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Frutto di un progetto collaborativo tra il laboratorio IBM Research di Zurigo, la Airlight Energy, l'ETH di Zurigo l'Università interstatale di scienze applicate di Buchs NTB (Istituto per le micro e le nanotecnologie MNT) e grazie anche ad una sovvenzione della Commissione per la tecnologia e l’innovazione svizzera, è nato il nuovo sistema fotovoltaico HCPVT capace di fissare nuovi traguardi nella produzione di energia pulita con lo sfruttamento dell'energia solare.

Il nuovo sistema fotolvoltaico di IBMNella Giornata della Terra, gli scienziati del Laboratorio IBM di Zurigo hanno annunciato di aver avviato una collaborazione per lo sviluppo di un sistema fotovoltaico economico ed autonomo, un sistema di produzione di energia pulita capace di raccogliere l’80% delle radiazioni solari in arrivo e convertirle in energia utile per generare elettricità, produrre acqua dolce, aria calda o fredda.

Il sistema, che è in grado di sfruttare l’energia equivalente a quella di 2.000 soli, può essere costruito ovunque vi sia una carenza di energia sostenibile, acqua potabile e aria fredda, a un costo tre volte inferiore rispetto a sistemi equiparabili. Un breve filmato di presentazione del progetto è visibile qui: http://youtu.be/J_zzE8xMdZc

Sfatare il mito: con i sistemi fotovoltaici di nuova generazione, l'energia solare può bastare per tutta l'umanità e molto di più!

Stando ai dati pubblicati dalla European Solar Thermal Electricity Association e Greenpeace International, utilizzando in modo intelligente le tecnologie fotovoltaiche, basterebbe solo il 2% della superficie del deserto del Sahara per soddisfare il fabbisogno di elettricità mondiale, usando quindi unicamente energia pulita, senza più ricorrere né al petrolio o i suoi derivati, né all'energia atomica.

Il limite attuale per il raggiungimento di questi risultati è che le odierne tecnologie solari sul mercato sono troppo lente e costose da produrre, garantendo poi rendimenti ben al di sotto del 40%. Questo perché da un lato richiedono l'uso di minerali piuttosto rari, mentre dall'altro non sono abbastanza efficienti da rendere pratica la creazione dei giganteschi impianti che sarebbero necessari per generare su scala industriale energia pulita (in questo caso, con procedimenti fotovoltaici e quindi sfruttando i raggi del sole).

Così, grazie anche ad una sovvenzione triennale da 2,4 milioni di dollari (2,25 milioni di franchi svizzeri) della Commissione per la tecnologia e l’innovazione svizzera, è nato il progetto del nuovo sistema fotovoltaico HCPVT (High Concentration PhotoVoltaic Thermal - sistema fotovoltaico-termico ad alta concentrazione) studiato in collaborazione dagli scienziati del laboratorio IBM Research di Zurigo, della Airlight Energy, fornitore di tecnologia per l’energia solare, dell'ETH di Zurigo (Cattedra dei vettori energetici rinnovabili) e dell'Università interstatale di scienze applicate di Buchs NTB (Istituto per le micro e le nanotecnologie MNT).

Il prototipo del sistema fotovoltaico HCPVT utilizza una grande parabola, costituita da numerosi specchi, collegata a un sistema di inseguimento che stabilisce l’angolo migliore sulla base della posizione del sole. Una volta allineato, i raggi del sole si riflettono dallo specchio su diversi ricevitori raffreddati a microcanali liquidi con chip fotovoltaici a tripla giunzione: ciascun chip da 1x1 cm è in grado di convertire, in media, 200-250 watt nell’arco di una tipica giornata di otto ore in una regione soleggiata.

L’intero ricevitore combina centinaia di chip e fornisce 25 kilowatt di energia elettrica. I chip fotovoltaici sono montati su strati microstrutturati che convogliano i refrigeranti liquidi entro alcune decine di micrometri dal chip, per assorbire il calore e disperderlo con un’efficacia di 10 volte superiore rispetto al raffreddamento ad aria passivo.

Il refrigerante mantiene i chip quasi alla stessa temperatura per una concentrazione solare di 2.000 volte e può mantenerli a temperature di sicurezza fino a una concentrazione solare di 5.000 volte. La potenza di pompaggio per il raffreddamento si ispira alla ramificazione gerarchica del sistema circolatorio del corpo umano.

Nuovi orizzonti per l'umanità

Prevediamo di utilizzare le celle fotovoltaiche a tripla giunzione su un modello raffreddamento a microcanali, in grado di convertire più del 30% della radiazione solare raccolta in energia elettrica e di consentire un recupero efficiente del calore residuo superiore al 50%” - spiega Bruno Michel, manager, advanced thermal packaging in IBM Research - “Riteniamo di poter conseguire questo risultato con una progettazione molto pratica, costituita da innovativi inseguitori in calcestruzzo, ottica principale composta da specchi pneumatici economici e strutture realizzate in calcestruzzo: si tratta di un’innovazione frugale, ma basata su decenni di esperienza negli elementi in calcestruzzo leggero e ad alta resistenza per la costruzione di ponti”.

La concezione del ricevitore multi-chip si basa sui raffreddatori dei processori ad alta potenza, sviluppati in una precedente collaborazione tra IBM e il Centro di ricerca sulle nanotecnologie egiziano.

La progettazione di tali sistemi fotovoltaici è elegantemente semplice” - commenta Andrea Pedretti, CTO di Airlight Energy - “Sostituiamo gli elementi normalmente costruiti con i costosi acciaio e vetro, con calcestruzzo più economico e semplici lamine pressurizzate. I piccoli componenti high-tech, in particolare i dispositivi di raffreddamento a microcanali e gli stampi, possono essere prodotti in Svizzera, mentre il resto della costruzione e l’assemblaggio possono essere eseguiti nella regione di installazione. Ciò si traduce in una situazione vantaggiosa per tutte le parti coinvolte, con un sistema competitivo in termini di costi e la creazione di posti di lavoro in entrambe le regioni”.

Gli elementi ottici per la concentrazione solare saranno sviluppati dall’ETH di Zurigo, applicando tecniche numeriche di tracciamento dei raggi avanzate per ottimizzare la progettazione della configurazione ottica e raggiungere flussi solari uniformi superiori a 2.000 soli in corrispondenza della superficie della cella fotovoltaica.

Con una concentrazione così elevata e una progettazione dal costo drasticamente ridotto, gli scienziati sono convinti di poter ottenere un costo per area di apertura inferiore a 250 dollari per metro quadrato, ossia tre volte meno dei sistemi paragonabili.

Il costo dell’energia livellato sarà inferiore a 10 centesimi per chilowattora (kWh). Per confronto, le tariffe incentivanti per l’energia elettrica in Germania sono attualmente ancora superiori a 25 cent per kWh e il costo di produzione nelle centrali elettriche a carbone si aggira sui 5-10 centesimi per kWh.

I Sistemi Fotovoltaici per la dissalazione dell’acqua e raffreddamento dell’aria

Gli attuali sistemi fotovoltaici a concentrazione si limitano a raccogliere l'energia elettrica dissipando poi l’energia termica nell’atmosfera. Con l’approccio del packaging HPCPVT, si eliminano i problemi di surriscaldamento dei chip solari, semplificando l'impiego dell’energia per la dissalazione termica dell’acqua e il raffreddamento dell’aria.

Per fornire acqua dolce, viene utilizzata l'innovativa tecnologia sviluppata dagli stessi ingegneri di IBM per i supercomputer raffreddati ad acqua. Con entrambi i supercomputer Aquasar e SuperMUC, l’acqua viene utilizzata per assorbire il calore dai chip del processore e poi utilizzata per fornire il riscaldamento ambientale.

La microtecnologia che conosciamo dalla fabbricazione dei chip dei computer è essenziale per consentire un trasferimento termico efficiente dal chip fotovoltaico al liquido di raffreddamento”, spiega André Bernard, a capo dell’istituto MNT presso l’NTB di Buchs. “E servendoci di modi innovativi per fabbricare questi dispositivi di trasferimento del calore, miriamo a una produzione efficiente in termini di costi”.

Nel sistema fotovoltaico HCPVT, anziché riscaldare un edificio, l’acqua a 90 gradi Celsius passerà attraverso un sistema di distillazione a membrane porose, dove verrà vaporizzata e dissalata. Tale sistema potrebbe fornire 30-40 litri di acqua potabile per metro quadro di superficie del ricevitore al giorno, continuando a generare elettricità con una resa di oltre il 25% o due chilowattora al giorno. Ciò equivale a poco meno della metà della quantità d'acqua necessaria a una persona media ogni giorno, secondo le Nazioni Unite**, ma un grande impianto potrebbe fornire energia sufficiente per una piccola città.

Il sistema HCPVT può essere utilizzato anche per il condizionamento dell’aria, abbinandolo ad una macchina frigorifera ad assorbimento alimentata termicamente. Una macchina frigorifera ad assorbimento è un dispositivo che converte il calore in raffreddamento, attraverso un ciclo termico applicato a un assorbente in gel di silice, ad esempio. Le macchine frigorifera ad assorbimento possono sostituire quelle a compressione, che contengono fluidi di lavoro nocivi, mentre l'acqua elimina ogni impatto sullo strato di ozono.

Nelle previsioni degli scienziati, il sistema fotovoltaico HCPVT potrà essere utilizzato in tutte le parti del mondo più esposte al sole, come l’Europa meridionale, l’Africa, la penisola arabica, la zona sud-occidentale del Nord America, il Sud America e l’Australia, così come le Maldive, le Seychelles e le Mauritius.

Un prototipo dell’HCPVT è attualmente in fase di test presso il laboratorio di IBM Research di Zurigo, Svizzera. Diversi prototipi del sistema HCPVT saranno costruiti a Biasca e Rüschlikon, in Svizzera, nell’ambito di questa collaborazione.

Ultima modifica ilDomenica, 17 Giugno 2018 13:36

Commenti   

0 #1 moduli fotovoltaici 2013-12-11 09:59
Argomento molto interessante.
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