Generatori termofotovoltaici per un uso efficiente dell'energia

L’energia elettrica è ottenuta convertendo l’emissione radiante prodotta dai corpi ad alta temperatura mediante celle fotovoltaiche

A cura di: Claudio Ferrari, Francesco Melino - CNR – IMEM

I generatori termofotovoltaici sono un sistema energetico innovativo in grado di convertire l’emissione radiante di un corpo ad alta temperatura, come ad esempio in un bruciatore a metano, in energia elettrica, mediante l’impiego di opportune celle fotovoltaiche.
La naturale configurazione di un generatore termofotovoltaico è in assetto cogenerativo: la quota parte di energia introdotta con il combustibile che non è convertita in energia radiante e quindi elettrica, può essere recuperata per la produzione di calore ad usi civili di riscaldamento e acqua calda sanitaria.

I principali vantaggi di questa tecnologia sono:

l’assenza di parti meccaniche in movimento e quindi l’assenza di qualunque tipo di emissione sonora, aspetto come noto, non comune nei sistemi di conversione di energia elettrica;
una facile manutenzione del tutto analoga a quella di una comune caldaia domestica;
un elevato fattore di utilizzo del combustibile grazie all’assetto cogenerativo;
un’elevata flessibilità nell’utilizzo del combustibile essendo la combustione confinata in un ambiente isolato; questo rende il sistema adatto anche all’utilizzo di combustibili tipicamente “sporchi” senza la necessità di specifiche precauzioni.

In Figura 1, è illustrato lo schema completo dei flussi di energia di un generatore termofotovoltaico in assetto cogenerativo. Si osserva dalla figura che la potenza introdotta con il combustibile (Pin) a meno delle inevitabili perdite dovute alla combustione (Pfuel,loss) può essere convertita in radiazione, tipicamente nello spettro di emissione dell’infrarosso (Prad) dall’emettitore o scaricata sotto forma di prodotti di combustione (Qth,gas); la radiazione emessa dall’emettitore è selezionata (Pgap radiazione utile verso le celle termofotovoltaiche e Pback radiazione riflessa nuovamente verso l’emettitore) mediante un filtro ottico nel range di lunghezze d’onda adatte alla conversione fotovoltaica mediante opportune celle tipicamente a base di Germanio o Antimoniuro di Gallio. La radiazione che colpisce le celle fotovoltaiche è quindi convertita in energia elettrica (Pel,ac). Il sistema proposto, può contestualmente produrre acqua calda per riscaldamento ed usi sanitari attraverso due scambiatori di calore mediante il recupero entalpico dei gas scaricati dall’emettitore e attraverso il circuito di raffreddamento delle celle fotovoltaiche.

Figura 1 – Schema completo dei flussi di energia di un generatore termofotovoltaico in assetto cogenerativo

Presso l’Istituto Materiali per l’Elettronica e il Magnetismo (IMEM) del Consiglio Nazionale delle Ricerche di Parma è allo studio la costruzione di un prototipo di generatore termofotovoltaico con l’obiettivo di convertire le attuali caldaie casalinghe in generatori economici ed efficienti di energia elettrica e termica, in grado di soddisfare
completamente le esigenze di una singola abitazione o di un condominio.
Il gruppo di ricerca DAPS (Dream of Advanced Power Systems) dell’IMEM ha ottenuto risultati di rilievo internazionale per quanto riguarda la progettazione dei principali componenti dei generatori termofotovoltaici. A titolo di esempio, in Figura 2, si mostra una tradizionale caldaia domestica modificata per eseguire dei test di emissione radiante mentre in Figura 3 si osserva il reattore VPE (Vapor Phase Epitaxy) utilizzato per la produzione di celle termofotovoltaiche a base di Germanio, presso i laboratori dell’IMEM.
Inoltre, un recente studio del gruppo DAPS, pubblicato nell’ultimo numero di Solar Energy Materials & Solar Cells (Solar Energy Materials and Solar Cells vol. 113 June, 2013. p. 20-25), ha contribuito in maniera decisiva allo sviluppo dei generatori termofotovoltaici fornendo una nuova direzione verso l’ottenimento di efficienze elevate, di contenimento dei costi e riduzione dell’impatto ambientale.
Mediante accurati calcoli termodinamici e prendendo in considerazione sia celle fotovoltaiche al silicio (quelle più comuni), che al germanio e all’antimoniuro di gallio, si è compreso che l’aspetto più critico del sistema è la dimensione dell’emettitore. Per la prima volta si è infatti dimostrato che per una data potenza termica in ingresso esistono dimensioni ottimali dell’emettitore luminoso per massimizzare l’efficienza di conversione elettrica. Questo dato, non considerato precedentemente, spiega perché nei prototipi realizzati l’efficienza di conversione elettrica ottenuta è relativamente bassa.
L’uso di emettitori più piccoli e quindi a temperatura maggiore consentirebbe di usare meno celle fotovoltaiche, l’elemento più costoso del generatore, a parità di efficienza ed effetto utile. Ad esempio con circa 500 cm2 di celle all’antimoniuro di gallio si potrebbero produrre 2 kW di potenza elettrica da una sorgente di 10 kW termici, corrispondente ad una piccola caldaia domestica.
La diffusione del generatore termofotovoltaico può contribuire in modo significativo allo sviluppo della micro-cogenerazione e della generazione distribuita compiendo un avanzamento fondamentale verso un uso più efficiente, razionale e sostenibile delle risorse energetiche.

Figura 2 – Banco prova per una comune caldaia domestica modificata per eseguire dei test di emissione radiante presso i laboratori dell’IMEM