Il fotovoltaico funzionerà anche di notte? Come funziona il prototipo a celle termoradiative

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Se il fotovoltaico produrrà energia anche di notte lo dovremo alle “celle termoradiative”. Una rivoluzione su cui molti laboratori stanno puntando nel settore delle rinnovabili. Nel 2019 uno studio dell’Università della California tracciava la strada per comprendere quanto fosse possibile produrre energia “pulita” in assenza di irradiazione solare. Da allora sono stati fatti notevoli passi avanti. Come il prototipo messo a punto dai ricercatori della Stanford University, con il patrocinio dello U.S. Department of Energy (dipartimento governativo americano che si occupa di energia e sicurezza nucleare), che si spera potrà arrivare a produrre una quantità di energia sufficiente da destare l’interesse del mercato di riferimento.

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Da qui ad arrivare alla commercializzazione, però, la strada sembra ancora lunga. Certo è che se le celle termoradiative permetteranno di sfruttare anche le ore notturne per la produzione fotovoltaica, questo potrebbe avere ricadute notevoli non soltanto per l’efficienza dei pannelli solari ma anche sulla possibilità di portare corrente elettrica laddove la produzione e la distribuzione non sono sufficienti.

Le celle termoradiative

Per sfruttare le ore notturne occorre utilizzare la terra come fonte di calore e il cielo come dissipatore, da qui il ricorso a un dispositivo con semiconduttore definito diodo termoradiativo, utilizzato per produrre elettricità dal calore irradiato. Le celle solari tradizionali assorbono la luce solare e, di fatto, entrambi i metodi generano elettricità dalla differenza di temperatura.

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Ma con quali capacità reali? Al momento la stima, durante i primi studi, è di 50 milliwatt per metro quadrato. Mentre i pannelli solari in commercio producono tra i 250 e i 400 Watt di elettricità. “Le celle termoradiative sono dei dispositivi capaci di produrre una corrente elettrica, similmente alle celle fotovoltaiche, ma durante le ore notturne. Questo è molto interessante perché potrebbe sopperire a una delle limitazioni più importanti delle celle fotovoltaiche, ovvero il fatto che esse producono energia solo di giorno”, spiega Bruno Lorenzi, ricercatore del dipartimento di Scienze dei Materiali Università di Milano Bicocca e autore dello studio Hybrid Thermoelectric – Photovoltaic Generators under Negative Illumination Conditions  (2021).

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“Per capire come funzionano le le celle termoradiative, – prosegue Lorenzi – bisogna generalizzare. Supponiamo di avere due corpi, uno caldo e uno freddo, affacciati ma non in contatto tra loro. La termodinamica ci dice che i due corpi si scambieranno energia per irraggiamento, ovvero l’emissione di fotoni (le particelle elementari che compongono la luce). In particolare, il corpo caldo emetterà un flusso di fotoni verso il corpo freddo. Questo meccanismo è alla base del funzionamento delle celle fotovoltaiche standard, ove il corpo caldo è il sole e il corpo freddo è la cella fotovoltaica. La cella poi è fatta in modo tale che riesce a convertire il flusso di fotoni incidente in una corrente elettrica. Le celle termoradiative sfruttano lo stesso principio, ma in questo caso il corpo caldo è la cella e il corpo freddo il cielo notturno. Allo stesso modo delle celle standard quelle termoradiative convertono il flusso di fotoni, questa volta emesso dalla cella stessa, in corrente elettrica”.

I limiti della ricerca e gli studi sull’infrarosso

Nonostante le sperimentazioni, la commercializzazione sembra ancora lontana per due motivi, ritiene Lorenzi: “Il primo è che al momento è stato esclusivamente dimostrato il fenomeno fisico, ovvero che l’effetto fotovoltaico termoradiativo esiste realmente ed è utilizzabile, questi esperimenti però sono stati realizzati con celle non ottimizzate per essere utilizzate in questo regime. Di conseguenza le potenze elettriche prodotte dal dispositivo al momento sono estremamente basse se comparate con le celle fotovoltaiche standard. Inoltre, sono stati utilizzati materiali rari e molto costosi, quindi di difficile commercializzazione”. 

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Il vero limite è nel materiale. “Al momento – aggiunge Lorenzi – è necessario uno sforzo per l’ottimizzazione del dispositivo con materiali scalabili e commercializzabili. Il problema è che non è possibile utilizzare i materiali normalmente impiegati nelle celle fotovoltaiche standard, perché questi sono ottimizzati per lavorare con la luce solare. Le celle termoradiative invece devono essere accoppiate con il cielo notturno. Servono quindi materiali che possano lavorare in una diversa finestra energetica (nell’infrarosso per la precisione). All’Università di Milano Bicocca, stiamo portando avanti un approccio di questo tipo”. 

Il potenziale del fotovoltaico notturno

“C’è molto entusiasmo. – conclude Bruno Lorenzi – L’argomento è molto stimolante e interessante. Innanzitutto, le celle termoradiative sono una soluzione potenzialmente rivoluzionaria nell’ambito delle energie rinnovabili. In secondo luogo, anche solo da un punto prettamente tecnologico, il fatto che le celle termoradiative ribaltino completamente le caratteristiche ottimali dei materiali impiegati, apre allo studio e alla scoperta di nuovi materiali con potenziali applicazioni in svariati ambiti”.

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