(a) Illustrazione di STPV tradizionale e (b) STPV non reciproco. L'assorbitore del tradizionale STPV ha una radiazione posteriore verso il sole. Nell'STPV non reciproco, l'emissione posteriore dallo strato intermedio viene soppressa e più energia in entrata viene diretta verso la cellula. Il comportamento non reciproco dello strato intermedio può essere reso selettivo in lunghezza d'onda. Credito:Sina Jafari Ghalekohneh et al, Riesame fisico applicato (2022). DOI:10.1103/PhysRevApplied.18.034083
Il grande inventore Thomas Edison una volta disse:"Finché splende il sole, l'uomo sarà in grado di sviluppare potenza in abbondanza". La sua non fu la prima grande mente a meravigliarsi dell'idea di sfruttare il potere del sole; per secoli gli inventori hanno riflettuto e perfezionato il modo per raccogliere l'energia solare.
Hanno fatto un lavoro straordinario con le celle fotovoltaiche, che convertono la luce solare direttamente in energia. Eppure, con tutta la ricerca, la storia e la scienza alle spalle, ci sono limiti alla quantità di energia solare che può essere raccolta e utilizzata, poiché la sua generazione è limitata solo al giorno.
Un professore dell'Università di Houston sta continuando la ricerca storica, riferendo su un nuovo tipo di sistema di raccolta dell'energia solare che batte il record di efficienza di tutte le tecnologie esistenti. Non meno importante, apre la strada all'utilizzo dell'energia solare 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
"Con la nostra architettura, l'efficienza di raccolta dell'energia solare può essere migliorata fino al limite termodinamico", riferiscono Bo Zhao, professore assistente di Kalsi di ingegneria meccanica e la sua studentessa di dottorato Sina Jafari Ghalekohneh sulla rivista Physical Review Applied . Il limite termodinamico è la massima efficienza di conversione teoricamente possibile della luce solare in elettricità.
Trovare modi più efficienti per sfruttare l'energia solare è fondamentale per passare a una rete elettrica priva di emissioni di carbonio. Secondo un recente studio dell'Ufficio per le tecnologie dell'energia solare del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti e del National Renewable Energy Laboratory, il solare potrebbe rappresentare fino al 40% della fornitura di elettricità della nazione entro il 2035 e il 45% entro il 2050, in attesa di riduzioni dei costi aggressive, di supporto politiche ed elettrificazione su larga scala.
Come funziona?
Il solare termofotovoltaico tradizionale (STPV) si basa su uno strato intermedio per personalizzare la luce solare per una migliore efficienza. Il lato anteriore dello strato intermedio (il lato rivolto verso il sole) è progettato per assorbire tutti i fotoni provenienti dal sole. In questo modo l'energia solare viene convertita in energia termica dello strato intermedio ed eleva la temperatura dello strato intermedio.
Ma il limite di efficienza termodinamica degli STPV, che è stato a lungo considerato il limite di corpo nero (85,4%), è ancora molto inferiore al limite di Landsberg (93,3%), il limite di efficienza finale per la raccolta di energia solare.
"In questo lavoro, mostriamo che il deficit di efficienza è causato dall'inevitabile retroemissione dello strato intermedio verso il sole risultante dalla reciprocità del sistema. Proponiamo sistemi STPV non reciproci che utilizzano uno strato intermedio con proprietà radiative non reciproche", ha affermato Zhao. "Un tale strato intermedio non reciproco può sostanzialmente sopprimere la sua emissione posteriore al sole e incanalare più flusso di fotoni verso la cellula. Dimostriamo che con tale miglioramento, il sistema STPV non reciproco può raggiungere il limite di Landsberg e i pratici sistemi STPV con fotovoltaico a giunzione singola le cellule possono anche sperimentare un significativo aumento dell'efficienza".
Oltre a una maggiore efficienza, gli STPV promettono compattezza e dispacciabilità (elettricità programmabile su richiesta in base alle esigenze del mercato).
In un importante scenario applicativo, gli STPV possono essere accoppiati con un'unità economica di accumulo di energia termica per generare elettricità 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
"Il nostro lavoro mette in evidenza il grande potenziale dei componenti fotonici termici non reciproci nelle applicazioni energetiche. Il sistema proposto offre un nuovo percorso per migliorare significativamente le prestazioni dei sistemi STPV. Potrebbe aprire la strada all'implementazione di sistemi non reciproci nei sistemi STPV pratici attualmente utilizzati in centrali elettriche", ha detto Zhao. + Esplora ulteriormente
