Nuevo récord en solar fotovoltaica
Logran fabricar un célula fotovoltaica con una conversión del 47,1% bajo concentración de luz de 143 soles.
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Un nuevo récord en eficacia en energía solar fotovoltaica nos acera al rendimiento del 50%.
Científicos del National Renewable Energy Laboratory (NREL) han logrado fabricar un célula solar con una conversión del 47,1% bajo concentración de luz. Una versión de la misma bajo iluminación solar normal rinde un 39,2%.
Como ya hemos dicho muchas veces, hay dos tipos de estrategias en energía solar fotovoltaica. Una es fabricar células solares baratas de bajo rendimiento y otra es hacer células caras de alto rendimiento. Las segundas se pueden usar en satélites artificiales y en sistemas en tierra con concentración.
Un sistema de concentración usa algún sistema óptico (espejos) para concentrar la luz del sol sobre el sistema fotovoltaico. Si, por ejemplo, la célula opera a 10 soles, eso quiere decir que la intensidad de luz recibida es 10 veces la que recibiría directamente sin tal sistema. Este tipo de sistemas son complejos al necesitar mecanismos, guiados y disipación del calor, pero usan pocas células fotovoltaicas (caras).
Pero conseguir una alta conversión es muy difícil. Los semiconductores que se emplean en las células tienen una zanja (gap) de energía específica. Los fotones que son convertidos en electricidad tienen una energía relacionada con esa esa zanja de energía del semiconductor, de tal modo que muchos no son convertidos y terminan siendo absorbidos por el material, lo calientan y esto termina rebajando el rendimiento. Como la energía de un fotón depende de su frecuencia (o longitud de onda) entonces serán los fotones de determinada gama de frecuencias los que sean convertidos en electricidad y no los demás.
Para evitar esto se pensó hace ya muchos años en montar distintos tipos de semiconductores con distintas zanjas de energía uno encima de otro de tal modo que en cada capa se use una gama de frecuencias determinada hasta cubrir una buena parte del espectro solar.
En este caso el grupo de John Geisz del NREL ha usado 6 uniones de este tipo para alcanzar una conversión del 47,1% bajo 143 soles. La célula se construyó con material de tipo III-V, lo que hace referencia a la ubicación de los elementos correspondientes en la tabla periódica. En total se necesitaron 140 capas de este tipo de semiconductores.
Ryan France (NREL) dice que una manera de reducir el costo de un sistema fotovoltaico que use células caras de este tipo es reducir el área requerida, usar entonces espejos para capturar la luz, enfocarla cientos o incluso miles de veces sobre el material y que de este modo se use muy poco material. Además. La eficacia aumenta al aumentar la concentración.
France cree que se podrá superar la barrera psicológica del 50%, pero mucho más allá de ese punto los límites los impone la termodinámica y que al ser estos fundamentales no se pueden superar.
Otra manera de superar ese rendimiento es reducir la resistencia dentro de la célula que impide que la corriente eléctrica fluya bien y haya perdidas. Este grupo de investigadores ya trabaja en ello. Por otro lado, también trabajan en la reducción de los costes de fabricación para que haya viabilidad comercial.
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Fuentes y referencias:
Artículo original.
7 Comentarios
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jueves 14 mayo, 2020 @ 9:04 am
Creo que más allá o más acá del 50 % siempre será impuesto por la termodinámica y que la barrera psicológica es eso: psicológica, no relevante a efectos de la física.
jueves 21 mayo, 2020 @ 9:55 am
Aunque todos nuestros compañeros lo sepan, voy a mencionar los principales límites del rendimiento.
El primero es el de la conservación de la energía, que también podemos considerar como la primera ley de la termodinámica, enunciable de diversas formas, y como aquí se habla de rendimientos, lo expresaré así: Ningún sistema de transformación una forma de energía en otra puede superar un rendimiento del 100 %.
El segundo límite impuesto, como aquí también se habla de energía luminosa, sería el que -en principio para otros fines-, fue enunciado por Carnot con temperaturas y con calor, pero que es aplicable de forma general: El límite del rendimiento energético para un sistema viene impuesto por: (Ee-Es)/Ee, siendo Ee la energía entrante en forma de fotones y Es la energía saliente en forma de electricidad. Por tanto cuanto mayor sea la Ee -lo que se consigue acumulando espejos-, pero queda disminuida por el calentamiento de la célula y los fotones absorbidos por ella que no se transforman ambas cosas, relacionadas -lo que, evidentemente, disminuye Es-. Mejora este rendimiento el que se puedan captar cuantas más longitudes de onda, mejor, puesto que con ello se aumente la Ee; de ahí lo de superponer capas de diferentes materiales que absorban diferentes longitudes de onda. Pero ello también conlleva alguna pérdida: lo importante será que la ganancia sea mayor que esa pérdida.
Así que me perdonáis la lección por elemental, chao y abrazos.
sábado 23 mayo, 2020 @ 12:33 pm
Amigo Tomás.
Como dices, alguna parcela de gente, conoce el primero y segundo principio de la Termodinámica. Lo que me agradaría mucho es encontrar alguien que entienda y sea capaz de explicar, él porque existen así, y no de otra manera, como por ejemplo permitiendo el MOTO CONTINUO (generación continua de nueva energía)
Abrazos.
domingo 24 mayo, 2020 @ 10:03 pm
Querido Eduardo: Este caso, es perfectamente comprensible. Yo recuerdo, de crío, cuando tenía poco más de diez años, imaginaba alguna experiencia -varias sencillas las llevé a cabo-. La primera de ellas fue, tomar varios engranajes y que formasen un círculo: Llamaré por números a diversas ruedas dentadas: 1, 2, 3,… Bueno, pues yo podía hacer girar a la 1, movimiento que ésta transmitía a la 2, ésta a la 3, ésta a la 4 y, por último, ésta a la 1. Si eso funcionaba habría conseguido, al menos, un móvil perpetuo, del que no pretendía sacar trabajo alguno -mi ambición no llegaba a tanto-. Naturalmente no dió ni unos segundos de funcionamiento por mucho que lubriqué el artefacto e intenté empezar con todas mis fuerzas: lo poquísimo que se moviera, lo haría por la inercia (por ejemplo poniendo un pesado volante en alguna o varias de las ruedas). Abandoné y más tarde, quizá cuando comencé a estudiar física me di cuenta de que el rozamiento entre los dientes de las ruedas dentadas era un trabajo que de algún sitio habría de salir y, si detenía el esfuerzo inicial, el artefacto no tenía origen de donde sacar energía para seguir moviéndose.
Aunque parezca mentira, mentes de tanta altura como Leonardo Da Vinci intentaron lograrlo de forma muy ingeniosa, creo que con recipientes unidos a una rueda que cuando el citado recipiente llegaba arriba, al volcarse, cambiaba su centro de gravedad, por lo que tal gravedad ayudaría a que la rueda siguiese moviéndose; -siempre se dice que para demostrar que era imposible, pero que algo no funcione no demuestra más que eso no funciona, no otra cosa; cuestión de fama y ser querido por todos-.
Para mí, la «máquina» que más logra durar -aunque acaba parándose al cabo de horas o días es la que puedo describir como una línea de bolitas de acero pendientes, cada una, de su hilo, y en contacto unas con otras. Separas la primera, que golpea a la segunda e, inmediatamente, la última sale despedida con «casi e indistinguible» energía que la primera; entonces, vuelve esta última a chocar contra la fila de bolas y devuelve su energía a la primera, que también sale despedida, y así hasta que, con tiempo y por fin, acaba parándose. Esto puede encontrarse en tiendas -o antes al menos se podía encontrar- porque llama la atención al ser decorativa y, si llega una visita, va a estar golpeando, como poco, mientras dure, con la consiguiente admiración de algunos. Posiblemente, utilizando luz o magnetismo pueda idearse otra máquina, que no conozco, y que aún dure más funcionando, aunque, sin remedio, acabará parándose.
Pero claro, no contesto a tu pregunta. La razón, querido amigo, es que, por poca que sea la pérdida de energía en la transformación, algo ha de perderse, PORQUE NADA DE ENERGÍA PUEDE OBTENERSE SE DE LA NADA. Vamos a pensar un sistema sencillo y espero no quedar mal: Tomemos un rayo de luz, y lo hacemos incidir sobre una superficie de agua perpendicularmente para que no haya pérdida alguna por refracción, pero, la velocidad de la luz ha cambiado, ha disminuído. Pongamos un espejo inclinado para que refleje la luz incidente y otro más, ambos dentro del agua, para que la luz salga fuera paralelamente al rayo entrante. Tenemos pérdidas e energía al entrar, otra al reflejarse en el primer espejo, otra al hacerlo en el segundo y otra al volver al inicial medio de donde procedía en origen. O sea que este rayo de luz saliente tiene menos energía que el incidente. Si tenemos un modo de medir la energía entrante y la saliente, hemos de encontrar una diferencia, forzosamente, aunque la velocidad de la luz se mantenga en cada medio según le corresponda -pues varía en uno y otro medio; solo tiene 300.000 km/s en el vacío-, pero su energía puede variar. Diría que la energía hace variar la longitud de onda, o sea, el color, así que si tenemos un espectrómetro, podremos demostrar que la luz saliente ha dado un salto cuántico a otra longitud de onda. (Creo que Albert nos podría afinar la experiencia y se lo agradeceríamos)
También ha de suceder cuando ponemos dos espejos paralelos: En Alhama de Aragón, hay un balneario de aguas termales en el que estuve hace un par de años. Había una sala previa a diversos baños en la que existían varias parejas de grandes espejos paralelos y yo me pasaba el tiempo admirando tal paralelismo que hacían que mi figura se reflejase innumerables veces -no me atrevo a poner infinitas, porque, alguna vez tenían que acabar, quizá despues de hacerse indistinguibles por su pequeñez…-. En fin, espero, por lo menos haberte ayudado a comprender que en cada cambio de una forma de energía a otra siempre hay una fracción que, si no se repone, acabará deteniendo al artilugio por muy sofisticado que este sea, porque de la NADA, NADA SE PUEDE EXTRAER.
Un fuerte abrazo.
lunes 25 mayo, 2020 @ 1:00 pm
Amigo tomas.
Todo lo que dices está muy bien, solo que la pregunta sigue en el aire. Algunos hemos realizado experiencias rudimentarias más o menos ingeniosas en alguna época de nuestras vidas, intentando demostrar el movimiento perpetuo.
Ya se que esta es una de las preguntas del millón, (puede valer hasta Nobel).
La he propuesto con el animo de levantar discusión, pues imagino que en esta página hay lectores y comentaristas suficientemente preparados, para tener ideas creativas al respecto, aunque sean especulativas.
Personalmente me incomoda la comprobación del incremento en la velocidad de expansión de Nuestro Universo (creo que valió Nobel). La pregunta es: ¿Qué es, y de donde proviene la energía (la llaman Oscura) que provoca esta aceleración ¿. Como dices, de la Nada Nada puede emerger.
Como parece que el principio de conservación de la energía es el mas sagrado en Nuestro Universo, solo se me ocurre pensar que:
Primero, el Big Bang, no fue instantáneo (billonésimas de segundo), y si continuado en el tiempo, de tal forma que continúa emergiendo materia/energía hasta ahora, como si fuese de sus cenizas.
Segundo, está llegando energía nueva de alguna otra dimensión, u otro Universo Paralelo u Oblicuo.
Tercero: Tenemos que descartar el Modelo del Big Bang, y partir no de una Singularidad, sino de una región amplia (puede ser enorme), que constituya una reserva de energía, que aun en la actualidad está siendo liberada lentamente.
Seguramente hay algunas otras propuestas más acertadas. Espero que alguien se arriesgue.
Abrazos.
lunes 25 mayo, 2020 @ 8:59 pm
Querido amigo Eduardo Rincón:
No creo que se te escape que el movimiento perpetuo es inviable (incluso desde el plano teórico, como ocurre en el ejemplo del «demonio de Maxwell»), así que supongo que te refieres a algún dispositivo que se aproxime lo más posible.
El ejemplo que se me ocurre tampoco sería un disposito ideal porque habría que darle un impulso inicial: sería un lapicero al que hiciésemos girar en condiciones de vacío y gravedad cero: como el lapicero no tiene engranajes no habría fricción que lo detenga por ese motivo.
Una duda que tengo es si el lapicero se iría ralentizando (lentísimamente) por acción de las partículas virtuales que hay en lo que llamamos «vacío absoluto» (como los bosones de Gauge) aunque tengan una masa tan diminuta.
Abrazos.
martes 26 mayo, 2020 @ 2:29 pm
Querido amigo Miguel Ángel.
Por supuesto que no creo en que se pueda construir cualquier tipo de mecanismo con movimiento perpetuo, “si se respeta el Principio de Conservación de la Energía”. Hasta donde sabemos teóricamente, (y comprobado en la práctica, por lo menos macroscópicamente).
Creo que el dispositivo ideal que propones (del lapicero) tampoco funcionaria eternamente, independientemente del impulso inicial. Energía esta que poco tiene nada que ver con la permanencia continua del movimiento posterior.
Pienso que en este o cualquier otro experimento mental (o real) no podemos olvidar que el objeto no está solo en el Universo, aunque lejos esta influenciado por la gravedad residual de todos los otros objetos. Y que el Universo se está expandiendo, mudando dinámica y constantemente estos efectos.
Tampoco podemos ignorar que desde (y antes, con el Éter) la promulgación de la TRG sabemos que el Vacío Absoluto no existe en Nuestro Universo, fue sustituido por el Espacio-Tiempo Geométrico de Einstein, (o Vacío Quántico) Según esta teoría la materia deforma el Espacio-Tiempo, esta deformación implica transferencia de energía de la materia para el Espacio-Tiempo. O sea, personalmente entiendo que la materia para mantener su gravedad (deformación) forzosamente tiene que perder parte de su energía/materia propia.
Entonces tu lapicero, para continuar con su movimiento giratorio tendría que ir constantemente disminuyendo su propia energía interna, como que, evaporándose, o de lo contrario está condenado a parar, o desaparecer.
En mi comentario anterior he propuesto tres alternativas para justificar la aceleración de la velocidad de expansión del Universo, que se observa actualmente.
Ahora se me ocurre otra más. Tal vez sea más coherente que las anteriores.
Puede que la energía extra que se precisa para acelerar la expansión, provenga de la radiación nueva que, constantemente está siendo emitida y reemitida por toda la materia contenida en el Universo, principalmente por las estrellas, al estar consumiendo (como que evaporando) su material. O sea, haciendo un balance total en el Universo, la materia estaría diluyéndose transformándose en su equivalente de radiación.
No tengo capacidad de calcular el valor energético de este incremento de radiación y compararlo con el necesario para la aceleración de la expansión. Pero creo que no debe ser exagerado ya que esta aceleración me parece pequeña en escalas cosmológicas. Las últimas mediciones están arrojando valores por vuelta de 70 (Km/s)/Mpc.
Espero no incomodar a nadie con estas elucubraciones.
Abrazos.