I pannelli solari possono funzionare con la luce artificiale. Tuttavia, le loro prestazioni e la produzione di energia non saranno mai così elevate come se fossero esposte alla luce solare. La produzione di energia del pannello solare varierà anche a seconda del tipo di lampadina, del tipo di luce (calda o fredda), dell’intensità e della lunghezza d’onda della luce artificiale.
Analizziamo alcuni di questi fatti per darti un buon riferimento dell’impatto della luce artificiale sulle prestazioni dell’energia solare. In primo luogo, dobbiamo affrontare alcuni fattori tecnici.
Radiazione solare e spettro luminoso
La radiazione solare è la principale fonte di energia utilizzata dai pannelli solari per generare elettricità. Possiamo descriverlo come il trasferimento di energia dal Sole attraverso un insieme di radiazioni elettromagnetiche che si distribuiscono in uno spettro luminoso che va dall’ultravioletto all’infrarosso.
Lo spettro della radiazione solare può essere suddiviso in più regioni in base alle lunghezze d’onda delle onde elettromagnetiche che raggiungono la Terra, come si può vedere nella figura sottostante:
Dalla figura sopra, possiamo notare che i valori di irradiazione più elevati possono essere ottenuti nella regione della luce visibile. Questa regione contiene tutti i colori dell’arcobaleno e include lunghezze d’onda che vanno da 400 a 700 nm. Dopo la lunghezza d’onda di 700 nm, non c’è più luce visibile ma lunghezze d’onda infrarosse. Questa sezione dello spettro solare fornisce il calore nella Terra ed è lo spettro di radiazione che un riscaldatore per piscina ad energia solare o una coperta per piscina solare utilizzerebbe per riscaldare l’acqua della piscina in una casa.
Sulla base di questo approccio, la maggior parte dei produttori di pannelli solari si concentra sulla massimizzazione dell’assorbimento della luce all’interno della regione visibile. Tuttavia, i pannelli solari possono anche essere progettati per assorbire la luce in lunghezze d’onda più ampie. Come possiamo vedere di seguito, alcune delle più comuni tecnologie di pannelli solari, come i moduli monocristallini e policristallini , sono in grado di coprire una gamma più ampia di lunghezze d’onda inclusa la luce visibile. Possono anche includere lunghezze d’onda nella regione del vicino infrarosso (fino a 1200 nm). Anche altre popolari tecnologie a film sottile come CIGS e CdTe possono coprire queste regioni, sebbene con minore efficienza. Amorphous (a-Si), Gallio Arsenide (GaAs), Dye-Sensitized (DSSC) e Organic Solar Cells sono principalmente limitati alla regione visibile della luce.
Come puoi vedere, ci sono altre lunghezze d’onda della luce che possono essere utilizzate anche da grandi tecnologie disponibili in commercio come i moduli di silicio per sfruttare l’elettricità. Pertanto, possiamo chiederci, è possibile che i pannelli solari possano sfruttare l’elettricità da altre fonti di luce, come lampadine a incandescenza o fluorescenti?
Luce artificiale
Una lampada a incandescenza è composta da un palloncino di vetro in cui un filamento viene riscaldato ad alte temperature (da 2.000 a 3.000 K) ed è generalmente definita all’interno di uno spettro di lunghezze d’onda di 300-830 nm, con il suo picco nella regione della luce infrarossa. Pertanto, se i pannelli solari possono estrarre energia da lunghezze d’onda da 300 nm a 1.200 nm, allora è logico pensare che i pannelli solari potrebbero estrarre energia da questa fonte.
D’altra parte, le luci fluorescenti sono state definite e progettate per essere collocate all’interno della regione visibile della luce. Esistono molti tipi di lampade fluorescenti (circa 12) progettate utilizzando tecnologie diverse. Tuttavia, la maggior parte di loro utilizza gas caricati elettricamente, come il mercurio, per creare un percorso per il flusso di una corrente. A sua volta, questo porterà un fosforo a fluorescenza e a creare luce visibile. Questa tecnologia si concentra sulla banda inferiore dello spettro della luce visibile che produce una bassa luce ultravioletta.
Le tecnologie LED e ad alogenuri metallici sono anche altre comuni fonti di luce artificiale. Le lampade ad alogenuri metallici sono lampade a scarica ad alta pressione che utilizzano un arco elettrico in una miscela gassosa di mercurio vaporizzato e ioduri metallici per produrre luce in un ampio spettro. D’altra parte, i diodi a emissione di luce (LED) sono lampade a stato solido che utilizzano l’elettroluminescenza di un bandgap (una barriera che limita gli elettroni all’interno di un materiale) per emettere luce. Possono essere suddivisi in tecnologie fredde e calde.
Secondo uno studio di ricerca condotto presso l’Università di Ghent in Belgio, possiamo visualizzare le gamme di lunghezze d’onda tipiche di tutte le tecnologie di luce artificiale scalate a 500 lux.
Irradianza dello spettro rispetto agli intervalli di lunghezza d’onda della luce in diverse lampade fluorescenti. F2: lampada fluorescente fredda con temperatura di colore correlata (CCT) di 4230 K. F7: lampada fluorescente a banda larga (CCT = 6500 K). F11: Lampada fluorescente a banda stretta (CCT = 4000 K)
Irradiamento dello spettro rispetto agli intervalli di lunghezza d’onda della luce in diverse lampade a LED e ad alogenuri metallici
Fonte: una proposta per sorgenti luminose artificiali tipiche per la caratterizzazione di applicazioni fotovoltaiche per interni – B.Minnaer e P.Veelaert, Ghent, University
Pannelli solari testati in condizioni di luce artificiale
Ben Minnaert e Peter Veelaert dell’Università di Ghent si sono posti la stessa domanda che ci siamo posti noi stessi. Quindi, per trovare la verità, hanno messo tutte le luci artificiali in diverse categorie: lampade a incandescenza, fluorescenti, LED e ad alogenuri metallici.
Quindi, hanno utilizzato diverse tecnologie di pannelli solari come monocristallino, policristallino, cadmio tellurio, CIGS e altri per quantificare le uscite di potenza di questi moduli in condizioni interne a 500 lux (misura tipica dell’intensità della luce in metri quadrati all’interno degli uffici) da le citate sorgenti di luce artificiali.
Sorprendentemente, hanno scoperto che era effettivamente possibile sfruttare l’elettricità dalla luce artificiale attraverso i pannelli solari. Tuttavia, i valori di efficienza non erano affatto vicini a quelli che ci si aspetterebbe in condizioni di luce diurna all’aperto.
Hanno scoperto che la tecnologia monocristallina e la luce a incandescenza erano la migliore combinazione possibile per ottenere elettricità dalla luce artificiale, seguita dalle tecnologie policristalline e CIGS combinate con la luce a incandescenza. Tuttavia, tenendo conto di un’illuminazione di 500 lux, è stato possibile ottenere solo 6 W / m 2 , troppo bassi per le condizioni di prova standard.
Altre fonti di luce come fluorescenti, LED e alogenuri metallici non erano altrettanto efficienti con le celle al silicio, ma invece con i pannelli solari GaAs e CdTe. Tuttavia, queste tecnologie non erano affatto adatte poiché erano in grado di produrre più di 1 W / m 2 .
Conclusione
Ci sono molte speculazioni su come funzionano i pannelli solari in diversi scenari. Ad esempio, se i pannelli solari funzionano attraverso il vetro o funzionano quando si utilizza la luce artificiale sono tra i più ipotizzati.
Forse il motivo per cui volevi sapere di questo era poter utilizzare il caricabatterie solare del tuo cellulare mentre sei a casa, o forse per valutare applicazioni di sicurezza commerciale in cui puoi installare telecamere di sicurezza solare wireless mentre posiziona il modulo all’interno per raccogliere la luce artificiale .
Qualunque sia la ragione, in base a questa ricerca possiamo concludere che i pannelli solari possono funzionare con la luce artificiale, ma l’efficienza ottenuta dall’utilizzo di questa fonte di luce è talmente trascurabile che non vale la pena di essere considerata come alimentazione elettrica.
Inoltre, se confrontiamo lo spettro dell’irraggiamento da sorgenti luminose fluorescenti con lo spettro della radiazione solare, possiamo notare grandi differenze.
La curva dello spettro della radiazione solare segue una forma regolare e continua che massimizza la conversione della luce in elettricità. Possiamo notarlo moltiplicando la lunghezza d’onda in nm. con l’irradiamento spettrale in W / m 2 , possiamo teoricamente ottenere valori di 1000 W / m 2 .
Tuttavia, quando lo confrontiamo con l’irradiazione spettrale fluorescente, LED o agli alogenuri metallici, possiamo notare che molti di loro hanno picchi irregolari che non consentono un assorbimento regolare della luce. Inoltre, questi valori sono in mW / m 2 valutati a 500 lux. Quando li moltiplichiamo per le lunghezze d’onda in nm., Otteniamo valori inferiori a 30 W / m 2 . La differenza è solo astronomica.
Per applicazioni all’interno di edifici commerciali legati al BIPV, i valori di illuminamento possono aumentare, tuttavia non saranno così attraenti da considerare l’installazione di pannelli solari per sfruttare la luce artificiale. Come riferimento, uno stadio della UEFA Champions League può avere un illuminamento medio di 2.000 lux e se si moltiplica per quattro i 30 W / m 2 stimati a 500 lux (per ottenere circa 2.000 lux), si otterrebbero solo circa 120 W / m 2 valori di irraggiamento, che è ancora molto basso.
