Gli scienziati sperano che le celle termofotovoltaiche (TPV) a stato solido senza parti mobili possano raggiungere una maggiore efficienza a temperature più elevate quando si tratta di convertire il calore in elettricità e aprire la strada alle reti elettriche basate interamente su energie rinnovabili.
Una di queste celle TPV ha ora raggiunto un nuovo record mondiale di efficienza del 40%, come riferisce un gruppo di ricercatori. È meglio delle turbine a vapore tradizionalmente utilizzate per trasformare il calore in elettricità, che in genere raggiungono un’efficienza massima del 35 percento e hanno anche limiti di temperatura superiore.
I TPV convertono i fotoni ad alta energia da fonti di calore incandescenti in elettricità. Se combinati con batterie termiche, potrebbero catturare l’energia dal Sole e tenerla immagazzinata, rilasciando elettricità quando necessario.
“Uno dei vantaggi dei convertitori di energia a stato solido è che possono funzionare a temperature più elevate con costi di manutenzione inferiori perché non hanno parti mobili“, afferma l’ingegnere meccanico Asegun Henry, del Massachusetts Institute of Technology (MIT).
“Stanno lì fermi e generano elettricità in modo affidabile“.
La cella termofotovoltaica coinvolta nella conversione da record può generare elettricità da fonti di calore a temperature comprese tra 1.900 e 2.400 gradi Celsius. Quelle temperature sono troppo alte per funzionare con le tradizionali turbine a vapore, a causa delle parti mobili coinvolte.
Ora ‘efficienza di queste celle sta aumentando, rendendole più vitali. Il record precedente era del 32% di efficienza, mentre per la maggior parte delle celle TPV prodotte fino ad oggi si aggirava intorno al tasso di efficienza del 20%.
Il record di efficienza è stato misurato utilizzando un sensore di flusso di calore per misurare il calore assorbito dalla cella, che ha una dimensione di circa un centimetro quadrato. Un bulbo ad alta temperatura è stato utilizzato per variare la quantità di calore a cui è stata esposta la cella, rivelando che in realtà era adatta per essere inserita in un sistema più grande.
“Possiamo ottenere un’elevata efficienza in un’ampia gamma di temperature rilevanti per le batterie termiche“, afferma Henry.
Il miglioramento dell’efficienza è dovuto principalmente ai materiali utilizzati, che hanno quello che è noto come un gap di banda basso, un gap che gli elettroni devono attraversare per generare elettricità. Qui, i ricercatori hanno utilizzato materiali con bandgap più elevato, nonché giunzioni multiple (o strati di materiale).
Vengono utilizzati tre strati: una lega ad alto intervallo di banda per catturare fotoni ad alta energia per trasformarli in elettricità, una lega a basso intervallo di banda per catturare fotoni a bassa energia che scivolano attraverso il primo strato e uno specchio d’oro per riflettere i fotoni che hanno superato tutto attraverso il ritorno alla fonte di calore, riducendo così al minimo lo spreco di calore.
Con la cella TPV che ora ha dimostrato di essere operativa, affidabile ed efficiente, gli scienziati possono andare avanti con il lavoro di ingrandirla e combinarla con altri elementi per formare un sistema di produzione di energia completo e uno che non produca carbonio mentre in uso.
“Le celle termofotovoltaiche sono state l’ultimo passo fondamentale per dimostrare che le batterie termiche sono un concetto praticabile“, afferma Henry. “Questo è un passo assolutamente critico sulla strada per proliferare le energie rinnovabili e arrivare a una rete completamente decarbonizzata“.
La ricerca è stata pubblicata su Nature.
