Premio Hans Eggenberger 2014 per una tecnologia solare innovativa
Nella sua tesi di dottorato, l'ingegnere meccanico Thomas Cooper ha sviluppato un sistema di energia solare composto da collettori parabolici a basso costo e celle solari ad alte prestazioni. Per il suo lavoro ha ricevuto il Premio Hans Eggenberger 2014, del valore di 10.000 franchi svizzeri.
Thomas Cooper, che ora lavora come ricercatore di dottorato nel laboratorio Renewable Energy Carriers del professore Aldo Steinfeld, ha iniziato la sua tesi di dottorato proprio in questo laboratorio nel 2010. Da allora, grazie alla sua ricerca, sono state sviluppate tecnologie in grado di aumentare significativamente l'efficienza dell'energia solare, riducendone al contempo i costi.
Il principio noto come fotovoltaico a concentrazione (CPV) utilizza specchi che si allineano alla posizione del sole e concentrano la luce solare prima che colpisca le celle solari. Grazie alla concentrazione di oltre 500 volte della radiazione solare, è necessario un numero significativamente inferiore di celle fotovoltaiche per produrre la stessa quantità di elettricità. Inoltre, la cella solare può funzionare in modo molto più efficiente con la luce concentrata.
Gli specchi convenzionali non sono sufficienti a concentrare la luce solare. Finora gli specchi parabolici a simmetria rotazionale erano considerati la forma ideale per il CPV. Tuttavia, sono costosi a causa del loro design tridimensionale. Per rimanere economici e competitivi, il materiale per i concentratori solari deve essere il più economico possibile.
Costruzione di linee pneumatiche
? qui che entra in gioco la prima importante innovazione: un nuovo tipo di specchio realizzato con una sottile pellicola polimerica che può essere gonfiata con precisione. Questo crea la forma di quattro archi circolari collegati tangenzialmente. Questa forma può essere progettata per ottenere le stesse prestazioni di uno specchio parabolico. Oltre alle sue eccellenti proprietà ottiche, lo specchio pneumatico ha un pallone incorporato per proteggere le celle solari e i componenti elettronici.
Il grado di concentrazione solare è un parametro importante per la progettazione del sistema. Per poter utilizzare celle solari a tripla giunzione, la cui efficienza è oggi superiore al 40%, è necessaria una concentrazione di luce solare più di 500 volte superiore. In passato, concentrazioni così elevate erano possibili solo con sistemi di specchi tridimensionali che focalizzavano la luce su un unico punto focale. Il problema dei sistemi di specchi lineari simmetrici, più economici e robusti, era che in teoria potevano concentrare la radiazione solare al massimo di 200 volte.
Concentratore secondario innovativo
? qui che entra in gioco la seconda innovazione rivoluzionaria di Thomas Cooper: un nuovo tipo di concentratore secondario che può aumentare la concentrazione in un sistema a simmetria di linea di oltre 500 volte. Cooper ha ottimizzato questo concentratore secondario in modo specifico per la combinazione con lo specchio primario pneumatico.
Il laboratorio di Aldo Steinfeld ha svolto questo lavoro di ricerca in collaborazione con l'azienda svizzera Airlight Energy e l'Haute école spécialisée della Svizzera italiana (SUPSI). Il progetto è stato finanziato dalla Commissione per la tecnologia e l'innovazione (CTI). Airlight Energy è un'azienda cleantech specializzata in soluzioni innovative nel campo dell'energia solare. La collaborazione ha permesso di umwelt und Geomatik un prototipo a grandezza naturale del sistema presso la sede dell'azienda a Biasca (TI). Durante il primo test, il sistema ha raggiunto il più alto rapporto di concentrazione solare mai misurato per i concentratori parabolici. I ricercatori hanno anche misurato un'efficienza massima "solare a corrente continua" del 20,2%, un record mondiale per una costruzione di questo tipo.
Opzione per gli angoli remoti del mondo
Questo progetto multidisciplinare ha utilizzato le conoscenze dei settori dell'ingegneria meccanica, elettrotecnica e civile per costruire un sistema stabile. L'innovativa costruzione basata su un telaio in calcestruzzo gettato in opera garantisce la massima robustezza, un'eccellente resistenza al vento e una lunga durata. Inoltre, le risorse necessarie per questo metodo di costruzione sono disponibili anche nelle aree remote dei Paesi in via di sviluppo. Ciò significa che la manodopera locale potrebbe costruire gran parte della costruzione in loco.
Gli specchi, che hanno un impatto notevole sul peso e sul costo di un sistema convenzionale, sono costituiti da una membrana polimerica sottile come un wafer. Questa membrana è spessa meno di un decimo di millimetro e può essere trasportata in rotoli. Questo è un vantaggio anche nelle regioni più remote. Le celle solari stesse sono più di 500 volte più piccole delle celle equivalenti in un sistema convenzionale, ma offrono le stesse prestazioni con un utilizzo di materiale significativamente inferiore.
Il progetto rappresenta un cambiamento di paradigma nell'ambito dei collettori solari verso strutture più economiche che coprono grandi aree e possono quindi generare elevate produzioni elettriche. Infine, il metodo di costruzione presentato nel pluripremiato lavoro di Thomas Cooper, insieme ai metodi presentati, apre nuove possibilità per collettori solari a concentrazione economici e ad alta efficienza. Ciò amplia il potenziale campo di applicazione di questi collettori.
