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| Una celda termofotovoltaica (TPV) (tamaño 1 cm x 1 cm) montada en un disipador de calor diseñado para medir la eficiencia de la celda TPV. Para medir la eficiencia, la celda se expone a un emisor y se toman medidas simultáneas de la energía eléctrica y del flujo de calor a través del dispositivo. Imagen: Felice Frankel |
Las turbinas de vapor convierten alrededor del 35% de una fuente de calor en
electricidad. Sin embargo, la maquinaria depende de piezas móviles cuya
temperatura está limitada. Las fuentes de calor de más de 2.000 grados
centígrados serían demasiado calientes para las turbinas. En los últimos años,
los científicos han estudiado alternativas de estado sólido: motores térmicos
sin piezas móviles que podrían funcionar eficazmente a temperaturas más
altas.
Los ingenieros del MIT y del Laboratorio Nacional de
Energías Renovables (NREL) han diseñado un nuevo motor térmico sin piezas
móviles. Este motor térmico -una celda termofotovoltaica (TPV)-
convierte eficazmente el calor en electricidad con un rendimiento superior al
40%.
A diferencia de las turbinas de vapor tradicionales, que
ofrecen un rendimiento del 35%, este nuevo motor térmico ofrece un mayor
rendimiento.
La celda termofotovoltaica (TPV) es similar a las
celdas fotovoltaicas de un panel solar. Capta los fotones de alta energía de
la fuente de calor y los convierte en electricidad. Este motor térmico de
nuevo diseño genera electricidad a partir de una fuente de calor de entre
1.900 y 2.400 grados Celsius, es decir, unos 4.300 grados Fahrenheit.
Utilizando
las celdas TPV, los científicos demostraron las partes principales del
sistema en experimentos separados a pequeña escala. Ahora están trabajando en
la integración de las partes para demostrar un sistema totalmente operativo.
Esperan ampliar el sistema para sustituir a las centrales eléctricas
alimentadas por combustibles fósiles y hacer posible una red eléctrica
totalmente descarbonizada y abastecida por energías renovables.
Segun
Henry, catedrático de desarrollo profesional Robert N. Noyce en el
Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, declaró: "Las celdas
termofotovoltaicas eran el último paso clave para demostrar que las baterías
térmicas son un concepto viable. Se trata de un paso fundamental en el camino
hacia la proliferación de las energías renovables y la consecución de una red
totalmente descarbonizada."
Las celdas TPV podrían fabricarse con
materiales semiconductores con un bandgap determinado, como las celdas
solares. Si el material absorbe un fotón de alta energía, el material puede
lanzar un electrón a través del bandgap. El electrón puede entonces conducir y
generar electricidad sin necesidad de mover los rotores o las aspas.
Hasta
ahora, las celdas TPV sólo han alcanzado un 32% de eficiencia porque
funcionan a temperaturas más bajas. En este nuevo estudio, los científicos
trataron de diseñar celdas TOV que pudieran capturar fotones de mayor energía
a partir de una fuente de calor de mayor temperatura. En comparación con los
diseños de TPV existentes, la celda TPV resultante lo hace con materiales de
mayor banda prohibida y múltiples uniones, o capas de material.
La
celda se fabrica a partir de tres regiones principales: una aleación de alto
bando, que se asienta sobre una aleación de bando ligeramente inferior, una
capa de oro en forma de espejo. La primera capa captura los fotones de mayor
energía de una fuente de calor y los convierte en electricidad, mientras que
los fotones de menor energía que atraviesan la primera capa son capturados por
la segunda y convertidos para aumentar la tensión generada. Los fotones que
atraviesan esta segunda capa son reflejados por el espejo hacia la fuente de
calor en lugar de ser absorbidos como calor desperdiciado.
La
eficacia de las celdas se determina colocándolas sobre un sensor de flujo
térmico. El experimento consiste en exponer la celda a una lámpara de alta
temperatura. Posteriormente, los científicos observaron cómo cambiaba la
eficiencia energética de la celda con la temperatura cuando variaban la
intensidad o la temperatura de la bombilla.
Los científicos
descubrieron que la celda mantenía una eficiencia de alrededor del 40 por
ciento a más de 1.900 a 2.400 grados Celsius.
Henry dijo: "Podemos
obtener una alta eficiencia en un rango de temperaturas relevante para las
baterías térmicas".
"La celda en los experimentos es de
aproximadamente un centímetro cuadrado. Para un sistema de baterías térmicas a
escala de red, las celdas de TPV tendrían que ampliarse a unos 3.000 metros
cuadrados (aproximadamente un cuarto de campo de fútbol) y funcionar en
almacenes de clima controlado para extraer energía de enormes bancos de
energía solar almacenada. Señala que existe una infraestructura para fabricar
celdas fotovoltaicas a gran escala, que también podría adaptarse para
fabricar TPV".
"Hay un enorme beneficio neto en términos de
sostenibilidad. La tecnología es segura, benigna para el medio ambiente en su
ciclo de vida, y puede tener un enorme impacto en la reducción de las
emisiones de dióxido de carbono de la producción de electricidad."
Fuentes, creditos y referencias:
Latin, A., Schulte, K.L., Steiner, M.A. et al. Thermophotovoltaic efficiency of 40%. Nature 604, 287–291 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04473-y
Fuente: MIT