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Ingenieros de Michigan patentan nueva célula termofotovoltaica que recolecta electricidad a partir del calor con una eficiencia récord

28 mayo, 2024 2 comentarios

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Photo: Brenda Ahearn/University of Michigan, College of Engineering, Communications and Marketing

Un nuevo convertidor de calor a energía ha alcanzado una eficiencia récord del 44%; en comparación, una turbina de vapor promedio logra alrededor del 35%. Esta célula termofotovoltaica es un paso importante en el camino hacia el almacenamiento de energía renovable sostenible a escala de red.

En un avance significativo para las energías renovables, investigadores de la Universidad de Michigan han desarrollado dispositivos de termofotovoltaica que pueden recuperar una cantidad considerablemente mayor de energía almacenada en baterías térmicas. Este desarrollo se acerca al máximo teórico de eficiencia, haciendo que estas tecnologías sean cada vez más viables para su uso en la red eléctrica.

Almacenamiento de Energía Renovable

Las baterías térmicas son una solución prometedora para almacenar energía renovable intermitente durante las horas pico de producción. Estas baterías convierten la energía almacenada en calor en electricidad mediante una versión térmica de las celdas solares.

Con la inclusión de mayores fracciones de renovables en la red para alcanzar los objetivos de descarbonización, necesitamos costos más bajos y mayores duraciones de almacenamiento de energía, ya que la energía generada por el sol y el viento no coincide con los momentos de mayor consumo.

Andrej Lenert, profesor asociado de ingeniería química en U-M y autor principal del estudio

Tecnología de Termofotovoltaica

Las celdas de termofotovoltaica funcionan de manera similar a las celdas fotovoltaicas convencionales, convirtiendo la radiación electromagnética en electricidad. Sin embargo, mientras las celdas solares utilizan fotones de alta energía de la luz visible, las celdas de termofotovoltaica utilizan fotones infrarrojos de menor energía.

Imagen: Brenda Ahearn, Michigan Engineering.

El equipo de investigación ha desarrollado un nuevo dispositivo con una eficiencia de conversión de energía del 44% a una temperatura de 1435°C, superando el 37% logrado por diseños anteriores en el mismo rango de temperaturas (1200°C-1600°C).

Ventajas y Aplicaciones

Es una forma de batería muy pasiva. No necesitas extraer litio como con las celdas electroquímicas, lo que significa que no compites con el mercado de vehículos eléctricos. A diferencia del almacenamiento de energía hidroeléctrica con agua bombeada, puedes colocarlo en cualquier lugar sin necesidad de una fuente de agua cercana.

Stephen Forrest, profesor distinguido de ingeniería eléctrica en U-M y coautor del estudio.

Funcionamiento de las Baterías Térmicas

En una batería térmica, las celdas de termofotovoltaica rodearían un bloque de material calentado a al menos 1000°C. Este material puede alcanzar esa temperatura mediante el paso de electricidad de una granja solar o eólica a través de un resistor, o absorbiendo el calor excedente de la energía solar térmica o de procesos industriales como la producción de acero, vidrio o concreto.

Utilizar electricidad para calentar algo es un método muy simple y económico para almacenar energía en comparación con las baterías de ion de litio. Te da acceso a muchos materiales diferentes para usar como medio de almacenamiento para baterías térmicas.

Andrej Lenert

Optimización y Eficiencia

El material de almacenamiento calentado irradia fotones térmicos con una gama de energías. A 1435°C, aproximadamente el 20-30% de esos fotones tienen suficiente energía para generar electricidad en las celdas de termofotovoltaica del equipo. La clave de este estudio fue optimizar el material semiconductor, que captura los fotones, para ampliar sus energías preferidas mientras se alineaba con las energías dominantes producidas por la fuente de calor.

El equipo también resolvió el problema de la pérdida de fotones fuera del rango útil mediante la construcción de una capa delgada de aire en la celda de termofotovoltaica justo más allá del semiconductor y añadiendo un reflector de oro más allá del espacio de aire, creando una estructura llamada «puente de aire». Esta cavidad ayudó a atrapar los fotones con las energías correctas, enviándolos de vuelta al material de almacenamiento de calor para que tuvieran otra oportunidad de ser reemitidos como un fotón que el semiconductor pudiera capturar.

Al contrario de las celdas solares, las celdas de termofotovoltaica pueden recuperar o reciclar fotones que no son útiles.

Bosun Roy-Layinde, estudiante de doctorado en ingeniería química en U-M y autor principal del estudio.

Futuras Mejoras y Aplicaciones

Un estudio reciente encontró que apilar dos puentes de aire mejora el diseño, aumentando tanto el rango de fotones convertidos en electricidad como el rango de temperatura útil para las baterías térmicas.

Aún no hemos alcanzado el límite de eficiencia de esta tecnología. Estoy seguro de que superaremos el 44% y llegaremos al 50% en un futuro no muy lejano.

Stephen Forrest, profesor distinguido de ingeniería eléctrica en U-M y coautor del estudio.

El equipo ha solicitado protección de patente con la asistencia de U-M Innovation Partnerships y está buscando socios para llevar la tecnología al mercado.

Vía umich.edu

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Publicado en: Almacenamiento de energía

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Comentarios

  1. Aridio peña dice

    2 junio, 2024 a las 23:33

    Buenas tardes
    Sobre el hallazgo patentado de las células termo fotovoltaicas; a partir de qué rango de temperatura comienza a producir energía eléctrica útil con eficiencia y económicamente factible ?

  2. Luis V dice

    31 mayo, 2024 a las 18:24

    Hola esto es super interesante.
    Pero tengo una duda… es posible integrar ambas tecnologías en un solo panel… osea que a la ves que obtenemos energía electrica de la luz solar también podamos obtener electricidad de la energía termica? y todo a través de un solo panel.

    otra duda que tengo es si el almacenamiento es también diferente (baterias).

    Yo tengo un proyecto en donde pueda combinar todas las energías renovables posibles (solar, termica, eólica, hidrica) a través de un solo inversor y un solo tipo de almacenamiento que pueda hacer sustentable una casa.

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