Los sistemas TPV mejorados podrían recuperar entre el 20% y el 50% del calor residual de procesos industriales, reduciendo pérdidas económicas significativas.
Diseño inspirado en la física cuántica impulsa la eficiencia de la conversión de calor en electricidad
Investigadores de la Universidad de Rice han descubierto una nueva manera de mejorar un elemento clave de los sistemas termofotovoltaicos (TPV), que convierten el calor en electricidad mediante luz. Inspirándose en la física cuántica, el ingeniero Gururaj Naik y su equipo han diseñado un emisor térmico que alcanza altas eficiencias dentro de parámetros de diseño prácticos.
Este avance podría revolucionar el almacenamiento de energía térmica en electricidad, una alternativa económica y a gran escala frente a las baterías. Además, las tecnologías TPV eficientes pueden fomentar el crecimiento de las energías renovables, un pilar esencial para alcanzar un mundo con emisiones netas cero. Otro beneficio clave de los sistemas TPV mejorados es la recuperación del calor residual de los procesos industriales, contribuyendo así a una mayor sostenibilidad. Actualmente, entre el 20% y el 50% del calor usado en la transformación de materias primas en productos de consumo se desperdicia, generando pérdidas económicas de más de 200.000 millones de dólares al año solo en Estados Unidos.
Los componentes fundamentales de los sistemas TPV
Un sistema TPV consta de dos componentes principales:
- Células fotovoltaicas (PV): Transforman la luz en electricidad.
- Emisores térmicos: Convierten el calor en luz.
Ambos elementos deben funcionar en conjunto para garantizar la eficiencia del sistema. Sin embargo, hasta ahora, los esfuerzos de optimización se habían centrado principalmente en las células PV.
“El diseño convencional de emisores térmicos limita el alcance de sus posibilidades. Esto conduce a dos opciones: dispositivos prácticos pero de bajo rendimiento o emisores de alto desempeño difíciles de integrar en aplicaciones reales”, señaló Naik, profesor asociado de ingeniería eléctrica y computacional.
Una nueva generación de emisores térmicos
En un estudio publicado en la revista npj Nanophotonics, Naik y su exalumno de doctorado, Ciril Samuel Prasad, presentaron un emisor térmico que promete eficiencias superiores al 60% y es apto para aplicaciones reales.
El emisor está compuesto por una lámina de tungsteno, una capa delgada de material espaciador y una red de nanocilindros de silicio. Cuando se calienta, las capas inferiores acumulan radiación térmica, que puede interpretarse como un «baño» de fotones. Los resonadores diminutos en la superficie interactúan entre sí para controlar la emisión de los fotones, optimizando la intensidad y el ancho de banda de la luz enviada a la célula PV.
“En lugar de enfocarnos en sistemas de resonadores individuales, analizamos cómo interactúan entre sí, lo que abrió nuevas posibilidades,” explicó Naik. “Esto nos permitió controlar cómo se almacenan y liberan los fotones.”
Impulsando la transición energética con tecnologías TPV
La emisión selectiva basada en principios de la física cuántica maximiza la conversión de energía y permite eficiencias más altas, operando al límite de las propiedades de los materiales. Para superar el 60% de eficiencia alcanzado, será necesario desarrollar o descubrir nuevos materiales con propiedades superiores.
Estos avances posicionan a los sistemas TPV como una alternativa competitiva frente a tecnologías como las baterías de iones de litio, especialmente para el almacenamiento de energía a largo plazo. Según Naik, la innovación tiene implicaciones importantes en industrias como las plantas nucleares y las fábricas de manufactura, que generan grandes cantidades de calor residual.
“Lo que hemos demostrado tiene un potencial muy prometedor,” comentó Naik. “Creo que estas tecnologías de conversión de energía son cruciales hoy en día.”
Aplicaciones espaciales y sostenibilidad
El equipo también visualiza el uso de esta tecnología en misiones espaciales, como la alimentación de rovers en Marte. Incluso una mejora de eficiencia del 2% al 5% podría representar un avance significativo para sistemas que dependen de la generación de energía en entornos extremos.
El proyecto contó con el respaldo de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) y la Oficina de Investigación del Ejército de los Estados Unidos, reafirmando la importancia de estas investigaciones en la búsqueda de soluciones energéticas sostenibles.
Vía rice.edu
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