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Un concentrador solar más económico
Nicolas Morgan sostiene una pieza cuadrada de acrílico transparente moldeado de aproximadamente un centímetro de grosor y proyecta una linterna directamente sobre su superficie plana. Un rayo verde entra en el acrílico y se dobla hacia el centro del cuadrado. Morgan repite el proceso en diferentes puntos de la superficie y, cada vez, el rayo se lanza hacia el centro.
Luz de guía : La óptica de alta precisión de Morgan Solar, en parte acrílico y en parte vidrio, está moldeada para que la luz quede atrapada y rebote hacia su centro. Una óptica de vidrio secundaria concentra la luz a 1000 soles y la dirige a una pequeña celda solar de alta eficiencia. El diseño de bajo perfil promete reducir el costo de fabricación y transporte.
El componente acrílico, llamado Óptica Solar Guía de Luz (LSO), es un nuevo tipo de concentrador solar que podría reducir significativamente el costo de generar electricidad a partir del sol. A diferencia de los diseños existentes, no hay necesidad de espejos, ópticas complejas o productos químicos para atrapar y manipular la luz. Es pura óptica geométrica, dice Morgan, director de desarrollo comercial de Morgan Solar, con sede en Toronto.
Los concentradores solares han surgido en los últimos años como una forma de intensificar la cantidad de luz solar que llega a las células solares, que son la parte más cara de los paneles solares. Para hacer que la energía solar sea más asequible, los ingenieros han intentado utilizar menos material de células solares al concentrar la luz solar en espacios mucho más pequeños.
Pero este enfoque tiene sus propios desafíos. La mayoría de los concentradores tienden a ser sistemas complejos que utilizan lentes especiales, espejos curvos y otros componentes ópticos con una distancia focal distinta de cero. Esto significa que debe haber suficiente distancia (un espacio de aire) entre la celda solar y la óptica para enfocar correctamente la luz. Como resultado, los sistemas basados en concentradores generalmente se empaquetan dentro de recintos voluminosos, con suficiente profundidad para adaptarse a la distancia focal y proteger todos los componentes durante el envío. Esto significa mayores costos de material y ensamblaje y un envío más caro.
Hace un par de años, al hermano de Nicolas, John Paul Morgan, se le ocurrió la idea de un sistema concentrador solar de estado sólido: una óptica acrílica delgada y plana que atrapa la luz y la guía hacia su centro. Incrustado en el centro del concentrador de Morgan Solar hay una óptica secundaria redonda hecha de vidrio. Con un fondo plano y una parte superior convexa y espejada, la óptica recibe el aluvión de luz entrante a una concentración de aproximadamente 50 soles y la amplifica a casi 1,000 soles antes de doblar la luz en un ángulo de 90 grados.
A diferencia de otros concentradores, la luz no abandona la óptica antes de incidir en una célula solar. En cambio, una celda de alta eficiencia del tamaño de la uña del pulgar de un bebé se une directamente a la parte inferior central de la óptica de vidrio, donde absorbe la luz inclinada hacia abajo. No hay espacio de aire y no hay posibilidad de que los componentes frágiles se desalineen.
Se trata de controlar críticamente los ángulos una vez que la luz entra por la primera óptica, explica Nicolas Morgan. El diseño aprovecha un fenómeno llamado reflexión interna total, el ángulo en el que un haz de luz dentro de un material óptico se reflejará en el material en lugar de escapar.
El truco consiste en moldear el acrílico de manera que desvíe la luz en una dirección determinada cuando entre en la primera óptica. Debe asegurarse de que la luz mantenga ese ángulo para evitar que se escape y guiarla hacia la óptica de vidrio en el centro. La precisión es crucial, no solo en el diseño de la óptica, sino también en la creación de moldes para producirlos en masa.
La compañía espera que sus primeras versiones comerciales del sistema estén compuestas de obleas acrílicas de aproximadamente veinte centímetros cuadrados que contienen una óptica de vidrio secundaria que tiene aproximadamente el doble del diámetro de una moneda de cinco centavos.
Ray LaPierre, profesor de ingeniería física en la Universidad McMaster, en Ontario, Canadá, y experto en células solares de alta eficiencia, vio por primera vez el prototipo LSO de Morgan Solar en diciembre en una conferencia solar canadiense y se marchó impresionado. Su diseño es ciertamente novedoso, es físicamente sólido, se puede fabricar a bajo costo y tiene una buena oportunidad de revolucionar la [tecnología] de concentradores, dice LaPierre.
Pero al igual que otros concentradores fotovoltaicos, la tecnología de Morgan Solar todavía requiere un sistema de seguimiento para mantenerla frente al sol. Los investigadores del MIT han eliminado la necesidad de seguidores mediante el desarrollo de revestimientos de tintes especiales que pueden absorber la luz difusa, pero la tecnología de Morgan Solar está más cerca del mercado. Nicolas Morgan agrega que los rastreadores de hoy son precisos, confiables y agregan un costo marginal para un 44 por ciento más de potencia. Aún deben tomarse algunas decisiones comerciales y de ingeniería, pero espera que la empresa pueda construir su sistema por menos de $ 1 por vatio para 2011, y con cierta integración vertical, considerablemente menos. Esto conduciría a un producto con una eficiencia cercana al 30 por ciento a costos competitivos con la película delgada.
Creo que se debe seguir el concepto, dice el profesor de ingeniería Roland Winston, experto en óptica sin imágenes en la Universidad de California, Merced. Sin embargo, cuestiona el uso del acrílico como material concentrador: no se ha probado que el acrílico se use a largo plazo, especialmente bajo la luz solar concentrada.
John Paul Morgan dice que esa es la razón principal por la que la empresa utiliza tanto acrílico como vidrio en su sistema. La compañía ha limitado intencionalmente las concentraciones dentro de la porción acrílica a 50 soles y tiene la óptica de vidrio más pequeña haciendo el trabajo pesado. Queremos que este sistema dure 25 años, por lo que estamos tratando de subestimar realmente el material, dice. Una vez que hayamos probado que podemos impulsar más el acrílico, vamos a encoger la óptica de vidrio.
Varios proyectos piloto previstos para 2009 probarán el concentrador en el campo. La compañía espera que la producción comercial comience en algún momento de 2010.