Los paneles solares 'tridimensionales' ya son una realidad

Hace casi dos años un grupo de investigación del famoso MIT, Instituto Tecnológico de Massachusetts, dirigido por el profesor Jeffrey Grossman publicó unos esperanzadores resultados sobre una nueva forma de paneles solares. En vez de ser paneles de células fotovoltaicas normales que solo capturan luz en un plano, eran estructuras tridimensionales que podían captar mucha más luz. Esta noticia fue recogida en diferentes medios y webs, como por ejemplo Microsiervos. Todo aquello eran “simplemente” simulaciones para poder optimizar la forma de dicha estructura tridimensional, y por tanto se trataba de un estudio meramente teórico. Durante los últimos años han seguido trabajando y en estos últimos meses han llegado a algunos resultados que pueden ser claves para el desarrollo de los futuros paneles fotovoltaicos. Pero antes de descubrirlos, pongámonos en situación.

El origen del estudio

En sus simulaciones, estos investigadores del MIT encabezados por el profesor Jeffrey Grossman han tratado de maximizar la energía recibida por distintas estructuras utilizando métodos de Monte Carlo y unos algoritmos conocidos como algoritmos genéticos, donde se optimiza la evolución de un sistema ante la variación aleatoria de alguna de sus condiciones. Sería algo similar a lo que ocurre en la naturaleza con la selección natural. Una vez hecho esto han construido tres pequeños prototipos que han utilizado para comprobar experimentalmente si sus simulaciones eran correctas.

Los prototipos con los que trabajaron fueron un cubo abierto por su parte superior, un rectángulo con la misma base pero el doble de alto, y una torre con sus paneles ordenados en zigzag, como si fuera un acordeón. Son las figuras 1, 2 y 3 de la imagen superior, respectivamente. Los paneles solares utilizados son comerciales (cualquier persona podría acceder a ellos), están basados en silicio, y tienen un tamaño de 9 cm² (3 cm de lado). El cubo está abierto por arriba y lo recubren 9 de estos paneles solares. Para el rectángulo, también abierto, se utilizaron 17 placas, y para la torre 32. Todas del mismo tamaño. Para todos ellos se simuló su comportamiento en diferentes situaciones, como su posición en el planeta o el ángulo de incidencia del Sol. Comparando estos resultados con las simulaciones para un único panel solar plano, con un tamaño igual a la base del cubo, ya parecía que la cosa pintaba bien, pero era necesario realizar una comprobación experimental para saber si estaban por el buen camino.

Adelante con el experimento

Nada más sencillo para saber la eficiencia real de estos prototipos que ponerlos en el tejado del MIT y comparar los resultados con los de un panel solar fotovoltaico convencional. En este punto cabe destacar una vez más que la comparativa se realiza frente a un único panel solar con un tamaño idéntico a la base del cubo (o el rectángulo), de modo que está en clara desventaja con respecto a la superficie de absorción de luz de las estructuras 3D. Esto es, las estructuras tridimensionales tienen mucha más área de paneles solares, de modo que es de esperar que, obviamente, su capacidad para generar energía sea mayor. Y efectivamente así era. Para un día despejado de invierno la torre obtuvo 20 veces más energía que el panel solar plano.

Para poder hacer una comparación justa los investigadores recurren al cociente entre el exceso de área de paneles solares y la energía que generan. De esta forma pueden comparar el exceso de área por unidad de energía. Los resultados van desde 1,5 al comparar la torre con el panel plano en un día de invierno, a 4 cuando se compara el cubo con el panel plano en un día de verano. Vale, sí, esto os habrá sonado a chino. Lo que viene a decir es que, en términos de la energía que producen, la torre solamente tiene un 50% más de superficie que el panel plano (a pesar de tener 32 paneles), mientras que el cubo tiene cuatro veces más (a pesar de tener 9 paneles). Luego la torre es un sistema muy bien optimizado mientras que el cubo no lo es tanto.

A la izquierda, ganancia de los prototipos tridimensionales frente a un panel plano en diferentes condiciones climáticas. A la derecha, comparativa de la potencia producida en un día nublado por las cuatro estructuras. Flat hace referencia al panel solar plano, Cube al cubo, Tall Cube al rectángulo, y Tower a la torre.

Llama mucho la atención otro aspecto destacado del experimento y es que los resultados de las estructuras tridimensionales son mejores a medida que son más altos. La razón es bien sencilla. A mayor altura más rayos de sol vas a poder recibir, ya que es incluso posible lograr un buen número de fotones incidentes incluso cuando amanece o anochece. Puesto con números: los prototipos estudiados casi doblaban el número de horas punta de luz, con respecto al panel solar plano; lo que a su vez implicaba una generación de entre 2 y 20 veces más energía. Podéis comprobarlo en la gráfica izquierda de la figura superior donde se ve como la energía producida por los prototipos supera con creces a la del panel plano.

Otra de las grandísimas ventajas de estos prototipos, y que también se observa en la figura superior, es que el clima les afecta muy poco a la hora de generar energía. Gracias a que pueden poseer paneles en las tres direcciones del espacio no están limitadas a recoger únicamente la luz que llega del cielo como en los paneles solares plano (que con nubes o lluvia no es demasiada), sino que son capaces de recibir luz rebotada de todas direcciones. En la gráfica derecha de la figura superior tenemos la generación en un día nublado, donde la curva de color naranja, que representa a la torre, es mucho mayor que la roja, que representa el panel solar plano.

Sin embargo esto no es todo. Los paneles solares planos tienen su funcionamiento óptimo cuando reciben la luz perpendicularmente a su superficie, pero debido a la propia curvatura de la Tierra para conseguir esto más allá del ecuador es necesario inclinarlos un cierto ángulo para compensar la latitud. A medida que nos desplazamos hacia los polos este ángulo va creciendo y no es posible lograr tanta energía como quisiéramos. Este problema es intrínseco de los paneles solares planos, pero que parece solucionarse con los prototipos creados en el MIT.

Simulación de la relación de energía media anual producida por el prototipo cúbico y un panel solar plano para diferentes latitudes.

En sus simulaciones han comprobado como el cociente entre la energía proporcionada por el cubo y la proporcionada por el panel plano aumenta a medida que nos alejamos del ecuador. ¿Esto qué quiere decir? Pues que el cubo, que es el menos optimizado de los prototipos, continúa generando prácticamente la misma energía a pesar de que se encuentre a mayor latitud. Puesto con números: en una ciudad como Oslo, a una latitud 60º Norte, la simulación nos dice que el cubo produce más de el doble de energía que el panel plano en verano y por encima de 15 veces más en invierno.

En resumen…

En resumidas cuentas podemos decir que estos nuevos prototipos de paneles solares en estructuras tridimensionales han demostrado comportarse de una forma mucho más efectiva que los paneles solares planos convencionales a la hora de generar energía. Si bien es cierto que llevan muchos más placas solares que estos últimos, los prototipos han demostrado compensar este hecho gracias a que generan mucha más energía. Además, el sobrecoste de tener más paneles solares es pequeño gracias a la continua disminución de precios que está sufriendo esta tecnología, y que cada vez se acentúa más; y su generación energética es suficiente para cubrirlo con creces.

Otras características y ventajas que podemos enumerar de estos prototipos del MIT son las siguientes:

• La torre con placas en zigzag es la estructura mejor optimizada, logrando hasta 20 veces más energía que un panel solar plano en condiciones de nubosidad.
• Las condiciones climáticas y la latitud a la que se encuentren sobre la Tierra tienen un impacto mínimo sobre su funcionamiento.
• Son sistemas fijos que no requieren el complejo y caro sistema de movimiento que utilizan las plantas solares para seguir al sol y aumentar su horas de máxima exposición.
• Podrían añadirse espejos con facilidad para focalizar más luz y lograr así aún mejores resultados.

A pesar de todas estas ventajas, queda mucho camino por recorrer, pues aún estamos lejos de poder implantar estos prototipos de estructuras solares en nuestros edificios. Además, es necesario comprobar experimentalmente que todas las simulaciones que se han realizado se ajustan realmente a la realidad, cosa que llevará bastante tiempo. Aún así, el futuro para esta “nueva” tecnología parece muy prometedor.

Bibliografía

• Artículo científicos original en Energy & Environmental Science. DOI: 10.1039/C2EE21170J
• Nota de prensa del MIT.
• La imagen que encabeza el artículo fue realizada por Allegra Boverman para el MIT. El resto están sacadas del artículo científico.
• Pequeña reseña en DVICE.