La presenza dell'invenzione nel quotidiano

I pannelli e le celle solari, con il perfezionamento delle tecniche, sono entrati sempre più nel quotidiano passando da applicazioni nel settore spaziale o prettamente di dimensioni industriali ad utilizzi domestici.
Primo fra tutti gli utilizzi, come si può intuire osservando i tetti di certe villette indipendenti o condomini con un buona disposizione alla la luce solare, vi è quello per generare l'intero, od anche parziale, fabbisogno elettrico domestico.

(Cartellone con pannelli solari)

Possiamo trovare pannelli solari anche nei dispositivi stradali come autovelox e semafori oppure nel retro di cartelloni pubblicitari dove l'esposizione solare diurna, convertita in corrente elettrica va ad alimentare l'illuminazione notturna di quest'ultimi.
Passando ad applicazioni di dimensioni più piccole, sono molto diffusi in commercio, soprattutto per i più giovani, orologi digitali ad energia solare presentanti una piccola cella solare sul quadrante.
Infine, nota a tutti gli studenti e non, vi è l'applicazione delle celle solari su alcune calcolatrici.

Calcolatrice Citezen ad energia solare

 

A Rhetorical step: Abbecedario

A come Ambientalismo
B come Becquerel
C come Calcolatrici
D come Drogaggio
E come Energia
F come Fotovoltaico
G come Guildford
H come Hertz
I come Italia
L come Luce
M come Marconi
N come Nanosolar
O come Orologi
P come Pannelli
Q come Quanti
R come Riflettori
S come Solari
T come Tesla
U come UV
V come Volt
Z come ...

La pubblicità

Cartellone pubblicitario dedicato ai pannelli solari

Pubblicità Helios

Annuncio di vendita di alcuni pannelli solari

Pubblicità di impianti a pannelli solari

L'azienda assegnataria: The Marconi Company

L'impresa assegnataria di questo brevetto è: The Marconi Company limited.

The Marconi Company ltd fu un'azienda inglese fondata dall'inventore Guglielmo Marconi il 20 luglio 1897, inizialmente con il nome The Wireless Telegraph & Signal Company poi ribattezzata nel 1963 come The Marconi Company.
Inevitabilmente, seppure in maniera indiretta, fu coinvolta nel cosiddetto "Scandalo Marconi" del 1912: un'accusa rivolta ad alcuni membri del governo britannico di stampo liberale.
A seguito dell'acquisto da parte di English Electric, dal 1946 si unì ai settori di ricerca di quest'ultima suddividendosi in quattro divisioni: Comunicazioni, Broadcasting, Aeronautica e Radar.
A partire dal 1968 si occupò del settore della difesa assieme alla General electric company ,venendo rinominata solo nel 1987 come GEC-Marconi. Nello stesso anno, 1968, fu creata la divisione spazio passata alla storia con il nome di Marconi Space Systems.
A partire dal 1990 a seguito della fusione tra quest'ultima e le divisioni spazio e telecomunicazioni della Lagardère Group (Matra Espace) assumerà il nome di Matra Marconi Space (MMS) divenendo così un'azienda franco-britannica. Proprio la sede britannica di tale impresa (Matra Marconi Space UK) diverrà successivamente assegnataria del brevetto: "Solar cell arrays" preso in esame in questo blog.
Al giorno d'oggi la Matra Marconi Space, come già esplicitato in un post precedente, non esiste più dato che è confluita, dopo una serie di acquisizioni e cambiamenti di nome, nell'odierna Airbus Defence & Space.

Gli inventori: Alastair Pidgeon

Alastair Pidgeon, laureatosi presso la University of Southampton in Aeronautics & Astronautics nel 1982, è uno dei due inventori del brevetto: "Solar cell arrays".
Dopo aver conseguito la prima laurea ha lavorato per tre anni nell'allora Matra Marconi Space, ora divenuta Airbus Defence & Space, ricoprendo il ruolo di satellite thermal engineer. Successivamente nell'ottobre 1985 si trasferisce in Italia per lavorare come consultant thermal engineer presso la sede di Torino di Aeritalia, l'odierna Thales Alenia Space; è proprio durante tale incarico che pubblica il brevetto sulle celle solari sopracitato. Al termine del suo soggiorno torinese, nel 1988 consegue il master in Intelligent knowledge based system presso la Cranfield University, al quale quattro anni più tardi ne seguirà un altro in Astronomy & Astronautics presso la University of Hertfordshire.
Prima di arrivare a ricoprire l'attuale incarico di director, system engineering, security & solution per l'azienda Rhea, che ricopre tutt'ora da circa cinque anni, lavorerà anche come: software engineer per la Software sciences ltd in Inghilterra, software group manager e, dopo il trasferimento nella sede di Darmstadt (Germania), solutions "director" per Vega Group e dal 2003 per quasi dieci anni come Space Uk business manager per la SciSys.

Gli sviluppi dell'invenzione

Il brevetto preso in esame è abbastanza recente essendo datato 1987 e per tale motivo la tecnologia non ha subito radicali innovazioni, bensì ci sono stati vari tentativi di miglioramento: per aumentare l'efficienza, per diminuire l'impatto ambientale e, come ricercato per tutte le merci sul mercato, per abbattere i costi di produzione.

I vari tentativi di miglioramento di questa tecnologia più che ad una sostituzione hanno portato ad una "ramificazione" del prodotto, dove le varie versioni più recenti si sono affiancate a quelle precedenti, tutt'ora in uso, ed hanno aumentato la versatilità del prodotto permettendo di adattare, con le differenti tecnologie e tecniche, i pannelli solari fotovoltaici alle esigenze di ogni differente applicazione.

Le celle solari tradizionali descritte nel brevetto di Pidgeon e Webb adottano la tecnologia a silicio amorfo depositato da fase di vapore che presentano un'efficienza dell'8%  e sono tutt'ora le più diffuse nell'uso domestico. Per garantire una maggiore efficienza si sono sviluppate le celle fotovoltaiche a silicio monocristallino, materiale fondamentale dell'industria elettronica usualmente prodotto tramite il processo Czochralski. Tali celle a silicio monocristallino opportunamente "drogato", ovvero dopo aver subito drogaggio, presentano un'efficienza di circa 18-21%; solitamente a causa dell'elevato costo di produzione non sono adibite ad impianti di grosse dimensioni.
Un compromesso tra efficienza e costo sono le celle costruite in silicio policristallino, più facile da tagliare e quindi più economico di quello monocristallino, per contro meno efficienti (15-17%).
Altra tipologia di celle, sviluppatasi più recentemente, sono le cosiddette celle solari "a film sottile". Quest'ultime sono realizzate tramite la deposizione di del materiale semiconduttore su un supporto vetroso oppure plastico, utilizzato per speciali pannelli flessibili.
Anche quest'ultima evoluzione si diversifica a seconda del materiale semiconduttore applicato. Quelli più diffusi sono quattro:

• Tellurio di cadmio (CdTe), utilizzato anche nelle celle "tradizionali", che per contro contiene una grande quantità di Cadmio che risulta tossico per l'uomo.
• Silicio amorfo (a-Si), che come nel caso "tradizionale" presenta una bassa efficienza.
• Seleniuro di rame, indio e gallio (CIGS), con un'efficienza di circa 20%, oppure Diseleniuro di rame ed indio (CIS) che ha una resa migliore del precedente ma una minor capacità, quindi necessita di maggiore superficie per un'egual potenza.
• Arseniuro di gallio (GaAs), materiale citato anche nel brevetto per le sue caratteristiche di versatilità ed efficienza (28,8%) ma molto più costoso dei precedenti. Utilizzato spesso per le applicazioni spaziali.

(P.S. : si allega un link di approfondimento)

I precedenti storici dell'invenzione

Ogni invenzione tecnica deriva sempre da conoscenze e tecnologie pregresse che possono, a seguito della nuova invenzione, diventare obsolete oppure semplicemente affiancarsi parallelamente a quest'ultima.
Andiamo a vedere quindi le tecnologie a cui si rifà il brevetto preso in esame in questo blog:
Primo fra tutti è ovviamente il "sun-tracking solar energy conversion system" (US4223174A), pubblicato nel settembre del 1980 da Douglas E. Moeller ed assegnato alla azienda statunitense Sun Trac Corp.
Altro brevetto citato, non molto differente dal precedente e sempre riferito alla conversione energetica, pubblicato nel gennaio 1982 da William E. Horne è "conversion of solar to electrical energy" (US4313024A). Sempre per la questione energetica gli inventori Pidgeon e Webb si sono rifatti al brevetto tedesco: "Solar energy system" (DE3104690A1) assegnato al noto colosso tedesco Siemens AG , locato in 4 sedi principali di cui tre in Germania (Monaco, Berlino e Erlangen) ed una in Italia (Milano).
Spostandoci in oriente, più precisamente in Giappone, luogo dove nel 1963 furono commercializzati i primi moduli fotovoltaici prodotti dalla Sharp, sono stati consultati e richiamati i brevetti: "Device combining beam-condensing and power generation" (JPS584983A), JPS5844297B2 trattante uno strumento per convogliare i raggi solari sui collettori di calore, JPS6245528B2 riferito a degli elementi ottici associati alla riflessione; tutti e tre realizzati e pubblicati dall'inventore Takashi Moto.
Ultimo brevetto preso in esame e citato è: "Intensive scram accumulator device" (JPS571801A) assegnato dalla multinazionale conglomerata giapponese Hitachi Ltd.

Thermoplastic injection molding

Come si è visto alcuni parti strutturali dei pannelli solari adibiti all'uso terrestre possono essere costruiti mediante il "Thermoplastic injection molding (TIM)" ovvero stampaggio ad iniezione termoplastica. Quest'ultimo è un processo di fabbricazione che crea componenti completamente funzionali iniettando resina plastica in uno stampo prefabbricato. Solitamente tale stampo è fatto di alluminio od acciaio ed è tipicamente progettato mediante un file CAD.
In generale tale processo produttivo di stampaggio si può riassumere in cinque step fondamentali:

1. Riscaldare la resina plastica, o comunque un materiale dalle proprietà termoindurenti, secondo il range di calore richiesto per la componente che si vuole produrre.
2. Utilizzando una struttura a vite ("reciprocating screw"), sulla cui punta confluirà la plastica fusa, si determina la dimensione e lo spessore dello stampo.
3. Viene iniettata la resina plastica nello stampo con una certa pressione in modo che tutte le cavità di quest'ultimo vengano colmate uniformemente.
4. Viene fatta raffreddare la plastica nello stampo mediante il sistema di raffreddamento previsto dal macchinario.
5. Una volta raffreddata e consolidata si ha l'espulsione della plastica dallo stampo ed a seguito dell'imballaggio del prodotto ottenuto, si può considerare concluso il processo

I vantaggi di questo sistema di fabbricazione sono plurimi: la precisione, maggiore  perfino di altri metodi ugualmente moderni ed avanzati come la stampa 3D; la possibilità di iniettare tramite lo stesso processo una considerevole varietà di resine plastiche ingegneristiche, modellando perfino le finiture superficiali ed infine la velocità di produzione.
Unico svantaggio può essere il costo complessivo che risulta, per esempio, maggiore rispetto ad un processo di stampa 3D.

Schematizzazione della macchina utilizzata nel Thermoplastic injection molding

Dentro il brevetto...

"One object of the present invention is to provide a novel construcion of an array of solar cells which utilise the cassegrain principle and which facilitates manufacture."

Così si apre la sezione: "Summary of the invention" del vero e proprio brevetto dei pannelli solari redatto dagli inventori Alastair N. Pidgeon ed Arthur L. Webb. Fin dal principio ci si imbatte nel termine:"Cassegrain principle"; andiamo dunque a scoprire il suo significato.
Il cosiddetto "principio cassegrain" non è altro che uno specifico sistema ottico composto da uno specchio concavo ed uno convesso disposti in maniera tale che grazie ad una serie di riflessioni si riesca a concentrare delle onde in un punto focale solitamente fissato dietro il primo specchio concavo.
Per quanto riguarda il brevetto preso in esame, essendo nel campo ottico, le onde riflesse saranno i raggi di luce solare. Più dettagliatamente grazie a questa configurazione Cassegrain, allo specchio concavo primario di forma parabolica verranno riflessi i raggi di luce verso il fuoco, giungendo allo specchio secondario che, grazie alla sua forma iperbolica, riflette a sua volta i raggi verso l'apertura, detta oculare, posta nello specchio primario. Ciò è garantito dalla disposizione dello specchio secondario che fa sì che il suo fuoco corrisponda col fuoco del primo.
Altro particolare degno di nota è la struttura che sorregge il secondo specchio fatta di materiale trasparente in maniera tale che non causi fenomeni di diffrazione che potrebbero compromettere lo scopo ed il funzionamento di tale configurazione.
Tale configurazione Cassegrain è presente, oltre che nei pannelli solari, anche in particolari telescopi catadiottrici, come lo Schmidt-Cassegrain, ed antenne radio.

Schema del funzionamento di in un telescopio ottico che sfrutta la configurazione Cassegrain