L’Università Milano Bicocca e il CNR-INO (istituto nazionale di ottica del CNR) hanno pubblicato un articolo accademico sulla prima finestra fotovoltaica smart completamente assemblata, certificata per il mercato, spiegando che non è solo un elemento architettonico, funzionale alla conversione di energia solare attraverso concentratori solari luminescenti (Luminescent Solar Concentrator o LSC) realizzati ad-hoc per il progetto.
È anche un’antenna ottica in grado di ricevere e decodificare segnali digitali codificati come modulazione ad alta frequenza nell’intensità della luce emessa dalle comuni sorgenti di illuminazione LED, attraverso la cosiddetta tecnologia Visible Light Communication (VLC).
La finestra contiene infatti un concentratore solare luminescente a quantum dots che cattura la luce del sole e, nascosti lungo i bordi, celle fotovoltaiche e ricevitori che convertono la luce in energia ed in un segnale VLC. L’elettricità generata è sufficiente per alimentare la funzione VLC nella finestra fotovoltaica smart già assemblata.
La vetrata fotovoltaica ha un’efficienza di conversione della luce solare in energia attorno all’1%, ma Università Bicocca e Glass to Power SpA, partner di progetto, stanno lavorando per aumentarla a circa il 3.5%.
Spiegazione della tecnologia
Conosciuti in italiano anche come punti quantici, i quantum dots colloidali, premiati proprio quest’anno con il Premio Nobel per la Chimica a Ekimov, Brus e Bawendi, sono di fatto nanoparticelle di materiali semiconduttori realizzati per via chimica. Nella tecnologia della concentrazione solare luminescente alla base delle vetrate smart, i quantum dots sono inseriti all’interno di lastre plastiche tramite un processo chimico per assorbire la luce solare visibile e ri-emetterla in forma di luce infrarossa nel vicino IR (NIR – Near InfraRed).
“Come accade per le fibre ottiche, questa luce resta intrappolata nella lastra plastica e propaga riflettendosi fino ai suoi bordi, dove è estratta e convertita in elettricità da celle solari o in segnale VLC in ricevitori posti lungo i bordi. Il risultato è la capacità di raccogliere luce e convertirla in elettricità senza esporre direttamente celle solari sulla superficie della vetrata, ma bensì nascondendole nell’infisso,” ha spiegato Sergio Brovelli, aggiungendo che Glass to Power SpA, ha curato il processo di fabbricazione delle vetrate fotovoltaiche con tecnologia LSC ora pronte alla commercializzazione. Brovelli è anche il presidente del Consiglio Scientifico di Glass to Power SpA.
Secondo i ricercatori dell’Università Bicocca, lo stesso processo non è ottenibile con altri emettitori come i coloranti organici perché la loro fluorescenza è molto inefficiente nel NIR.
Il team CNR sottolinea l’importanza della scelta e della caratterizzazione delle proprietà dei materiali fluorofori usati per usare la finestra come antenna ottica, ma chiede altri mesi per valutarne le performance.
Nelle telecomunicazioni, la comunicazione a luce visibile (VLC) è l’uso della luce con una frequenza di 400-800 THz e una lunghezza d’onda di 780-375 nm come mezzo di trasmissione. La VLC è un sottoinsieme delle tecnologie di comunicazione ottica wireless.
“L’idea di utilizzare sorgenti LED bianche per trasmettere dati digitali ad ampia banda, in aggiunta a tecniche di comunicazione wireless ordinarie, senza pericoli per la salute umana e con un elevato grado di pervasività – si pensi alla larga diffusione dei LED bianchi per illuminazione – va anche sotto il nome di Light-Fidelity (Li-Fi) proprio per evidenziare la cooperatività tra le varie tecnologie di comunicazione, che è un asset chiave dello standard 5G e lo sarà ancora di più in quello di prossima generazione, il 6G. In questo scenario, ad esempio, le comunicazioni ottiche wireless saranno pienamente operative su larga scala in diversi settori: pubblico, commerciale, industriale, automotive, cultura, entertainment, salute”, Jacopo Catani, Ricercatore Senior CNR ha detto a pv magazine Italia.
La tecnologia VLC è già dimostrata e oggi anche sfruttata a livello commerciale, riportano le parti.
Produzione di energia: efficienza e futuri passi
L’efficienza di conversione della luce solare in energia della vetrata fotovoltaica si aggira attorno all’1% con una trasparenza dell’80%.
“Un singolo modulo da 1m2 produce indicativamente 10 W di energia elettrica. Questo è più che sufficiente per alimentare la funzione VLC e stiamo lavorando per aumentare l’efficienza in modo che le facciate con le nostre vetrate possano contribuire significativamente al fabbisogno energetico dei palazzi”, ha detto Brovelli, sottolineando che “la produzione energetica di una singola vetrata ha a disposizione un grande moltiplicatore per dar produrre a potenze totali considerevoli.”
I dispositivi sono infatti pensati per l’integrazione in facciata, elemento per ora energeticamente passivo. Al momento i ricercatori di Bicocca e Glass to Power stanno lavorando per migliorare l’efficienza, studiando una nuova architettura per i quantum dots e un nuovo design per le vetrate.
Reazione della comunità scientifica e problemi di certificazione
La comunità dell’energia e delle nanotecnologie hanno reagito positivamente, riporta Catani, soprattutto quelle parti delle due comunità focalizzate sullo sviluppo di PV integrato con la strategia LSC.
La certificazione, spiega Bicocca, strizza però l’occhio all’industria. “L’industria di riferimento guarda con una certa cautela le performance prodotte su piccola scala da laboratorio e quindi molto lontane dalla realtà di un prodotto vendibile”. Brovelli riporta che la certificazione è fondamentale per la commercializzazione.
Non sono mancate però le complessità per raggiungere la certificazione, dice il team di ricercatori italiani, riportando che sono stati necessari anni di lavoro e di prototipazione per soddisfare i requisiti richiesti.
“Per quanto riguarda la realizzazione di una vetrata fotovoltaica certificata per l’istallazione, le principali difficoltà sono legate al superamento di test molto stringenti sia per quanto riguarda la stabilità funzionale, ovvero PV, sia strutturale, in quanto elemento da costruzione. Gli standard internazionali su cui si basa la normativa oltre ad essere molto alti (stabilità in ambiente operativo molto alta, resistenza a condizioni di temperatura e umidità proibitive) sono pensati per dispositivi PV classici, ovvero non da integrazione architettonica”, Brovelli ha detto a pv magazine Italia. I costi di R&D sono stati “decisamente importanti”.
L’articolo “Certification Grade Quantum Dot Luminescent Solar Concentrator Glazing with Optical Wireless Communication Capability for Connected Sustainable Architecture” è stato pubblicato sulla rivista Advanced Energy Materials.
Le vetrate con le performance attuali sono già commercializzate da Glass to Power SpA, senza la componente VLC sulla quale, riporta il CNR, vanno finalizzate ricerche. Seguirà l’industrializzazione della finestra presentata nel paper, verosimilmente in pochi anni.
“In ogni caso, la tecnologia è già a un buon livello di maturità tecnologica (TRL), esistono già realtà che commercializzano sistemi e dispositivi VLC (non finestre ibride), e si può ipotizzare l’orizzonte di pochi anni per vedere sul mercato dispositivi ibridi di questo tipo”, ha detto Catani.
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