Discussione: ENERGIA DAL SOLE

Non so se sia una cavolata o no,ma nessuno ha mai pensato invece di usare l'effetto fotovoltaico dei semiconduttori ,di realizzare una vera e propria antenna per ricevere energia dal sole?Essendo la luce un onda elettromagnetica e quindi trasportatrice di energia potrebbe essere possibile creare un antenna che la assorba quasi totalmente in modo da avere una efficienza molto migliore.Del resto penso sia anche il principio della trasmissione di energia a distanza effettuato da tesla.
Non datemi addosso che la mia è un idea da profano e non da esperto,infatti se non è possibile mi piacerebbe molto sapere il perchè tecnico.

L'attuale tecnologia fotovoltaica converte direttamente la luce in energia elettrica, sfruttandone la natura quantica, con efficienze per i prodotti in commercio già pari al 16-18% e, in prospettiva, di oltre il 30%. Le nano-antenne solari o rectennas (dalla fusione delle parole antennas e rectifyer) basano invece il loro funzionamento, per la conversione dell'energia solare in elettricità, sulla natura ondulatoria della luce. Secondo gli studiosi dell'Università della Florida, esse promettono efficienze dell'80-90% e se questi numeri saranno confermati, come si può ottimisticamente ipotizzare in base alle conoscenze attuali, saremmo in presenza di un nuovo concetto, assolutamente rivoluzionario, di conversione energia solare in energia elettrica. Alcuni esperti ritengono che i tempi per questa nuova tecnologia siano ormai maturi. L'idea delle nano-antenne risale ai primi anni '60, quando J.C. Fletcher della NASA e R.L. Bailey dell'Università della Florida brevettarono un dispositivo per convertire l'energia delle onde elettromagnetiche in elettricità. Esso era costituito da un certo numero di elementi, gli uni vicini agli altri, in grado di catturare un'ampia gamma dello spettro di frequenze della radiazione solare, in base allo stesso principio con il quale le onde radio, di lunghezze d'onda ben più ampie, sono intercettate dalle antenne radio (figura 1).

Queste antenne, dalla forma piramidale, furono sperimentate agli inizi degli anni '70 per verificare la loro capacità di catturare le micronde in un ampio spettro di frequenze (100-1000 MHz). È in un lavoro del 1972 che per la prima volta Bailey propose di utilizzare il convertitore di onde elettromagnetiche per captare l'energia solare. Nel 1975 Bailey effettuò alcune ricerche preliminari e teoriche che si focalizzarono sul meccanismo attraverso il quale le antenne assorbivano le onde elettromagnetiche: da questi studi emerse la complessità tecnica di trasformare l'onda catturata in energia elettrica. Bailey riscontrò anche alcune analogie tra il funzionamento delle nano-antenne e le antenne degli insetti e con il modo di comportarsi della struttura dei coni e dei bastoncelli presenti nell'occhio umano, individuando così ulteriori possibili strade per le future ricerche. Gli studi furono in seguito accompagnati anche da sperimentazioni e dimostrazioni; per esempio, presso il centro Jet Propulsion Laboratory di Goldstone un fascio di micronde della potenza di 30 kW fu convertito direttamente in energia elettrica con un'efficienza dell'84% da una nano-antenna posta a più di un miglio di distanza. Questo ed altri risultati sperimentali hanno confermato che le nano-antenne possono avere alte efficienze di conversione per fasci di micronde e che, pertanto, sia possibile ipotizzare elevate efficienze di conversione anche per le nano-antenne progettate appositamente per catturare le piccole lunghezze d'onda che costituiscono lo spettro solare. Nel passato il maggiore impedimento allo sviluppo delle nano-antenne solari è stata la mancanza di nanotecnologie in grado di operare su dimensioni inferiori o dell'ordine del micron. Oggi queste tecnologie sono in una fase di rapido sviluppo e ciò fa ritenere che siamo vicini ad esperimenti decisivi per provare concretamente il concetto delle nano-antenne solari. Tuttavia le sfide tecnologiche da superare sono numerose: esse riguardano le dimensioni delle antenne ed i conseguenti problemi di fabbricazione, di controllo di qualità, di produzione di massa, di scelta dei materiali, del sistema di rettificazione ad elevate frequenze e della geometria delle stringhe. Si tratta di problemi spesso assai complessi che comportano ricerche interdisciplinari difficili da organizzare e dai costi elevati.

Edited by celerone - 4/3/2006, 18:40

Molto interessante!Sono contento che la mia idea non era cosi sballata alla fine!Hai qualche link di approfondimento per caso?A che punto è attualmente la progettazione?A quanto sembra sono già parecchi gli anni da cui è stata inventata la tecnologia...

Chissà se ci sono studi su "ricevitori" di raggi cosmici per poter generare energia. ?!?!

ciao celerone,
molto interessante il tuo post,

puoi indicare le dimensioni dei"coni"riceventi in figura?

saluti

CITAZIONE (celerone @ 4/3/2006, 18:23)

L'attuale tecnologia fotovoltaica converte direttamente la luce in energia elettrica, sfruttandone la natura quantica, con efficienze per i prodotti in commercio già pari al 16-18% e, in prospettiva, di oltre il 30%. Le nano-antenne solari o rectennas (dalla fusione delle parole antennas e rectifyer) basano invece il loro funzionamento, per la conversione dell'energia solare in elettricità, sulla natura ondulatoria della luce.........

Tecnologia affascinante!

Però, una considerazione.
Tra microonde (le più alte oggi stanno intorno ai 100Ghz) e la luce solare ci sono ben 3 ordini di grandezza.
Cioè, un'antenna accordata sulle microonde ha a che fare con una lunghezza d'onda di 1mm, mentre per la luce visibile siamo tra meno di qualche decimo di micron e qualche micron, cioè circa 1.000-10.000 volte meno.

Quindi, anche per rispondere a Rabazon, le microantenne dovrebbero essere nell'ordine dei micron.

In effetti il sistema si basa su un concetto molto antico: l'onda radio (elettromagnetica) captata dall'antenna viene raddrizzata con un diodo, livellata da un condensatore e trasformata in una tensione continua per poter essere immagazzinata o per attivare direttamente un carico elettrico, ecc...

Siccome maggiore è la frequenza radio e maggiore è la direzionalità delle onde em, con la conseguenza quindi che è molto più facile concentrarle in un unico punto (parabole, lenti, ecc...) l'efficienza teorica di questo sistema è notevole. Su 200W/mq arrivati a terra dal sole (media sulle 24h in un anno), si potrebbero ricavare 180Watt/mq che è moltissimo.
Con meno di 10mq di siffatto tetto sostituisco il mio contatore da 1,5kW dell'ENEL!

Il problema però secondo me sarà raddrizzare questa frequenza per convertirla in elettricità... Un diodo da 100TeraHertz non credo che esista per ora... a meno che la VERA scoperta non sia proprio questa.....





Edited by ElettroRik - 8/3/2006, 11:30

Avevo gia' buttato l'amo Qui , sono contento che la discussione prosegua.

Ciao
Mario

ciao rik,
ad occhio sembra che i coni abbiano dimensioni inferiori o attorno al micron,
possibile un diodo che raddrizzi una frequenza del genere?
anche avere un'antenna con dei coni micro-piccoli, magari 10mq2,
ma quanto costa?
beh, comunque l'idea mi sembra buona...
ma fare ricerca su queste cose mi sembra abbastanza costoso...
non alla portata di un esperimento da garage..
saluti a tutti

Salve...

Secondo me è possibile realizzare tali antenne usando le tecniche di sputtering, in particolare asportando materiale tramite bombardamento di fasci di elettroni accelerati e focalizzati opportunamente.
Tuttavia le dimensioni renderebbero la superficie facile da 'sporcare', ovvero potrebbe accumularsi materiale che ricoprendo la superficie faccia perdere all'insieme le sue caratteristiche. Quindi si dovrebbe ricoprire con uno strato di materiale adatto a far passare le onde che interessano ma che faccia da barriera ad impurità e simili (se poi si frappone fra le varie antenne è ancora meglio), il tutto in una struttura rigida con integrato quello che serve al funzionamento del sistema (anche dissipazione?).

Quoto Elettrorik riguardo il diodo :O quello è un problema grosso...

Edited by Hellblow - 9/3/2006, 01:53

Credo che bisogna trovare qualche superficie assorbente che abbia dei diodi naturali, magari una superficie di origine vegetale .... spremiamoci quello che c'e' da spremere.

Ciao
mariomaggi

da dove cominciamo...............................celeron

ciao rabazon.........in quel link non ci sono misure ma solo questo schema,parla comunque di 1 micron..........

Edited by celerone - 9/3/2006, 11:11

la natura ci è riuscita, forse bisogna prendere spunto da come è fatto funziona l'occhio.

CITAZIONE (Hellblow @ 9/3/2006, 01:50)

Salve...

Secondo me è possibile realizzare tali antenne usando le tecniche di sputtering, in particolare asportando materiale tramite bombardamento di fasci di elettroni accelerati e focalizzati opportunamente.
Tuttavia le dimensioni renderebbero la superficie facile da 'sporcare', ovvero potrebbe accumularsi materiale che ricoprendo la superficie faccia perdere all'insieme le sue caratteristiche. Quindi si dovrebbe ricoprire con uno strato di materiale adatto a far passare le onde che interessano ma che faccia da barriera ad impurità e simili (se poi si frappone fra le varie antenne è ancora meglio), il tutto in una struttura rigida con integrato quello che serve al funzionamento del sistema (anche dissipazione?).

Quoto Elettrorik riguardo il diodo :O quello è un problema grosso...

Credo che la tecnica più facile sia quella dei semiconduttori.
Le tecnologie di maskering sui wafer di silicio arrivano tranquillamente a quelle dimensioni, anche meno.
In effetti l'Ion Implantation è simile allo sputtering, avviene per depositi successivi in ambiente gassoso attraverso delle mascherature che poi vengono rimosse. Ma non solo, grazie al drogaggio per ottenere una giunzione P-N potrebbero essere le antenne stesse i diodi di cui parlavamo. Addirittura pure il condensatore può essere integrato su wafer di Si.

Per la pulizia della superficie, credo che il tutto dovrebbe essere protetto sottovetro vuoto. O forse si può annegare tutto in SiO2.

Edited by ElettroRik - 9/3/2006, 12:21

CITAZIONE(mariomaggi @ 8/3/2006, 12:48)

Avevo gia' buttato l'amo Qui , sono contento che la discussione prosegua.

Ciao
Mario

Haha!!!! Ciao Mario!

Mi sento un po' .... cefalo!

CITAZIONE(Docrates @ 9/3/2006, 08:06)

la natura ci è riuscita, forse bisogna prendere spunto da come è fatto funziona l'occhio.

mmmm.... NI. Oppure SO.

Nel senso che i bastoncelli della retina sono stimolati dalla luce, ma non ne catturano l'energia, se non in minima parte.
Quello già lo facciamo con la tecnologia, vedi i sensori ccd delle fotocamere.
Qui si tratta però di catturarer TUTTA l'energia elettromagnetica contenuta nel fotone, non solo una parte per deterninarne intensità e frequenza (colore).

Ele
Qualcuno mi passo' il sito della Solarnor (Norvegese) che proponeva pannelli solari termici a buoni prezzi, cerco il link e te lo faccio avere sul forum.
Ciao
Ci si sente
MetS

CITAZIONE(Docrates @ 9/3/2006, 08:06)

la natura ci è riuscita, forse bisogna prendere spunto da come è fatto funziona l'occhio.

forse come fanno le piante con la fotosintesi...

Tempo fa stavo buttando giu' un'idea di come ottenere energia elettrica dall'intero spettro della sorgente solare.Era un accrocchio che utilizzava campi magnetici fissi,campi elettrostatici in tubi a vuoto e specchiature rifasanti.Diciamo pure che era un pasticciaccio a matita in un quadernaccio.Certo è che il sistema di conversione luce che avviene nell'occhio umano è più chimico che fisico,al limite potrebbe essere importante analizzare il sistema a matrice di colori che avviene su retina e innervature attigue.In fondo il microfono piezo e gli altoparlanti elettrostatici sono nati a seguito dell'osservazione fisiologica su timpano e corde vocali umane.

ciao amici,
questa discussione è un esempio perfetto .
un esempio pratico che riguarda in qualche modo le discussioni sulla "cattiveria "del mondo verso le nuove idee..
questa della conversione totale dello spettro solare in energia elettrica tramite antenna,
è una buona idea, che è comprensibilissima dal punto di vista teorico, e che sfrutta energia pulita e gratis del sole...
perchè non ha preso piede?
semplicemente perchè non ci sono le tecnologie pratiche per sfruttarla,
non abbiamo le antenne, non abbiamo diodi raddrizzatori capaci di sfruttarla adeguatamente,
in altre parole non abbiamo rendimenti economici ,
poi certo è facile dire, sputtering, wafer,ecc..
ma queste sono tecnologie costose, occorrono laboratori adeguati,
investimenti molto alti,
fuori della portata dei singoli ,
- oggi mettendo insieme pezzi di tecnologie varie, nanotecnologie,
forse tecnologie suille cellule,
possiamo sperare forse di portare i rendimenti a livelli interessanti..
ma a costo di sperimentazioni lunghe e complesse..

altra cosa riguarda la f.f. dove addirittura non abbiamo un modello teorico adeguato, e dove le ricerche sono a un punto tale che basta un piccolissimo laboratorio individuale da garage per individuare nuovi effetti, tipo remond,

spero che non sarò censurato come al solito, qui se l'opinione è diversa da quella dei moderatori, non sei contestato, sei semplicemente insultato ed epurato, come le buone vecchie abitudini dei soviet
saluti

CITAZIONE

spero che non sarò censurato come al solito, qui se l'opinione è diversa da quella dei moderatori, non sei contestato, sei semplicemente insultato ed epurato, come le buone vecchie abitudini dei soviet

Rabazon, se non blateri robaccia non ti censura nessuno. Ti ricordo che le regole del forum ora sono molto ferree, rispettale e vedrai che potrai dire quello che vuoi.

Riguardo la tecnologia, si è costosa e per ora improponibile commercialmente, solita vecchia storia. Inoltre abbiamo falle dovute proprio a quei diodi raddrizzatori. Ciò non vuol dire ch ein un laboratorio ben attrezzato non si possa fare.

dear hell,
naturalmente blaterare robaccia è un giudizio tuo,
magari anche di altri del forum, ma se li lasciassi decidere...
comunque adesso farò una cosa dove almeno ci prendi.
un bel copia incolla,forse questo è il nuovo modo di ricerca..
riguarda le antenne solari..

Le nanotecnologie

Vanno sotto questo nome le attività tecnologiche che hanno per oggetto la manipolazione di materiali aventi dimensioni piccolissime, appunto dell'ordine del nanometro (10-9m), cioè del miliardesimo di metro o del milionesimo di millimetro.

Limitandoci a considerare i materiali semiconduttori, si osserva che particelle di dimensioni nanometriche contengono un numero di atomi dell'ordine di 10-100 unità. Questi agglomerati atomici conservano la loro struttura cristallina e per questo vengono chiamati nanocristalli. Tuttavia, l'applicazione della meccanica quantistica porta in questo caso a significative differenze nella determinazione degli stati energetici permessi agli elettroni di valenza rispetto alla situazione dello stesso materiale quando è in forma massiccia. E' ancora presente una struttura di bande, ma i livelli energetici all'interno della banda sono tra loro separati. Tra le varie conseguenze, questo fatto porta a un allargamento della banda proibita, cosicché il nano cristallo, anche se da un punto di vista chimico è sempre costituito dallo stesso materiale, possiede proprietà optoelettroniche abbastanza diverse. Per esempio, tutti sanno che il silicio ha una banda proibita di 1.1 elettronvolt (eV): ebbene il suo corrispettivo come nanocristallo può arrivare fino 1.5 eV. Il fatto interessante è che la larghezza della nuova banda proibita dipende dalle dimensioni del nanocristallo, cioè dal numero di atomi che lo costituiscono. Si ha, cioè, la possibilità pratica di modulare (entro certi limiti) le proprietà optoelettroniche dei semiconduttori di partenza mediante il controllo delle dimensioni dei nanocristalli.

Diviene così possibile progettare una nuova serie di materiali dalle proprietà fisiche adattabili alle esigenze della tecnologia. Per l'uso strumentale che fa della meccanica quantistica, nasce la cosiddetta "ingegneria quantistica dei materiali", più brevemente indicata come "ingegneria delle bande". Dal momento infine che il comportamento fisico dei nanocristalli non potrebbe essere descritto senza il ricorso alla meccanica quantistica, questi piccoli aggregati atomici, quasi puntiformi, sono stati chiamati con il termine inglese di quantum dots o, in italiano, "nanocristalli quantistici".

Ma veniamo al significato per il fotovoltaico dei quantum dots. Si ricorda che proprio per l'effetto fotoelettrico ogni semiconduttore riesce a sfruttare per la conversione fotovoltaica soltanto i fotoni che hanno energia superiore alla banda proibita. In particolare il silicio è sensibile soltanto alle radiazioni dello spettro solare che hanno lunghezza d'onda inferiore a 1.14 micron, cioè a una stretta fascia di componenti dello spettro, quelle che vanno dal violetto all'arancione. Per tutta la parte dello spettro che va dal rosso all'infrarosso vicino e lontano, il silicio risulta praticamente trasparente. In conclusione, il silicio riesce a sfruttare per la conversione fotovoltaica soltanto una parte piccola dello spettro solare, all'incirca il 40 per cento del totale. E' evidente allora che l'efficienza di conversione delle celle al silicio parte penalizzata da questo taglio iniziale e ciò si traduce nel fatto che il limite teorico massimo per l'efficienza raggiunge soltanto il 27 per cento. Il valore sperimentale massimo del 24.7 per cento raggiunto faticosamente in laboratorio nel corso degli anni testimonia della presenza di questo limite [5].

Per poter utilizzare anche il restante 60 per cento dell'energia contenuta nello spettro solare, si è fatto finora ricorso all'artificio delle celle multigiunzione. Il concetto consiste nel far assorbire la radiazione solare da un dispositivo costituito da un gruppo di celle poste in cascata, in modo che ciascuna cella (realizzata con un diverso semiconduttore) possa sfruttare al meglio una fetta dello spettro solare lasciandosi attraversare dalla parte rimanente, che a sua volta potrà essere sfruttata dalle altre celle. In teoria, si può pensare di realizzare un dispositivo ideale, costituito da un numero grandissimo di celle sovrapposte, ciascuna delle quali sia accoppiata a una fetta sottilissima dello spettro solare. L'efficienza teorica massima per un tale dispositivo, calcolata mediante la termodinamica, ha un valore intorno all'86 per cento [6]. Nella pratica, il concetto multigiunzione è stato ampiamente provato, avendo realizzato il record dell'efficienza di conversione del 34 per cento con un dispositivo costituito da tre celle sovrapposte realizzate con arseniuro di gallio, con fosfuro d'indio e gallio e con germanio. La tecnologia di fabbricazione del dispositivo è talmente costosa da imporne l'uso soltanto in connessione ai concentratori solari ad alta concentrazione. Inoltre, il passaggio successivo per l'aggiunta di una quarta cella onde aumentare ulteriormente l'efficienza si sta dimostrando tecnologicamente molto difficile, per cui non si pensa che sia possibile industrializzare il processo in modo economicamente competitivo. Tuttavia, a prescindere dal costo, rimane il fatto che il concetto dei dispositivi multigiunzione, oltre a essere attraente sul piano teorico, funziona anche bene sul piano della pratica tecnica.

A questo punto, torniamo ai quantum dots. Si è visto come, attraverso le nanotecnologie, sia possibile modificare le caratteristiche optoelettroniche dei semiconduttori naturali, ottenendo nuovi materiali dalle caratteristiche fotovoltaiche modellabili, entro certi limiti, a piacere. In pratica, esiste la possibilità di riuscire a realizzare nel prossimo futuro nanocristalli quantistici di vari semiconduttori, progettati in modo da essere accoppiabili a tutte le frequenze dello spettro solare. La deposizione dei nanocristalli in strati sottili sovrapposti con le stesse tecnologie utilizzate finora per i semiconduttori in film permetterebbe, in teoria, di ottenere dispositivi fotovoltaici multigiunzione di grande area, in grado di catturare la maggior parte delle componenti dello spettro solare. Per questi dispositivi innovativi, si è stimato che l'efficienza di conversione possa raggiungere valori intorno al 40 per cento (a livello di modulo fotovoltaico) con costi di materiale e di realizzazione bassi. Storicamente la tecnologia fotovoltaica delle celle al silicio cristallino è stata detta di prima generazione, mentre quella dei film sottili di silicio amorfo, di tellururo di cadmio e diseleniuro di indio e rame viene indicata come di seconda generazione. La tecnologia dei quantum dots, che è appena iniziata, costituisce la terza generazione dei dispositivi fotovoltaici [7, 8]. Essa, ancora più delle precedenti, deriva direttamente dalle conoscenze di meccanica quantistica, che furono avviate da Einstein con l'intuizione del fotone.

Moderazione:

CITAZIONE

naturalmente blaterare robaccia è un giudizio tuo,

No, col sistema che sto adottando il giudizio è di tutti i moderatori, onde evitare la centralizzazione della moderazione della sezione nelle sole mie mani.

Ti invito a postare lo stesso messaggio rabazon in nanotecnologie, essendo questo argomento li trattato. Questo lo puoi anche lasciare qui dato che potrebbe servire ed è collegato all'argomento.
Grazie.

Edited by Hellblow - 12/3/2006, 16:21