Pannelli solari e stampanti 3D

Energia solare 3D a portata di mano

L'energia solare va sfruttata al massimo e per fare ciò bisogna munirsi d'impianti idonei, in grado di convertire l'energia naturale in artificiale così da impiegarla per le attività quotidiane domestiche e non solo.

Nei pressi dell'atmosfera terrestre il Sole emette ben 1367 W/m² e alle latitudini europee circa 200 W/ m²; la quantità di energia solare che raggiunge la Terra è dunque davvero notevole. Ma come sfruttare al meglio questa energia?

I pannelli solari sono tra gli impianti più ricercati, ma ancor poco diffusi poiché piuttosto costosi, a causa delle strutture di sostegno su cui vengono montati: si tratta di sistemi generalmente prodotti mediante l'utilizzo di leghe in alluminio che possono arrivare addirittura a costare fino al 50-55% in più delle celle solari stesse.
Ne esistono tre tipologie: i pannelli solari termici, i pannelli fotovoltaici e i pannelli solari a concentrazione.

I pannelli solari termici attirano i raggi del sole riscaldando un liquido dalle caratteristiche particolari e successivamente cedono il calore prodotto, per mezzo di uno scambiatore di calore, all'acqua del serbatoio di accumulo associato.

I pannelli fotovoltaici, invece, utilizzano le proprietà dei semiconduttori per generare energia elettrica nel momento in cui sono attraversati dalla luce.

I pannelli solari a concentrazione utilizzano infine degli specchi parabolici per far convergere i raggi del sole verso un tubo ricevitore in cui scorre il fluido termovettore che riscalda un corpo preposto ricevente a temperature molto alte.


Attualmente i pannelli solari vengono utilizzati soprattutto per generare acqua calda sanitaria e per riscaldare le abitazioni e i piccoli ambienti, ma i costi di realizzazione degli impianti sono ancora elevati, considerando anche una discontinuità funzionale dovuta all'assenza di sole in alcuni giorni dell'anno e durante la notte.

I pannelli solari, come sono fatti

I pannelli solari, detti anche collettori solari, possono essere composti da piani vetrati oppure da tubi sottovuoto, questi ultimi più efficienti ma anche più dispendiosi.
Funzionano un po' secondo il principio delle serre ovvero assorbono l'energia del sole, la catturano e la convogliano all'interno di una piastra preposta che scaldandosi rilascia a sua volta energia e calore utile per riscaldare l'acqua e gli ambienti.

L'intensità dei raggi solari è variabile secondo il grado di nuvolosità e l'orientamento stesso del sole e dei panelli. Certo è che per ottimizzare il funzionamento è bene disporre i moduli captanti verso sud e con la giusta inclinazione.

Da questo punto di vista il territorio italiano ha delle caratteristiche favorevoli, in quanto gode di un buon irraggiamento, ma la cosa più importante rimane comunque la qualità del collettore utile a convertire l'energia solare in quella termica al massimo delle potenzialità.


I pannelli sottovuoto sono quelli più costosi ma anche più efficienti in quanto producono energia in ogni periodo dell'anno, e sono utili per produrre acqua calda sanitaria e per contribuire parzialmente al riscaldamento invernale.

I pannelli vetrati sono invece in funzione dei mesi più caldi per la sola produzione di acqua calda sanitaria, mentre quelli del tutto scoperti si attivano con temperature minime di 20° e dunque vengono utilizzati solitamente per riscaldare piscine scoperte, villaggi estivi, docce da campeggio.

Qualunque sia il modello scelto, bisogna poi badare a realizzare la struttura di sostegno dei pannelli, sistema generalmente composto da componenti in alluminio da prezzi elevati.
Per risolvere questo problema alcuni ricercatori statunitensi hanno progettato nuove strutture di sostegno dei collettori solari basati su specifici bracci di plastica, realizzati attraverso stampanti 3D. Questo tipo di supporto dei pannelli solari termici ridurrebbe i costi di realizzazione degli impianti, di circa l'83-92%.

Stampa 3D a supporto dei pannelli solari

Due ricercatori della Michigan Technological University, usando una, hanno realizzato una serie di staffe di montaggio in plastica col fine di sostenere una batteria stampante 3D RepRap hanno realizzato una serie di staffe di montaggio in plastica al fine di sostenere una batteria di pannelli fotovoltaici da 1kW.

Questi elementi in plastica funzionano molto bene, supportando la batteria fotovoltaica alla stregua degli elementi più costosi in alluminio.
Basti pensare che le staffe metalliche costano all'incirca 575 dollari, a differenza di quelle in plastica stampata in 3D che hanno un importo pari a 95 dollari nel caso sia utilizzata una plastica PLA, che si trova facilmente in commercio, a circa 50 dollari, nel caso di plastica parzialmente riciclata.


I sostegni di plastica sono dunque stati collegati ai pannelli solari e sono stati testati per un anno intero sotto le intemperie, nella parte settentrionale degli Stati Uniti, per verificare la resistenza e la stabilità. La plastica, difatti, se soggetta all'esposizione ai raggi ultravioletti, può diventare fragile e non essere più in grado di sostenere il peso dei pannelli solari. Dopo una fase di prova di dodici mesi, è stato riscontrato che i sostegni delle celle solari stampati in 3D avevano conservato le caratteristiche di resistenza in grado di sostenere in modo idoneo i carichi strutturali previsti.

Realizzare sostegni più economici per i collettori solari fa sì che questi possano diffondersi anche in quei paesi in via di sviluppo dove attualmente oltre un miliardo di persone vive ancora senza energia elettrica: un pannello solare da 1kW può alimentare circa 60 lampadine, che è quanto basta per illuminare un intero villaggio.