NeoFronteras

Energía termofotovoltaica

Área: Tecnología — Sábado, 25 de Enero de 2014

Están desarrollando un sistema de energía solar que podría llegar a tener un rendimiento del 80%.

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Las células solares fotovoltaicas tienen un rendimiento limitado. El problema es intrínseco al uso de un semiconductor específico, en concreto a su zanja de energía.
Así por ejemplo, el silicio empleado en las células fotovoltaicas comerciales tiene una determinada zanja de energía que le permite absorber fotones de una determinada gama de energía, es decir, de una determinada gama de longitudes de onda. Esto limita la energía que se puede conseguir de la luz solar, pues sólo una parte de su espectro es absorbido para producir electricidad. El resto de las frecuencias o longitudes de onda se desaprovecha. El máximo rendimiento que proporciona una célula solar viene dado por límite de Shockley-Queisser, que es un límite o cota superior teórica.
Esta limitación se puede superar usando una células multicapa realizadas en las que cada capa está hecha con distintos materiales semiconductores, de modo que cada uno, al tener una zanja de energía distinta, se absorban gamas de longitudes de ondas distintas. Lo malo es que esta tecnología, aunque es muy efectiva, es muy costosa.
Otra solución que está ahora en desarrollo es el uso de un sistema termofotovoltaico. En este caso se usa un único semiconductor sintonizado para absorber mejor la gama infrarroja. Pero además se usa un material que hace de intermediario con la luz solar. Cuando esta incide sobre el material el material se calienta y emite radiación infrarroja que el semiconductor que está detrás transforma en electricidad.
Un grupo de investigadores del MIT está desarrollando precisamente esta tecnología. Creen que con este sistema se podrían alcanzar rendimientos de más del 80%.
En los prototipos sobre los que han trabajado, el elemento intermedio que emite infrarrojos es un material compuesto en el que se usan nanotubos de carbono y nanocristales.
Recordemos que todo objeto por encima del cero absoluto de temperatura emite radiación electromagnética. El Universo mismo, a poco menos de tres kelvin, emite en la gama de la microondas. Si calentamos más un material emitirá en el infrarrojo, después en el infrarrojo cercano y por encima emitirá luz visible de la parte roja del espectro visible. El hierro al rojo de la fragua no es más que este efecto. Al modelo teórico que describe este fenómeno de le denomina cuerpo negro.
Pero todo esto de la energía solar así obtenida, que suena tan bien, está todavía lejos de ser comercializado. Al principio los sistemas termofotovoltaicos tenían un rendimiento del 1%. Sin embargo, este grupo de investigadores ha conseguido ya un rendimiento del 3,2% y esperan alcanzar un 20% de eficiencia pronto, lo que haría que fuese un producto comercializable.
Todo depende de lo bien que se realicen el elemento intermedio. En este prototipo, la cara que se enfrenta al sol este elemento está recubierto por materiales que absorben bien la luz solar, en concreto de nanotubos de carbono. Al incidir luz concentrada este material se calienta y ese calor es trasmitido a la parte posterior que está compuesta por una capa de cristales fotónicos que han sido diseñados para emitir en una determinada gama del infrarrojo al ser calentados. Esta gama infrarroja es precisamente a la cual el semiconductor posterior es muy eficiente en la conversión a electricidad.
En este caso el mejor rendimiento lo han conseguido a una concentración de 750 soles lo que hacía que el elemento intermedio alcanzara los 962 grados centígrados sobre un prototipo de un centímetro de ancho. Este nivel de concentración es menor que en estudios previos sobre esta misma tecnología. Esperan reducir esta concentración con ciertas mejoras técnicas.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=4319

Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original.
Foto: John Freidah

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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19 Comentarios

  1. Dr. Thriller:

    Pero esto no sólo tendría aplicación solar. En cualquier disipador de calor se podría reciclar parte de esa pérdida de nuevo a electricidad, aunque me imagino que dependerá de las regiones IR.

  2. jab:

    Exacto, pero todos estos sistemas de generación de electricidad serían mucho más útiles si dispusiéramos de baterías de almacenamiento mucho mejores que las actuales. Otro reto tecnológico pendiente.
    Saludos

  3. Dr. Thriller:

    Las baterías ni pueden hacer milagros ni los harán. Cuando la naturaleza (los seres vivos) almacenan químicamente la energía por algo será (y digo químicamente, no electroquímicamente). Una forma barata es con almacen mecánico (volver a subir agua contra el gradiente gravitatorio, o almacenar aire comprimido, etc.). Otra forma sería por ejemplo sintetizar metano (hidrólisis de agua y reacción con CO2). Si se quiere ver así, es una forma de batería… a lo bestia.

    Eso no por hablar del número de dispositivos en sí. Por ejemplo, es totalmente imposible en un plazo de tiempo de años poner encima de la mesa 1.000 millones de vehículos a baterías (es decir, sustituir el parque actual), aparte que semejante sustitucion en masa tiene una factura de recursos brutal. Obviamente, no hay otra solución que reducir ese parque muy mucho y apostar masivamente por un transporte más racional (con menos vehículos y más eficientes).

    Las baterías son complejas y caras, en mi opinión sólo cabe usarlas para obviamente dispositivos que necesiten funcionar autonómamente, ahí sí que hay margen (dado que además hablamos habitualmente de dispositivos de bajo consumo y baterías de poca capacidad, en términos de potencia pero que son muchos días de autonomía). Pero almacenar kWh o MWh eso son palabras muy mayores.

    En cualquier caso, no nos cansemos de repetirlo: en Occidente podemos cortar el consumo a la mitad y ni lo notamos (y lo que estoy diciendo: que los días de vendaval basta y sobra con la eólica). Necesitamos verdaderas auditorías energéticas y desde luego, mucho menos despilfarro. Incluyendo redes energéticas más sencillas y a prueba de catástrofes, que hay muchos escenarios para escoger.

    Por ejemplo, en pérdidas de calor ni siquiera sabemos lo que estamos emitiendo. Baste pensar en los millones de equipos de aire acondicionado que han infestado Occidente como una plaga, todos ellos por pura entropía generan más calor que el que retiran. Y no es en absoluto una cifra negligible.

  4. petrus:

    Hablando de equipos de refrigeración, que se han citado, tal vez convenga recordar, refiriendonos a la eficiencia energética, la existencia de bombas de calor, ese sistema que aprovecha el equipo de refrigeración invirtiendo el aprovechamiento a calor de modo que el rendimiento final resulte mayor que uno, contra, aparentemente , todas las leyes de la entropía… Con estos equipos, mientras consumo 1kwh de energía eléctrica recibo, es un ejemplo, 3kwh de energía calorífica …con ¡un rendimiento del 300%! . Si fuéramos capaces de convertir estos 3kwh en energía eléctrica con un rendimiento > 0,3333 estaríamos en una creación neta de energía, asunto claramente imposible, pero muy tentador como nuevo modelo utópico de “motor de agua”… que ahora se llamaría “motor de calor”. Saludos.

  5. NeoFronteras:

    Estimado Petrus:
    La Termodinámica que permite la existencia de bombas de calor no permite eso que propone.
    La energía se degrada en forma de calor de tal modo que la energía es cada vez menos utilizable para producir trabajo.
    Para poder obtener energía del calor se necesita un foco caliente y otro frío, al pasar este del primero al segundo se puede generar energía con cierto rendimiento que depende de la diferencia de temperatura.
    Para que lo descrito en la noticia funcione a esos rendimientos que se proponen, la temperatura del foco cálido debe ser muy alta para que los infrarrojos producidos sean infrarrojos próximos (con fotones con una energía justo por debajo de los fotones rojos), cosa que no se conseguiría con una bomba de calor. Si se hace un montaje con una bomba de calor tal y como lo describe se sale perdiendo energía útil.

    Los banqueros pueden librarse de las leyes de los hombres, pero nadie se libra de las leyes de la Termodinámica: no hay móviles perpetuos de primera especie.

  6. tomás:

    La solución de que nos habla Dr. Thriller 2H2O + CO2 + energía = CH4 + 2O2 es interesante como forma de almacenar energía en grandes cantidades, pero no nos resuelve el problema del CO2 puesto que para utilizar ese metano es preciso quemarlo con lo la reacción se invierte y volvemos a tener CO2 + 2H2O + energía.
    Pero repito, sí es una buena opción como almacenamiento, con sus inevitables pérdidas en cada transformación, como es de rigor.

  7. josep:

    No creo que lo que propone Petrus sea imposible, más bién es una cuestión de rendimiento de las máquinas que transforman energía.
    La bomba de calor capta energía calorífica del entorno y la concentra consumiendo energía en el proceso. Me parece que sería posible mediante, por ejemplo, un motor Stirling , aprovechar ese calor captado del entorno y concentrarlo, para generar más energía y crear un “móvil perpetuo” que no sería tal, puesto que la energía esta presente en el entorno en forma de calor.

    En resumen, la bomba de calor crea un desequilibrio térmico consumiendo energía y el motor Stirling aprovecha esta diferencia para generar energía. Si ambas máquinas tuviesen un buen rendimiento, pienso que se podría obtener energía neta sin violar ninguna ley de la termodinámica.

  8. NeoFronteras:

    No, no funcionaría. La Termodinámica lo impide. El problema es que la bomba de calor ya consume energía de alta calidad para llevar el calor de un foco frío a otro cálido. El motor de Stirling también necesita de un foco frío y un foco cálido y el rendimiento viene acotado por el de una máquina de Carnot, pero siempre es inferior. No se puede tener el rendimiento que uno quiera porque la Termodinámica lo prohíbe.
    Es como tratar de conseguir energía del calor emanado por el radiador trasero de un frigorífico que sea superior a la que consume por el enchufe. No puede ser.
    Se puede intentar, eso sí, recuperar algo de energía de sistemas muy derrochadores como los motores de explosión interna a partir del calor que emiten. Pero no con el sistema de la noticia, pues opera a una temperatura superior a la del tubo de escape de un coche. Se pueden usar termopares y sistemas similares, incluso motores de Stirling. Pero siempre tendremos que ir a la gasolinera.

  9. thetimethespaceandandtheman::

    .-> La energía media de un fonon, a 25ºC, son : K·T = 0.025 eV.

    .-> La energía de un foton visible (Por ejemplo, de color rojo), es de unos 1.2 eV, muchísimo mayor.

    Luego incluso un foton de infrarrojo (unos 0.5 eV) tiene 20 veces mas energía que un fonon.

    Luego en principio ésta es buena linea de trabajo.

    La verdad es que solo cuando se tienen paneles fotovoltaicos en casa (Como un amigo mio en Madrid), se ve un día soleado, o con nubes, y se mira la Tensión y corriente que esta saliendo de un metro cuadrado, se da uno cuenta de la cantidad de energía que estamos desaprovechando.

    Hoy (28-1-2014) en madrid es un día nublado.

    Pues esta mañana, a las 09:15horas, un metro cuadrado estaba dando unos 25 Watts de potencia de salida eléctrica.

    Y eso que el rendimiento (Area > Cables de salida) es del orden de 14%.

    Es decir, podía estar dando 178 Watts (Ro = 100%) o 89 Watts (Ro 0 50%).

    Un día nublado, ojo, un metro cuadrado, a las 09:15h de la mañana.

    No tengo ninguna duda de que el futuro es solar, y libre.

  10. tomás:

    Querido Theti:
    Estoy seguro de que el futuro, al menos en parte será solar, pero lo de libre lo dudo. Al igual que aparcar -en suelo de madre Tierra común al fin y al cabo- fue hasta hace no tanto libre y gratuito -yo he aparcado en la Gran Vía a tomarme un aperitivo en una terraza- a la energía solar le pondrán impuestos para proteger los grandes intereses. Creo que ya los hay, y no pequeños, incluso multas descomunales si no declaras la instalación, por la que, seguramente, habrá que pagar una licencia.
    Puede llamarse a licencia e impuestos: “… del medio ambiente”, para que suene como si lo estuvieran protegiendo.
    Un abrazo.

  11. NeoFronteras:

    Casi todos nichos económicos están ocupados y sólo proporcionan beneficios marginales. Además, los posibles nichos desconocidos son muy difíciles de encontrar.
    Por tanto, la mejor forma de “hacer negocio” (robar legalmente) es presionar al poder político para cobrar algún tipo de peaje por cosas gratuitas (aparcar en la calle, por ejemplo), abrir huecos en nichos como la educación o la sanidad destruyendo el competir público, parasitando el sistema de impuestos directamente con la excusa de estar arruinados (ejemplo: bancos, autopistas) o creando la maravillosa “escasez artificial” (alguien no puede construirse una casa por uno mismo si no paga un sobreprecio por el terreno y toda clase de permisos e impuesto, pese a que la vivienda es un bien básico reconocido).
    Los grandes negocios se hacen sobre las necesidades, pues no se puede renunciar a las necesidades. Podemos vivir sin automóvil, tablet o tele plana gigante, pero no sin una vivienda, sanidad o educación.
    Si uno se va de la ciudad porque no puede pagar la vivienda entonces pagará por el transporte o por la gasolina y el parking. No suele haber escapatoria.
    El asunto de la energía solar no prosperará en España hasta que la mafia político-económica sea desplazada del poder. Mientras tanto cobrarán el “peaje de respaldo” o impondrán un impuesto a las placas fotovoltaicas (ya se pone un gran arancel).
    Pero el desplazamiento mencionado no se producirá debido a la escasa madurez política del pueblo, su conformismo, infinito egoísmo, escasa solidaridad, excesiva polarización y gran cultura corrupta (no queremos quitar a los corruptos queremos ocupar su lugar).

    Ojalá esté equivocado.

  12. jab:

    Ojalá. Pero no lo creo.

  13. tomás:

    De acuerdo Neo; creo que la ley o el proyecto de ley sobre la producción propia de energía eléctrica con paneles solares o cualquier otro medio es menos perversa de lo que suponía y además parece que debe ser aprobada en Bruselas. Hablo de oídas. De todas formas me parece que hay que declarar la instalación y pagar algo -de momento-; luego ese algo ya veremos si se incrementa. Es que soy muy mal pensado en estos temas de complicidad oligopolio-política.
    Y sí, algo debe haber en la capacidad de perdonar a los corruptos movido por ese querer ocupar su puesto en vez de terminar con ellos.
    Afectuosos saludos.

  14. thetimethespaceandandtheman::

    Neo:

    “y gran cultura corrupta (no queremos quitar a los corruptos queremos ocupar su lugar).”

    Ayer estuve leyendo un libro que hace muchos años que compre, ‘Mi siglo’, de Gunter Grass.

    La codicia, el conformismo, el ‘si, esta mal, pero me da beneficios’,,,,,,,,,,,,

    Leí concretamente un año (Son 100 trocitos de unas 3 paginas, uno por año) en que dos poetas amigos, que habían caído cada uno en una Alemania, y eran famosos en sus respectivos lugares, se juntaban al entierro de un amigo común.

    ¿Como se rieron (Pues es lo que querían, como buenos amigos)?.

    Haciendo cada uno burla del otro sobre sus ‘obras políticas’.

    El de Alemania del oeste se puso pomposo y declamó los sonetos que su amigo había compuesto para Josef Stalin.

    El de Alemania del este, pomposamente, recitó las odas a la libertad que su amigo había hecho por los USA.

    Ambos se rieron, y se marcharon a tomar una cerveza, antes de tener que volver a sus sitios (Como decía Miguel Hernandez, ‘de mi corazón, a mis asuntos’).

    Almacenamiento de energía eléctrica es TODO lo que hoy hace falta.

    Así, adiós a la red.

    Las actuales baterías son caras (100 euros/Kwatt·hora), no duran mucho (7 años), y pierden bastante energía (solo el 80% de lo que reciben, lo devuelven).

    Ya tenemos placas a 0.7 euros/watt de pico.

    Y SI creo que se romperá el monopolio.

    ¿Os acordáis de los años 1980, con telefónica en monopolio, y poner un teléfono supletorio en tu casa era casi delito?.

    Los chinos de España se llenaron de supletorios a 100 pesetas, le ponías en paralelo, y punto.

    Si, así se puede destruir un monopolio.

    Saludos.

  15. Pocosé:

    Amigo theti
    Ojalá fuera tan fácil como dices, ya hemos visto aquí importantes avances al respecto.
    Creo que se ha llegado a limitar por ley, hasta el numero de gallinas que se pueden criar para autoconsumo. Que yo sepa no hay aún una multinacional huevera, ni ningun ex alto cargo político en el sector.
    La esperanza de llegar, vendrá con otros aires y para ello tendremos que ser muchos los que soplemos juntos en la dirección apropiada.

  16. NeoFronteras:

    Un análisis sobre el asunto:

    http://www.energias-renovables.com/articulo/por-que-da-tanto-miedo-la-20140129

  17. tomás:

    Gracias por el envío, estimado Neo. Sabía que algo no iba bien, tal como decía en mi 10. Luego, rebajaste mi indignación con tu 11 (le di un sentido menos corrupto-abusivo a tu “…ya se pone un arancel”, tal como digo en mi 13.
    Pero el envío me ha documentado bastante más y plantea el meollo de la cuestión: no sólo se trata de un abuso, de legislar a sabiendas de que se hace contra el pueblo y a favor del oligopolio esperando, como es de rigor, un buen puesto en algún consejo de administración -a eso se le llama “legislar contra derecho”, es decir a sabiendas y con intención deliberada del legislador de hacer lo contrario de aquello para lo que ha sido elegido.
    Pero, como dicen en el “Observatorio Crítico de la Energía” lo más importante es si ese cambio inevitable hacia la fotovoltaica sera aprovechado para democratizar la energía o irá a parar al oligopolio.
    Yo no soy optimista en este aspecto.
    Gracias otra vez, querido amigo.

  18. NeoFronteras:

    Como vemos por aquí se investiga en este tipo de tecnologías y mucho, pero la energía fotovoltaica ya está aquí, ya es rentable (al menos en países con electricidad cara como España). No es un futurible.
    Ya estamos en ese futuro, futuro que ha llegado por el abaratamiento de la tecnología de silicio convencional.
    Lo único que queda es la cuestión política.

  19. tomás:

    De política y de que, de una vez, usemos la indignación que nos produce este manipulado sistema engañosamente democrático. ¿No podría o debería poderse denunciar ante el judicial este tipo de proceder? Porque si no se puede qué hacemos ¿la rebelión? Lo que no vale es “si no le gusta como he gobernado, no me elija”. Eso es una tomadura de pelo. Las responsabilidades no se castigan con una papeleta, sino ante la justicia.

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