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La nuova tecnologia per le rinnovabili con fotovoltaico è rappresentata dal pallone fotovoltaico, Si tratta di un pallone nella parte superiore trasparente e nella parte inferiore concentra tutta la luce sul fotovoltaico integrato. Questo pallone è ancorato a terra con quattro cavi resistenti e il quinto cavo è costituito dal filo di rame bifilare che trasmette a terra l'energia prodotta dai pannelli che in questo caso sono protetti da intemperie come pioggia, grandine, neve ... per poter galleggiare il pallone è pieno di elio e aria vedi figura e schema di principio.
Questo sistema oltre a risolvere i problemi legali perchè se la singola utenza che si trova in zona storica dove è prescritta che l'inclinazione dei pannelli, angolo di tilt, deve essere ridotta, non deve vedersi nulla da giù e deve quindi essere bassa l'inclinazione precludendo anche il rendimento energetico per angolo di tilt legato alla latitudine e al periodo estivo o invernale tilt estivo e invernale. di cui si è gia parlato. si tratta di tecnologia BIPVS (Balloon-Integrated Photovoltaic System) un sistema futuristico che combina tecnologia, sostenibilità e creatività per rispondere alle sfide energetiche globali,il pallone è corredato di valvola che controlla la pressione interna e deve essere messo a una altezza del pallone calibrata che non ci siano ombreggiamenti di edifici o alberi. Per un rendimento elevato occorre impiegare moduli in perowskite ultrasottili con cui il rendimento arriverà al 45%.
GIUSEPPE
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Per quasi quarant’anni, la tecnologia del fotovoltaico è stata dominata dalle fotocellule in silicio. Sebbene i pannelli solari in silicio rappresentino una risorsa rinnovabile eccellente, ci sono limitazioni significative che ne impediscono l’adozione su larga scala. L’installazione sui tetti può risultare complessa e costosa a causa delle strutture di supporto necessarie. Inoltre, la produzione delle celle in silicio richiede molta energia, temperature elevate e risorse limitate.
Questi svantaggi hanno spinto la ricerca verso nuove tecnologie solari che possano ottimizzare l’efficienza, la flessibilità e la sostenibilità. Un gruppo di ingegneri dell’ETH di Zurigo ha sviluppato una ceramica fotovoltaica che potrebbe rivoluzionare il settore. Gli scienziati dell’ETH di Zurigo hanno progettato un nuovo materiale ceramico in grado di convertire i raggi solari in energia con un’efficienza mille volte superiore rispetto ai pannelli solari tradizionali. Questa innovazione, combinata con una tecnica di stampa 3D avanzata, ha il potenziale di trasformare completamente il panorama dell’energia solare.
La ceramica fotovoltaica è arricchita con una struttura a perovskite, un framework metallo-organico strutturato in una rete bidimensionale. Questa tecnologia consente la scissione delle molecole d’acqua in ossigeno e idrogeno grazie alla carica elettrica generata dalla luce. L’idrogeno prodotto può essere conservato e utilizzato come vettore di energia. Questo materiale non solo genera energia elettrica, ma immagazzina energia chimica, offrendo una soluzione superiore ai combustibili fossili.
La ceramica sviluppata dall’ETH di Zurigo presenta una nanostruttura ingegnosa che converte efficacemente l’energia solare in elettricità. Il materiale fotovoltaico è composto da ossido di alluminio e nanoparticelle di perovskite, che assorbono la luce e conducono la corrente. Le perovskiti, note per le loro eccellenti proprietà di raccolta della luce, stanno diventando comuni nelle celle solari. Tuttavia, sono generalmente sensibili alle variazioni di temperatura, umidità e sollecitazioni meccaniche. La ceramica risolve questi problemi incapsulando le nanoparticelle di perovskite in una matrice di ossido di alluminio.
Quando esposte alla luce solare, le nanoparticelle si eccitano, generando elettroni che vengono trasportati dalla matrice di ossido di alluminio fino alla superficie della ceramica, producendo corrente elettrica. Questa ceramica fotovoltaica rappresenta un esempio di innovazione orientata all’autoconsumo, simile ai tetti solari Tesla e alle mini turbine eoliche. Tale invenzione segna un passo avanti verso pannelli solari più flessibili e adattati alle esigenze domestiche, permettendo a tutti di risparmiare sull’elettricità e avvicinarsi all’impatto zero.
Negli ultimi anni, gli ingegneri dell’ETH di Zurigo hanno sviluppato la tecnologia per produrre combustibili liquidi da luce solare e aria. Nel 2019, hanno dimostrato l’intero processo termochimico in condizioni reali, sul tetto del Laboratorio Macchine dell’ETH a Zurigo. Questi combustibili solari sintetici sono carbon neutral, poiché rilasciano solo la quantità di CO2 assorbita dall’aria durante la loro produzione.
Al centro del processo di produzione c’è un reattore solare esposto a luce solare concentrata da uno specchio parabolico, raggiungendo temperature fino a 1500 gradi Celsius. All’interno di questo reattore, contenente una struttura ceramica porosa in ossido di cerio, avviene un ciclo termochimico che scinde acqua e CO2 catturata dall’aria, producendo syngas. Questo syngas può essere ulteriormente trasformato in carburanti liquidi come il cherosene, utilizzabile per l’aviazione.
Un team di ricercatori ha sviluppato un nuovo tipo di tecnologia di stampa 3D che potrebbe rivoluzionare il modo in cui gestiamo l’energia solare. Tradizionalmente, i materiali porosi utilizzati nei reattori solari tendevano a bloccare parte della luce solare, limitando la produzione di calore e quindi di combustibile. Ma ora, grazie al lavoro di André Studart, esperto di Materiali Complessi, e Aldo Steinfeld, specialista in Energia Rinnovabile, è stato creato un nuovo metodo per produrre strutture ceramiche porose che permettono di sfruttare meglio la radiazione solare.
Queste nuove strutture sono progettate con canali e pori che si restringono man mano che si scende in profondità nel reattore, una configurazione che consente di catturare e distribuire meglio la luce solare su tutto il volume del reattore. Il risultato? Le temperature interne possono raggiungere i 1500°C, essenziali per la produzione di combustibile, e si può raddoppiare la quantità di combustibile prodotto rispetto ai sistemi tradizionali.
La stampa 3D di queste strutture ceramiche usa un inchiostro speciale a bassa viscosità, ma ricco di particelle di cerio, un elemento chiave per ottimizzare l’assorbimento solare. Il brevetto per questa tecnologia è già stato registrato e la società Synhelion ha acquisito i diritti per la sua commercializzazione dall’ETH di Zurigo. Questo progresso rappresenta un grande passo avanti nella produzione di combustibili sostenibili per l’aviazione, promettendo di rendere i reattori solari più efficienti.
Giuseppe
divulgatore scientifico
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L'ultima frontiera dei pannelli fotovoltaici è quella in diamanti.
Negli ultimi anni, l’energia fotovoltaica è raddoppiata globalmente, compresi i paesi in via di sviluppo. Una delle innovazioni più rivoluzionarie in questo campo sono i primi pannelli solari in diamante, creati quasi da zero, che promettono di rivoluzionare la produzione di elettricità. Stiamo forse di fronte a un’invenzione del XXI secolo? Tutti gli indizi sembrano confermarlo.
Tradizionalmente, il fotovoltaico si basava su celle di silicio, sia monocristalline che policristalline. Poi è arrivata la perovskite, rivoluzionando i limiti di efficienza conosciuti. Ora, gli esperti hanno prodotto le prime celle solari in “diamante”. Questo innovativo
prodotto segna una nuova fase nella ricerca incessante di innovazioni per le celle solari, allontanandosi dal silicio come materiale principale. Questo è dovuto alle proprietà del diamante, noto per la sua resistenza all’usura, l’alta capacità termica e l’efficace conduzione dell’energia termica.
A differenza dei pannelli basati sul silicio, i pannelli solari in “diamante” possono essere realizzati direttamente dal CO2 atmosferico e dal CH4, o metano, eliminando la necessità di passaggi di produzione ad alta intensità energetica. Questo risultato è reso possibile da una metodologia nota come deposizione chimica da vapore (CVD).
Il diamante ha diverse proprietà eccezionali che lo rendono vantaggioso per l’ingegneria solare. In primo luogo, ha la più alta conducibilità termica tra tutti i materiali conosciuti, permettendo la rapida rimozione del calore in eccesso che potrebbe degradare le celle e aiutandole a raggiungere la massima efficienza. Inoltre, è uno dei materiali più efficienti per la mobilità degli elettroni, consentendo un efficace trasporto dei portatori di carica generati dall’assorbimento della luce solare.
Un’altra caratteristica notevole del diamante è il suo ampio bandgap, che rappresenta l’energia necessaria per il trasferimento degli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione, permettendo l’assorbimento e la conversione di una gamma più ampia dello spettro solare, inclusi i raggi violetti e ultravioletti.
Come sono stati creati i pannelli solari in “diamante”?
La produzione dei pannelli solari in diamante avviene tramite la deposizione chimica da vapore (CVD), una tecnica che permette di creare film di diamante da una miscela di carbonio e idrogeno, spesso costituita da metano e idrogeno. Le miscele di gas vengono introdotte in una camera a vuoto, dove vengono attivate dal calore e da altre forme di energia come il calore a microonde, il filamento caldo o il plasma. Nel processo CVD, un gas idrocarburico si decompone e il carbonio atomico si deposita su un substrato come il silicio o il metallo, creando uno strato sottile di diamante.
Il substrato fornisce il supporto su cui il diamante si forma, e le caratteristiche della superficie del substrato influenzano significativamente le proprietà del film di diamante e la sua direzione di crescita. Questa tecnologia ha aperto la porta a un nuovo modo di sfruttare l’energia fotovoltaica residua, che altrimenti verrebbe dispersa dall’ambiente, accelerando il recupero degli investimenti. Non ci sono più scuse per non aderire all’autoconsumo.
Giuseppe
divulgatore scientifico
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Nel montare un impianto fotovoltaico bisogna tener conto del giusto orientamento (angolazione di azimut) e inclinazione ottimale dei pannelli fotovoltaici (angolazione di tilt) .
Prima di montare i pannelli fotovoltaici sul tetto bisogna verificare il punto di massimo irraggiamento per avere il massimo rendimento dell'impianto: i pannelli fotovoltaici sono più produttivi quando i raggi solari cadono perpendicolarmente alle loro superfici, l'orientamento sicuramente migliore è quello direttamente a sud (angolo di azimut=180°)-
Se non è possibile l'installazione in direzione sud e ci sono problemi di ombreggiamento prodotti da un albero alto si potrà variare leggermente l'orientamento dei pannelli: orientando i pannelli al di fuori della direzione sud, fino un massimo di 45 gradi (sud-est e sud-ovest), la produzione annua di energia subirà una riduzione molto contenuta (1 o 3%)- La radiazione solare che i pannelli solari ricevono sarà quasi la stessa; se i pannelli sono rivolti ad una angolazione superiore di 45° rispetto a sud, la produzione di energia inizierà a ridursi considerevolmente.
A 90° dalla direzione sud (quindi direttamente a est e ovest) la produzione di energia si può ridurre del 30%: questo è dovuto al fatto che i pannelli sono interessati da raggi deboli e non perpendicolari .durante la giornata. Si avrà una minor produzione di energia rispetto i pannelli orientati correttamente a sud.
Dopo aver visto l'orientamento ottimale a sud vediamo l'inclinazione ottimale.
In questo caso dobbiamo soddisfare due bisogni fondamentali: produrre energia elettrica e ottenere un risultato finale gradevole e duraturo nel tempo. Occorre tener conto per esempio che un tetto ha già una sua inclinazione e pendenza per cui bisogna cercare un compromesso.
Nel caso di terrazzi, i pannelli potrebbero essere montati su pergole di alluminio.
L'inclinazione ottimale poi è influenzata dalla latitudine del luogo geografico dove vogliamo montare i pannelli fotovoltaici e dal periodo dell'anno in cui abbiamo bisogno di energia.
Come visto più i raggi solari sono perpendicolari ai pannelli fotovoltaici maggiore sarà l'energia prodotta. La massima produzione di energia dobbiamo ottenerla a mezzogiorno momento in cui il sole raggiunge la massima altezza sull'orizzonte: dobbiamo conoscere la massima e minima altezza del sole a mezzogiorno nell'arco dell'anno per sapere di quanti gradi inclinare i pannelli .
Ci vengono in aiuto due giorni dell'anno: come sappiamo c'è un giorno dell'anno in cui abbiamo meno ore di luce (solstizio di inverno) e un giorno con più ore (solstizio d'estate). Il solstizio d'estate, in cui abbiamo più ore di luce, è il 20 o il 21 giugno e il sole a mezzogiorno si trova alla sua massima altezza annuale mentre nel solstizio d'inverno, in cui abbiamo meno ore, è il 21 o il 22 dicembre e il sole a mezzogiorno si avrà alla minima altezza annuale.
Occorre precisare che in base alla latitudine in cui ci troviamo, cambia l'altezza annuale massima e minima del sole a mezzogiorno.
La latitudine dell'Italia è compresa da circa 47° a Nord (Alpi Aurine), fino ad arrivare a poco più di 35° a Sud (Lampedusa). Per installare i pannelli fotovoltaico bisogna tener conto dell'altezza massima del sole a mezzogiorno e ci aiuta la latitudine del luogo dove eseguire l'impianto fotovoltaico: se per esempio ci troviamo a Roma la latitudine è circa 42°.
Accertata la latitudine, dobbiamo sottrarre 23° (attuale angolo di inclinazione terrestre).
La formula finale per ottenere la giusta inclinazione dopo i due solstizi è:
90-(latitudine- inclinazione terrestre)
Nel caso di Roma in cui la latitudine è 42 si avrà:
90- (42-23) = 71° poi l'inclinazione dei pannelli sarà 90-71= 19° massimo rendimento energetico solstizio d'estate.
A Roma il max rendimento energetico nel solstizio d'estate i pannelli devono essere rivolti a sud e inclinati a 19°. In questo modo a mezzogiorno i pannelli saranno perfettamente perpendicolari ai raggi solari .
Per il calcolo dell'altezza del sole a mezzogiorno durante il solstizio d'inverno dobbiamo, anzichè sottrarre sommare 23° .
Per Roma avremo quindi 90-(42-23)=25° e di conseguenza per avere il massimo rendimento a Roma durante il solstizio d'inverno i pannelli devono essere rivolti a sud e inclinati di 65° (90-25). Così a mezzogiorno i pannelli fotovoltaici saranno perfettamente perpendicolari ai raggi solari.
L'inclinazione dei nostri pannelli solari dipende dalle nostre esigenze.
Se siamo sempre a Roma ed abbiamo bisogno d'energia nel periodo invernale è bene scegliere una inclinazione compresa tra 53° e 65° (esempio 59°) mentre se abbiamo bisogno esclusivamente durante il periodo estivo è bene scegliere una inclinazione compresa tra 19° e 42° (esempio 30°).
Se il nostro fabbisogno a Roma è per tutto l'anno si può optare per una via di mezzo per esempio 42° con orientamento sempre a sud.
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