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Economia

Un generatore termoelettrico solare 15 volte più efficiente: Una svolta per l’energia rinnovabile

Una nuova tecnologia sviluppata all’Università di Rochester rivoluziona l’efficienza dei generatori termoelettrici. Sfruttando nanostrutture e una gestione termica innovativa, si apre la strada a un’energia più accessibile e indipendente, superando i limiti dei pannelli tradizionali.

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2 ore fa

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Ricercatori hanno sviluppato un generatore termoelettrico solare che è 15 volte più efficiente rispetto ai dispositivi più avanzati attualmente disponibili.
In cerca di una maggiore indipendenza energetica, i ricercatori hanno esplorato i generatori termoelettrici solari (STEG, dall’inglese Solar Thermoelectric Generators) come un modo potenziale per produrre elettricità dal sole. La ricerca alla base di questa realizzazione è stata pubblicata su Light: Science and Applications
A differenza delle celle fotovoltaiche presenti nella maggior parte dei pannelli solari, gli STEG possono catturare varie forme di energia termica oltre alla luce solare diretta. Questi dispositivi sono composti da un lato caldo e un lato freddo separati da materiali semiconduttori, e la differenza di temperatura tra i due genera elettricità attraverso l’effetto Seebeck.Tuttavia, l’uso diffuso degli STEG è stato limitato dalla loro bassa efficienza.

Struttura di uno STEG

Attualmente, la maggior parte dei modelli converte meno dell’1% della luce solare in arrivo in elettricità, un valore molto inferiore al circa 20% di efficienza raggiunto dai pannelli solari residenziali standard.

Un Approccio Innovativo all’Università di Rochester

Questa differenza di efficienza è stata drasticamente ridotta grazie a nuove tecniche sviluppate dai ricercatori dell’Istituto di Ottica dell’Università di Rochester. In uno studio pubblicato sulla rivista Light: Science and Applications, il team ha descritto i loro metodi unici di ingegneria spettrale e gestione termica per creare un dispositivo STEG che genera 15 volte più potenza rispetto ai dispositivi precedenti.

Un primo piano delle nanostrutture incise al laser sulla superficie di un generatore termoelettrico solare. Credito: University of Rochester / J. Adam Fenster“


Per decenni, la comunità scientifica si è concentrata sul miglioramento dei materiali semiconduttori usati negli STEG, ottenendo solo modesti guadagni in efficienza complessiva”, spiega Chunlei Guo, professore di ottica e fisica nonché scienziato senior al Laboratory for Laser Energetics di Rochester. “In questo studio, non abbiamo nemmeno toccato i materiali semiconduttori: ci siamo concentrati invece sui lati caldo e freddo del dispositivo. Combinando una migliore assorbimento dell’energia solare e un maggiore intrappolamento del calore sul lato caldo con una dissipazione termica migliorata sul lato freddo, abbiamo ottenuto un  notevole miglioramento  in efficienza”.

Tre Strategie per Aumentare l’Efficienza

Il team ha progettato i nuovi STEG ad alta efficienza utilizzando tre strategie principali. Per il lato caldo del dispositivo, hanno applicato una tecnologia specializzata di metallo nero sviluppata nel laboratorio di Guo, che ha modificato il tungsteno ordinario per assorbire selettivamente la luce alle lunghezze d’onda solari. Utilizzando impulsi laser femtosecondi intensi per incidere nanostrutture su scala nanometrica sulla superficie del metallo, hanno aumentato la sua capacità di catturare energia dal sole, limitando al contempo la perdita di calore ad altre lunghezze d’onda.
In secondo luogo, i ricercatori “hanno coperto il metallo nero con un pezzo di plastica per creare una mini-serra, proprio come in una fattoria”, dice Guo. “In questo modo, si minimizzano la convezione e la conduzione per intrappolare più calore, aumentando la temperatura sul lato caldo.”


Il ricercatore di Rochester Chunlei Guo testa un generatore termoelettrico solare (STEG) inciso con impulsi laser femtosecondi per aumentare l’assorbimento dell’energia solare e l’efficienza. La tecnologia innovativa di metallo nero del suo laboratorio aiuta a creare un dispositivo STEG 15 volte più efficiente dei precedenti, aprendo la strada a nuove tecnologie per l’energia rinnovabile. Credito: University of Rochester / J. Adam Fenster

Infine, sul lato freddo dello STEG, hanno usato nuovamente impulsi laser femtosecondi, ma questa volta su alluminio regolare, per creare un dissipatore di calore con strutture minuscole che migliorano la dissipazione termica sia attraverso radiazione che convezione. Questo processo raddoppia le prestazioni di raffreddamento rispetto a un dissipatore di alluminio tipico.D
Nello studio, Guo e il suo team hanno fornito una semplice dimostrazione di come i loro STEG possano alimentare LED in modo molto più efficace rispetto ai metodi attuali. Guo afferma che la tecnologia potrebbe essere utilizzata anche per alimentare sensori wireless per l’Internet delle Cose, dispositivi indossabili o sistemi di energia rinnovabile off-grid nelle aree rurali. Questa innovazione rappresenta un passo importante verso soluzioni energetiche più sostenibili e indipendenti, con potenziali impatti sull’economia globale delle rinnovabili, riducendo la dipendenza da fonti fossili e migliorando l’accesso all’energia in contesti remoti. Inoltre un sistema basato sul calore può, potenzialmente, funzionare anche con fonti non dipendenti direttamente dal sole, dando alla generazione un’efficienza molto superiore. 

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