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In questo blog si è analizzato il brevetto US4683348A riguardante i pannelli solari fotovoltaici, pubblicato nel 1987 dagli inventori Alastair N. Pidgeon e Arthur L. Webb, commissionato dalla'azienda assegnatari: The Marconi Company

I pannelli solari fotovoltaici sono dei dispositivi formati da molteplici celle solari in grado di convertire l'energia solare incidente sulla propria superficie in energia elettrica mediante un effetto fotovoltaico.

Ovviamente il lavoro di Pidgeon e Webb si è sviluppato a partire da brevetti preesistenti, ma anche grazie ad esperimenti e teorie scientifiche precedenti che hanno segnato la storia della fisica ed hanno permesso la piena comprensione del fenomeno fisico svolto dai pannelli.

Col passare degli anni i pannelli solari più che un'evoluzione hanno subito una differenziazione in varie versioni prodotte anche con materiali differenti dai materiali indicati nel brevetto, conferendo versatilità ed adattabilità al prodotto a seconda del luogo di utilizzo sia esso domestico od aerospaziale. Un esempio della differenziazione dei moduli fotovoltaici adibiti all'uso terrestre rispetto a quelli montati su sonde o satelliti sta anche nella produzione dei supporti che in questo caso vengono ottenuti mediante il processo di stampaggio ad iniezione termoplastica. 

A livello ottico i pannelli solari presentano, per ogni unità, una serie di specchi concavi e convessi disposti secondo il principio Cassegrain che grazie a due riflessioni fanno convergere i raggi solari sulla superficie di assorbimento di ogni cella solare.

L'invenzione ebbe fin da subito un impatto sia scientifico sia sociale e politico.

A dimostrazione di ciò i moduli fotovoltaici ed i loro benefici entrarono fin da subito nel tema del risparmio energetico e dell'energia rinnovabile presente in molti programmi politici. Non solo i programmi dei partiti prevedevano ciò ma furono emessi dagli stati, tra cui l'Italia, veri e propri decreti per incentivare l'utilizzo di fonti di energia rinnovabile, fra cui quella fotovoltaica.

Con la diffusione ed il perfezionamento di tali dispositivi, le celle fotovoltaiche si sono insediate sempre più nella vita di tutti giorni ed in oggetti comuni ed anche le pubblicità sono aumentate.

I pannelli solari fotovoltaici non sono per niente una tecnologia morta od in disuso anzi, la comunità scientifica è alla ricerca di nuovi materiali più efficienti ed economici di quelli già utilizzati, e sempre più imprenditori importanti si stanno buttando sul settore del rinnovabile in particolar modo sul fotovoltaico, ultimo esempio è il sudafricano fondatore di Tesla e SpaceX: Elon Musk.

Si allega un video di approfondimento del funzionamento di un modulo fotovoltaico.

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.

Bibliografia dell'invenzione

Sono sotto citati alcune monografie ed articoli trattanti le celle solari:

• Mario Pagliaro, Giovanni Palmisano et al., Il nuovo fotovoltaico.Dal film sottile alle celle a colorante, Palermo : Dario Flaccovio, 2008.
• W. D. Ebelling et al., Proceedings Int'l Photovoltaic Solar Energy Conf. (1977) : Reidel Publishing Co. , 1978, pp. 326-330.
• R. R. Arya, A. Catalano et al., Superlattice P-layers for High Efficiency Single Junction a-Si: H P-I-N Solar Cells : 18th IEEE PVSC, 1985, pp. 1710-1711.
• E. Patterson et al., 16th IEEE Photovoltaic Specialist Conf. (1982) : Conf. Record, Jan. 1983, pp.39-44.
• E. L. Ralph, IEEE Photovoltaic Specialists Conf. : Conf. Record, 1970, pp. 326-330

Word cloud

L'impatto dell'invenzione

L'invenzione dei pannelli solari ha influenzato e permesso il progresso di molti settori tecnici e scientifici. Primo fra tutti a subire radicalmente l'influenza di tale invenzione è stato sicuramente il settore spaziale. Basta analizzare il funzionamento delle moderne e sempre più presenti sonde spaziali per capire l'importanza e l'essenzialità, per tale tecnologia, delle celle solari e quindi dei panneli: infatti una sonda spaziale adibita, ad esempio, all'esplorazione ed osservazione di corpi del sistema solare è obbligatoriamente munita di grandi moduli fotovoltaici, a loro volta composti da celle solari, che forniscono per intero il "fabbisogno" elettrico alla sonda.
Grazie al costante miglioramento e perfezionamento delle celle solari, piccoli esemplari di tale tecnologia si sono instaurati anche in dispositivi elettronici comuni di uso quotidiano come orologi e calcolatrici.

Sonda spaziale IBEX, foto NASA 2008

Ovviamente la società non poteva restare indifferente di fronte alle opportunità che questa nuova tecnologia poteva offrire in ambito energetico, difatti l'impatto sociale fu una delle ricadute dell'invenzione che sicuramente colpì positivamente quell'ala della società che guardava con un certo interesse le energie sostenibili (energia verde).
Inutile dire che oltre i riscontri economici con la nascita della cosiddetta "economia sostenibile" incentrata sullo sviluppo sostenibile, uno sviluppo economico compatibile con la salvaguardia dell'ambiente, delle risorse e dei beni liberi per le generazioni future. Correlati riscontri si ebbero, e si hanno tutt'ora, in ambito politico dove la volontà di utilizzare fonti rinnovabili e pulite si è sempre più instaurata in programmi politici, partiti e paesi, basti pensare che proprio poco prima dell'invenzione delle celle solari, a cavallo fra gli anni Settanta ed Ottanta, nacquero i primi "partiti verdi" dove l'ambientalismo, proprio con la questione energetica, venne elevato a vera e propria "ideologia politica" oltre che sociale.

I materiali

(Fogli di fibra di carbonio)

Aspetto fondamentale di qualsiasi innovazione tecnologica ed in generale di tutto ciò che è fatto dall'uomo sono i materiali utilizzati per la costruzione, con la loro relativa disponibilità in natura e di conseguenza il loro costo sul mercato. Andiamo quindi ad identificare quali sono i materiali utilizzati per la costruzione delle celle solari, nonché citati nel brevetto, e se questi siano poi stati eventualmente sostituiti col progredire dello sviluppo tecnologico.
Primo fra tutti i materiali coinvolti in questa invenzione è la fibra di carbonio con i relativi materiali compositi che essa può formare. Difatti tutta la struttura portante dei riflettori primari e secondari di un complesso di celle solari è formata dai cosiddetti "materiali compositi", materiali eterogenei, che in questo caso sono costituiti da una composizione di fibra di carbonio e resina sintetica oppure fibra di carbonio ed un altro materiale carbonioso, come la grafite, formando i cosiddetti materiali "carbonio-carbonio".

(Alluminio)

La parte sottostante la zona di riflessione è usualmente rinforzata o con ulteriore fibra di carbonio oppure con dell'alluminio.

Passando a quello che è il fulcro del funzionamento di ogni singola cella solare, ovvero la parte riflettente, essendovi la necessità di un materiale ad alta conduttività termica, oltre che conduttore elettrico, si optò per l'arseniuro di gallio (GaAs), un semiconduttore composto dagli elementi chimici arsenico (As) e gallio (Ga). Tale composto è stato scelto proprio perché caratterizzato da un alta mobilità dei portatori liberi di carica.

(Silicio)

Inizialmente tale tecnologia era adibita al settore spaziale, ma quando si notarono anche i vari vantaggi "terrestri" , per quest'ultimo utilizzo, si preferì sostituire l'arseniuro di gallio con delle celle al silicio (Si), un semimetallo semiconduttore, per ovvie ragioni di abbondanza e disponibilità dato che il silicio è il secondo elemento più presente sulla crosta terrestre. Per l'uso terrestre, oltre all'arseniuro di gallio, si sostituì il materiale strutturale composito con del materiale termo-plastico stampato ad iniezione e si ricoprirono le celle di silicio stesse con una sostanza vetrosa a scopo protettivo.
In ambedue gli utilizzi, spaziale e terrestre, la parte riflettente, rispettivamente in arseniuro di gallio e silicio, viene ottenuta tramite deposizione chimica da vapore: tecnica di sintesi che permette di ottenere su un supporto solido un deposito da un cosiddetto precursore molecolare, dotato di un'alta tensione di vapore ed una buona stabilità termica, introdotto in forma gassosa che decomponendosi si deposita sulla superficie del supporto.
 

Correva l'anno 1987...

Durante l'anno in cui Alastair Pidgeon ed Arthur Webb pubblicarono il brevetto sui pannelli solari (1987): l'aviazione turca bombardava per rappresaglia gli insediamenti Curdi nel nord dell'Iraq; l'URSS, che si destituirà solo 4 anni più tardi, progrediva nelle esplorazioni spaziali cercando di prevalere sulla superpotenza a stelle e strisce nella cosiddetta "corsa allo spazio", solo uno dei tanti aspetti della Guerra Fredda, lanciando la Soyuz TM-2  con l'obiettivo di mettere in funzione una stazione spaziale permanente. In Regno Unito veniva affidato il terzo mandato di governo a Margaret Thatcher; Gary Hart, candidato democratico alla Casa Bianca, veniva compromesso dallo scandalo con Donna Rice mentre l'11 maggio il "boia di Lione" Nikolaus Barbie (ex ufficiale della Gestapo) veniva condannato.
Era anche l'anno in cui venne trasmesso per la prima volta il celebre cartone animato di Matt Groening: "The Simpson", in Spagna l'ETA (organizzazione terroristica basco-nazionalista) mieteva 21 forti ed ulteriori 45 feriti nell'attentato di Barcellona del 19 giugno.
Il 19 ottobre il "lunedì nero" terrorizzava Wall Street e gli "yuppies" (coniazione di origine inglese nonché abbreviazione di Young Urban Professional), creando destabilizzazioni nei mercati e paura di un nuovo 1929, di un'altra "Grande depressione". 
In chiusura di un anno storicamente importante venne lanciato Windows 2.0, in Italia si chiuse il maxiprocesso di Palermo contro la mafia con 342 condanne, ma soprattutto l'8 dicembre Ronald Reagan e Mikhail Gorbaciov firmarono il trattato per l'eliminazione dei missili a media gittata in Europa, alleviando le tensioni maturate negli anni della guerra fredda; mentre a Gaza ed in Cisgiordania iniziarono i primi segni di rivolta palestinese in quella che poi passerà alla storia come Prima Intifada.

Glossario

Solar cell array	Pannello solare
Reflectors	Riflettori
Open framework	A quadro aperto
Craft	Artefatto
Light catcher cone	Cono assorbente luce solare
Moulded	Stampato
Gallium arsenide	Arseniuro di gallio
Glueing	Incollaggio
Spiderweb	Ragnatela
Recesses	Incavi
Dimples	Solchi
Folded	Congiunto
Stowage	Stivaggio
Injection-moulded thermo-plastic material	Materiale termoplastico stampato a iniezione
Light impinging	Luce che interferisce
Junctions	Giunzioni
High thermal conductivity	Alta conducibilità termica
Paraboloidal shape	A forma di paraboloide
Compact storage	Capacità compatta

Solar cell arrays

Nel 1987 vennero brevettati i pannelli solari fotovoltaici (US4683348A) dagli inventori Alastair N. Pidgeon e Arthur L. Webb.
I pannelli solari costituiti da griglie di celle solari sono dispositivi in grado di trasformare l'energia solare incidente sulle superfici di ogni cella in energia elettrica mediante l'effetto fotovoltaico.
Tale invenzione fu importante soprattutto per l'uso che se ne fece sui satelliti ed altri strumenti destinati al settore aerospaziale. Tali opere ingegneristiche prevedevano, e prevedono tutt'oggi, complessi di più celle solari, anche fino  alle quattrocento unità, formando così singoli pannelli rigidi di maggiori dimensioni.
Un singolo supporto di celle solari è costituito da una apertura che rivolta verso la luce solare, con una piccola angolazione, permette l'ingresso dei raggi di luce, i quali vengono riflessi, una prima volta, da un supporto a forma parabolica (concavo), detto riflettore primario, verso un riflettore secondario a forma iperbolica (convesso) che a sua volta riflette i raggi sulla cella solare, solitamente situata vicino al riflettore primario.
Tutte le celle solari di un pannello sono montate su un supporto comune che conduce il calore accumulato dalle celle permettendo il corretto funzionamento.
I riflettori primari (concavi) fanno parte della cosiddetta "first unitary member", mentre quelli secondari (convessi) costituiscono la "secondary unitary member". Ogni riflettore secondario è connesso all'adiacente mediante un asta rigida, formando una struttura a quadro aperto, e permettendo la completa cooperazione fra le singole parti.
Solitamente un pannello era costituito da almeno nove dei sopracitati supporti, contenenti una cella solare ciascuna, disposti in almeno tre righe.

Foto di un primo pannello di circa 40 celle solari.