questo decisivo inconveniente con la creazione di un diodo di nuova concezione capace di utilizzare alte frequenze ottiche.
MULTISTRATO - Una volta superato il problema dei diodi, l’ideale sarebbe realizzare un pannello multistrato capace di funzionare a differenti frequenze. Capace quindi di assorbire sia la luce solare diurna, sia gli infrarossi emessi di notte dal terreno e anche quelli rispediti a terra dalle nuvole. Quindi un pannello che funzioni sia di giorno che di notte. In pratica la quadratura del cerchio.
NANOMETRI - Oltre ai diodi, il problema consiste nel produrre microantenne delle dimensioni della radiazione infrarossa: alcune centinaia di nanometri (un nanometro è un milionesimo di millimetro). Al momento il gruppo di ricerca di Novack ad Idaho Falls ha creato microantenne capaci però di operare solo nell’infrarosso lontano, ma ritiene possibile realizzare entro pochi mesi microantenne in grado di lavorare anche nello spettro infrarosso medio e vicino.
NANOTUBULI – Un grosso impulso a questa tecnologia che potrebbe rivoluzionare il mondo dell’energia solare, può arrivare dai nanotubuli in carbonio, messi a punto da Michael Strano, Han Jae-hee e Geraldine Paulus del Mit di Boston. Il gruppo, su Nature Materials dello scorso 12 settembre, ha reso noto di aver trovato il modo di realizzare le microantenne di Novack utilizzando i nanotubuli in carbonio. Strano e colleghi hanno realizzato una sorta di fibra lunga mille nanometri e spessa 400 nanometri composta da circa 30 milioni di nanotubuli. I costi dei nanotubuli al carbonio negli ultimi anni si sono dimezzati più volte e, secondo Strano, nel prossimo futuro scenderanno ad alcuni centesimi di dollaro alla libbra (poco meno di mezzo chilo). I nanotubuli finora realizzati hanno un’efficienza dell’87% nel rapporto tra energia prodotta rispetto a quella assorbita, ma il gruppo di ricerca sta lavorando a una versione avanzata con un’efficienza del 99 per cento.
DANIMARCA - I nanotubuli si stanno dimostrando molto promettenti e vengono studiati anche al Centro di nanoscienze dell’Università di Copenaghen. In particolare Peter Krogstrup dell’Istituto Niels Bohr, in collaborazione con altri ricercatori finanziati dalla società SunFlake, si sta concentrando sulla purezza delle nanofibre, in cui la struttura elettronica è perfettamente uniforme in tutto il materiale. Un aspetto importante, in quanto più il nanotubulo è puro, maggiore è l’efficienza. In Danimarca però la ricerca, apparsa sul numero di novembre 2010 di Nano Letters, si concentra su nanofibre diverse, non di carbonio ma di gallio e arsenico.
RICERCA E VOLONTÀ DI INVESTIMENTI - Circa 2 miliardi di persone non hanno accesso all’energia elettrica, quasi tutte in Paesi del Terzo mondo. Le rinnovabili, e in particolare il solare, potrebbero soddisfare il fabbisogno di almeno la metà delle popolazioni senza corrente elettrica, secondo le stime dello studio Bernoni ed Efrem realizzato per la seconda edizione di Good Energy Award. Lo sviluppo della nuova generazione del fotovoltaico notturno sembra destinato proprio a chiudere questo gap. E senza aggravare le emissioni di gas serra. È solo un problema di volontà di investire risorse nella ricerca in questa direzione.
Fonte: Brescia Point
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