Potenziare il Fotovoltaico: Come Ottimizzare Dissipatori e Fluidi per Sistemi PVTE

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel mondo dell’energia solare, un campo in continua evoluzione e, lasciatemelo dire, assolutamente cruciale per il nostro futuro. Sapete, una delle sfide più grandi quando si parla di pannelli fotovoltaici (PV) è che… beh, si scaldano. E quando si scaldano troppo, la loro efficienza cala. Un bel paradosso, vero? Prendono energia dal sole, ma troppo sole (sotto forma di calore) li rende meno performanti.

Il Calore: Un Nemico Silenzioso dell’Efficienza Solare

Proprio così. Gran parte della radiazione solare che colpisce un pannello non viene convertita in elettricità, ma in calore. Questo calore fa aumentare la temperatura delle celle fotovoltaiche, riducendo la tensione che possono generare e, di conseguenza, la potenza complessiva prodotta. È un peccato, perché quel calore è energia sprecata, dispersa nell’ambiente. Ma se vi dicessi che c’è un modo non solo per combattere questo calo di efficienza, ma addirittura per sfruttare quel calore di scarto? Qui entrano in gioco i sistemi PVTE (Photovoltaic-Thermoelectric). L’idea è geniale nella sua semplicità: accoppiare al pannello fotovoltaico un generatore termoelettrico (TEG).

TEG: Trasformare il Calore in Elettricità Extra

Un TEG è un dispositivo incredibile che sfrutta l’effetto Seebeck: se c’è una differenza di temperatura (ΔT) tra le sue due facce (una calda e una fredda), genera una tensione elettrica. Nel nostro caso, la faccia calda è a contatto con il retro del pannello PV (dove si accumula il calore), mentre la faccia fredda… ecco, qui sta il punto cruciale. Per far funzionare bene un TEG e massimizzare la ΔT, dobbiamo mantenere la faccia fredda il più fresca possibile. Se il calore si propaga anche lì, la differenza di temperatura diminuisce e addio elettricità extra. Come fare? Con un dissipatore di calore!

La Chiave è nel Dissipatore: Design e Materiali Contano

Il dissipatore, montato sulla faccia fredda del TEG, ha il compito di “portare via” il calore e disperderlo nell’ambiente, solitamente usando l’aria come fluido di raffreddamento. Ma non tutti i dissipatori sono uguali. Ecco dove la faccenda si fa interessante e dove entra in gioco il mio lavoro di ottimizzazione. Ci siamo chiesti: qual è il design migliore? E il materiale? E come influiscono le condizioni operative, tipo la velocità dell’aria che lo lambisce? Per rispondere, abbiamo usato la potenza della simulazione numerica.

Abbiamo modellato in 3D, usando la fluidodinamica computazionale (CFD) e analisi termo-elettriche, diversi scenari. Nello specifico, abbiamo messo alla prova:

• Tre design di dissipatori alettati:
  • H1: Alette a piastra piana, parallele.
  • H2: Alette a piastra svasate (aperte verso l’esterno).
  • H3: Alette a pinna cilindrica (piccoli cilindri).
• Tre materiali comuni per dissipatori:
  • Alluminio (Al)
  • Carbonio (C)
  • Rame (Cu)
• Diverse velocità del flusso d’aria in ingresso (v): da 0.1 m/s fino a 3.45 m/s.
• Diversi coefficienti di scambio termico convettivo (h): da 10 a 100 W/m²°C, che rappresentano l’efficienza con cui il calore passa dal dissipatore all’aria.

Simulare per Ottimizzare: Un Approccio Intelligente

Creare e testare fisicamente tutte queste combinazioni sarebbe stato un lavoro immane, costoso e lungo. La simulazione ci permette invece di esplorare virtualmente tutte queste opzioni, cambiando parametri con un click e ottenendo previsioni accurate sul comportamento termico ed elettrico del sistema. Abbiamo impostato la temperatura sul lato caldo (quello a contatto col pannello PV) a 60°C e monitorato come cambiava la temperatura sul lato freddo del TEG al variare dei design, dei materiali, della velocità dell’aria (v) e del coefficiente di convezione (h). L’obiettivo? Trovare la configurazione che massimizza la potenza generata dal TEG, mantenendo la faccia fredda… beh, fredda!

I Risultati Sono Arrivati: Sorprese e Conferme!

E i risultati sono stati illuminanti! Sapete quale configurazione ha vinto a mani basse? Il dissipatore H3 (pin fin) realizzato in Alluminio (Al). Ha generato la potenza elettrica più alta rispetto a tutte le altre combinazioni.

Ma ci sono altri dettagli succosi:

• L’importanza del flusso d’aria (v): La potenza generata dal TEG aumenta significativamente all’aumentare della velocità dell’aria, fino a raggiungere un punto di saturazione intorno a 2.01 m/s. Oltre quella velocità, i benefici diventano marginali. Questo perché un flusso d’aria più veloce “spazza via” il calore più efficacemente, riducendo lo spessore dello strato limite termico sulla superficie delle alette.
• Il ruolo della convezione (h): Anche aumentare il coefficiente di scambio termico migliora le prestazioni, specialmente quando supera i 20 W/m²°C. Tuttavia, una volta ottimizzati il design delle alette e il flusso d’aria, l’impatto di ‘h’ diventa meno critico, almeno nell’intervallo studiato.
• La sorpresa del materiale: Qui c’è stato un risultato controintuitivo. Il Rame (Cu) ha la conducibilità termica più alta tra i tre materiali testati. Ci si aspetterebbe che sia il migliore, no? E invece no! L’Alluminio (Al) e persino il Carbonio (C) si sono dimostrati più efficaci nel dissipare il calore in questa applicazione. Il Rame è ottimo a condurre il calore, ma forse meno efficiente a cederlo all’aria rispetto ad Al e C in queste specifiche geometrie e condizioni. Considerando anche il costo e l’affidabilità, l’Alluminio è risultato la scelta più pratica.
• Perché il design H3 (Pin Fin) è il migliore? Le simulazioni hanno mostrato che le alette cilindriche permettono una distribuzione del calore più uniforme e, soprattutto, creano percorsi migliori per il flusso d’aria tra le alette stesse rispetto ai design H1 e H2. Questo migliora lo scambio termico complessivo.

Cosa Significa Tutto Questo? Più Energia Pulita!

Questi risultati non sono solo numeri su un grafico. Significano che possiamo progettare sistemi PVTE più efficienti, capaci di recuperare parte del calore di scarto dei pannelli solari e trasformarlo in elettricità aggiuntiva. È un passo avanti verso l’ottimizzazione delle tecnologie fotovoltaiche, rendendole ancora più competitive e sostenibili. L’uso di simulazioni numeriche si conferma uno strumento potentissimo per accelerare lo sviluppo, ridurre i costi e arrivare a soluzioni ottimizzate senza dover costruire decine di prototipi.

Guardando al Futuro

Certo, il prossimo passo sarà validare questi risultati con esperimenti reali, per confermare che il comportamento simulato corrisponda a quello nel mondo reale. Ma la strada indicata è chiara: ottimizzare il design del dissipatore (pin fin in alluminio) e le condizioni operative (flusso d’aria intorno ai 2 m/s) è fondamentale per massimizzare le prestazioni dei sistemi PVTE.

È entusiasmante vedere come l’ingegneria e la simulazione possano contribuire concretamente alla transizione energetica, migliorando tecnologie esistenti e aprendo la strada a soluzioni sempre più efficienti e rispettose dell’ambiente. Continuerò a esplorare queste frontiere, e spero di avervi trasmesso un po’ della mia passione per questa ricerca!

Fonte: Springer