La cella solare modificata produce energia durante la notte

May 03, 2023

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Inserito il 8 giugno 202326 maggio 2023 di Melisa Yashinski

I pannelli solari sono una fonte sempre più comune di energia rinnovabile e forniscono elettricità a parti del mondo che non hanno accesso a una rete elettrica. Un pannello solare è composto da decine di dispositivi più piccoli che convertono la luce solare in elettricità chiamati celle fotovoltaiche, o celle fotovoltaiche in breve. Una tipica cella fotovoltaica è di circa 5 pollici quadrati (o 13 centimetri quadrati) ed è realizzata in silicio, un materiale semiconduttore economico. Il silicio assorbe energia dalla luce solare, che eccita gli elettroni a spostarsi dal fondo della cella verso l'alto, creando elettricità. Poiché questo processo richiede energia solare, una cella fotovoltaica non produce energia durante la notte, lasciando i luoghi off-grid senza elettricità durante quelle ore.

Recentemente i ricercatori si sono interessati a sfruttare l’energia creata dal calore emesso dagli oggetti attraverso un processo chiamato raffreddamento radiativo. La Terra viene riscaldata durante il giorno dal sole e poi si raffredda di notte emettendo radiazioni a onde lunghe verso lo spazio. Ecco perché una giornata calda può essere seguita da una notte molto più fresca, soprattutto quando il cielo è sereno.

Le tipiche celle fotovoltaiche sono ricoperte di biossido di silicio, che ha una forte emissione di calore a causa del raffreddamento radiativo. Ciò significa che la cella fotovoltaica cede calore all’ambiente circostante, lasciandola di diversi gradi più fresca dell’aria ambiente durante la notte. Attualmente, le celle fotovoltaiche non possono convertire questo cambiamento di temperatura in elettricità. Gli scienziati hanno suggerito di progettare celle fotovoltaiche che raccolgano questa energia. Tuttavia, ciò richiederebbe un semiconduttore con proprietà elettriche diverse rispetto al silicio, il che significa che i pannelli solari a base di silicio dovrebbero essere sostituiti per generare energia durante la notte.

Invece di progettare una nuova cella fotovoltaica, gli scienziati dell’Università di Stanford hanno modificato una cella fotovoltaica esistente per convertire il calore in energia elettrica. Hanno incorporato un dispositivo che converte le variazioni di temperatura in energia elettrica chiamato generatore termoelettrico o TEG. Un TEG è un dispositivo a stato solido, ovvero non ha parti in movimento, ed è costituito da un materiale unico che reagisce quando viene esposto a due diverse temperature. Gli atomi nel materiale esposto a una temperatura più calda si eccitano e rilasciano elettroni che fluiscono verso il lato del materiale esposto a una temperatura più fredda. Gli scienziati hanno pianificato di collegare un TEG tra la cella fotovoltaica più fredda e l'aria ambiente più calda.

Durante la progettazione di questa cella fotovoltaica modificata, gli scienziati hanno utilizzato calcoli termodinamici per scoprire quando il TEG avrebbe generato la maggior quantità di elettricità. Hanno stabilito che era necessario ridurre al minimo la quantità di calore che fluisce dall'aria ambiente, attorno al TEG e alla cella fotovoltaica perché non contribuirebbe alla generazione di elettricità del TEG. Pertanto, hanno circondato il dispositivo in una camera di plastica isolata con un'apertura per consentire il collegamento all'aria ambiente.

Gli scienziati hanno inoltre calcolato che era necessario massimizzare il contatto del lato caldo del TEG con l'aria ambiente. Per fare ciò, hanno collegato questo lato del TEG a una parte standard del computer che trasferisce energia termica, chiamata dissipatore di calore, e a un supporto di base. Il dissipatore di calore ha fornito un percorso affinché l'aria ambiente raggiungesse il TEG con poca resistenza. Hanno inoltre collegato un foglio di alluminio tra la cella fotovoltaica e il TEG per migliorare il trasferimento di calore. Quindi hanno applicato un grasso al silicone su ciascun componente per migliorare il flusso di calore.

Per testare la loro cella fotovoltaica modificata, gli scienziati l’hanno posizionata su un tetto con accesso senza ostacoli al cielo per quattro giorni e quattro notti. Durante quel periodo, hanno monitorato continuamente la potenza prodotta dal TEG, dalla cella FV, e le temperature della cella FV, del dissipatore di calore e dell'aria ambiente.

Gli scienziati hanno osservato che la cella fotovoltaica si riscaldava durante il giorno, con un picco di temperatura a metà giornata fino a circa 15°C (59°F) sopra la temperatura dell'aria ambiente. Di notte, la temperatura delle celle fotovoltaiche è scesa al di sotto della temperatura dell'aria ambiente, che era più pronunciata nelle notti serene, a circa 3°C (37°F) in meno. Il TEG estrae energia dalle differenze di temperatura sia durante il giorno che durante la notte.