Pannello solare bifacciale parabolico con sistema di raffreddamento

I pannelli solari convenzionali sono stati progettati e usati per convertire la radiazione solare in elettricità con un solo lato attivo (monofacciale). Tuttavia presentano una bassa efficienza di conversione energetica e un costo elevato, perché possono assorbire la luce soltanto da un lato. Per ridurre il costo della produzione di energia solare, in questo brevetto (US3278811A) è stato proposto il pannello fotovoltaico (PV) bifacciale. Può potenzialmente ridurre il costo dell’elettricità prodotta, perché questo tipo di cella solare può convertire la luce solare incidente in energia elettrica da entrambi i lati della cella. Cuevas et al. hanno dimostrato moduli bifacciali con una produzione di energia elettrica superiore del 50% grazie alla raccolta della radiazione albedo dal tetto e dall’ambiente circostante. Le celle solari bifacciali non solo aumentano la densità di potenza, ma potrebbero anche ridurre il costo legato alla superficie di un impianto fotovoltaico (PV). Inoltre, in questo brevetto (US9379269B2) è stato proposto un pannello solare bifacciale in silicio cristallino con riflettore, per assorbire più luce dal lato posteriore del pannello. D’altra parte, un aumento della temperatura causa una riduzione della banda proibita (band gap), che a sua volta provoca una diminuzione dell’efficienza di conversione energetica. È quindi vantaggioso applicare un raffreddamento artificiale ai moduli fotovoltaici per migliorare la potenza in uscita e le prestazioni ottimali, e a questo scopo sono stati applicati vari metodi. Tuttavia, per quanto a conoscenza degli autori, in letteratura non è stato trovato alcun riferimento a un pannello fotovoltaico che combini le due soluzioni, il raffreddamento e il bifacciale con riflettore. Questo lavoro presenta quindi un progetto migliorato di pannello solare bifacciale integrato che converte in modo efficiente la radiazione solare in energia elettrica con un sistema di raffreddamento.

L’obiettivo del presente concetto è fornire un pannello solare in grado di convertire la radiazione solare in energia elettrica con le seguenti caratteristiche: 1) la riduzione della temperatura del fotovoltaico; 2) la conversione della luce solare incidente in energia elettrica da entrambi i lati della cella con l’aiuto di specchi; 3) la riduzione del costo legato alla superficie di un impianto fotovoltaico. Va precisato che il concetto proposto è registrato come domanda di brevetto presso l’OMPIC (Office marocain de la propriété industrielle et commerciale, l’ufficio marocchino della proprietà industriale e commerciale) con il numero MA42181B1, a nome di Badre El Majid, Saad Motahhir e Abdelaziz El Ghzizal.

CONCETTO PROGETTUALE

Come mostra la Figura 1, lo scopo del concetto è fornire un pannello solare bifacciale che raddoppia le superfici esposte alla radiazione solare per produrre più energia elettrica. Il materiale che passa attraverso i tubi serve a raffreddare il dispositivo fotovoltaico e deve inoltre essere trasparente, per lasciar passare i raggi solari verso gli specchi riflettenti e rifletterli sul lato posteriore del pannello. Si può notare che il sistema utilizza celle fotovoltaiche bifacciali paraboliche collegate tra loro mediante tubi. Il motivo dell’uso di celle fotovoltaiche paraboliche è ridurre il costo legato alla superficie di un impianto fotovoltaico. Si noti che per costruire il sistema proposto sono necessarie celle fotovoltaiche bifacciali in polimero.

Figura 1: vista laterale 3D del pannello solare bifacciale parabolico

Figura 2: vista frontale 3D in sezione del pannello solare bifacciale parabolico

Le Figure 1 e 2 mostrano lo scopo dei tubi conduttivi trasparenti; ci sono due tipi di tubi (gialli e blu), usati per collegare tra loro le celle fotovoltaiche come segue:

Il tubo giallo serve a collegare le celle fotovoltaiche e a costruire una stringa fotovoltaica in orizzontale.

I tubi blu servono a collegare le stringhe fotovoltaiche in verticale. Ogni stringa è collegata all’altra con uno sfasamento di ½ rispetto alla cella fotovoltaica adiacente, collegando il tubo giallo di ciascuna stringa con il tubo blu dell’altra. Lo sfasamento viene realizzato alternativamente una volta verso l’area inferiore e una volta verso la parte superiore. Si noti che i tubi blu sono fissati al centro del lato posteriore della cella fotovoltaica. I tubi (gialli e blu) sono riempiti con un materiale in grado di raffreddare la cella fotovoltaica al centro (tubi blu) o alle estremità (tubi gialli). In questo modo si migliora l’efficienza del pannello fotovoltaico. È importante notare che il materiale dei tubi blu non si fonde con quello dei tubi gialli, per evitare che la temperatura dei tubi blu aumenti a causa del materiale dei tubi gialli, che è esposto al sole.

Come mostra la figura 3, la forma parabolica delle celle fotovoltaiche e il collegamento alternato delle stringhe fotovoltaiche permettono il passaggio della radiazione solare verso lo specchio attraverso tutti i fori risultanti da questa concezione. Inoltre, poiché il materiale e il tubo sono trasparenti, la radiazione solare può raggiungere lo specchio anche attraverso i tubi gialli. Il sistema proposto può quindi convertire la luce solare incidente in energia elettrica da entrambi i lati della cella e generare più energia elettrica raccogliendo il massimo della radiazione.

Figura 3: il concetto di riflessione della radiazione del sistema proposto

Sfide

Sulla base dei risultati promettenti presentati in questa invenzione, il lavoro sulle questioni rimaste aperte prosegue e sarà presentato in lavori futuri come segue:

• Determinare il materiale appropriato da utilizzare per i tubi trasparenti. Deve poter raffreddare efficacemente il sistema proposto e deve essere trasparente. Ad esempio, in un recente articolo con il seguente DOI (10.1016/j.jclepro.2018.04.057) è stato utilizzato un materiale a cambiamento di fase per raffreddare un pannello fotovoltaico. Tuttavia, non è trasparente.
• Per costruire il sistema proposto sono necessarie celle fotovoltaiche bifacciali in polimero. È quindi indispensabile iniziare cercando questo tipo di celle fotovoltaiche.
• Modellare il sistema proposto con strumenti di simulazione come Matlab/Simulink.
• Scegliere il grado parabolico nominale per massimizzare l’efficienza fotovoltaica.
• Ad esempio, l’efficienza di un pannello fotovoltaico monofacciale si calcola con la seguente equazione:

Qui I(t) è l’intensità luminosa, che può essere definita come irradianza (E), cioè la potenza della radiazione elettromagnetica per unità di superficie incidente su una superficie, e A è l’area della superficie della cella solare in silicio. È quindi necessario modellare un’equazione che possa essere usata per calcolare l’efficienza del sistema proposto.

La dipendenza dalla temperatura dell’efficienza della cella solare è modellata dalla seguente equazione per un pannello fotovoltaico monofacciale:

Qui ηc e ηTref sono le efficienze della cella solare rispettivamente alla temperatura della cella e alla temperatura ambiente, β0 è il coefficiente di temperatura dell’efficienza (0,004 K−1), Tc e Tref sono rispettivamente la temperatura della cella e la temperatura di riferimento della cella solare. La quantità (Tc−Tref) aumenta con la temperatura della cella e, di conseguenza, l’efficienza del pannello fotovoltaico monofacciale diminuisce. È quindi necessario modellare anche la dipendenza dalla temperatura dell’efficienza della cella solare del sistema proposto.

6.Il compito più impegnativo è costruire il primo prototipo del sistema proposto. Poi calcolarne l’efficienza e confrontarla con quella dei pannelli fotovoltaici esistenti.

CONCLUSIONE

Dal concetto sviluppato è possibile trarre le seguenti conclusioni:

• Il concetto proposto di pannello solare bifacciale parabolico permette di recuperare il massimo dell’energia solare su una superficie ridotta, con il sistema di raffreddamento. Ciò può quindi garantire un miglioramento dell’efficienza di conversione energetica.
• Riduzione del costo legato alla superficie di un impianto fotovoltaico.
• Restano da affrontare molte altre domande, come “questo concetto sarà più efficiente rispetto ai pannelli fotovoltaici esistenti?”. Sono quindi ancora necessarie ulteriori ricerche sulle sfide indicate nella sezione 3 prima di ottenere una risposta definitiva. Si apre così una nuova strada che potrebbe portare a un’energia fotovoltaica più compatta ed efficiente.

Link al brevetto: https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/068426003/publication/MA42181B1?q=motahhir

Autore: Saad Motahhir (ENSA, SMBA University, Fez, Marocco)