di VLADYSLAV MIKHNYCH, ANA PAVLOVIC, MARCO BERTOLDI, CRISTIANO FRAGASSA*
Alcune tra le applicazioni solari più avanzate per il trasporto prevedono oggigiorno l'inclusione di celle solari direttamente su pannelli compositi rinforzati. Questa scelta progettuale è aiutata anche dal fatto che il 'processo di incapsulamento' utilizzato per costruire il pannello solare non è molto diverso rispetto alla procedura di stratificazione utilizzata per produrre parti in composito.
Tuttavia, l'elemento chiave resta l'efficienza fotovoltaica (FV) di conversione che diminuisce rapidamente all'aumentare della temperatura del pannello. Ecco perché conoscere la temperatura delle celle solari è essenziale. A tal fine, questa ricerca analizza la distribuzione del calore, strato per strato, di cinque laminati fotovoltaici, studiando l'impatto delle modifiche al design del layup in termini di comportamento termico ed efficienza di conversione.
I layup delle celle solari includono un foglio anteriore polimerico estremamente trasparente (ETFE), una cella di silicio circondata da un incapsulante su entrambi i lati (EVA), un foglio posteriore polimerico isolante (PET), fissato su un pannello in fibra di carbonio molto sottile (CFRP). Questi layup possono rappresentare convenientemente il tetto di un future veicolo solare di alta gamma.
Per quanto riguarda il lavoro di ricerca, in primo luogo, utilizzando ANSYS Workbench® è stata realizzata una simulazione numerica dei transitori termici di ciascun dei layup di interesse. Una attenzione particolare è stata rivolta a definire le ipotesi riguardo alle condizioni al contorno (es. perdite di calore di ogni strato per riflessione e convezione). Con stessa attenzione sono state definite le proprietà meccaniche e termiche di tutti i materiali soprattutto cercando in letteratura scientifica.
In secondo luogo, sono stati eseguiti anche esperimenti in laboratorio con lo scopo di convalidare i modelli numerici. Nello specifico, misure di Termografia a Infrarossi (IRT) ottenute tramite termocamera hanno permesso di rilevare l'evoluzione nel tempo della temperatura dei pannelli solari quando sottoposti ad irraggiamento (1000W/m2 a 25°C). I risultati evidenziano una ottima accuratezza del modello predditivo (>99%) soprattutto nella stima delle temperature a regime.
Ancora più importante, tuttavia, è il fatto che risulta ora dimostrato come la scelta dei materiali e degli spessori utilizzati per la realizzazione della stratifica influenzi notevolmente la temperatura (fino a 3-5 °C) e le prestazioni (2-3% di efficienza) delle celle solari. Pertanto, il modello numerico quì descritto diventa uno strumento di progettazione molto importante in quanto offre l'opportunità di ottimizzare la progettazione del lay-up delle celle solari, selezionare i migliori materiali per un raffreddamento efficiente delle celle solari e determinare le condizioni di lavoro perfette per il laminato fotovoltaico.
Ringraziamenti: ricerca finanziata dal Ministero degli Affari Esteri e della Collaborazione Internazionale (MAECI) all’interno del progetto 'Two Seats for a Solar Car' e promossa sul territorio all’interno della Central European Initiative come parte delle azioni di trasferimento tecnologico ‘Composite for All’ e ‘ATC.EVO’.
* Centro Interdipartimentale di Ricerca Industriale Meccanica Avanzata e Materiali, Università di Bologna
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27 luglio 2021
