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Pannelli fotovoltaici da interni - PiuPower

Pannelli fotovoltaici da interni

Pannelli fotovoltaici da interni: più efficienza per la casa smart

Pannelli fotovoltaici da interni: il Fotovoltaico alimenta sempre più il mercato in rapida crescita di dispositivi intelligenti nel campo dello IoT (Internet delle Cose – Internet of Things). Tra questi, citiamo sensori, dispositivi indossabili, attuatori. L’uso di celle solari e batterie ricaricabili che alimentano i dispositivi IoT evitano costi importanti per sostituire le batterie usa e getta riducendo, oltretutto, l’impatto ambientale.

Di frequente, i dispositivi IoT vengono usati in ambienti chiusi, illuminati da luce artificiale il cui spettro è molto più ristretto se paragonato alla luce solare esterna. Le lampadine sono più fioche della luce solare che include luce infrarossa, ultravioletta e visibile.

In questo contesto, è attualmente allo studio il fotovoltaico indoor, pannelli fotovoltaici da interni che possano garantire maggiore efficienza alla casa smart. Uno studio recente sui pannelli solari indoor per case intelligenti ha confrontato, alle stesse condizioni di illuminazione interna, materiali e prestazioni di 8 diverse tecnologie fotovoltaiche (dal silicio amorfo e cristallino alle celle solari sensibilizzate con coloranti, dal fosfuro di gallio indio alla perovskite). Hanno misurato, per ogni materiale, la capacità di convertire la luce in elettricità sia sotto la luce solare sia sotto la luce Led bianca fredda.

Lo studio in oggetto è condotto dai ricercatori del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems di Friburgo, in Germania. Stanno effettuando una serie di esperimenti finalizzati a individuare i sistemi fotovoltaici con maggior efficienza nello sfruttare la luce bianca fredda dei Led. I risultati ottenuti finora da questa ricerca sono stati pubblicati dalla rivista ACS Applied Energy Materials.

Approfondiamo.

Pannelli fotovoltaici da interni: lo studio in Germania coordinato da Uli Wurfel

I ricercatori tedeschi coordinati da Uli Wurfel stanno lavorando per individuare la migliore soluzione di pannelli fotovoltaici da interni capaci di alimentare dispositivi IoT destinati alla casa smart senza l’uso di cavi e batterie. Alimentare tecnologie avanzate per la casa domotica con il fotovoltaico non è un’impresa semplice in quanto, come accennato, la luce artificiale è più debole rispetto a quella solare. Bisogna utilizzare, dunque, dispositivi fotovoltaici ottimizzati da interni.

L’analisi si concentra sulle prestazioni di vari dispositivi all’avanguardia legati a diverse tecnologie fotovoltaiche con illuminamenti bassi compresi tra 100 e 1000 lx.

Finora, nel confronto degli 8 materiali, il dispositivo migliore risulta essere la cella solare al fosfuro di gallio indio, che vanta un’efficienza record del 39,9% con una luce LED bianca fredda di 500 lx. Il fosfuro di gallio indio (non ancora utilizzato nelle celle fotovoltaiche) è in grado di convertire circa il 40% dell’energia luminosa in elettricità. Il problema è che i materiali che contengono gallio sono costosi, non idonei ad una produzione di massa.

Le due alternative al gallio sono le celle minerali a base di perovskite e quelle a film organico che, in condizioni di illuminazione interna, non presentano alcun problema di stabilità.

Nell’analisi, è emerso che il silicio cristallino ha la migliore efficienza sotto la luce solare, mentre sotto la luce interna rientra nella media.

La ricerca ha dimostrato che parte dell’energia luminosa interna genera calore piuttosto che elettricità. Questo dato può aiutare ad ottimizzare i futuri impianti fotovoltaici per alimentare i dispositivi interni della casa domotica.

Pannelli fotovoltaici indoor: il precedente studio del NIST

La ‘caccia’ alla tecnologia solare da interni ideale per la casa smart è allo studio da almeno 3 anni.

Un precedente studio del NIST (National Institute of Standards and Technology, agenzia del governo USA), risalente ad agosto 2021, aveva suggerito un approccio semplice per catturare la luce in ambienti chiusi.

I ricercatori del NIST hanno testato la capacità di ricarica interna di piccoli dispositivi fotovoltaici modulari realizzati con diversi materiali. In seguito, hanno collegato il modulo con l’efficienza più bassa (quello in silicio) ad un sensore di temperatura wireless.

I risultati pubblicati sulla rivista Energy Science & Engineering hanno dimostrato che il modulo di silicio, che assorbiva la luce solo da un LED, ha fornito più energia di quella consumata dal sensore in fase di funzionamento. Da questo risultato si deduce che il dispositivo potrebbe funzionare costantemente quando le luci restano accese, il che significherebbe sbarazzarsi della necessità di sostituire o ricaricare manualmente la batteria.

Nuovi materiali per le celle

Questa ricerca, condotta dall’ingegnere meccanico del NIST Andrew Shore, è stata il primo passo per dimostrare la possibilità di alimentare i dispositivi IoT con moduli fotovoltaici a lungo termine.

Shore e i suoi colleghi hanno testato i diversi materiali disponibili: mini moduli fotovoltaici composti da fosfuro di gallio indio (GaInP), arseniuro di gallio (GaAs) – due materiali adatti alla luce LED bianca – e silicio, meno efficiente ma più comune e conveniente.

Nella comparazione, il modulo GaInP ha funzionato molto meglio sotto il LED che sotto la luce solare. Sia i moduli GaInP che quelli GaAs hanno superato notevolmente il silicio in ambienti chiusi. Hanno convertito rispettivamente il 23,1% e il 14,1% della luce LED in energia elettrica, contro il 9,3% del silicio.

L’obiettivo della ricerca era scoprire se il modulo in silicio potesse comunque generare energia sufficiente per far funzionare un dispositivo IoT a bassa richiesta come un sensore di temperatura. I ricercatori hanno dimostrato che, anche con un mini modulo meno efficiente, potevano fornire più energia di quella consumata dal sensore wireless. In pratica, un materiale onnipresente nei moduli fotovoltaici per esterni potrebbe essere riutilizzato per dispositivi interni dotati di batterie a bassa capacità.

Efficienza, stabilità e basso livello di tossicità

E’ in corso un’evoluzione nella tecnologia fotovoltaica, dalle applicazioni esterne a quelle interne, con stabilità a lungo termine ed una migliore efficienza di fotoconversione. I vantaggi degli impianti fotovoltaici insieme a una durabilità in via di perfezionamento possono generare, in futuro, un enorme mercato nelle tecnologie fotovoltaiche.

Per lo sviluppo di queste tecnologie, è necessario un miglioramento delle prestazioni e la riduzione dei costi di produzione dei fotovoltaici mediante l’implementazione di vari materiali organici e inorganici per soddisfare la domanda mondiale. Oggi, il fotovoltaico indoor emerge come il favorito nell’alimentazione di piccoli dispositivi IoT considerando che, nel prossimo decennio, verranno installati miliardi di questi dispositivi.

Oltre all’efficienza, si dovrebbe dare primaria importanza alla stabilità dei dispositivi aumentando la stabilità termica, meccanica, dell’aria e fotostabilità. Un lieve cambiamento nelle proprietà chimiche e fisiche può influenzare la stabilità a lungo termine. E’ altrettanto importante, per la tutela dell’ambiente e la transizione green, verificare il livello di tossicità dei materiali utilizzati.

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Francesco CIANO

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