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Una nueva forma de utilizar la energía solar
Un nuevo tipo de dispositivo que utiliza tanto el calor como la luz del sol debería ser más eficiente que las células solares convencionales, que solo convierten la luz en electricidad.
Calor brillante: Nicholas Melosh ha desarrollado un dispositivo para convertir simultáneamente la luz y el calor del sol en electricidad. Melosh fabrica y prueba el dispositivo en esta cámara de vacío en su laboratorio de la Universidad de Stanford.
El dispositivo se basa en un principio físico descubierto y demostrado por investigadores de la Universidad de Stanford. En su prototipo, la energía de la luz solar excita electrones en un electrodo, y el calor del sol hace que los electrones excitados salten a través del vacío hacia otro electrodo, generando una corriente eléctrica. El dispositivo podría diseñarse para enviar calor residual a una máquina de vapor y convertir el 50 por ciento de la energía de la luz solar en electricidad, una gran mejora con respecto a las células solares convencionales.
Las células solares de silicio más comunes convierten aproximadamente el 15 por ciento de la energía de la luz solar en electricidad. Más de la mitad de la energía solar entrante se pierde en forma de calor. Eso se debe a que los materiales activos en las células solares pueden interactuar solo con una banda particular del espectro solar; los fotones por debajo de un cierto nivel de energía simplemente calientan la célula.
Una forma de superar esto es apilar materiales activos uno encima del otro en una celda de múltiples funciones que puede usar un espectro de luz más amplio, convirtiendo más de ella en corriente eléctrica en lugar de calor, para lograr eficiencias de hasta aproximadamente el 40 por ciento. Pero estas células son complejas y caras de fabricar.
Buscando una mejor manera de aprovechar el calor del sol, Stanford’s Nicolás Melosh se inspiró en sistemas de cogeneración altamente eficientes que utilizan la expansión del gas quemado para impulsar una turbina y el calor de la combustión para impulsar una máquina de vapor. Pero los convertidores de energía térmica no se combinan bien con los dispositivos solares convencionales. Cuanto más caliente hace, más eficiente se vuelve la conversión de energía térmica. Las células solares, por el contrario, se vuelven menos eficientes a medida que se calientan. Aproximadamente a 100 ° C, una celda de silicio no funcionará bien; por encima de 200 ° C, no funcionará en absoluto.
El gran avance se produjo cuando los investigadores de Stanford se dieron cuenta de que la luz de la radiación solar podría mejorar la conversión de energía en un tipo diferente de dispositivo, llamado convertidor de energía termoiónica, que convencionalmente es impulsado únicamente por calor. Los convertidores termoiónicos constan de dos electrodos separados por un pequeño espacio. Cuando el electrodo positivo, o cátodo, se calienta, los electrones en el cátodo se excitan y saltan al electrodo negativo o ánodo, impulsando una corriente a través de un circuito externo. Estos dispositivos se han utilizado para alimentar satélites rusos, pero no han encontrado ninguna aplicación en tierra porque deben calentarse mucho, alrededor de 1.500 ° C, para funcionar de manera eficiente. El cátodo de estos dispositivos suele estar hecho de metales como el cesio.
El grupo de Melosh reemplazó el cátodo de cesio con una oblea de material semiconductor que puede hacer uso no solo del calor sino también de la luz. Cuando la luz incide en el cátodo, transmite su energía a los electrones del material de una manera similar a lo que sucede en una célula solar. Este tipo de transferencia de energía no ocurre en los metales utilizados para fabricar estos cátodos en el pasado, pero es típico de los materiales semiconductores. No se necesita tanto calor para que estos electrones preexcitados salten al ánodo, por lo que este nuevo dispositivo puede funcionar a temperaturas más bajas que los convertidores termoiónicos convencionales, pero a temperaturas más altas que una celda solar.
Los investigadores de Stanford llaman a este nuevo mecanismo PETE, para emisión termoiónica mejorada por fotones. La luz ayuda a elevar el nivel de energía de los electrones para que fluyan, dice Gang Chen , profesor de ingeniería energética en el MIT. Es un largo camino hacia un dispositivo práctico, pero este trabajo demuestra que es posible, dice.
El prototipo del grupo de Stanford, descrito este mes en la revista Materiales de la naturaleza , utiliza nitruro de galio como semiconductor. Convierte aproximadamente el 25 por ciento de la energía de la luz en electricidad a 200 ° C, y la eficiencia aumenta con la temperatura. Stuart Licht, profesor de química en la Universidad George Washington, dice que el proceso tendría una ventaja sobre las células solares porque utiliza calor además de luz. Pero advierte: se necesitará trabajo adicional para traducir esto en un dispositivo práctico y más eficiente.
El grupo de Stanford ahora está trabajando para hacer precisamente eso. Los investigadores están probando dispositivos hechos de materiales que se adaptan mejor a la conversión de energía solar, incluido el silicio y el arseniuro de galio. También están desarrollando formas de tratar estos materiales para que el dispositivo funcione de manera más eficiente en un rango de temperatura de 400 ° C a 600 ° C; Los concentradores solares se utilizarían para generar temperaturas tan altas a partir de la luz solar.
Incluso a altas temperaturas, el convertidor termoiónico mejorado con fotones generará más calor del que puede utilizar; Melosh dice que este calor podría acoplarse a una máquina de vapor para una eficiencia de conversión de energía solar en electricidad superior al 50 por ciento. Es probable que estos sistemas sean demasiado complejos y costosos para instalaciones en tejados a pequeña escala. Pero podrían ser económicos para grandes instalaciones de granjas solares, dice Melosh, profesor de ciencia e ingeniería de materiales. Espera tener un dispositivo listo para el desarrollo comercial en tres años.