Le potenzialità dei sistemi solari ibridi a concentrazione

I sistemi a concentrazione fotovoltaico-termici rappresentano una soluzione energetica efficiente in grado di offrire rendimenti globali superiori al 60-70%.

sistemi solari ibridi a concentrazione
Foto di S. Hermann & F. Richter da Pixabay

di Luca Cioccolanti

Nuove configurazioni di sistemi solari ibridi a concentrazione fotovoltaica e termica

(Rinnovabili.it) – Gli effetti sempre più devastanti dell’inquinamento ambientale e le continue fluttuazioni del prezzo delle fonti fossili tradizionali da anni stanno spingendo gli scienziati e i ricercatori di tutto il mondo verso la definizione di nuove soluzioni più efficienti basate sulle fonti di energia rinnovabile. L’energia solare è certamente tra le fonti rinnovabili quella con il più alto potenziale grazie alla sua abbondanza e capillare diffusione in vaste aree del pianeta.

Oggigiorno i sistemi fotovoltaici convenzionali hanno raggiunto dei costi che li rendono ampiamente competitivi con i sistemi di conversione tradizionali; tuttavia, sono caratterizzati da efficienze di generazione solitamente inferiori al 30% mentre una grande porzione dell’energia solare ad essi incidente viene dissipata come calore di scarto. Anche nei sistemi a concentrazione fotovoltaica, sebbene possano essere raggiunte efficienze di conversione superiori al 40% una buona parte dell’energia incidente viene inutilmente dispersa. 

Allo scopo di ottimizzare lo sfruttamento dell’energia solare, a partire dagli anni Settanta sono stati sviluppati i primi sistemi ibridi fotovoltaici e termici (PVT). Nel corso degli anni, sono stati poi innumerevoli gli studi relativi allo sviluppo e all’ottimizzazione di tali sistemi. Negli anni più recenti, tale attenzione si è focalizzata verso lo studio di sistemi solari ibridi a concentrazione fotovoltaica e termica (CPVT) al fine di raggiungere sempre più elevate efficienze di conversione. Infatti, rispetto ai sistemi ibridi tradizionali (PVT), i sistemi CPVT consentono da un lato di generare energia elettrica e termica contemporaneamente con un più ridotto impiego di materiale fotovoltaico (e del conseguente costo) e dall’altro di ottenere rendimenti globali superiori al 60-70%. 

Le tipologie di sistemi CPVT sono molteplici, come mostrate in figura 1 sotto:

I sistemi più diffusi sono certamente quelli a recupero di calore (sistemi WHR CPVT, Figura 1a) nei quali l’utilizzazione della radiazione solare avviene secondo un processo ‘a cascata’ in maniera molto similare ai convenzionali sistemi PVT a piastra. In questi sistemi, tutta l’energia solare incidente viene ricevuta dai moduli fotovoltaici ma solamente la radiazione con energia vicino al bandgap delle celle fotovoltaiche viene convertita in elettricità, mentre la maggior parte del radiazione viene convertita in calore nel successivo processo di recupero termico. 

Come mostrato in Figura 1b, il sistema di raffreddamento dei moduli fotovoltaici consente di recuperare energia termica. Tale raffreddamento è di solito di tipo attivo e localizzato sul retro del modulo. Tuttavia, esistono anche molti altri sistemi di raffreddamento, come quello il raffreddamento passivo, quello a cambiamento di fase e quello ad immersione.

Una seconda tipologia di sistemi CPVT è rappresentata dai cosiddetti sistemi Spectral Beam Splitter (SBS CPVT). Tali sistemi si basano sul concetto che l’energia solare l’energia può essere differentemente utilizzata in base alla sua lunghezza d’onda spettrale. Lo spettro della radiazione solare è compreso tra i 200 e 4000 nm, corrispondente ad un’energia fotonica nell’intorno dei 0,31–6,20 eV. Tuttavia, poiché solo i fotoni con energia superiore a quella di bandgap possono essere convertiti dalla cella fotovoltaica, i fotoni con energia inferiore vengono diretti al ricevitore termico per la produzione di calore. La radiazione solare viene così suddivisa in parte ultravioletta + visibile (UV + VIS) e vicino infrarosso (NIR) parte. Pertanto, in questi sistemi, come mostrato in Figura 1c e d, si ricorre ad un elemento ottico aggiuntivo per la divisione spettrale del fascio.

Tale divisore può essere un filtro dicroico, un assorbente liquido o solido, un filtro olografico, luminescente, ecc. Rispetto ai sistemi WHR CPVT per i quali la temperatura del sottosistema termico è limitata dalla temperatura di esercizio delle celle fotovoltaiche, i sistemi SBS CPVT presentano rese termiche superiori in quanto il disaccoppiamento del sistema fotovoltaico con quello termico consente di raggiungere temperature decisamente superiori. 

Infine, una terza tipologia di sistemi è rappresentata dai cosiddetti sistemi Energy Distribution Fitting (EDF CPVT) come mostrato in Figura 1e ed f. Tali sistemi rappresentano una nuova emergente soluzione nel campo dei sistemi solari ibridi a concentrazione. Lo scopo principale di questa tipologia di sistemi è quella di sfruttare al meglio la radiazione solare in condizioni di non uniformità. A seconda dell’ottica di concentrazione utilizzata, infatti, il fascio riflesso e diretto verso il ricevitore ha una distribuzione più o meno uniforme. In questi sistemi, mentre il ricevitore termico converte la radiazione ad alta intensità, il sistema fotovoltaico ad esso adiacente permette di convertire anche la parte marginale dell’energia incidente che negli altri sistemi verrebbe invece scartata.

Sebbene attualmente le soluzioni CPVT non siano sempre viste come forme di investimento remunerative al pari delle tecnologie più tradizionali, a livello mondiale la ricerca in tale campo è attiva e ci si augura che nel prossimo futuro possa rendere attrattive anche tali sistemi caratterizzati da efficienze di conversione davvero interessanti.

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