I generatori a celle termofotovoltaiche (TPV) sfruttano l'effetto fotovoltaico per trasformare il calore in elettricità, collegandosi senza soluzione di continuità a diverse fonti di calore come flussi di calore di scarto ad alta temperatura, elettricità da fonti rinnovabili variabili, combustibili e sistemi solari termici a concentrazione. Nei sistemi TPV, l'emissione radiante è diretta verso la cella fotovoltaica sul lato freddo, facilitando il trasferimento di calore all'emettitore termico. Strategie come la riflessione o la soppressione della radiazione termica a bassa energia (fuori banda) riducono l'apporto di calore, mentre l'assorbimento di fotoni ad alta energia (in banda) nella cella genera coppie elettrone-lacuna.
Questo processo di conversione offre un'opzione di generazione di energia silenziosa in prossimità del punto di utilizzo, presentando vantaggi rispetto ai generatori convenzionali e ai cicli di potenza tradizionali. L'innovativa tecnologia non solo consente di utilizzare il calore a bassa temperatura, precedentemente considerato un prodotto di scarto, per il riscaldamento degli ambienti, ma facilita anche la produzione di acqua calda sanitaria. La rivoluzionaria cella termofotovoltaica, che rappresenta un nuovo tipo di cella solare in grado di convertire l'energia termica in energia elettrica, ha il potenziale per rivoluzionare la generazione di elettricità migliorandone l'efficienza e la sostenibilità ambientale.
Quali sono i materiali utilizzati nelle celle TPV?
Le celle TPV con bandgap ristretto includono l'antimoniuro di gallio (GaSb), l'arseniuro di indio e gallio (InGaAs) e diversi altri materiali come il germanio (Ge) e l'arseniuro di indio (InAs). Includono anche l'arseniuro di indio e gallio antimoniuro (InGaAsSb), l'arseniuro di indio e antimoniuro fosfuro (InAsSbP) e l'arseniuro di indio e gallio antimoniuro fosfuro (InGaAsSbP).
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Come funzionano le celle TPV?
Contrariamente ai sistemi solari fotovoltaici, i sistemi termofotovoltaici (TPV) possono funzionare per periodi prolungati a una temperatura di riscaldamento del radiatore inferiore. Composto da quattro componenti cruciali, questo sistema include
- un generatore che produce energia termica attraverso la combustione del carburante,
- un radiatore che converte l'energia termica in un spettro di emissione,
- un filtro che allinea lo spettro di emissione con una cella TPV, e
- la cella TPV converte la radiazione fotonica in energia elettrica.
Le prestazioni di ciascun componente sono state analizzate a fondo, con particolare attenzione alla cella termofotovoltaica (TPV), l'elemento critico che converte direttamente la radiazione fotonica in elettricità. La cella TPV funziona assorbendo calore e trasformandolo in luce , che viene poi convertita in energia elettrica. Questo processo è simile a quello di una normale cella solare, ma si dimostra più efficiente rispetto alle celle solari tradizionali che convertono direttamente la luce solare in elettricità. In particolare, l'efficienza di una cella termofotovoltaica dipende dalla temperatura della fonte di calore: temperature più elevate si traducono in una maggiore efficienza.
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Quali sono gli utilizzi delle celle TPV?
Le celle termofotovoltaiche trovano molteplici applicazioni:
1. Centrali elettriche
Queste celle rappresentano un'opzione interessante per la produzione di energia nelle centrali elettriche, in quanto sono in grado di convertire l'elettricità da qualsiasi fonte di calore.
2. Vetture
Le celle termofotovoltaiche, fornendo una fonte di energia, hanno il potenziale per migliorare l'efficienza e la sostenibilità ambientale dei veicoli elettrici.
3. Veicolo spaziale
L'applicazione riguarda veicoli spaziali in cui le celle termofotovoltaiche potrebbero generare elettricità, riducendo la dipendenza dalle risorse della Terra.
4. Elettronica portatile
Le celle termofotovoltaiche hanno il potenziale per alimentare dispositivi elettronici portatili come computer portatili e telefoni cellulari.
5. Guarnizioni per autoveicoli e industriali
Le guarnizioni per autoveicoli e le tenute per tubazioni, in particolare in ambienti che richiedono resistenza al calore fino a 120 gradi Celsius, sono esempi di applicazioni. I TPV con valori di durezza Shore compresi tra 45A e 45D sono particolarmente adatti per applicazioni automobilistiche sotto il cofano che richiedono una maggiore resistenza alla temperatura e agli oli.
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