La foglia fotovoltaica in grado di produrre elettricità, acqua ed energia termica in un unico dispositivo
Un gruppo di ricerca britannico ha sviluppato un concetto di foglia fotovoltaica in grado di produrre elettricità, acqua ed energia termica in un unico dispositivo. Il sistema, ispirato a una foglia, si basa su uno strato di traspirazione biomimetica (BT) che raffredda l'unità fotovoltaica incorporata e utilizza il calore in eccesso della cella per produrre acqua ed energia termica.
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Argomenti trattati Cosa sono i materiali biomimetici Che cos’è la foglia fotovoltaica Configurazione e principio di funzionamento della foglia fotovoltaica |
Cosa sono i materiali biomimetici
La biomimetica è una pratica che impara e imita le strategie utilizzate dalle specie viventi. L'obiettivo è creare prodotti, processi e politiche - nuovi modi di vivere - che risolvano le nostre più grandi sfide di progettazione in modo sostenibile e solidale. Possiamo usare la biomimetica non solo per imparare dalla saggezza della natura, ma anche per curare noi stessi e questo pianeta.
I materiali biomimetici sono materiali sviluppati ispirandosi alla natura. Esempi di queste strutture naturali includono: struttura a nido d'ape dell'alveare, forza delle sete di ragno, meccanica del volo degli uccelli e idrorepellenza della pelle di squalo. Le radici etimologiche del neologismo biomimetico derivano dal greco, in quanto bios significa "vita" e mimetikos significa "imitativo".
Che cos’è la foglia fotovoltaica
Il lavoro pubblicato su Nature Communications descrive una foglia fotovoltaica ibrida multi-generazione basata su una struttura di traspirazione biomimetica fatta di fibre di bambù e impilati cellule di idrogel.
La maggior parte dell’energia solare incidente (>70%) sui pannelli fotovoltaici commerciali viene dissipata sotto forma di calore, aumentandone la temperatura operativa e portando a un significativo deterioramento delle prestazioni elettriche. L’efficienza di utilizzo solare dei pannelli fotovoltaici commerciali è generalmente inferiore al 25%.
I ricercatori hanno messo a punto un concetto ibrido di foglia fotovoltaica multigenerazione che impiega una struttura di traspirazione biomimetica realizzata con materiali ecologici, a basso costo e ampiamente disponibili per un'efficace gestione termica passiva e multigenerazione. La foglia è corredata di un sistema in grado di rimuovere il calore in eccesso con un conseguente aumento dell'efficienza elettrica del 13,6%.
Inoltre, la foglia fotovoltaica è in grado di utilizzare sinergicamente il calore recuperato per cogenerare ulteriore energia termica e acqua dolce simultaneamente all'interno dello stesso componente, elevando significativamente l'efficienza complessiva di utilizzo solare dal 13,2% a oltre 74,5%, insieme a oltre 1,1 L/(hm2) di acqua pulita.
Configurazione e principio di funzionamento della foglia fotovoltaica
La tipica struttura fogliare di una pianta comprende cellule fotosintetiche, fasci vascolari (vene), cellule spugnose e stomi, cuticola ed epidermide. All'interno della pianta, il flusso di acqua liquida dal terreno alle foglie è guidato dalle forze capillari e dalla pressione osmotica. I microcanali nei fasci vascolari di una foglia sono quindi responsabili, e molto efficaci, nel spostare e distribuire l'acqua in tutta la foglia. L'acqua evapora poi sulla superficie delle cellule durante il processo di traspirazione.
Nella foglia fotovoltaica (PV-leaf), uno strato di traspirazione biomimetica (BT) è attaccato al retro di una cella solare fotovoltaica per rimuovere il calore generato nella cella. Fasci di fibre di bambù naturale vengono impiegati per imitare i fasci vascolari nel trasporto e distribuzione dell'acqua liquida sulla superficie della cellula, mentre le cellule di idrogel con un’ampia superficie specifica hanno eccellenti prestazioni di assorbimento dell'acqua.
a) Tipica struttura interna di una vera foglia. I fasci vascolari distribuiscono uniformemente l'acqua liquida su tutta la superficie della foglia. Un efficace raffreddamento della traspirazione protegge il processo fotosintetico. b) Struttura interna della struttura di traspirazione bioispirata. Fasci di fibre idrofile e cellule di idrogel vengono utilizzati per imitare la foglia in natura. Clicca sull’immagine per ingrandire. (Credit. Nat Comm)
Nello strato BT, circa 30 rami di fasci di fibre di bambù sono incorporati in modo omogeneo nelle celle idrogel del polimero superassorbente (SAP) di poliacrilato di potassio (PAAK), distribuendo l'acqua su tutta l'area coperta dallo strato BT. Le estremità dei rami delle fibre vengono riunite e messe a bagno in acqua.
Comparando questo sistema con quello classico, i ricercatori hanno rilevato una temperatura di 68,8°C nella conformazione classica mentre la foglia fotovoltaica con raffreddamento a traspirazione biomimetica ha raggiunto una temperatura di soli 43,2 °C.
Generazione sinergica di elettricità, calore e acqua pulita
Soddisfare la crescente domanda di energia in modo sostenibile rimane una sfida globale.
Oltre all'elettricità, anche il calore costituisce un'altra importante domanda energetica e la scarsità di acqua dolce rappresenta una sfida fondamentale per lo sviluppo sostenibile globale.
È fondamentale soddisfare la crescente domanda combinata di elettricità, riscaldamento e acqua dolce in modo sostenibile ed efficiente.
Le foreste sono estremamente importanti nella regolazione delle temperature mondiali e nella produzione di flussi di acqua dolce. Oltre il 40% delle precipitazioni sulla terraferma deriva dall'evapotraspirazione, cioè dall'evaporazione dal suolo e dalla traspirazione degli alberi. La traspirazione della foresta pluviale è cruciale anche per avviare la transizione locale dalla stagione secca a quella umida. La traspirazione gioca un ruolo importante non solo nella conversione della fotosintesi solare ma anche nella generazione di acqua dolce in natura, questi fattori hanno ispirato i ricercatori ad esplorare il potenziale della cogenerazione sinergica energia-acqua della foglia fotovoltaica.
La struttura traspirante delle foglie fotovoltaiche si è rivelata efficace nell’utilizzare la soluzione salina per la traspirazione, generando elettricità ad alta efficienza.
Schema della foglia PV. Sotto lo strato BT è stata fissata una camera per raccogliere il vapore pulito. (Credit. NatComm)
L’efficienza complessiva dell’utilizzo solare (elettrico + termico) della foglia fotovoltaica ha raggiunto il 74,5%, un valore significativamente superiore a quello della cella fotovoltaica autonoma (solo il 13,2%), poiché quest’ultima non produce altro che l’elettricità generata. Oltre alle prestazioni elettriche e termiche, sono stati evaporati circa 1,1 L/(hm2) di soluzione salina.
Rispetto al sistema di desalinizzazione termico fotovoltaico convenzionale, il processo di desalinizzazione della foglia fotovoltaica avviene sotto le celle fotovoltaiche senza la necessità di moduli di desalinizzazione separati. La capacità di controllo passivo e di autopompaggio della foglia fotovoltaica consente di regolare automaticamente la portata dell'acqua, eliminando così la necessità di pompe e unità di controllo aggiuntive.
Huang, G., Xu, J. & Markides, C.N. High-efficiency bio-inspired hybrid multi-generation photovoltaic leaf. Nat Commun 14, 3344 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38984-7
PV magazine, Multi-generation photovoltaic leaf to produce electricity, thermal energy, water
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