Una nueva manera de utilizar la energía solar

Un nuevo tipo de dispositivo que utiliza tanto el calor como la luz generada por el Sol,  es más eficiente que las células solares convencionales, que tan sólo convierten la luz en electricidad.

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 los electrones en un electrodo, y el calor del sol los hace saltar a través de un vacío en el otro electrodo, generando una corriente eléctrica. El dispositivo podría ser diseñado para enviar el calor residual de una máquina de vapor y convertir el 50 por ciento de la energía  en electricidad – una gran mejora con respecto las células solares convencionales.

Las células solares convierten alrededor del 15 por ciento de la energía procedente del Sol en electricidad. Más de la mitad de la energía solar entrante se pierde como calor. Esto se debe a que los materiales activos de las células solares pueden interactuar con sólo en una banda en particular del espectro solar; fotones por debajo de un cierto nivel de energía.

Una forma de superar esto consiste en apilar los materiales activos en la parte superior en una celda multiunión que pueda utilizar un espectro más amplio de la luz, transformando corriente eléctrica en lugar de calor, lo que mejoraría su rendimiento  hasta el 40 por ciento. Sin embargo, estas células son complejas y caras de hacer.

Buscando una mejor manera de aprovechar el calor del sol, Nicholas Melosh se inspiró en los sistemas de cogeneración de alta eficiencia que utilizan la expansión de los gases de combustión para mover una turbina y el calor de la combustión para alimentar una máquina de vapor: Cuanto más calor hace, la conversión resulta ser más eficiente. Pero los convertidores de energía térmica no pueden combinarse con la instalación de dispositivos solares. Las células solares, en cambio, son menos eficaces, ya que se calientan. A temperaturas cercanas a los  100 ° C, una célula de silicio no funcionan bien, por encima de 200 ° C, no funciona en absoluto.

El gran avance se produjo cuando los investigadores de Stanford se dieron cuenta de que la luz solar podría mejorar la conversión de energía en otro tipo de dispositivo, llamado convertidor de energía termoiónica,  impulsado únicamente por el calor. Las lámparas convertidoras 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 a través del electrodo negativo, o ánodo, o lo que es lo mismo; conducir una corriente a través de un circuito externo. Estos dispositivos se han utilizado con éxito en Rusia con satélites de energía, pero no han encontrado ninguna aplicación en tierra  porque deben estar muy calientes, a unos 1.500 ° C, para operar eficientemente. El cátodo en estos dispositivos suele ser de metales como el cesio.

El grupo Melosh reemplazó el cátodo de cesio por una pieza de material semiconductor que puede hacer uso no sólo del calor sino también de  la luz. Cuando la luz incide en el cátodo, que transmite su energía a los electrones en de una manera que sea similar a lo que ocurre en una célula solar. Este tipo de transferencia de energía no ocurre en los metales utilizados para hacer estos cátodos en el pasado, pero es típico de los materiales semiconductores. Y no se necesita tanto calor para que los electrones salten al ánodo, por lo que este nuevo dispositivo puede operar a temperaturas más bajas que los convertidores termoiónicos convencionales, pero a temperaturas más altas que una célula solar.

Los investigadores de Stanford llamaron a este nuevo mecanismo PETE, por las siglas en inglés de Emisión Termoiónica  de Fotones. “La luz ayuda a aumentar el nivel de energía de los electrones para que fluyan”, dice Chen Gang, profesor de ingeniería eléctrica en el MIT. “Todavía queda un largo camino hasta lograr un dispositivo práctico, pero este trabajo demuestra que es posible”.

El prototipo, que se aparece este mes en la revista Nature Materials, utiliza el nitrito de galio como semiconductor. Convierte sólo un 25 por ciento de la energía de la luz en electricidad a 200 ° C, y su eficiencia aumenta con la temperatura. Stuart Licht, profesor de química de la Universidad George Washington, dice que el proceso tendría una ventaja sobre las células solares porque hace uso de calor además de la luz. Pero advierte: “Se necesitaría un trabajo adicional  para traducir esto en un dispositivo práctico más eficiente.”

El grupo de Stanford está trabajando ahora para hacer precisamente eso. Los investigadores están probando materiales que se adapten mejor a la conversión de energía solar, como el silicio y arseniuro de galio. También están desarrollando maneras de tratar estos materiales con el fin de que el dispositivo funcione más eficientemente en un rango de temperatura de 400 ° C a 600 ° C; concentradores solares se utilizan para generar temperaturas tan altas de la luz solar.

Incluso a altas temperaturas, el convertidor termoiónico de fotones generará más calor del que puede utilizarse; Melosh dice que este calor puede ser acoplado a un motor de vapor para una eficiencia de conversión de energía solar en energía eléctrica superior a 50 por ciento. “Estos sistemas tienden a ser demasiado complejos y caros para instalaciones a pequeña escala. Pero podrían ser rentables para grandes instalaciones solares”, dice Melosh, profesor de ciencia de materiales e ingeniería, quien espera tener un aparato preparado para desarrollo comercial en tres años.

Autor: Katherine Bourzac.

Enlace original: A new way to use the Sun’s energy.

Para saber más: Convertidores Termoiónicos.