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Cambio Climático

Fotovoltaica Térmica Mejorada

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Una manera nueva de convertir calor en electricidad que podría conducir a energía solar más eficiente.

  • por Kevin Bullis | traducido por Rubén Oscar Diéguez
  • 21 Enero, 2009

Una metodología nueva para convertir el calor en electricidad a través de células solares podría hacer que fuera más práctica una tecnología llamada fotovoltaica térmica (TPVs). MTPV, una startup ubicada en Boston que reunió $ 10 millones, dice que desarrolló prototipos que son lo suficientemente grandes como para aplicaciones prácticas. La empresa anunció recientemente acuerdos para instalar los dispositivos en fábricas de vidrio para generar electricidad con los gases de combustión calientes.

En general, la 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 de calor residual, la tecnología podría utilizarse eventualmente para generar electricidad con la luz solar de un modo más eficaz que los paneles solares. En un sistema así, la luz solar se concentra en un material para calentarlo y la luz que emite se convierte en electricidad a través de una célula solar.

Hasta ahora, la tecnología no ha sido práctica para aplicaciones comerciales, en parte debido a las temperaturas altas que se precisan y en parte debido a la competencia de tecnologías existentes para transformar calor en electricidad, tales como turbinas de vapor. La innovación de MTPV es un método para aumentar diez veces el flujo de fotones desde el material calentado hasta el panel solar si se lo compara con los sistemas típicos de fotovoltaica térmica. Esto posibilitaría hacer sistemas más pequeños, menos costosos, y prácticos a temperaturas más bajas, según Robert DiMatteo, el presidente ejecutivo de MTPV.

El panel solar convencional absorbe luz de todo el espectro, pero sólo convierte eficazmente algunos colores. Mucha de la energía de las demás longitudes de onda de luz se desperdicia. Como resultado, la eficacia teórica máxima de una célula solar convencional es del 30 por ciento o 41 por ciento si la luz solar se concentra primero en un espejo o en una lente. En un sistema de fotovoltaica térmica la luz se concentra en un material para calentarlo. El material se elije para que cuando se calienta, emita luz con longitudes de onda que la célula solar pueda convertir eficientemente. Como resultado de ello, la eficacia teórica máxima de un sistema de fotovoltaica térmica es del 85 por ciento.

En la práctica, los desafíos de ingeniería que esto supone harán que sea difícil de lograr, pero DiMatteo dice que los modelos por ordenador de la empresa sugieren que una eficacia por sobre el 50 por ciento sería posible. Pero los prototipos no tienen esa eficiencia: convierten del 10 al 15 por ciento del calor que absorben de los gases de combustión calientes de la fábrica de vidrio en electricidad. DiMatteo dice que esto es suficiente como para que los dispositivos resulten económicos. (La eficacia que se espera de los dispositivos de TPV también es mucho más alta que la eficacia prevista para dispositivos termoeléctricos, que convierten al calor directamente en electricidad.)

La diferencia clave entre la tecnología de MTPV y otra fotovoltaica térmica es la posición de la célula solar y del material calentado (MTPV significa “TPV con una brecha de un micrón”). En su trabajo, primero como estudiante del MIT y luego como investigador de los Laboratorios Draper, en Cambridge, MA, Di Matteo descubrió que poner el material calentado muy cerca de la célula solar hacía que se escaparan muchos más fotones de un área dada del material y que fueran absorbidos por la célula solar.

En los sistemas convencionales de TPV, la mayoría de los fotones generados en el material calentado se reflejan nuevamente al material cuando llegan a la superficie; es el mismo fenómeno que atrapa la luz en los cables de fibra óptica. Cuando se acerca mucho la célula solar al material calentado, para que la brecha entre ambos sea menor a la longitud de onda de la luz que se emite, la superficie ya no vuelve a reflejar la luz. Los fotones viajan de un material al otro como si no hubiera una brecha entre ellos. La cercanía también permite que los electrones de un lado de la brecha transfieran energía a los electrones del otro lado de la brecha. (Un vacío entre el material calentado y la célula solar mantiene una diferencia de temperatura entre ambos que es necesaria para obtener una eficiencia alta.) Como el material calentado emite más fotones, la célula solar puede generar 10 veces más electricidad para un área dada, en comparación con la célula solar de la TPV convencional.

Eso hace que sea posible utilizar tan sólo la décima parte de material de células solares, lo que reduce muchísimo los costos. Alternativamente, posibilita generar más energía a menor temperatura, hecho que Peter Peumans, un profesor de ingeniería eléctrica en Stanford University, considera como una de las ventajas claves del método. La fotovoltaica térmica convencional puede necesitar temperaturas de 1.500º C, y DiMatteo dice que, teóricamente, la tecnología generaría electricidad a bajo costo a temperaturas tan bajas como ser 100º C. Este amplio rango de temperatura podría hacer que la tecnología fuera atractiva para generar electricidad del calor de varias fuentes  incluso de los gases de escape de los automóviles que si no se desperdician.

Pero Peumans dice que la tecnología tiene que sacrificar una cosa por otra: dado que el material calentado y la célula solar se tienen que ubicar tan juntos, no es posible poner un filtro entre ellos para ayudar a afinar las longitudes de onda de la luz que llega a la célula solar. Esto podría limitar la eficacia final que el sistema puede alcanzar.

DiMatteo publicó sus estudios sobre el concepto de MTPV a fines de los años 90, pero recién ahora se pudieron crear prototipos lo suficientemente grandes como para que sean prácticos. Un desafío principal ha sido hallar modos para crear una brecha que tenga una décima de micrómetro de lado a lado y que sin embargo pueda extenderse sobre áreas relativamente grandes para obtener dispositivos prácticos. DiMatteo dice que la empresa mejorará el rendimiento de los dispositivos haciendo que la brecha sea cada vez más pequeña. Los modelos por ordenador indican que eso mejoraría la eficacia.

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