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Un dispositivo fotovoltaico impulsado por el calor alcanza el 40% de eficiencia

A medida que la instalación de fuentes de generación renovables sigue batiendo récords anuales, estamos llegando a un punto en el que el almacenamiento de la energía que generan se convierte en algo esencial. Un almacenamiento adecuado puede proporcionar una forma de cubrir las caídas temporales de la producción debidas a los cambios meteorológicos y potencialmente puede ofrecer una forma de utilizar la energía en los momentos en que las fuentes renovables no están produciendo nada. Hasta ahora, la atención se ha centrado en las baterías como tecnología de almacenamiento que ya funciona y en el hidrógeno como tecnología que podría funcionar. Pero ambas opciones tienen problemas de escalabilidad para satisfacer nuestras necesidades. Y hay una tecnología que ya se utiliza y que podría ser más flexible: el calor; el calor creado a partir de la energía solar concentrada ya permite que las plantas solares sigan produciendo mucho después de que el Sol se ponga (algunas plantas pueden generar durante todo el día). Ahora, investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables y del MIT ( Instituto de Tecnología de Massachusetts ) han mejorado una tecnología para utilizar el calor almacenado para producir electricidad: un dispositivo fotovoltaico sensible a las longitudes de onda infrarrojas demuestra que su eficiencia es competitiva con la de las calderas de vapor y evita el uso de piezas móviles y de agua que, de otro modo sería escasa. Termofotovoltaica Las células fotovoltaicas de silicio (y de otros materiales) pueden convertir la luz infrarroja en corriente eléctrica. Pero no lo hacen de forma eficiente. Otros materiales son más sensibles a estas longitudes de onda, pero los fotones de menor energía en el infrarrojo dan lugar a una tensión menor en la salida fotovoltaica. Esto reduce la eficiencia de cualquier dispositivo que se dirija a estas longitudes de onda. Pero como el equipo de investigación se centra en el almacenamiento de energía, suponen que pueden controlar la temperatura del objeto caliente que actúa como fuente de fotones. Así que los investigadores planean utilizar una temperatura relativamente alta (en torno a los 2.000º C) para aumentar el número de fotones de mayor energía cerca del borde del espectro visible. Esto les permitirá utilizar un semiconductor con una banda prohibida más alta, lo que corresponde a un mayor voltaje de salida. Para aumentar aún más la eficiencia, la célula combina dos materiales diferentes que absorben distintas zonas del espectro en lo que se denomina una configuración de dos uniones. El equipo probó dos configuraciones diferentes de dos uniones, una que utiliza aluminio-galio-indio-arsénico y galio-indio-arsénico y una segunda que es galio-arsénico y galio-indio-arsénico. Los dos tienen propiedades ligeramente diferentes en cuanto a lo que absorben con mayor eficacia. Los investigadores envuelven esencialmente todo el dispositivo, que incluye tanto el elemento calefactor que produce fotones como la célula termofotovoltaica que los convierte en electricidad, en un material altamente reflectante. Cualquier fotón que se emita en la dirección equivocada se refleja para golpear el dispositivo termofotovoltaico o ser absorbido por el elemento calefactor, lo que ayuda a mantener su alta temperatura . Lo mismo ocurre con los fotones que llegan al material termofotovoltaico pero no son absorbidos por él. (Los investigadores señalan secamente que los fotovoltaicos no pueden reflejar los fotones no absorbidos hacia el Sol para mantenerlo caliente). El resultado neto es una eficiencia total del dispositivo de alrededor del 40 por ciento, dependiendo de los materiales que se utilicen y de la temperatura de la fuente de calor.

¿ Cómo se compone esto? Una pérdida del 60% suena bastante horrible en comparación con una batería, cuya eficiencia de ida y vuelta es superior al 90% , pero los investigadores señalan que la eficiencia ya es superior a la de la media de los generadores de turbinas de vapor de Estados Unidos. Los dispositivos termofotovoltaicos son relativamente nuevos y se espera que haya mucho margen para aumentar la eficiencia por encima del 40%; en cambio, las turbinas son la tecnología más madura. Ahí es donde entran en juego los dos dispositivos diferentes. Uno de los dispositivos era más eficaz para extraer electricidad a partir de temperaturas en torno a los 2.400º C , el segundo lo hacía mejor una vez que las temperaturas caían por debajo de los 2.000º C. Así que debería ser posible diseñar sistemas en los que se utilicen diferentes dispositivos termofotovoltaicos para extraer electricidad de forma eficaz a medida que la temperatura de un material fuente desciende progresivamente y una vez que la temperatura desciende por debajo de donde los dispositivos termofotovoltaicos y funcionan bien, las cosas deberían seguir estando lo suficientemente calientes como para crear vapor para accionar una turbina. Una segunda ventaja es que el sistema es bastante agnóstico en cuanto a la forma de generar el calor para el almacenamiento. En primer lugar, podría provenir de la electricidad cuando la eólica y la solar produzcan en exceso, pudiera ser parte de una planta de energía solar de concentración (aunque éstas tienden a alcanzar un máximo de 1.000° C). Un diseño para una central nuclear de nueva generación utilizaría el almacenamiento de calor para aumentar su flexibilidad, incluso puede haber algunos procesos industriales que produzcan calor residual a estas temperaturas (aunque también están muy por encima de lo que requieren cosas obvias como la fabricación de acero) que podrían almacenarse. Por último, el equipo señala que se puede utilizar un material barato (como el grafito) para almacenar el calor a estas temperaturas. Así que, siempre que el costo del dispositivo termofotovoltaico y del hardware de apoyo se mantenga dentro de unos límites razonables, esto podría permitir que el almacenamiento térmico unido a las energías renovables compita con los combustibles fósiles. El principal problema parece ser las temperaturas extremas necesarias para que esto funcione.

Un dispositivo fotovoltaico impulsado por el calor alcanza el 40% de eficiencia

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