Nuovo filtro liquido per un migliore utilizzo dell’energia solare

I sistemi fotovoltaici-termici disaccoppiati utilizzano filtri liquidi per assorbire lunghezze d’onda non efficaci, come l’ultravioletto, la luce visibile e il vicino infrarosso. Tuttavia, l’acqua, un filtro popolare, non può assorbire efficacemente i raggi ultravioletti, il che limita le prestazioni del sistema. Per risolvere questo problema, i ricercatori coreani hanno introdotto un nuovo filtro a emulsione che facilita la conversione dell’energia solare in elettricità ed energia termica contemporaneamente con un’efficienza senza precedenti dell’84,4%. (Vedi l’infografica qui.)

I moduli fotovoltaici (PV) sono dispositivi che convertono la luce solare in energia elettrica. Tuttavia, hanno un’efficienza di conversione bassa, pari a circa il 20%, perché possono convertire in elettricità solo le lunghezze d’onda del vicino infrarosso, mentre le altre lunghezze d’onda si limitano a riscaldare il modulo fotovoltaico, riducendone l’efficienza. Per contrastare questo fenomeno, gli scienziati hanno sviluppato sistemi fotovoltaici-termici (PVT), in cui il calore generato viene trasportato da uno scambiatore di calore contenente un fluido refrigerante (aria o liquido). Questo, a sua volta, raffredda il modulo fotovoltaico, aumentandone l’efficienza. Inoltre, il calore catturato può essere utilizzato sotto forma di energia termica.

Per migliorare ulteriormente l’effetto di raffreddamento dei moduli fotovoltaici e raccogliere energia termica, sono stati ideati sistemi PVT disaccoppiati dotati di filtri liquidi. Questi filtri, posizionati sopra i moduli fotovoltaici, catturano specifiche lunghezze d’onda della luce solare che contribuiscono in minima parte alla generazione di elettricità, compresi gli ultravioletti (UV), la luce visibile e il vicino infrarosso, facilitando la loro conversione in energia termica per varie applicazioni. Tuttavia, l’acqua, un popolare filtro liquido, non può assorbire i raggi UV.

Ora, un team di ricercatori, guidato dal professore assistente Jae Won Lee della Korea Maritime & Ocean University, ha introdotto un’innovativa emulsione (miscela) di olio di pesce e acqua come filtro liquido. Assorbe in modo efficiente sia la luce infrarossa che quella UV, aumentando il potenziale di raccolta di energia dei sistemi PVT disaccoppiati. Il loro lavoro è stato reso disponibile online il 28 aprile 2023 e pubblicato nel volume 287 della rivista Conversione e gestione dell’energiat il 1 luglio 2023.

“La maggior parte dei filtri liquidi utilizza acqua o una miscela di acqua e nanoparticelle solide per assorbire le lunghezze d’onda inutilizzate dell’irradiazione solare. Tuttavia, l’acqua assorbe solo la porzione infrarossa della luce solare con lunghezze d’onda superiori a 1250 nm. Le nanoparticelle solide, invece, tendono a depositarsi nel tempo, il che ne diminuisce l’efficienza», sottolinea il dott. Lee. Al contrario, l’emulsione proposta rimane stabile a temperature elevate fino a 70 °C. Inoltre, le goccioline d’olio all’interno dell’emulsione sono efficaci nell’assorbire la luce UV con lunghezze d’onda inferiori a 500 nm.

La presenza del filtro emulsione ha migliorato significativamente l’efficienza di conversione e ha abbassato la temperatura operativa rispetto ai sistemi con i soli scambiatori di calore. L’efficienza è aumentata dal 70,9% all’84,4%, mentre la temperatura è scesa da 46,7 °C a 33,1 °C. I ricercatori hanno scoperto che, con un irraggiamento solare standard di 1.000 W/m², il sistema PVT disaccoppiato con filtro ad emulsione produce energia elettrica e termica rispettivamente pari a 72,2 Wh e 1.176,7 Wh al giorno. Ciò si è rivelato economicamente vantaggioso, con un tempo di ammortamento dei costi inferiore rispetto sia ai sistemi PVT che ai sistemi PVT disaccoppiati con filtro dell’acqua.

Il sistema proposto può essere utilizzato anche in base a requisiti e condizioni ambientali specifici. Ad esempio, durante l’estate, il fluido nel filtro a liquido potrebbe essere bypassato per massimizzare la produzione di elettricità, mentre in inverno il filtro a liquido potrebbe catturare energia termica per applicazioni di riscaldamento. Si prevede che anche la sua attuazione sarà semplice. “La tecnologia delle emulsioni è già ben consolidata e trova applicazioni in vari settori, come quello cosmetico e alimentare”, spiega il dott. Lee. “Pertanto, i filtri a emulsione possono essere facilmente applicati ai sistemi esistenti. Inoltre, racchiudono un immenso potenziale per nuove applicazioni, inclusa la separazione selettiva dello spettro delle lunghezze d’onda solari”.

Speriamo che questa tecnologia ci porti un passo avanti verso la realizzazione di una società a zero emissioni di carbonio!

Riferimento

Di Università nazionale marittima e oceanica della Corea

L’università più prestigiosa della Corea del Sud per gli studi marittimi, la scienza dei trasporti e l’ingegneria, la National Korea Maritime & Ocean University si trova su un’isola a Busan. L’università è stata fondata nel 1945 e da allora si è fusa con altre università fino a diventare attualmente l’unica istituzione post-secondaria specializzata in scienze e ingegneria marittime. Ha quattro college che offrono sia corsi universitari che laureati.

Sito web: http://www.kmou.ac.kr/english/main.do

Circa l’autore

Il dottor Jae Won Lee è professore assistente presso la divisione di ingegneria meccanica della Korea Maritime & Ocean University (KMOU). Ha conseguito il dottorato in ingegneria termica presso l’Università della Corea nel 2017. Il suo gruppo conduce ricerca sperimentale e teorica, fondamentale e applicata per migliorare le prestazioni di un’ampia gamma di sistemi di ingegneria termica. Prima di arrivare a KMOU, è stato professore di ricerca presso il Laboratorio di Circolazione dell’Energia e dei Materiali e ha contribuito alla realizzazione di ricerche sulla riduzione dell’energia.

Per gentile concessione di Korea Maritime and Ocean University, Corea del Sud.