Pannelli solari, energia, potenza. Ecco cosa si deve sapere.

Pannelli solari, energia, potenza. Ecco cosa si deve sapere.

Panelli solari

Tutti parliamo di pannelli solari e di come ci possono rendere indipendemti energeticamente. Ma

Ma procediamo con ordine. 

Un problema molto diffuso è che molte persone non sanno la differenza tra potenza ed energia.

Partiamo con l’energia. L’unità di misura standard dell’energia è il Joule, simbolo J.

1 J equivale al lavoro che viene compiuto da una forza di 1 Newton (1 N) per spostare una massa per una distanza di 1 metro nella direzone della forza stessa, ed è anche l’energia dissipata quando una corrente di 1 Ampere passa attraverso una resistenza di 1 Ohm per 1 secondo.

La potenza è invece un flusso di energia, e l’unità di misura standard è il Watt, simbolo W.

1 W equivale ad 1 J di energia liberata in 1 secondo, quindi 1 W = 1 J/1s.

Che cos’è quindi il Wh (Wattora)?

Siccome 1 W = 1 J/1s, se noi moltiplichiamo di nuovo i W per un’unità di tempo, “watt per ora” appunto, otteniamo di nuovo un’energia. Siccome 1 ora (h) è costituita da 3.600 secondi, viene fuori che 1 Wh corrisponde a 3.600 J di energia.

Chiara la differenza tra potenza ed energia? Se non lo è, rileggere quanto scritto qui sopra qualche volta in più, se invece è chiara possiamo procedere.

Venendo alle utenze domestiche, normalmente quella che si ha è una limitazione nella potenza, non nell’energia! E questa potenza è espressa in kW (1 kW = 1.000 W), non in kWh! I kWh, che è una unità di energia, dipendono da quanta potenza usi e per quanto tempo. Quindi, ad esempio, se usi sempre una potenza di 3 kW per 24h al giorno, avrai un consumo energetico giornaliero di 3 kW * 24h = 72 kWh. Se continui così per tutto l’anno, alla fine avrai consumato 26.280 kWh. Basta che cacci i soldi, e va tutto bene.

Arrivando finalmente ai pannelli solari, i pannelli di ultima generazione hanno una resa di circa 175 W per metro quadrato.

Per arrivare a 3 kW di metri quadri ne servono quindi circa 17. Ma occhio a non farti fregare! Perché 175 W/m2 è l’efficienza nominale, ma l’efficienza reale dipende da molti fattori:

  • da quanto bene sono orientati rispetto al Sole
  • da quanto li tieni puliti
  • dal meteo (se è sempre nuvoloso producono molto meno)
  • dal periodo dell’anno (in inverno producono meno che in estate)
  • dall’ora del giorno (di notte producono ZERO)
  • dalla latitudine e dall’altitudine a cui vivi

Tutti fattori che ridurranno inevitabilmente l’efficienza nominale. Inoltre, a meno che non si abbiano delle batterie belle grosse per la casa (molto costose), non si riuscirà ad essere totalmente indipendente dalla rete con i soli pannelli solari, nemmeno se di metri quadri ne metti 200.

Questo è il grosso limite delle fonti rinnovabili, specialmente del solare fotovoltaico. In apparenza sembra un concetto molto semplice da capire, ma evidentemente non lo è e non lo capiscono nemmeno agli altissimi livelli dei governi .

Il 100% rinnovabile non esiste, specialmente in stati che non hanno molto vento e nemmeno sufficiente idroelettrico e geotermico.

 

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Scoperto materiale solido che “converte” i fotoni della luce visibile in fotoni della luce UV potrebbe cambiare il modo in cui utilizziamo la luce solare

Scoperto materiale solido che “converte” i fotoni della luce visibile in fotoni della luce UV potrebbe cambiare il modo in cui utilizziamo la luce solare

Il materiale solido che "converte" i fotoni della luce visibile in fotoni della luce UV potrebbe cambiare il modo in cui utilizziamo la luce solare
Credito: Prof. Yoichi Murakami

L’importanza dell’energia solare come risorsa energetica rinnovabile è in aumento. La luce solare contiene luce UV ad alta energia con una lunghezza d’onda inferiore a 400 nm, che può essere ampiamente utilizzata, ad esempio, per la fotopolimerizzazione per formare una resina e l’attivazione di fotocatalizzatori per guidare reazioni che generano idrogeno verde o idrocarburi utili (combustibili, zuccheri, olefine , eccetera.). Quest’ultima è spesso chiamata “fotosintesi artificiale”. La reazione fotocatalitica mediante luce UV per uccidere efficacemente virus e batteri è un’altra importante applicazione. Sfortunatamente, solo il 4% circa della luce solare terrestre rientra nella gamma UV nello spettro elettromagnetico. Ciò lascia una grande porzione dello spettro solare non sfruttata per questi scopi.

Photon upconversion (UC) potrebbe essere la chiave per risolvere questo problema. È il processo di conversione di fotoni a lunghezza d’onda lunga e bassa energia (come quelli presenti nella luce visibile ) in fotoni a lunghezza d’onda corta e alta energia (come quelli presenti nella luce UV) attraverso un processo chiamato “annichilazione tripletto-tripletto”. ” (TTA). Il lavoro precedente in questo campo ha riportato UC da visibile a UV utilizzando soluzioni di solventi organici che richiedevano che la soluzione fosse prima deossigenata e poi sigillata in un contenitore ermetico per prevenire l’esposizione all’ossigeno che disattivava e degradava i campioni di UC di fotoni basati su TTA. Questi materiali non solo mancavano di fotostabilità in presenza di ossigeno, ma non riuscivano nemmeno a funzionare efficacemente con luce incidente di intensità solare. Questi problemi hanno presentato ostacoli nelle applicazioni pratiche del fotone UC.

Ora, due scienziati della Tokyo Tech, il prof. Yoichi Murakami e il suo studente laureato Riku Enomoto hanno trovato una soluzione a questi problemi: una pellicola solida rivoluzionaria in grado di eseguire UC di fotoni da visibile a UV per luce incidente debole, pur rimanendo fotostabile per una quantità di tempo senza precedenti nell’aria. Descrivono questa invenzione rivoluzionaria nel loro articolo pubblicato sul Journal of Materials Chemistry C.

Il Prof. Murakami spiega la novità della loro ricerca: “La nostra invenzione consentirà l’utilizzo pratico della parte visibile della luce a bassa intensità, come la luce solare e la luce della stanza a LED, per applicazioni che vengono effettivamente eseguite con la luce UV. E la sua fotostabilità— dimostrato di essere almeno superiore a 100 ore, anche in presenza di aria, è il più alto mai riportato in qualsiasi materiale UC di fotoni basato su TTA, indipendentemente dalla forma del materiale, fintanto che abbiamo potuto rilevare”.

Oltre a questa fotostabilità record, queste pellicole avevano una soglia di eccitazione estremamente bassa (solo 0,3 volte l’intensità del sole) e un’elevata resa quantica UC del 4,3% (efficienza di emissione UC normalizzata dell’8,6%)—entrambi in presenza di aria—rendendo questo materiale unico nel suo genere, poiché la maggior parte dei materiali di questa classe perde la capacità UC dei fotoni se esposta all’aria.

Per preparare questo materiale, i ricercatori hanno fuso insieme un sensibilizzatore (cioè un cromoforo molecolare in grado di assorbire fotoni di lunghezza d’onda maggiore) con una quantità molto maggiore di un annichilatore (cioè una molecola organica che riceveva l’energia eccitata dalla tripletta dal sensibilizzatore e quindi causava il processo TTA); la combinazione del sensibilizzatore e dell’annichilatore è stata selezionata dai ricercatori. Questa fusione bicomponente è stata quindi raffreddata su una superficie a gradiente di temperatura controllata per formare un film sottile UC di fotoni visibili a UV allo stato solido.

Questa nuova tecnica , la solidificazione del gradiente di temperatura, è altamente controllabile e riproducibile, il che significa che è compatibile con processi industriali realistici. Il Prof. Murakami ci dice: “Riteniamo che la solidificazione a temperatura controllata possa fornire una solida base per lo sviluppo di film UC di fotoni avanzati, anche su un substrato solido senza l’utilizzo di solventi organici , come dimostrato per la prima volta da questo lavoro”.

Infine, per dimostrare il fotone da visibile a UV UC del film sottile, i ricercatori lo hanno usato con una luce solare simulata di intensità 1 solare costituita solo da luce visibile per polimerizzare e solidificare con successo una resina che altrimenti richiederebbe la luce UV per il stesso processo.

Questo studio ha presentato, per la prima volta, una nuova classe di solidi UC con una fotostabilità senza precedenti che può essere realisticamente utilizzata per l’upconversion di fotoni di luce visibile a bassa intensità in fotoni di luce UV in presenza di aria.

“La nostra ricerca non solo amplierà l’esplorazione di una nuova classe di materiali che generano luce UV, ma aiuterà anche ad ampliare sostanzialmente l’utilità dell’abbondante luce visibile debole verso applicazioni guidate dalla luce UV”, conclude il prof. Murakami.

 

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Ora tutti possono costruire dispositivi elettronici senza batteria

Ora tutti possono costruire dispositivi elettronici senza batteria

Credito: Northwestern University

L’anno scorso, gli ingegneri informatici della Northwestern University e della Delft University of Technology (TU Delft) hanno introdotto il primo Game Boy al mondo senza batteria, che raccoglie sia l’energia solare che l’energia cinetica dell’utente dalla pressione dei pulsanti per alimentare una durata illimitata di gioco.

Lo stesso team ora introduce una nuova piattaforma che consente a produttori, hobbisti e programmatori alle prime armi di costruire i propri dispositivi elettronici senza batteria che funzionano con energia intermittente e raccolta.

Chiamato BFree, il sistema include hardware per la raccolta dell’energia (BFree Shield) e una versione di Python resistente alle interruzioni di corrente, uno dei linguaggi di programmazione più accessibili e più utilizzati. Tutto ciò di cui l’utente ha bisogno è una conoscenza di base di Python per trasformare rapidamente e facilmente qualsiasi dispositivo intelligente fai-da-te (DIY) in una versione senza batteria. Con questa tecnologia, i programmatori alle prime armi possono ora trasformare il loro sensore di movimento a batteria fai da te, ad esempio, in un sensore a energia solare con una durata infinita.

La ricerca è stata presentata virtualmente a UbiComp 2021, la principale conferenza per l’ubiquitous computing. Gli utenti possono trovare istruzioni su come creare e utilizzare la nuova tecnologia su GitHub .

‘Fare la domanda sbagliata’

“In questo momento, è praticamente impossibile per gli hobbisti sviluppare dispositivi con hardware senza batteria, quindi volevamo democratizzare la nostra piattaforma senza batteria”, ha affermato Josiah Hester di Northwestern, che ha co-diretto il lavoro. “I produttori di Internet stanno chiedendo come prolungare la durata della batteria dei loro dispositivi. Stanno facendo la domanda sbagliata. Vogliamo che si dimentichino della batteria e pensino invece a modi più sostenibili per generare energia”.

“La comunità dei produttori è in genere più interessata a implementare rapidamente i propri dispositivi e questa rapidità non sempre va d’accordo con la sostenibilità”, ha affermato Przemyslaw Pawelczak di TU Delft, che ha co-diretto il lavoro con Hester. “Volevamo progettare un prodotto praticabile che potesse connettere questi due mondi”.

Hester è un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica e informatica presso la McCormick School of Engineering della Northwestern. È anche Allen K. e Johnnie Cordell Breed Junior Professor of Design. Pawelczak è un assistente professore nell’Embedded and Network Systems Group della TU Delft, dove dirige il Sustainable Systems Laboratory. Il loro team include Ph.D. candidati Vito Kortbeek, Abu Baker e Stefany Cruz.

Un’estensione incentrata sulla tecnologia della cultura fai-da-te, il Maker Movement comprende un gruppo eterogeneo di inventori, designer e programmatori di computer che costruiscono il proprio hardware e software per dispositivi elettronici, inclusi sensori di movimento, display, attuatori e altro ancora. In combinazione con il cloud computing, la capacità di sviluppare dispositivi veloci, economici e connessi consente l’Internet of Things (IoT). Questi fai-da-te realizzano di tutto, dai dispositivi di automazione domestica alle stazioni meteorologiche e tutto il resto.

Mentre il numero crescente di persone in grado di costruire e programmare dispositivi presenta un entusiasmante futuro per la tecnologia, Hester, Pawelczak e il loro team sono scoraggiati dal numero di batterie che verranno utilizzate e alla fine finiranno nelle discariche.

“Molte persone prevedono che avremo un trilione di dispositivi in ​​questo IoT”, ha detto Hester. “Ciò significa un trilione di batterie scariche o 100 milioni di persone che sostituiscono una batteria scarica ogni pochi minuti. Ciò presenta un terribile costo ecologico per l’ambiente. Quello che stiamo facendo, invece, è davvero dare energia alle persone. Vogliamo che tutti lo siano in grado di programmare i dispositivi senza sforzo in un modo più sostenibile.”

‘Invisibile’ per l’utente

Ma rinunciare semplicemente a una batteria non è così semplice come potrebbe sembrare. Quando i dispositivi bypassano la batteria e si affidano invece alla raccolta di energia, l’ alimentazione non è più costante. Se il sole va dietro una nuvola, ad esempio, l’energia solare potrebbe essere temporaneamente interrotta.

Con BFree, i ricercatori hanno risolto questo problema. La tecnologia consente ai dispositivi di funzionare perennemente con energia intermittente. Quando l’alimentazione viene interrotta, BFree mette in pausa i calcoli. Quando viene ripristinata l’alimentazione, riprende automaticamente da dove era stata interrotta senza perdere memoria o dover eseguire un lungo elenco di operazioni prima di riavviarsi. Ciò non solo consente di risparmiare energia, ma la tecnologia è anche più intuitiva per l’utente rispetto ai programmi tradizionali, che perdono completamente la memoria di ciò che è accaduto immediatamente prima di un’interruzione di corrente e devono ricominciare dall’inizio.

Per rendere il processo facile da usare, i ricercatori hanno codificato BFree con un software per interpretare i programmi Python per dispositivi senza batteria. Un utente deve solo collegare BFree Shield alla piattaforma del produttore Adafruit Metro M0 (o modificarlo leggermente per funzionare con altre piattaforme basate su CircuitPython) e quindi programmare il dispositivo come farebbe normalmente. Il software BFree si occupa del resto, consentendo al programma di funzionare senza batterie, esclusivamente dall’energia accumulata, e di funzionare perennemente in caso di interruzioni di corrente.

“Volevamo renderlo totalmente invisibile per l’utente finale”, ha affermato Kortbeek, che è un Ph.D. candidato nel gruppo di Pawelczak. “Quindi, abbiamo cercato di mantenere la stessa esperienza originale del dispositivo senza che l’utente vedesse come abbiamo modificato il software per interpretare i file Python per una tecnologia senza batteria “.

“Ora tutti possono costruire e programmare dispositivi intelligenti e sostenibili”, ha affermato Hester. “Questo rende la visione futura dell’ubiquitous computing più sostenibile, utile e rispettosa dell’ambiente”.

 

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