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Concentratori solari luminescenti

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I concentratori solari luminescenti sono dei sistemi di captazione della luce solare, che sono integrabili negli stipiti di finestre a doppio vetro, in maniera da non bloccare la visuale dall'interno delle abitazioni, ma di permettere alla luce solare proveniente dall'esterno, anche con una forte inclinazione, di entrare nell'intercapedine e per riflessione e/o rifrazione (oppure suscitando la fluorescenza di un gas, liquido o solido) per poi concentrarsi su di un sottile strato fotovoltaico ai lati interni della finestra. Questi dispositivi sono allo studio da parte di molti enti di ricerca nel mondo, tra questi l'Istituto ENI Donegani.

L'attenuazione della luce solare è simile a quella prodotta da una sottile tendina colorata semitrasparente in cotone, e si possono installare nelle finestre rivolte a sud, est e ovest.

CRENC ConcentratoriSolariLuminescenti.jpg

Schema di funzionamento di un concentratore solare luminescente

Premesse

La quantità di energia che arriva sulla terra dal sole è molto elevata ma, essendo diffusa su una grande superficie, la sua densità è relativamente bassa: l’irradianza solare sulla superficie terrestre a livello del mare, espressa in termini di potenza per unità di superficie (1 sole), è pari a 1000 W/m2.

I materiali che consentono la trasformazione della radiazione solare in energia elettrica, quali il silicio o altri semiconduttori, sono piuttosto costosi, e l'efficienza delle (in inglese) celle fotovoltaiche direttamente irradiate vanno dai valori inferiori al 10% del silicio amorfo al 15% del silicio monocristallo, fino al 40% delle celle multigiunzione. Queste ultime, pur avendo rendimenti piuttosto elevati, sono particolarmente costose.

Un possibile modo per ridurre i costi dei dispositivi fotovoltaici consiste nel concentrare la luce solare catturata da grandi superfici di materiali a basso costo su celle solari di piccola area.

Caratteristiche dei più comuni concentratori solari

I più comuni concentratori solari sono basati su specchi parabolici o su lenti.

Questi dispositivi consentono di concentrare l'energia solare anche di 500-1000 volte, ma hanno alcuni inconvenienti:

  • richiedono un sistema meccanico di inseguimento per mantenere l'asse ottico della lente o dello specchio sempre allineato con il sole;
  • non possono lavorare in condizioni di cielo nuvoloso;
  • concentrano tutta la radiazione solare, inclusa la componente termica, costringendo ad adottare sistemi di raffreddamento delle celle i cui rendimenti sono penalizzati da incrementi di temperature.

Concentratori solari "luminescenti"

Dispositivi alternativi per concentrare la luce sono i concentratori solari luminescenti o LSC dall’acronimo inglese. Questi dispositivi sono costituiti da lastre di materiale trasparente di basso costo come plastica o vetro, all’interno del quale sono dispersi coloranti fluorescenti. Questi coloranti assorbono parte della luce solare, tipicamente nella regione dell’ultravioletto e parte della componente visibile, e la emettono all’interno della lastra. Sfruttando un ben noto fenomeno ottico chiamato riflessione interna totale, gran parte della radiazione emessa subisce una serie di riflessioni all’interno della lastra fino ad essere concentrata ai bordi. Qui vengono poste delle tradizionali celle fotovoltaiche di piccole dimensioni che generano energia elettrica.

I vantaggi di questa tipologia di concentratori sono i seguenti:

  • catturano la radiazione diffusa come quella diretta e pertanto non richiedono meccanismi di inseguimento del sole;
  • possono essere installati anche in posizione verticale senza esser troppo penalizzati nei rendimenti;
  • non concentrano la componente termica della radiazione solare e quindi non surriscaldano le celle;
  • i coloranti utilizzati possono essere scelti in modo che la radiazione emessa sia tale da massimizzare i rendimenti delle celle solari;
  • possono essere trasparenti, e quindi essere utilizzati come finestre, in genere colorate, per illuminare gli ambienti;
  • si possono ottenere con superfici piane o curve e in varie colorazioni.

Tutte queste caratteristiche li rendono particolarmente adatti a essere integrati negli edifici e quindi possono trovare applicazione nel settore del Building Integrated PhotoVoltaics (BIPV).

Presso il Centro Ricerche per le Energie Non Convenzionali - Istituto eni Donegani sono stati sviluppati e brevettati numerosi coloranti fluorescenti che, agendo come convertitori di spettro, risultano particolarmente adatti agli LSC. Essi sono infatti caratterizzati da un elevato rendimento di fluorescenza e, al tempo stesso, da una ridotta sovrapposizione tra le regioni spettrali di assorbimento (per esempio nell’UV-blu) e di emissione (per esempio nel giallo-arancio) della radiazione. Questa caratteristica è fondamentale perché limita il fenomeno di autoassorbimento, ovvero il riassorbimento della radiazione emessa da parte del colorante medesimo. Se il riassorbimento non viene adeguatamente controllato, la radiazione emessa all’interno della lastra non può arrivare ai bordi e illuminare le celle. Con questi coloranti sono stati realizzati diversi prototipi di LSC e avviata la progettazione e la realizzazione di impianti dimostrativi.

Note


Collegamenti interni



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