Alto ibrido

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5206 (2023) Citare questo articolo

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In questo studio, proponiamo una nuova cella fotovoltaica ad alta concentrazione (HCPV) considerando sia le caratteristiche di perdita di luce dei moduli di celle solari basati su lenti di Fresnel sia i problemi di prestazione derivanti dall'ombreggiamento delle nuvole nell'uso pratico. Utilizziamo i nostri sistemi autocostruiti per condurre misurazioni sul campo fino a sei mesi in varie condizioni ambientali. Secondo i risultati acquisiti è stato sorprendente sapere che nella zona diversa da quella di messa a fuoco, la cosiddetta regione di dispersione della luce, vi è sempre un illuminamento di circa 20.000–40.000 lx sia che si tratti di una giornata soleggiata o di una giornata nuvolosa con diverse condizioni nuvolose. Un risultato così interessante è causato dalla dispersione della luce delle nuvole e dalla perdita intrinseca caratteristica di una lente di Fresnel. Per dimostrare questo importante risultato, abbiamo simulato l'illuminamento della struttura della lente di Fresnel utilizzata nella misurazione con aperture di diverse dimensioni per determinare l'area rilevata. In laboratorio, le piastre diffuse sono state utilizzate per simulare la situazione di diversi spessori dello strato nuvoloso. L'andamento dei risultati calcolati e misurati si adattava bene alle misurazioni sul campo. Inoltre, i risultati sperimentali e di simulazione mostrano che l'angolo rotondo e la sfaccettatura della lente di Fresnel erano responsabili della perdita di luce. Questa scoperta ci ha spinto a proporre un modulo solare ibrido ad alta concentrazione in cui celle solari in silicio policristallino più economiche sono posizionate attorno al wafer ad alta efficienza di HCPV per catturare la perdita di luce dissipata e convertirla in elettricità utilizzabile.

Tra i 17 obiettivi di sviluppo sostenibile globale (SDG) interconnessi stabiliti dall’Assemblea generale delle Nazioni Unite nel 2015, l’energia pulita e a prezzi accessibili è un indicatore essenziale di un futuro migliore e più sostenibile per tutti. Pertanto, per la generazione di energia pulita e sostenibile, i ricercatori utilizzano varie risorse naturali per ottenere la cosiddetta energia verde, tra cui l’energia eolica, l’energia geotermica, l’energia idroelettrica, l’energia delle maree, l’energia solare, ecc. Tra questi, il solare fotovoltaico è meno limitato dal terreno o posizione e sono una fonte di energia che può essere ottenuta quasi ovunque nel mondo1. Pertanto, convertire efficacemente l’energia luminosa del sole in energia elettrica facilmente utilizzabile è sempre stato l’obiettivo finale dello sviluppo della vita umana. I pannelli solari realizzati con materiali semiconduttori sono riconosciuti come il dispositivo di generazione di energia solare più economico. Negli ultimi decenni questo dispositivo è stato ampiamente sfruttato per generare elettricità dai raggi del sole. Possono essere trovati sui tetti degli edifici pubblici e delle singole case in tutto il mondo. Generalmente, i materiali utilizzati nei pannelli solari basati su semiconduttori sono silicio policristallino o semiconduttori composti III–V e II–VI, mentre le loro efficienze di fotoconversione sono rispettivamente del 15% e del 45%2,3,4. Per quanto riguarda il prezzo del prodotto, il costo dei pannelli solari realizzati con semiconduttori composti III-V o II-VI è molto più elevato di quello dei pannelli solari in polisilicio. Tuttavia, per considerazioni di efficienza, i semiconduttori III-V o II-VI sono ancora utilizzati per i pannelli solari nelle centrali solari. Sono utilizzati nei sistemi di inseguimento solare di accompagnamento per migliorare l’efficienza della produzione di energia5. Inoltre, possiamo configurare una lente ottica sopra il pannello solare composto a semiconduttore per focalizzare efficacemente la luce solare incidente quasi parallela su un'area limitata di tali celle solari ad alto costo6,7. I moduli di celle solari con questa configurazione sono chiamati fotovoltaici ad alta concentrazione (HCPV)8,9, il che significa che attraverso la progettazione e l'uso di elementi ottici, la maggior parte dell'energia solare può essere raccolta su un wafer solare di piccole dimensioni. In questo modo, non solo i materiali semiconduttori compositi ad alte prestazioni possono essere pienamente utilizzati per l'alimentazione delle celle solari, ma anche i costi possono essere notevolmente ridotti grazie alla riduzione dei materiali utilizzati.