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Una cella termofotovoltaica batte un nuovo record di efficienza energetica

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Gli ingegneri del MIT e del National Renewable Energy Laboratory hanno progettato un nuovo motore termico, una cella termofotovoltaica senza parti mobili. Il dispositivo può generare elettricità da una fonte di calore compresa tra 1900 e 2400°C. Il team segnala un’efficienza senza precedenti, superiore al 40%, una prestazione superiore a quella delle tradizionali turbine a vapore (con un’efficienza massima di solito intorno al 35%). Questa tecnologia potrebbe aprire la strada a una rete elettrica completamente priva di emissioni di carbonio.

Le celle termofotovoltaiche (TPV) sono celle fotovoltaiche ottimizzate per convertire la radiazione elettromagnetica infrarossa in elettricità (le celle fotovoltaiche funzionano nella luce visibile e ultravioletta). Questa tecnologia consente quindi di aumentare la gamma di lunghezze d’onda che possono essere convertite in elettricità.

In teoria, l’efficienza di una cella TPV può superare il 50%, ma in pratica gli scienziati finora non hanno mai superato il 32%. La cella di nuova concezione si rivela più conveniente rispetto alle turbine a vapore utilizzate oggi per la produzione di energia, poiché può utilizzare fonti di calore a temperatura più elevata.

Le macchine su cui poggiano le turbine dipendono da parti mobili la cui temperatura è limitata; fonti di calore superiori a 2000°C sarebbero troppo calde e causerebbero il degrado dei materiali. Ecco perché gli scienziati hanno cercato alternative per aumentare i raccolti. † Uno dei vantaggi dei convertitori di potenza a stato solido è che possono funzionare a temperature più elevate con costi di manutenzione inferiori perché non hanno parti mobili.spiega Asegun Henryricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT e coautore del paper di presentazione del dispositivo.

Più strati di materiale per le massime prestazioni

Come le celle fotovoltaiche, le celle TPV possono essere realizzate con materiali semiconduttori a banda proibita stretta: la banda proibita è l’energia che separa la banda di valenza dalla banda di conduzione o in altre parole, l’energia che deve essere ottenuta dal elettroni raggiungere la banda di conduzione (e condurre elettricità). Se un fotone ad alta energia viene assorbito dal materiale, può farlo elettrone attraverso il gap di banda.

Ma finora, le celle TPV hanno mostrato solo rese relativamente basse, con una media di circa il 20% (il record è del 32%). La maggior parte delle celle TPV esistenti si basano su materiali a basso bandgap, che convertono i fotoni a bassa temperatura e bassa energia (cioè a bassa efficienza). Per migliorare la loro efficienza, i ricercatori hanno quindi cercato un modo per catturare fotoni a più alta energia da una fonte di calore con una temperatura più elevata.

Per fare ciò, hanno utilizzato materiali con gap di banda più elevati (tra 1,0 e 1,4 eV) e multi-giunzioni (più strati di materiale). La cella è quindi costituita da una pila di tre materiali: sulla superficie c’è una lega ad alto gap di banda, che poggia su una lega di bandgap leggermente inferiore, sotto la quale si trova uno strato d’oro simile a uno specchio.

L’energia incidente sui TPV (Pincl) può essere convertito in energia elettrica (Pa partire dal), rispedito al mittente (Prif) o termicamente per inefficienze della cella e del riflettore posteriore (Qc). © A. LaPotin et al.

Il primo strato cattura fotoni ad alta energia da una fonte di calore e li converte in elettricità; i fotoni di energia inferiore che passano attraverso il primo strato vengono catturati dal secondo e convertiti a loro volta. Infine, i fotoni che passano attraverso questo secondo strato vengono riflessi alla fonte di calore dallo specchio, invece di essere assorbiti come calore di scarto: la radiazione non utilizzata viene restituita all’emettitore.

Verso una rete elettrica completamente priva di emissioni di carbonio

Il team ha testato la cellula esponendola a una lampada ad alta temperatura, la cui intensità variava. Utilizzando un sensore di flusso di calore, hanno esaminato come l’efficienza energetica della cella – il rapporto tra la quantità di energia prodotta e la quantità di calore assorbita – variava con la temperatura della lampada. † Un dispositivo da 1,4/1,2 eV ha raggiunto un’efficienza di picco del 41,1 ± 1% per una densità di potenza di 2,39 W/cm2 e una temperatura dell’emettitore di 2400°C. Un dispositivo da 1,2/1,0 eV ha raggiunto un’efficienza di picco del 39,3 ± 1% per una densità di potenza di 1,8 W/cm2 e una temperatura dell’emettitore di 2127°C “, riporta la squadra in Natura

I tandem di 1,2/1,0 eV (c) e 1,4/1,2 eV (d) fabbricati e caratterizzati nello studio, e la loro irradianza spettrale, associata alla temperatura media dell’emettitore (un corpo nero di 2150 °C). Uno specchio dorato sul retro della cella riflette circa il 93% dei fotoni al di sotto del gap di banda, consentendo a questa energia di essere riciclata. © A. LaPotin et al.

Questa cella TPV sembra essere completamente operativa ed efficiente. † Il termofotovoltaico è stato l’ultimo passo importante per dimostrare che le batterie termiche sono un concetto praticabile disse Enrico. Il team prevede di incorporarlo in una batteria termica su scala griglia: il sistema assorbirà il calore in eccesso, lo immagazzinerà (su un supporto di grafite) e lo convertirà in energia elettrica quando le condizioni di luce solare non sono adeguate.

Resta da progettare un dispositivo su scala più ampia per considerare un sistema produttivo in grado di soddisfare le esigenze. Le cellule utilizzate in questi esperimenti misurano circa 1 cm²; per un sistema a batteria termica a scala di rete, devono raggiungere un’area di circa 900 m² e devono lavorare in magazzini climatizzati.

Secondo Henry, l’infrastruttura per la produzione di celle fotovoltaiche su larga scala potrebbe essere adattata alla produzione di TPV. † La tecnologia è sicura, innocua per l’ambiente durante il suo ciclo di vita e può avere un impatto significativo sulla riduzione delle emissioni di anidride carbonica dalla produzione di energia ‘, sottolinea. La proliferazione di tali sistemi di accumulo di energia termica su scala di rete potrebbe eventualmente ridurre le emissioni globali di CO2 di circa il 40% e caricare i veicoli elettrici (attualmente responsabili del 15% delle emissioni) con elettricità priva di CO2.

Fonte : A. LaPotin et al., Natura

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