Un nuovo design per i pannelli fotovoltaici termici attenua il rischio di crepe

Un gruppo di ricerca internazionale ha proposto un nuovo design del modulo fotovoltaico-termico (PVT) che, a quanto pare, riduce i rischi di fessurazione dell’unità fotovoltaica del pannello.

“Un problema critico per i collettori PVT è la fessurazione delle celle, causata principalmente dall’espansione termica durante il processo di trasferimento del calore tra le celle fotovoltaiche e l’assorbitore termico”, ha spiegato il gruppo. “A causa delle alte temperature, le espansioni e le contrazioni creano piccoli difetti nelle celle di silicio, che possono dare origine a numerose microfratture/crepe. Queste crepe possono causare la disconnessione delle parti della cella, con conseguente riduzione della potenza complessiva generata dai moduli fotovoltaici”.

Gli scienziati hanno costruito una struttura di modulo PVT basata su una struttura in lega di alluminio con uno schema ad H tra l’assorbitore termico e le celle. Utilizzando il software ANSYS, hanno assemblato un prototipo basato su un modulo PVT da 44,2 W disponibile in commercio.

Il nuovo design era costituito dai seguenti componenti, dall’alto verso il basso: una copertura in vetro trasparente, uno strato superiore in etilene vinilacetato (EVA), un pannello fotovoltaico composto da celle di silicio monocristallino collegate in serie, uno strato inferiore in EVA, una piastra con motivo ad H per l’espansione termica, un assorbitore termico che trasferisce il calore al fluido termovettore e uno strato isolante.

“Uno degli obiettivi principali di questo progetto era quello di consentire l’espansione termica in tutte le direzioni (espandendosi nelle sue cavità), creando così una minore espansione totale in ogni singola direzione, che a sua volta avrebbe dovuto diminuire drasticamente il rischio di rottura delle celle”, hanno spiegato gli accademici.

Il gruppo di ricerca ha simulato il modello a forma di H in lega di alluminio con sette diverse larghezze, da un mm a sette mm, oltre a una piastra senza struttura. “È evidente che i valori di espansione direzionale sono inferiori per le dimensioni della cavità di espansione a forma di H di 1, 2, 3 e 4 mm rispetto alla piastra senza cavità (0 mm)”, hanno spiegato. “Oltre i 4 mm, si osserva un notevole aumento dell’espansione per la lastra con modello ad H e dimensione della cavità di 5 mm. Inoltre, i valori di espansione per le dimensioni della cavità di 6 e 7 mm sono leggermente inferiori a quelli di 5 mm, ma tutti superano la piastra con modello ad H senza cavità”.

Complessivamente, la simulazione ha rilevato che il design ottimale è quello con dimensioni H di 2 mm, in quanto presenta l’espansione direzionale più bassa, pari a circa 0,011 mm. Rispetto alla simulazione di un PVT di riferimento, che era lo stesso modulo disponibile in commercio ma senza H, quello nuovo ha ridotto l’espansione termica del 20%.

Secondo i ricercatori, il nuovo progetto ha raggiunto un aumento del 10% dell’efficienza termica. L’efficienza elettrica è aumentata del 2% e l’efficienza complessiva dell’8%. “Questo studio fornisce preziose indicazioni sulla progettazione dei collettori fotovoltaici, offrendo una soluzione promettente alla sfida del cracking delle celle”, hanno concluso gli scienziati.

Il nuovo design del modulo è stato presentato nello studio “Mitigating PV cell cracking in solar photovoltaic thermal collectors with a novel H-pattern absorber design”, pubblicato su Applied Thermal Engineering. Il gruppo di ricerca era formato da scienziati della Kingston University e della Cranfield University del Regno Unito e della MG Sustainable Engineering e dell’Università di Gavle della Svezia.