Foglia fotovoltaica multi-generazione per produrre elettricità, energia termica e acqua

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I ricercatori dell’Imperial College of London hanno sviluppato un nuovo concetto di foglia fotovoltaica (PV-leaf) in grado di produrre elettricità, energia termica e acqua.

Nello studio “High-efficiency bio-inspired hybrid multi-generation photovoltaic leaf“, pubblicato su nature communications, il team di ricerca ha descritto il sistema come una foglia fotovoltaica ibrida multi-generazione basata su una struttura di traspirazione biomimetica fatta di fibre di bambù e cellule idrogel impilate.

Lo strato di traspirazione biomimetica (BT), spesso 1 mm, sposta passivamente l’acqua da un serbatoio d’acqua separato a una cella solare di 10 cm × 10 cm collocata in cima alla struttura. L’acqua che scorre sulla cella è in grado di ridurne la temperatura di esercizio, aumentandone così l’efficienza, e il calore in eccesso viene utilizzato per produrre acqua ed energia termica. La foglia fotovoltaica è protetta solo da uno strato di vetro ad alta trasmittanza dello spessore di 0,7 mm.

La struttura utilizza fasci di fibre idrofile vascolari che distribuiscono uniformemente l’acqua attraverso la foglia fotovoltaica. Per imitare i fasci vascolari e le cellule spugna vengono utilizzate cellule idrogel. “Nello strato BT, circa 30 rami di fasci di fibre di bambù sono incorporati in modo omogeneo nelle cellule idrogel di poliacrilato di potassio (PAAK) e polimero superassorbente (SAP), distribuendo l’acqua su tutta l’area coperta dallo strato BT”, hanno spiegato gli scienziati, aggiungendo che i bordi dei rami di fibra sono riuniti e impregnati d’acqua.

Gli scienziati hanno misurato le prestazioni del sistema in condizioni di illuminazione standard e lo hanno confrontato con una cella fotovoltaica autonoma di riferimento raffreddata dalla convezione naturale dell’aria. Hanno scoperto che la foglia fotovoltaica raggiungeva una temperatura di 43,2 C, mentre quella della cella di riferimento raggiungeva i 68,8 C. “La temperatura del serbatoio dell’acqua non isolato è vicina alla temperatura ambiente e ha una leggera influenza sulle prestazioni di raffreddamento”, hanno dichiarato.

La foglia fotovoltaica ha raggiunto un’efficienza di conversione dell’energia del 15,0%, una tensione a circuito aperto di 0,63 V e un fattore di riempimento di 0,77. La cella di riferimento, invece, ha raggiunto un’efficienza del 13,2%, una tensione a circuito aperto di 0,58 V e un fattore di riempimento di 0,75.

Gli studiosi hanno anche affermato che il costo del capitale dei componenti aggiuntivi richiesti dalla foglia fotovoltaica è di circa 1,1 dollari/m2, pari a circa il 2% del costo dei pannelli solari convenzionali. Il tempo di ammortamento dei componenti aggiuntivi è stimato in meno di mezzo anno. “Il concetto di foglia fotovoltaica può essere esteso a collettori di dimensioni maggiori, oltre ai quali anche impianti solari di dimensioni commerciali possono essere suddivisi in diverse piccole aree assegnate a foglie fotovoltaiche separate e interconnesse”, hanno aggiunto i ricercatori, riferendosi alle possibili applicazioni in progetti reali.

“Rispetto agli studi precedenti sul raffreddamento per traspirazione, la soluzione proposta in questo lavoro non richiede pompe, unità di controllo, materiali porosi costosi ed è in grado di raffreddare la superficie di destinazione a una temperatura significativamente più bassa, il che è adatto per le applicazioni multi-generazione e per le applicazioni di gestione termica delle celle fotovoltaiche”, ha dichiarato il gruppo britannico, sottolineando che il sistema potrebbe anche utilizzare acqua di mare anziché acqua dolce. “I risultati delle simulazioni mostrano che la PV-leaf ha una migliore performance di traspirazione in climi caldi e secchi”.

Gli studiosi sostengono inoltre che il dispositivo potrebbe essere in grado di generare altri 1,1 L/h/m2 di acqua dolce con un’irradiazione solare di 1000 W/m.

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