Come ben sappiamo, la tecnologia fotovoltaica converte in energia elettrica la regione visibile dello spettro della radiazione solare.
Ma le tecniche fotovoltaiche sono in grado di produrre energia elettrica anche a partire dalla radiazione infrarossa, vale a dire dal calore radiante generato da una fonte di energia (combustibile fossile, radiazione solare ecc..).
Questa tecnica meno nota è detta termofotovoltaica.
La tecnologia termofotovoltaica consiste in una sorgente di calore radiante accoppiata con un radiatore che è un materiale che emette, per effetto della radiazione infrarossa emessa dalla sorgente, particolari lunghezze d'onda infrarosse.
Un apparato semiconduttore (convertitore), costituito da una serie di celle collegate, converte le particolari lunghezze d'onda infrarosse emesse dal radiatore in energia elettrica che viene immessa in un circuito per produrre lavoro utile oppure direttamente nella rete elettrica nazionale.
Ma le tecniche fotovoltaiche sono in grado di produrre energia elettrica anche a partire dalla radiazione infrarossa, vale a dire dal calore radiante generato da una fonte di energia (combustibile fossile, radiazione solare ecc..).
Questa tecnica meno nota è detta termofotovoltaica.
La tecnologia termofotovoltaica consiste in una sorgente di calore radiante accoppiata con un radiatore che è un materiale che emette, per effetto della radiazione infrarossa emessa dalla sorgente, particolari lunghezze d'onda infrarosse.
Un apparato semiconduttore (convertitore), costituito da una serie di celle collegate, converte le particolari lunghezze d'onda infrarosse emesse dal radiatore in energia elettrica che viene immessa in un circuito per produrre lavoro utile oppure direttamente nella rete elettrica nazionale.
La fonte di calore per un sistema termofotovoltaico potrebbe essere di vario tipo, dai bruciatori a combustibile fossile alla luce solare, fino a una reazione di fissione nucleare.
In realtà, il maggior numero di sistemi in fase di sviluppo usa bruciatori alimentati da combustibili fossili.
L'energia solare può essere utilizzata per alimentare un generatore termofotovoltaico ma deve essere portata a intensità elevata da apparecchi concentratori e allo stato attuale questi concentratori sono ai primi stadi di sviluppo, con dimensioni decisamente eccessive per un impiego pratico.
L'opzione nucleare è al momento da escludersi per via dei ancora diffusi timori dell'opinione pubblica, anche se le cose stanno lentamente cambiando.
Quindi allo stato attuale la tecnologia termofotovoltaica che offre più prospettive pratiche è quella che utilizza bruciatori alimenati da combustibili fossili.
In questa tecnologia i radiatori sono più che mai necessari perchè il convertitore non è in grado di utilizzare con efficienza la regione dell'infrarosso prodotta dal combustibile bruciato.
I convertitori infatti possono operare in modo efficiente solo entro un intervallo specifico di lunghezze d'onda, mentre il calore prodotto da una fiamma emette radiazione infrarossa a lunghezza d'onda e intensità che possono variare in modo imprevedibile (in quanto la fiamma è soggetta a correnti d'aria e variazioni d'intensità).
I radiatori quindi trasformano il calore radiante emesso dal bruciatore in un intervallo ben definito di lunghezze d'onda di intensità uniforme che può essere utilizzato dal convertitore per produrre energia elettrica.
I progressi nei materiali di cui sono fatti i convertitori hanno permesso di produrre convertitori che si adattano nel modo migliore all'intervallo di lunghezze d'onda emesse da un determinato radiatore.
In passato l'assenza di appropriate combinazioni radiatore-convertitore aveva ostacolato lo sviluppo di questa tecnologia.
La prima generazione di apparecchiature termofotovoltaiche usava radiatori che producevano una banda ristretta di lunghezze d'onda.
In teoria un radiatore selettivo, cioè che emette una banda ristretta di lunghezze d'onda, dovrebbe essere più efficiente dei tipi a spettro più ampio (a banda larga).
In pratica, però, non hanno mai funzionato secondo le previsioni in quanto non riescono ad emettere una frazione sufficiente di energia, fornita dal combustibile, alla lunghezza d'onda esatta richiesta da un materiale come il silicio.
Per ottenere una potenza d'uscita accettabile occorrerebbe raggiungere temperature dell'ordine di 2000 gradi Celsius, ma il calore molto intenso può alterare il materiale del radiatore e di altre componenti abbreviando la vita utile del dispositivo, e per di più, dalla combustione a queste temperature elevate possono derivare emissioni inquinanti di ossidi d'azoto.
Le tecniche termofotovoltaiche hanno compiuto progressi perchè si è imparato ad accoppiare radiatori che emettono una banda di lunghezze d'onda relativamente larga con semiconduttori in grado di trattare uno spettro così ampio.
Radiatori a larga banda, come il carburo di silicio, sono in grado di operare efficientemente a temperature non superiori a 1000 gradi Celsius.
Materiali semiconduttori impiegati nell'industria dell'energia solare e appartenenti alla terza e quinta colonna del sistema periodico degli elementi, come l'antimoniuro di gallio e l'arseniuro di indio e gallio, effettuano la conversione fotovoltaica alle lunghezze d'onda emesse da questi radiatori.
Purtroppo nessun sistema fotovoltaico può convertire tutta l'energia infrarossa in elettricità e i fotoni non utilizzati diventano calore dissipato, a meno che non si trovi un mezzo per sfruttarli attraverso un dispositivo che rimandi al radiatore i fotoni di energia troppo bassa; questi verrebbero riassorbiti contribuendo a mantenere caldo il radiatore e a risparmiare energia.
Sebbene sia ancora nella sua infanzia, la tecnologia termofotovoltaica appare estremamente promettente.
Il recupero del calore emesso nei processi industriali potrebbe creare un enorme mercato per i sistemi termofotovoltaici.
Molte industrie, che operano per esempio nel settore del vetro, dell'alluminio, dell'acciaio, generano enormi quantità di calore nel caso dei processi produttivi.
Si stima che due terzi dell'energia consumata dall'industria del vetro vengano dispersi sotto forma di calore per un quantitativo che potrebbe arrivare a 1GW.
I convertitori termofotovoltaici potrebbero dunque venire utilizzati per produrre elettricità dal calore dissipato, con enormi vantaggi.
In realtà, il maggior numero di sistemi in fase di sviluppo usa bruciatori alimentati da combustibili fossili.
L'energia solare può essere utilizzata per alimentare un generatore termofotovoltaico ma deve essere portata a intensità elevata da apparecchi concentratori e allo stato attuale questi concentratori sono ai primi stadi di sviluppo, con dimensioni decisamente eccessive per un impiego pratico.
L'opzione nucleare è al momento da escludersi per via dei ancora diffusi timori dell'opinione pubblica, anche se le cose stanno lentamente cambiando.
Quindi allo stato attuale la tecnologia termofotovoltaica che offre più prospettive pratiche è quella che utilizza bruciatori alimenati da combustibili fossili.
In questa tecnologia i radiatori sono più che mai necessari perchè il convertitore non è in grado di utilizzare con efficienza la regione dell'infrarosso prodotta dal combustibile bruciato.
I convertitori infatti possono operare in modo efficiente solo entro un intervallo specifico di lunghezze d'onda, mentre il calore prodotto da una fiamma emette radiazione infrarossa a lunghezza d'onda e intensità che possono variare in modo imprevedibile (in quanto la fiamma è soggetta a correnti d'aria e variazioni d'intensità).
I radiatori quindi trasformano il calore radiante emesso dal bruciatore in un intervallo ben definito di lunghezze d'onda di intensità uniforme che può essere utilizzato dal convertitore per produrre energia elettrica.
I progressi nei materiali di cui sono fatti i convertitori hanno permesso di produrre convertitori che si adattano nel modo migliore all'intervallo di lunghezze d'onda emesse da un determinato radiatore.
In passato l'assenza di appropriate combinazioni radiatore-convertitore aveva ostacolato lo sviluppo di questa tecnologia.
La prima generazione di apparecchiature termofotovoltaiche usava radiatori che producevano una banda ristretta di lunghezze d'onda.
In teoria un radiatore selettivo, cioè che emette una banda ristretta di lunghezze d'onda, dovrebbe essere più efficiente dei tipi a spettro più ampio (a banda larga).
In pratica, però, non hanno mai funzionato secondo le previsioni in quanto non riescono ad emettere una frazione sufficiente di energia, fornita dal combustibile, alla lunghezza d'onda esatta richiesta da un materiale come il silicio.
Per ottenere una potenza d'uscita accettabile occorrerebbe raggiungere temperature dell'ordine di 2000 gradi Celsius, ma il calore molto intenso può alterare il materiale del radiatore e di altre componenti abbreviando la vita utile del dispositivo, e per di più, dalla combustione a queste temperature elevate possono derivare emissioni inquinanti di ossidi d'azoto.
Le tecniche termofotovoltaiche hanno compiuto progressi perchè si è imparato ad accoppiare radiatori che emettono una banda di lunghezze d'onda relativamente larga con semiconduttori in grado di trattare uno spettro così ampio.
Radiatori a larga banda, come il carburo di silicio, sono in grado di operare efficientemente a temperature non superiori a 1000 gradi Celsius.
Materiali semiconduttori impiegati nell'industria dell'energia solare e appartenenti alla terza e quinta colonna del sistema periodico degli elementi, come l'antimoniuro di gallio e l'arseniuro di indio e gallio, effettuano la conversione fotovoltaica alle lunghezze d'onda emesse da questi radiatori.
Purtroppo nessun sistema fotovoltaico può convertire tutta l'energia infrarossa in elettricità e i fotoni non utilizzati diventano calore dissipato, a meno che non si trovi un mezzo per sfruttarli attraverso un dispositivo che rimandi al radiatore i fotoni di energia troppo bassa; questi verrebbero riassorbiti contribuendo a mantenere caldo il radiatore e a risparmiare energia.
Sebbene sia ancora nella sua infanzia, la tecnologia termofotovoltaica appare estremamente promettente.
Il recupero del calore emesso nei processi industriali potrebbe creare un enorme mercato per i sistemi termofotovoltaici.
Molte industrie, che operano per esempio nel settore del vetro, dell'alluminio, dell'acciaio, generano enormi quantità di calore nel caso dei processi produttivi.
Si stima che due terzi dell'energia consumata dall'industria del vetro vengano dispersi sotto forma di calore per un quantitativo che potrebbe arrivare a 1GW.
I convertitori termofotovoltaici potrebbero dunque venire utilizzati per produrre elettricità dal calore dissipato, con enormi vantaggi.