Immagina di collocare una padella nera nel deserto del Mojave in pieno giorno. Gradualmente la padella diventa calda al tatto fino a quando la sua temperatura supera i 90 °C (195 °F). A quel punto, si potrebbe rompere un uovo nella padella e questo si cuocerebbe completamente in pochi minuti. Forse non te ne rendi conto, ma questo semplice esperimento è un esempio di raccolta dell'energia solare.
La raccolta di energia solare è in genere associata ai pannelli solari che vediamo su tetti delle abitazioni. Tuttavia, l'adozione commercializzata della raccolta di energia solare abbraccia moltissime applicazioni che forniscono quantità sorprendenti di energia al mondo. Scopriamo cinque tecnologie innovative per la raccolta di energia solare.
1) Pannelli solari fotovoltaici
I pannelli solari fotovoltaici (PV) usano l'energia del sole per creare un flusso di elettricità. Attualmente si tratta del metodo più comunemente adottato per raccogliere l'energia solare. Questi pannelli, che possono avere dimensioni variabili da pochi centimetri quadrati ad alcuni metri quadrati, sono costruiti da molte celle fotovoltaiche disposte secondo una matrice complessa. Intuitivamente, più ampia è la superficie disponibile per consentire alla luce solare di penetrare nelle celle fotovoltaiche, maggiore sarà l'energia solare raccolta.
Ogni cella solare fotovoltaica è generalmente costituita da una struttura composita di wafer di semiconduttori, che può essere una struttura monocristallina o policristallina. I due sottili wafer di semiconduttori della struttura, uno di tipo P e uno di tipo N, sono cresciuti separatamente. I due wafer vengono posizionati uno sopra l'altro e la reazione naturale che si verifica tra i due tipi di semiconduttori crea una zona di svuotamento che raggiunge un punto di equilibrio, senza generare elettricità. A causa della cella fotovoltaica, quando i fotoni di luce attraversano i wafer di semiconduttore e si collegano con essi, la loro interazione rilascia energia sufficiente a creare un'interruzione dell'equilibrio nella regione di svuotamento. Tale azione crea di conseguenza un breve flusso di elettricità. Tuttavia, a causa della costante presenza di luce, questa interazione si verifica continuamente ed è in grado di produrre enormi quantità di energia elettrica.
L'energia prodotta da una singola interazione dei fotoni si replica su tutta la superficie della cella fotovoltaica. Viene combinata in un intero pannello di celle solari e quindi in un più ampio array di pannelli fotovoltaici. Questa piccola interazione nella zona di svuotamento può essere ripetuta e moltiplicata, producendo una considerevole quantità di elettricità. Gli array di pannelli solari fotovoltaici, tuttavia, producono corrente continua. Per essere integrata con la moderna tecnologia di trasmissione dell'energia (quella delle prese di casa), questa corrente continua deve essere convertita in corrente alternata mediante un inverter. Esistono molte iterazioni proprietarie di questa tecnologia fondamentale che cercano di ottimizzare l'efficienza di ciascuna cella fotovoltaica a livello molecolare, l'insieme del pannello e la capacità del pannello di essere integrato in un più ampio array solare.
2) Raccolta di energia termica: l'energia della radiazione elettromagnetica
Il sole produce un ampio spettro di radiazioni di diverse lunghezze d'onda, comprese le radiazioni infrarosse. Questo spettro trasferisce in modo efficiente l'energia termica ai corpi in grado di assorbirla. Gli elementi che possono assorbire efficacemente questa energia elettromagnetica termica vengono denominati "corpi neri", poiché il colore nero assorbe tutte le lunghezze d'onda delle radiazioni visibili all'occhio umano. Un corpo nero ideale può assorbire ed emettere correttamente tutte le lunghezze d'onda dello spettro della radiazione elettromagnetica.
La radiazione elettromagnetica è stata a lungo utilizzata per il riscaldamento in molti sistemi di riscaldamento passivo, come nell'esempio della cottura dell'uovo, nei bagni pubblici dell'antica Roma e nelle case dell'antico Egitto, oltre che per alcune moderne soluzioni come i pannelli solari termici e i termosifoni. Queste strategie di raccolta dell'energia solare termica dipendono fortemente dalla fisica delle radiazioni dei corpi neri e dalla loro capacità di assorbire e trasferire la radiazione elettromagnetica. A livello residenziale, l'energia termica viene raccolta il più delle volte per essere utilizzata nei sistemi di riscaldamento dell'acqua. Tuttavia, queste soluzioni sono meno adatte alla generazione di energia su scala industriale.
3) Impianti solari per il riscaldamento di acqua
Un ottimo esempio di un'applicazione per la raccolta di energia solare termica che viene comunemente implementato nei climi soleggiati in tutto il mondo è il riscaldamento di acqua tramite energia solare. La versione più semplice di un sistema solare per il riscaldamento di acqua utilizza una pompa per far circolare acqua fredda in un pannello a corpo nero. Questo pannello assomiglia visivamente a un pannello solare fotovoltaico, in cui la superficie nera assorbe efficacemente l'energia termica e viene quindi raffreddata dall'acqua messa in circolo, determinando così il riscaldamento dell'acqua stessa. L'acqua viene continuamente fatta circolare in questo circuito, producendo acqua calda durante l'attività solare. Alcuni sistemi possono fare a meno delle pompe, sfruttando la spinta determinata dall'acqua riscaldata. Quest'acqua più calda sale verso l'alto, mentre l'acqua più fredda scende, producendo dei flussi di entità minima all'interno del sistema e creando così un termosifone. Per questi sistemi è necessario che il serbatoio di accumulo dell'acqua si trovi sopra la sorgente di assorbimento solare, come mostrato nella foto.
4) Impianti solari per il riscaldamento dell'acqua con tubi sottovuoto
I più avanzati ed efficienti sistemi di riscaldamento solare dell'acqua utilizzano tubi sottovuoto e tubi di calore indipendenti per trasferire l'energia termica a un serbatoio secondario. Il tubo sottovuoto garantisce che l'energia radiante possa entrare nel sistema, ma tutta l'energia che viene trasformata in energia termica è contenuta nel tubo. Il tubo di calore assorbe questa energia e successivamente la trasferisce nel grande serbatoio d'acqua. Questi sistemi sono notevolmente più efficienti nel riscaldamento dell'acqua durante i mesi freddi, poiché solo quantità minime di energia termica riescono a fuoriuscire dal tubo sottovuoto e ciò consente la conversione di quasi tutta l'energia radiante in energia termica.
5) Energia solare con sistemi a sali fusi
I progressi relativamente recenti dei sistemi a sali fusi stanno spostando i confini della generazione di energia tramite l'energia solare. Tuttavia, proprio come i sistemi di riscaldamento dell'acqua a energia solare illustrati in precedenza, gli impianti di energia a sali fusi utilizzano la radiazione elettromagnetica per fondere i sali. Questi sali fusi vengono quindi trasferiti a uno scambiatore di calore, che riscalda l'acqua e la trasforma in vapore. Il vapore viene quindi convogliato attraverso un'apposita turbina per generare elettricità. Gli impianti di generazione di energia a sali fusi, come l'Ivanpah Solar Plant, si basano su una vasta rete di specchi eliostati che reindirizzano la luce solare verso un singolo punto, in genere denominato torre di energia o torre centrale. Questa torre raccoglie l'energia da tutti gli eliostati circostanti, ricavandone a sufficienza da sciogliere il sale a quasi 815 °C (1500 °F). Questo sale fuso viene quindi immagazzinato in serbatoi isolati, consentendo l'utilizzo dell'energia anche quando il sole non è più direttamente disponibile.
Il futuro dell'energia solare
La tecnologia di raccolta dell'energia solare viene sempre più spesso utilizzata come alternativa all'elettricità generata dai combustibili fossili. Sebbene esistano vari metodi di raccolta dell'energia solare, tutti fondamentalmente sfruttano il sole per compiere un lavoro in un modo specifico, attività per cui, tradizionalmente, facciamo affidamento sull'elettricità. L'aumento dell'efficienza e l'ottimizzazione dei processi continueranno a rivelare la produttività degli sforzi per la raccolta di energia solare e potrebbero eliminare del tutto la necessità di utilizzare i combustibili fossili.