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Mejor energía fotovoltaica térmica
Un nuevo enfoque para convertir el calor en electricidad utilizando células solares podría hacer que una tecnología llamada energía fotovoltaica térmica (TPV) sea más práctica. MTPV , una startup con sede en Boston que ha recaudado $ 10 millones, dice que ha desarrollado prototipos que son lo suficientemente grandes para aplicaciones prácticas. La compañía anunció recientemente acuerdos para instalar los dispositivos en fábricas de vidrio para generar electricidad a partir de gases de escape calientes.
Punto caliente: Un espaciador microscópico utilizado para soportar células solares a menos de un micrómetro por encima de otro material en un dispositivo fotovoltaico térmico.
En general, la energía fotovoltaica térmica utiliza células solares para convertir la luz que irradia de una superficie caliente en electricidad. Si bien las primeras aplicaciones generarán electricidad a partir del calor residual, eventualmente la tecnología podría usarse para generar electricidad a partir de la luz solar de manera mucho más eficiente que los paneles solares. En tal sistema, la luz solar se concentra en un material para calentarlo, y la luz que emite se convierte en electricidad mediante una célula solar.
Hasta ahora, la tecnología no ha sido práctica para aplicaciones comerciales, en parte debido a las altas temperaturas requeridas y en parte debido a la competencia de las tecnologías existentes, como las turbinas de vapor, para convertir el calor en electricidad. La innovación de MTPV es un método para aumentar 10 veces el flujo de fotones desde el material calentado al panel solar en comparación con los sistemas fotovoltaicos térmicos típicos, lo que podría hacer que sus sistemas sean más pequeños, menos costosos y prácticos a temperaturas más bajas, dice Robert DiMatteo, MTPV. CEO.
Un panel solar convencional absorbe la luz de todo el espectro, pero solo convierte ciertos colores de manera eficiente. Gran parte de la energía de las otras longitudes de onda de la luz se desperdicia. Como resultado, la eficiencia teórica máxima de una celda solar convencional es del 30 por ciento, o del 41 por ciento si la luz solar se concentra primero con un espejo o una lente. En un sistema fotovoltaico térmico, la luz se concentra en un material para calentarlo. El material se selecciona de modo que cuando se calienta, emita luz en longitudes de onda que una célula solar puede convertir de manera eficiente. Como resultado, la eficiencia máxima teórica de un sistema fotovoltaico térmico es del 85 por ciento.
En la práctica, los desafíos de ingeniería harán que esto sea difícil de lograr, pero DiMatteo dice que los modelos informáticos de la empresa sugieren que deberían ser posibles eficiencias superiores al 50 por ciento. Los prototipos no son tan eficientes: convierten alrededor del 10 al 15 por ciento del calor que absorben de los gases de escape de la fábrica de vidrio en electricidad, lo que DiMatteo dice que es suficiente para que los dispositivos sean económicos. (La eficiencia esperada de los dispositivos TPV también es mucho mayor que la eficiencia anticipada para los dispositivos termoeléctricos, que convierten directamente el calor en electricidad).
La diferencia clave entre la tecnología de MTPV y otros fotovoltaicos térmicos es el posicionamiento de la celda solar y el material calentado (MTPV significa TPV de intervalo de micras). En su trabajo, primero como estudiante en el MIT y luego como investigador en Draper Laboratories, en Cambridge, MA, DiMatteo descubrió que colocar el material calentado muy cerca de la célula solar permitía que muchos más fotones escaparan de un área determinada del material y fueran absorbido por la célula solar.
En un sistema TPV convencional, la mayoría de los fotones generados en el material calentado se reflejan en el material cuando alcanzan su superficie; es el mismo fenómeno que atrapa la luz en los cables de fibra óptica. Cuando la célula solar y el material calentado se acercan, de modo que el espacio entre los dos es más corto que la longitud de onda de la luz que se emite, la superficie ya no refleja la luz. Los fotones viajan de un material a otro como si no hubiera espacio entre ellos. El espaciado estrecho también permite que los electrones de un lado del espacio transfieran energía a los electrones del otro lado. (Un vacío entre el material calentado y la celda solar mantiene una diferencia de temperatura entre los dos que se requiere para lograr altas eficiencias). Dado que el material calentado emite más fotones, la celda solar puede generar 10 veces más electricidad para un área determinada. en comparación con una celda solar en un TPV convencional.
Eso hace posible utilizar una décima parte de la cantidad de material de células solares, lo que reduce los costos de manera significativa. Alternativamente, permite generar más energía a temperaturas más bajas, lo que Peter Peumans , profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Stanford, dice que es una de las ventajas clave del enfoque. La energía fotovoltaica térmica convencional puede requerir temperaturas de 1.500 ° C, dice. Los primeros prototipos de MTPV funcionan bien a menos de 1.000 ° C, y DiMatteo dice que, en teoría, la tecnología podría generar electricidad de forma económica a temperaturas tan bajas como 100 ° C. Este amplio rango de temperatura podría hacer que la tecnología sea atractiva para generar electricidad a partir del calor de una variedad de fuentes, incluido el escape de los automóviles, que de otro modo se desperdiciaría.
Pero Peumans dice que la tecnología tiene una compensación: debido a que el material calentado y la celda solar están colocados tan cerca, no es posible colocar un filtro entre ellos para ayudar a sintonizar las longitudes de onda de la luz que llegan a la celda solar. Esto podría limitar las eficiencias finales que puede alcanzar el sistema.
DiMatteo publicó por primera vez el trabajo sobre el concepto de MTPV a fines de la década de 1990, pero hasta ahora ha sido necesario diseñar prototipos lo suficientemente grandes como para ser prácticos. Uno de los principales desafíos ha sido encontrar formas de crear una brecha de solo una décima de micrómetro de ancho y, sin embargo, que se pueda mantener en las áreas relativamente grandes necesarias para un dispositivo práctico. DiMatteo dice que la compañía mejorará el rendimiento de los dispositivos al hacer que la brecha sea cada vez más pequeña, lo que los modelos de computadora sugieren que mejorará la eficiencia.